基于LabVIEW的通信原理虛擬實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)

1、目 錄引言1第1章 緒論31.1 虛擬儀器的基本概念31.2 虛擬儀器的構(gòu)成41.3 虛擬儀器的特點(diǎn)4第2章 虛擬實(shí)驗(yàn)室基本系統(tǒng)概述62.1 研究虛擬實(shí)驗(yàn)室的意義62.1.1 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的弊端62.1.2 虛擬實(shí)驗(yàn)室的優(yōu)點(diǎn)72.2 軟件LabVIEW簡(jiǎn)介92.3 虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的基本構(gòu)成10第3章 軟件設(shè)計(jì)183.1 虛擬儀器模塊183.1.1 虛擬信號(hào)發(fā)生器模塊183.1.2 虛擬數(shù)字示波器模塊193.1.3 虛擬頻譜分析儀模塊213.1.4 虛擬數(shù)字濾波器模塊223.2 虛擬實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)列舉253.2.1 信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)實(shí)驗(yàn)253.2.2 信號(hào)的合成與分解實(shí)驗(yàn)273.2.3 系統(tǒng)頻率響應(yīng)特

2、性的實(shí)現(xiàn)28第4章 總結(jié)和展望314.1 總結(jié)314.2 展望32致謝33參考文獻(xiàn)34引言在這個(gè)計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)時(shí)代，利用計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)進(jìn)行改造，已是大勢(shì)所趨，而虛擬儀器系統(tǒng)正是計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與傳統(tǒng)的儀器技術(shù)進(jìn)行融合的產(chǎn)物。八十年代末，美國(guó)國(guó)家儀器公司(NI)提出了“軟件就是儀器”的口號(hào)，將日益普及的計(jì)算機(jī)技術(shù)與儀器儀表技術(shù)完美結(jié)合起來(lái)，提出虛擬儀器(Virtual Instruments)的概念。LabVIEW是Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench 的縮寫(xiě)。它是NI 公司研制的圖形化編程軟件，是目前最為成功、應(yīng)用最

3、為廣泛的虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境。應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)，使我們能夠在計(jì)算機(jī)上按照自己的需求來(lái)設(shè)計(jì)儀器，方便靈活而且開(kāi)發(fā)周期短。它不僅降低了儀器成本，更提高了工作效率。在最近幾年里,快速可靠的計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)獲得了驚人的發(fā)展，局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)上的計(jì)算機(jī)可以進(jìn)行信息和命令交換，這樣網(wǎng)絡(luò)服務(wù)拓展了虛擬儀器的使用范圍，給虛擬儀器技術(shù)注入了強(qiáng)大的活力，進(jìn)一步增強(qiáng)了數(shù)字化儀器的優(yōu)勢(shì)，從而成功地進(jìn)入了網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器階段。LabVIEW具有非常強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能，其內(nèi)置Web Server，可以進(jìn)行網(wǎng)頁(yè)發(fā)布，使客戶端僅用Web瀏覽器便可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。通過(guò)將網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與虛擬儀器技術(shù)相結(jié)合，遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)室為遠(yuǎn)程教育的實(shí)驗(yàn)課程提供了解

4、決方案。國(guó)內(nèi)部分重點(diǎn)大學(xué)在這方面已開(kāi)始了初步的研究和應(yīng)用。但是在通信專業(yè)教學(xué)上的應(yīng)用還無(wú)先例。通信原理教學(xué)實(shí)驗(yàn)包括：數(shù)字基帶信號(hào)、數(shù)字調(diào)制與解調(diào)、模擬信號(hào)的波形編碼、循環(huán)糾錯(cuò)編碼等，其主要目的是幫助學(xué)生理解通信系統(tǒng)的整體概念及基本理論，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的通信系統(tǒng)觀念、提高實(shí)際動(dòng)手能力有極其重要的作用。在這些教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，需要的儀器有:數(shù)字萬(wàn)用表、任意波形發(fā)生器、數(shù)字存儲(chǔ)示波器、頻譜分析儀、失真度儀、頻率計(jì)。特別是頻譜分析儀作為頻域分析儀器在教學(xué)實(shí)驗(yàn)中有著非常重要的作用，但因頻譜分析儀價(jià)格的昂貴，至今沒(méi)有配備。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器除了在性能、易用性、用戶可定制性等方面具有更多優(yōu)點(diǎn)外，在工程應(yīng)用和社

5、會(huì)經(jīng)濟(jì)效益方面也具有突出優(yōu)勢(shì)。此外，傳統(tǒng)的通信原理實(shí)驗(yàn)主要通過(guò)硬件電路實(shí)現(xiàn)各功能模塊，由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生信號(hào)，用示波器觀察各點(diǎn)波形。由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，往往得不到豐富實(shí)驗(yàn)結(jié)果，而且學(xué)生面對(duì)復(fù)雜的電路板難以從系統(tǒng)的觀點(diǎn)去分析各點(diǎn)波形關(guān)系。設(shè)計(jì)出一套與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相配合的虛擬實(shí)驗(yàn)軟件，采用軟件模擬的方法，通過(guò)靈活調(diào)節(jié)各個(gè)實(shí)驗(yàn)參數(shù)，靈活控制實(shí)驗(yàn)進(jìn)程,便可很好的彌補(bǔ)傳統(tǒng)通信原理實(shí)驗(yàn)的不足。因此，將虛擬儀器技術(shù)引入到教學(xué)實(shí)驗(yàn)中就成為行之有效的解決方案。1實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)室有眾多意義，但是目前最重要的也是最現(xiàn)實(shí)的意義就是應(yīng)用于教育系統(tǒng)上。隨著我國(guó)高等教育體制的深化改革以及招生規(guī)模擴(kuò)大方針實(shí)施以來(lái),學(xué)生規(guī)模急劇膨

6、脹的普通高等院校普遍陷入了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的困境。從現(xiàn)實(shí)的意義上來(lái)說(shuō)，在高等工程教育中采用虛擬實(shí)驗(yàn)室，可以從根本上解決實(shí)驗(yàn)與實(shí)習(xí)經(jīng)費(fèi)嚴(yán)重短缺問(wèn)題。同時(shí)，利用虛擬儀器技術(shù)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器設(shè)備的遠(yuǎn)程、分布式控制,在教育、科研等領(lǐng)域中具有廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用前景,是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一個(gè)新的發(fā)展方向。第1章 緒論電子信息類的專業(yè)課程有兩大特點(diǎn)，一是比較抽象，如信號(hào)與系統(tǒng)、數(shù)字信號(hào)處理、高頻電子電路、通信原理、模擬和數(shù)字電子技術(shù)等課程，需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)來(lái)幫助學(xué)生理解；有的則必須通過(guò)學(xué)生的實(shí)踐才能掌握，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、軟件編程等課程，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)在電子信息實(shí)驗(yàn)教學(xué)中占有非常重要的地位，是提高學(xué)生動(dòng)手能力、培養(yǎng)創(chuàng)

7、造能力和綜合素質(zhì)的一個(gè)有效的手段。很多學(xué)科都是以實(shí)驗(yàn)課程為基礎(chǔ)的，缺少了實(shí)驗(yàn)的支持，學(xué)科的教學(xué)和科研活動(dòng)就無(wú)法進(jìn)行。學(xué)生只有通過(guò)足夠的驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)和一定數(shù)量的綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)才能加深理解和掌握所學(xué)的理論知識(shí)和應(yīng)用技術(shù)，也只有通過(guò)實(shí)驗(yàn)，才能將理論與實(shí)踐很好地結(jié)合起來(lái)。二是電子信息技術(shù)作為新的支柱產(chǎn)業(yè)，發(fā)展非常迅速，技術(shù)更新快，導(dǎo)致高校的課程特別是實(shí)驗(yàn)課程往往落后于技術(shù)的進(jìn)步，無(wú)法滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要。國(guó)內(nèi)高校傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中暴露出的無(wú)實(shí)驗(yàn)?zāi)M功能、輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)功能等種種弊端。與時(shí)俱進(jìn)地開(kāi)發(fā)出虛擬儀器實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新意識(shí)的目標(biāo)。目前國(guó)內(nèi)高校電子信息類實(shí)驗(yàn)大

8、多采用各門(mén)課程的實(shí)驗(yàn)箱和傳統(tǒng)儀器搭建起來(lái)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，傳統(tǒng)儀器和實(shí)驗(yàn)箱是功能固定且單一，通常只能作一些演示性和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展和資源共享。電子信息類教學(xué)實(shí)驗(yàn)常用儀器儀表為：函數(shù)發(fā)生器、示波器、萬(wàn)用表及各種專用實(shí)驗(yàn)設(shè)備等。1.1 虛擬儀器的基本概念虛擬儀器(Virtual Instrument，簡(jiǎn)稱VI)是在以計(jì)算機(jī)為核心的硬件平臺(tái)上，通過(guò)軟件將計(jì)算機(jī)硬件資源與儀器硬件有機(jī)地融為一體，利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的軟件功能實(shí)現(xiàn)信號(hào)數(shù)據(jù)的運(yùn)算、分析、處理，從而完成各種測(cè)試功能的儀器系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)在虛擬儀器中處于核心地位，計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)和測(cè)試系統(tǒng)更緊密地結(jié)合成了一個(gè)有機(jī)整體，儀器的結(jié)構(gòu)概念和設(shè)計(jì)觀點(diǎn)等都發(fā)

9、生了突破性的變化。從構(gòu)成上來(lái)說(shuō)，虛擬儀器就是利用計(jì)算機(jī)，配上相應(yīng)的硬件和專用軟件，形成既有普通儀器的基本功能，又有一般儀器所沒(méi)有的特殊功能的新型儀器。它將計(jì)算機(jī)采集測(cè)試分析引入到電子測(cè)量領(lǐng)域，用數(shù)字化和軟件技術(shù)極大地提高了測(cè)試的靈活性和可擴(kuò)充性。1.2 虛擬儀器的構(gòu)成虛擬儀器的基本構(gòu)成包括計(jì)算機(jī)、虛擬儀器軟件、硬件接口模塊等，軟件是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵。虛擬儀器應(yīng)用軟件集成了儀器的所有采集、控制、數(shù)據(jù)分析、結(jié)果輸出和用戶界面等功能，使傳統(tǒng)儀器的某些硬件乃至整個(gè)儀器都被計(jì)算機(jī)軟件所代替。用戶可以根掘自己的需要，設(shè)計(jì)自己的儀器系統(tǒng)，滿足多種多樣的應(yīng)用要求。利用計(jì)算機(jī)豐富的軟、硬件資源，可以人大突破傳統(tǒng)儀

10、器在數(shù)掘的處理、表達(dá)、傳遞、儲(chǔ)存等方面的限制，達(dá)到傳統(tǒng)儀器無(wú)法比擬的效果。虛擬儀器可廣泛應(yīng)用于電子測(cè)量、電力工程、物礦勘探、醫(yī)療、振動(dòng)分析、聲學(xué)分析、故障診斷及教學(xué)科研等諸多領(lǐng)域。21.3 虛擬儀器的特點(diǎn)虛擬儀器利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形環(huán)境功能，建立界面友好的虛擬儀器面板(即軟面板)，用戶通過(guò)鼠標(biāo)和鍵盤(pán)操作虛擬儀器就像操作傳統(tǒng)的電子測(cè)量?jī)x器一樣。完成對(duì)被測(cè)試量的采集、分析、判斷、顯示、存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)生成。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器的優(yōu)勢(shì)在于用戶自定義儀器功能、結(jié)構(gòu)等，且構(gòu)建容易，轉(zhuǎn)換靈活以及其開(kāi)放性。決定虛擬儀器具有傳統(tǒng)儀器不可能具備的特點(diǎn)的根本原因在于：虛擬儀器的關(guān)鍵是軟件。其主要優(yōu)點(diǎn)歸納如下：341

11、、打破了傳統(tǒng)儀器的功能概念，由計(jì)算機(jī)完成信號(hào)的分析、顯示、存儲(chǔ)、打印等功能。由于充分利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，完善了數(shù)據(jù)的傳輸、交換等性能，提高了系統(tǒng)使用的靈活性，可以滿足綜合性的要求。2、強(qiáng)調(diào)“軟件就是儀器”的新概念，軟件在儀器中代替由硬件甚至整機(jī)實(shí)現(xiàn)的角色。由于減少了許多隨時(shí)間可能漂移、需要定期校準(zhǔn)的分立式模擬硬件，加上標(biāo)準(zhǔn)化總線的使用，使系統(tǒng)的測(cè)量精度，測(cè)量速度和可重復(fù)性都大大提高。3、儀器由用戶自己定義，系統(tǒng)的功能、規(guī)模等均可通過(guò)軟件修改、增減，強(qiáng)調(diào)在通用計(jì)算機(jī)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，通過(guò)軟件和軟面板，把由廠家定義的傳統(tǒng)儀器轉(zhuǎn)變?yōu)橛捎脩舳x的、由計(jì)算機(jī)軟件和幾種模塊組成的專用儀器。虛擬儀器的出現(xiàn)，徹底打破

12、了傳統(tǒng)儀器由廠家定義、用戶無(wú)法改變的模式，給了用戶一個(gè)充分發(fā)揮自己能力和想象力的空問(wèn)。4、虛擬儀器的開(kāi)放性和功能軟件的模塊化，使資源的可重復(fù)利用率提高，系統(tǒng)組建時(shí)間縮短，功能易于擴(kuò)展，管理規(guī)范，使用簡(jiǎn)便，軟/硬件生產(chǎn)、維護(hù)和開(kāi)發(fā)的費(fèi)用降低。虛擬儀器既可以作為單臺(tái)測(cè)試儀器使用，又可以構(gòu)成較為復(fù)雜的測(cè)試系統(tǒng)，甚至通過(guò)高速計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成分布式測(cè)試系統(tǒng)，進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控及故障診斷。第2章 虛擬實(shí)驗(yàn)室基本系統(tǒng)概述2.1 研究虛擬實(shí)驗(yàn)室的意義實(shí)驗(yàn)對(duì)于學(xué)生動(dòng)手能力培養(yǎng)、學(xué)習(xí)興趣激發(fā)、理論知識(shí)理解的作用是純理論教學(xué)所不能替代的。像電路基礎(chǔ)、高頻電子、電子線路等，學(xué)生只有通過(guò)足夠多高質(zhì)量的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和一定數(shù)量的綜合

13、性實(shí)驗(yàn)，給予同學(xué)足夠的感性認(rèn)識(shí)，才能真正理解和掌握該學(xué)科的理論知識(shí)，提高動(dòng)手實(shí)踐能力，培養(yǎng)分析問(wèn)題的能力。隨著招生規(guī)模的不斷擴(kuò)大，國(guó)內(nèi)普通高等院校實(shí)驗(yàn)設(shè)備往往比較陳舊，不能及時(shí)更新，從而無(wú)法跟上教育的飛速發(fā)展。虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)則主要依賴于軟件和較少的配套硬件，使實(shí)驗(yàn)室的維護(hù)費(fèi)用和工作量大大降低。LabVIEW作為虛擬儀器開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的代表，可以利用Internet進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)室的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，實(shí)現(xiàn)了資源共享，避免了儀器重復(fù)添置，滿足了用戶不再受時(shí)間、地點(diǎn)限制進(jìn)行遠(yuǎn)程的實(shí)時(shí)合作，提高了用戶的學(xué)習(xí)效果。真正體現(xiàn)了虛擬儀器技術(shù)“軟件就足儀器”，“一臺(tái)計(jì)算機(jī)就是一個(gè)虛擬電子實(shí)驗(yàn)室”的特殊優(yōu)勢(shì)。52.1.1 傳統(tǒng)

14、實(shí)驗(yàn)室的弊端目前，許多高等工科院校仍沿用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容側(cè)重于理論驗(yàn)證和模仿訓(xùn)練，缺乏對(duì)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)和綜合能力的提高。滯后的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和死板的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ诫y以調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性和創(chuàng)造性，實(shí)驗(yàn)教學(xué)處于應(yīng)試教育。以往的工業(yè)生產(chǎn)以及教學(xué)實(shí)驗(yàn)室中，傳統(tǒng)電子儀器起著主導(dǎo)作用。但是傳統(tǒng)電子儀器有其本身的不足之處。傳統(tǒng)電子儀器主要由三部分構(gòu)成：即對(duì)被測(cè)信號(hào)的采集與控制、分析與處理、測(cè)量結(jié)果的表達(dá)與存儲(chǔ)。傳統(tǒng)電子儀器的這些功能塊大多是以硬件或者固化的軟件的形式存在的，因此具有以下幾個(gè)方面的弱點(diǎn)：(1)成本高、技術(shù)更新慢。傳統(tǒng)電子儀器價(jià)格比較昂貴，動(dòng)輒幾萬(wàn)人民幣。研發(fā)周期長(zhǎng)，技術(shù)更新慢，使用當(dāng)中存在元

15、器件老化等問(wèn)題，從而導(dǎo)致工作狀態(tài)不穩(wěn)定，日常常維護(hù)費(fèi)用較高，技術(shù)難度大，使用壽命短。(2)數(shù)據(jù)顯示、分析和存儲(chǔ)功能不夠強(qiáng)大。傳統(tǒng)電子儀器的圖形顯示界面比較小，依靠人工讀取數(shù)據(jù)，誤差因觀察者的實(shí)驗(yàn)方法而不同，并且從中獲得的信息量小。另外由于硬件設(shè)備的限制，往往無(wú)法實(shí)現(xiàn)更靈活、更特殊、更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)分析功能，也難以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)編輯、存儲(chǔ)和打印等功能。(3)靈活性和可擴(kuò)展性差。傳統(tǒng)電子儀器具有固定的用戶界面、組成模塊和數(shù)據(jù)處理功能。獨(dú)立儀器只有一塊儀器面板，例如。示波器只有示波器面板，頻譜儀也只有頻譜儀的面板。用戶有時(shí)只需要用到儀器巾的一小部分功能。而在用到其他功能時(shí)卻達(dá)不到所需指標(biāo)，如信號(hào)的頻率受制

16、于實(shí)際元器件的限制。用戶無(wú)法改動(dòng)廠家同定好的儀器模塊，靈活性和可擴(kuò)展性差。(4)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備利用率低。高校實(shí)驗(yàn)室教學(xué)設(shè)備數(shù)量有限，特別是一些貴重儀器，要做到學(xué)生與設(shè)備一對(duì)一配套是不現(xiàn)實(shí)的。在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室中，一般會(huì)將學(xué)生分為若干小組，以組為單位作實(shí)驗(yàn)，使部分同學(xué)難以全部參與和投入，沒(méi)能充分了解和掌握實(shí)驗(yàn)全過(guò)程。(5)實(shí)驗(yàn)信息管理混亂。實(shí)驗(yàn)信息，特別是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分析和查詢是實(shí)驗(yàn)的一個(gè)重要內(nèi)容。在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式中，學(xué)生靠手工記錄和分析數(shù)據(jù)。存在的問(wèn)題是：第一，記錄時(shí)人為誤差較大；第二，不便于保存、查詢和整理。(6)實(shí)驗(yàn)教師工作繁雜。實(shí)驗(yàn)報(bào)告的評(píng)閱，典型問(wèn)題的解答與數(shù)據(jù)核對(duì)，包含大量的重復(fù)性工作

17、，給指導(dǎo)教師帶來(lái)很多不必要的勞動(dòng)，精力很難集中在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上。如何更合理地配置教育資源，解決好資金投入與人才培養(yǎng)之間的矛盾，是學(xué)校開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教育經(jīng)常需要考慮而又是傷腦筋的問(wèn)題。2.1.2 虛擬實(shí)驗(yàn)室的優(yōu)點(diǎn)虛擬儀器在靈活性、性價(jià)比、用戶化等方面。有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。是傳統(tǒng)儀器無(wú)法媲美的。把虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,對(duì)于促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)有著廣泛的優(yōu)勢(shì) 4 。虛擬儀器的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：567（1）成本低。虛擬儀器的開(kāi)發(fā)維護(hù)成本低，系統(tǒng)構(gòu)建時(shí)間短。只需通過(guò)增加軟件模塊或者通用硬件模塊來(lái)增添新的測(cè)量功能，縮短了系統(tǒng)的更新時(shí)間，有利于系統(tǒng)的擴(kuò)展。另外，虛擬儀器的結(jié)構(gòu)是基于軟件體系的，不像傳統(tǒng)儀器的硬件那

18、樣存在元器件老化及溫度變化影響的問(wèn)題，可以節(jié)省大筆的維護(hù)費(fèi)用，從而延長(zhǎng)設(shè)各的使用壽命。低廉的開(kāi)發(fā)成本使虛擬儀器有著雄厚的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。預(yù)計(jì)虛擬儀器價(jià)格儀是傳統(tǒng)儀器的1/5到1/10。（2）靈活性大。傳統(tǒng)儀器系統(tǒng)自身封閉、功能同定、可擴(kuò)展性差，功能和模塊由生產(chǎn)廠家定義，而虛擬實(shí)驗(yàn)室中的虛擬儀器可由用戶自行定義功能模塊，大大擴(kuò)展了其靈活性。（3）自定義強(qiáng)。在同一臺(tái)計(jì)算機(jī)上，通過(guò)操作者的不同的定義，可以虛擬出不同的儀器，各儀器之間還可以通過(guò)不不同的窗口進(jìn)行切換，因此實(shí)驗(yàn)室無(wú)需配備各利，傳統(tǒng)儀器，可以通過(guò)軟件設(shè)計(jì)使虛擬儀器和實(shí)驗(yàn)室設(shè)備不斷更新。學(xué)生在計(jì)算機(jī)上操縱各種虛擬儀器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，就如同是在操作傳統(tǒng)儀

19、器一樣有效，與在真實(shí)實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)做出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是一樣的。這樣，使用基于虛擬儀器系統(tǒng)的虛擬實(shí)驗(yàn)室來(lái)代管實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，能很好地解決實(shí)驗(yàn)教學(xué)的矛盾，而且又符合現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)和實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展方向。（4）數(shù)據(jù)處理功能強(qiáng)大。計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的日益提高，使得虛擬儀器處理數(shù)據(jù)的過(guò)程非?？焖伲瑪?shù)字信號(hào)處理理淪的成熟發(fā)展使得數(shù)據(jù)處理過(guò)程更為可信、精確。傳統(tǒng)儀器無(wú)法實(shí)現(xiàn)編輯數(shù)據(jù)的功能，而虛擬儀器可方便地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯、存儲(chǔ)和打印。（5）軟硬件接口多。傳統(tǒng)儀器與其它儀器設(shè)備的連接十分有限，而虛擬儀器在普通PC機(jī)上就可實(shí)現(xiàn)，可方便的與網(wǎng)絡(luò)外設(shè)及多種儀器連接，借助于現(xiàn)在流行的DAQ(數(shù)據(jù)采集)卡、GPIB(通用接口總線)

20、卡、VXI(系統(tǒng)控制接口卡)等，可以插入計(jì)算機(jī)插槽和計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。軟件方面，可以方便地與C、MatLab等接口進(jìn)行調(diào)用，也可以與數(shù)據(jù)庫(kù)連接，方便地支持網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)。（6）測(cè)量誤差小。傳統(tǒng)儀器受系統(tǒng)誤差的影響，不同儀器之間個(gè)體差異較大，加之觀察者自身因素等往往會(huì)影響測(cè)量結(jié)果，而虛擬儀器在PC機(jī)上運(yùn)行，不同的PC機(jī)上運(yùn)行具有相同的效果，測(cè)量誤差很小。由于虛擬儀器有著諸多的優(yōu)點(diǎn)，采用虛擬儀器技術(shù)來(lái)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有極大的可行性。（7）無(wú)縫集成虛擬儀器技術(shù)從本質(zhì)上說(shuō)是一個(gè)集成的軟硬件概念。隨著產(chǎn)品在功能上不斷地趨于復(fù)雜，通常需要集成多個(gè)測(cè)量設(shè)備來(lái)滿足完整的測(cè)試需求，而連接和集成這些不同設(shè)備總是要耗

21、費(fèi)大量的時(shí)間。虛擬儀器軟件平臺(tái)為所有的I/O設(shè)備提供了標(biāo)準(zhǔn)的接口，可以輕松地將多個(gè)測(cè)量設(shè)備集成到單個(gè)系統(tǒng)，減少了任務(wù)的復(fù)雜性。表2.1 虛擬實(shí)驗(yàn)室和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的比較指標(biāo)虛擬實(shí)驗(yàn)室傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室發(fā)展性開(kāi)放性、靈活，可與計(jì)算機(jī)技術(shù)保持同步發(fā)展封閉性、儀器間相互配合較差。升級(jí)關(guān)鍵是軟件，系統(tǒng)性能升級(jí)方便，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)下載升級(jí)程序即可。關(guān)鍵是硬件， 升級(jí)成本較高，且升級(jí)必須上門(mén)服務(wù)。價(jià)格價(jià)格低廉，儀器間資源可重復(fù)率高。價(jià)格昂貴，儀器間一般無(wú)法相互利用功能用戶可自行定義。只有廠家能定義功能。聯(lián)網(wǎng)能力可以與網(wǎng)絡(luò)及周邊設(shè)備方便連接。功能單一，只能連接有限的獨(dú)立設(shè)備開(kāi)發(fā)費(fèi)用開(kāi)發(fā)與維護(hù)費(fèi)用降到最低。開(kāi)發(fā)與維護(hù)費(fèi)用高。技

22、術(shù)更新技術(shù)更新周期短。技術(shù)更新周期長(zhǎng)。只有在自己動(dòng)手的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生才能夠?qū)W(xué)到的理論知識(shí)真正掌握和應(yīng)用，這就使得電子測(cè)量?jī)x器變得至關(guān)重要。而傳統(tǒng)儀器下的院校實(shí)驗(yàn)教學(xué)，己嚴(yán)重滯后于信息時(shí)代和工程實(shí)際的需要。虛擬實(shí)驗(yàn)室正是解決這一矛盾的最佳方案。如前所述，基于PC平臺(tái)的虛擬實(shí)驗(yàn)室，可以充分利用學(xué)校的微機(jī)資源，完成多種儀器功能，可以組合成功能強(qiáng)人的專用測(cè)試系統(tǒng)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和虛擬儀器軟件的日趨完善，虛擬儀器會(huì)越來(lái)越受到人們的重視，隨著教學(xué)儀器的發(fā)展和高職院校實(shí)驗(yàn)教學(xué)所面臨的新要求，將虛擬儀器引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)將成為學(xué)校未來(lái)教學(xué)科研的重要方法和手段。2.2 軟件LabVIEW簡(jiǎn)介L(zhǎng)abVIE

23、W是Laboratory Virtual Instrument Engi neering Workbench的縮寫(xiě)，即實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺(tái)，是一種圖形化編程語(yǔ)言，又稱G語(yǔ)言。其編寫(xiě)的程序稱為虛擬儀器VI(Virtual Instrument)，是以VI為后綴的文件。LabVIEW不但在程序界面設(shè)計(jì)時(shí)采用了與其他高級(jí)語(yǔ)言類似的圖形化方式，更重要的是在編寫(xiě)程序代碼、實(shí)現(xiàn)程序功能的同時(shí)，使用的也是圖形化的操作方式。打開(kāi)LabVIEW的程序，看到的不是一行行的文本，而是由一條條彩色線段連接起來(lái)的、各式各樣的小圖形塊。這是一種全新的編程方式。由于圖形比文字更為直觀，因而LabVIEW比其他編程語(yǔ)言更適

24、合初學(xué)者進(jìn)行學(xué)習(xí)。一個(gè)對(duì)計(jì)算機(jī)軟件完全不了解的初學(xué)者，通常只需學(xué)習(xí)兩三天的時(shí)間就可以隨心所欲地編寫(xiě)一些簡(jiǎn)單的程序了。這是其他編程語(yǔ)言學(xué)習(xí)者無(wú)法想象的。8LabVIEWe的編程效率之高是文本編程語(yǔ)言所無(wú)法比擬的。LabVIEW擁有豐富的工具包，尤其是針對(duì)測(cè)控、仿真等領(lǐng)域，這些工具包往往可以為編程者提供其所需大部分功能。因此，在LabVIEW程序中，有時(shí)幾個(gè)簡(jiǎn)單的圖形和連線就能夠完成文本語(yǔ)言中幾十行甚至上百行代碼才能完成的功能。LabVIEW的第一個(gè)版本是在Macintosh機(jī)（蘋(píng)果個(gè)人計(jì)算機(jī)）上實(shí)現(xiàn)的，后來(lái)才移植到PC機(jī)上。此后，LabVIEW從未放棄過(guò)對(duì)跨平臺(tái)的支持。至今，LabVIEW仍然是

25、支持不同平臺(tái)和操作系統(tǒng)數(shù)目最多的編程語(yǔ)言之一。LabVIEW編程語(yǔ)言有很多優(yōu)點(diǎn)，在某些特定的領(lǐng)域，它的優(yōu)勢(shì)更加明顯。尤其在測(cè)試測(cè)量，控制與測(cè)試，仿真等領(lǐng)域的應(yīng)用。2.3 虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的基本構(gòu)成虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要用于教學(xué)實(shí)驗(yàn)的仿真模擬，完全擺脫了硬件的限制。根據(jù)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容和要求，首先在LabVIEW環(huán)境下，分別模擬出各種實(shí)驗(yàn)儀器，其中包括虛擬信號(hào)發(fā)生器，虛擬數(shù)字示波器，虛擬頻譜分析儀，虛擬數(shù)字濾波器等實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器，在此基礎(chǔ)上又構(gòu)建了三個(gè)相應(yīng)實(shí)驗(yàn)?zāi)K，分別分類為基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，綜合性實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)。每一個(gè)模塊為一個(gè)獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)子系統(tǒng)，以完成特定的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。所有這些子系統(tǒng)模塊由一個(gè)主程序模塊來(lái)控制，主模塊

26、則以主程序界面的形式來(lái)體現(xiàn)。此外還設(shè)置了程序的啟動(dòng)模塊用以此外還設(shè)置了程序的啟動(dòng)模塊用以啟動(dòng)主程序。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1.1所示啟動(dòng)模塊主程序模塊基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)綜合性實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)圖2.2 虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成考慮到該系統(tǒng)主要是用于教學(xué)實(shí)驗(yàn)的仿真，因此和硬件相關(guān)的部分都需要采用軟件來(lái)進(jìn)行模擬。LabVIEW中包含了大量的函數(shù)模塊，如信號(hào)仿真模塊、信號(hào)調(diào)理模塊及信號(hào)分析處理模塊等，利用這些功能強(qiáng)大的函數(shù)模塊以及不同類型的輸入控件和顯示控件，可以方便地實(shí)現(xiàn)測(cè)試過(guò)程的模擬、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析及結(jié)果的顯示等。在系統(tǒng)功能的操控上，一般是通過(guò)菜單或按鈕來(lái)實(shí)現(xiàn)。采用按鈕方式更接近于真實(shí)的儀器，并且在程序的實(shí)現(xiàn)上較為容易

27、。為了使程序框圖更加簡(jiǎn)潔，可采用層疊式順序結(jié)構(gòu)（Stacked Sequence Structure）來(lái)控制查詢的順序。本系統(tǒng)采用了多面板結(jié)構(gòu)按鈕操控。虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主界面如圖2.2所示。每個(gè)界面按鈕下又分別有三個(gè)平行的分界面。分界面分別對(duì)應(yīng)著各個(gè)相對(duì)的實(shí)驗(yàn)?zāi)K，如圖2.3和2.4所示。圖2.3 虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的主界面圖2.4 虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)分界面圖2.5 虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)綜合性實(shí)驗(yàn)分界面圖2.6 虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)分界面利用LabVIEW內(nèi)置Web服務(wù)器還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)室。系統(tǒng)采用GPIB （general purpose interface bus）儀器控制技術(shù)，可程控儀器連接到

28、LabVIEW儀器控制服務(wù)器上，現(xiàn)儀器的本地控制，并利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，把所提供的實(shí)驗(yàn)題目及內(nèi)容放入建立的網(wǎng)站上，遠(yuǎn)程用戶只需利用網(wǎng)絡(luò)瀏覽器，就可以登錄到遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器上，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)儀器。整個(gè)遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的軟件構(gòu)成可分為以下幾個(gè)子系統(tǒng)：Web服務(wù)器子系統(tǒng)、本地儀器控制子系統(tǒng)和客戶端子系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)圖如圖2.6所示：遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)室服務(wù)器子系統(tǒng)儀器控制子系統(tǒng)客戶端子系統(tǒng)圖2.6遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)室的軟件構(gòu)成Web 服務(wù)器是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分。通過(guò)Web服務(wù)器，用戶可以訪問(wèn)Web站點(diǎn)、控制儀器，并獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果。公共網(wǎng)關(guān)接口（CGI）和傳輸控制協(xié)議（TCP）是客戶端與Web服務(wù)器以及W

29、eb服務(wù)器與實(shí)驗(yàn)室服務(wù)器之間的主要通信方法。在本地控制子系統(tǒng)中，作為控制儀器的PC機(jī)上裝有通用接口總線( GPIB) 接口和一塊網(wǎng)卡。儀器控制服務(wù)器通過(guò)已建立起的TCP/IP通道獲得來(lái)自Web服務(wù)器控制儀器的命令字符串。進(jìn)而啟動(dòng)儀器工作，完成測(cè)試任務(wù)?？蛻舳俗酉到y(tǒng)是嵌入在Web服務(wù)器中。當(dāng)用戶登錄到Web服務(wù)器上后，用戶可以瀏覽虛擬實(shí)驗(yàn)室站點(diǎn)，獲得所提供實(shí)驗(yàn)的概括介紹以及詳細(xì)說(shuō)明。開(kāi)始實(shí)驗(yàn)操作時(shí)，遠(yuǎn)程用戶通過(guò)瀏覽器進(jìn)入遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)網(wǎng)站的登錄頁(yè)面，如圖2.7所示。圖2.7虛擬實(shí)驗(yàn)室的登陸界面當(dāng)Web 服務(wù)器接收到來(lái)自客戶端的有效CGI（common gateway interface）請(qǐng)求

30、后，從表單中獲取相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)參數(shù),進(jìn)而向儀器控制服務(wù)器提交調(diào)用VI 的請(qǐng)求。運(yùn)行于儀器控制服務(wù)器上的G Web Server接收到請(qǐng)求后，建立起與客戶端TCP/ IP 連接，調(diào)用相應(yīng)的VI程序：首先調(diào)用串口通信程序,即通過(guò)串口向硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)發(fā)送控制指令，然后啟動(dòng)儀器控制VI模塊，使其通過(guò)GPIB接口卡調(diào)用相關(guān)儀器設(shè)備，對(duì)實(shí)驗(yàn)電路進(jìn)行測(cè)試；最后將實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果以CGI響應(yīng)的方式回傳到Web服務(wù)器，由Web服務(wù)器端的CGI程序刷新客戶端顯示，完成了整個(gè)實(shí)驗(yàn)的操作過(guò)程。第3章 軟件設(shè)計(jì)3.1 虛擬儀器模塊虛擬實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是軟件設(shè)計(jì)。虛擬儀器實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是軟件設(shè)計(jì)。 運(yùn)用圖形化編程語(yǔ)言LabVIE

31、W設(shè)計(jì)了四大功能模塊，即虛擬信號(hào)發(fā)生器模塊、虛擬數(shù)字示波器模塊、虛擬頻譜分析儀模塊、虛擬數(shù)字濾波器模塊。以下是對(duì)各功能模塊的設(shè)計(jì)。3.1.1 虛擬信號(hào)發(fā)生器模塊信號(hào)發(fā)生器模塊的信號(hào)生成是利用系統(tǒng)函數(shù)生成包括方波、三角波、正弦波、鋸齒波、脈沖波等各種規(guī)則波形以及頻率或者幅值變化的復(fù)雜波形，從而為信號(hào)的分析與處理提供條件和基礎(chǔ)，這些信號(hào)經(jīng)過(guò)多功能數(shù)據(jù)采集卡轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)(D /A轉(zhuǎn)換)，其實(shí)現(xiàn)過(guò)程是：首先通過(guò)檢查面板上用戶選擇的波形類型、頻率及幅值，跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的程序執(zhí)行語(yǔ)句中，生成所需波形的數(shù)字量，然后調(diào)用LabVIEW中的數(shù)據(jù)采集部分的庫(kù)函數(shù)進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的模擬量通過(guò)D型連接器CN，輸出

32、到示波器上來(lái)觀察所得到的波形。與此同時(shí)，模塊中的監(jiān)控部分是在軟面板上，通過(guò)本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的虛擬示波器可以顯示輸出信號(hào)的波形，用戶可以通過(guò)示波器波形窗口直接觀察輸出信號(hào)的波形參數(shù)。此信號(hào)發(fā)生器模塊還提供了對(duì)輸出信號(hào)的控制功能，即用戶可以隨時(shí)通過(guò)單擊面板上的按鈕,使信號(hào)暫停、繼續(xù)或完全停止。9用圖形化編程語(yǔ)言LabVIEW來(lái)設(shè)計(jì)波形發(fā)生器，主要依靠LabVIEW庫(kù)函數(shù)中提供的Basic Function Generation子VI。通過(guò)在前面板上信號(hào)類型選擇按鈕來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生正弦信號(hào)、鋸齒信號(hào)、三角信號(hào)、方波信號(hào)的功能。同時(shí)，可以根據(jù)實(shí)際的需要，設(shè)置不同的設(shè)備號(hào)、通道號(hào)、信號(hào)頻率、信號(hào)幅值、補(bǔ)償值、初始

33、相位、占空比以及采樣點(diǎn)數(shù)、采樣速率，然后把信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)從數(shù)據(jù)采集卡的D/A通道送出，虛擬信號(hào)發(fā)生器的前面板和程序框圖分別如圖3.1和3.2所示圖3.1 虛擬信號(hào)發(fā)生器的前面板圖3.2 虛擬信號(hào)發(fā)生器的程序框圖3.1.2 虛擬數(shù)字示波器模塊虛擬示波器是由信號(hào)調(diào)理器、數(shù)據(jù)采集卡組成的外部采集系統(tǒng)和軟件構(gòu)成的分析處理系統(tǒng)組成。被測(cè)信號(hào)送到信號(hào)調(diào)理電路，進(jìn)行隔離、放大、濾波整流后送數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，最后由控制軟件對(duì)測(cè)試信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，完成波形顯示，參數(shù)測(cè)量、頻譜分析等功能。虛擬示波器的結(jié)構(gòu)框圖如圖3.3所示虛擬數(shù)字示波器的主要功能和傳統(tǒng)數(shù)字示波器的主要功能大致相同，包括：雙通道信號(hào)輸

34、入、觸發(fā)控制、通道控制、時(shí)基控制、波形顯示、參數(shù)自動(dòng)測(cè)量、頻譜分析、波形儲(chǔ)存和回放、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)墓δ?。此虛擬示波器是采用模塊化的軟件設(shè)計(jì)思想來(lái)編寫(xiě)的，每個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)由一個(gè)模塊完成，軟件總體上包括數(shù)據(jù)采集、波形顯示、參數(shù)測(cè)量、頻譜分析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與回放和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)布等六大模塊組成，其程序框圖如圖3.4所示,最終實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理、記錄、顯示、通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)等功能。虛擬數(shù)字示波器的操作界面如圖3.5所示。10輸出被測(cè)對(duì)象控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集卡信號(hào)調(diào)整傳感器圖3.3 虛擬示波器的結(jié)構(gòu)框圖圖3.4虛擬數(shù)字示波器的程序框圖圖3.5虛擬數(shù)字示波器的前面板3.1.3 虛擬頻譜分析儀模塊數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)采用了

35、AI acquire Waveform.vi來(lái)控制數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，把采集進(jìn)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析。在參數(shù)設(shè)置模塊這部分的參數(shù)設(shè)置主要包括：設(shè)備與通道、緩沖區(qū)大小、采樣點(diǎn)數(shù)、觸發(fā)控制、掃描率、顯示方式的設(shè)置等。頻譜分析模塊是由加窗函數(shù)模塊、功率譜轉(zhuǎn)換模塊、功率譜單位轉(zhuǎn)換模塊、功率與頻率峰值檢波子模塊組成。加窗函數(shù)模塊的實(shí)現(xiàn)，是由Scaled Time Domain Windows.vi模板來(lái)實(shí)現(xiàn).。該模板有2個(gè)輸入端、2個(gè)輸出端，從信號(hào)輸入端輸入一個(gè)時(shí)域信號(hào)，再進(jìn)行窗體類型的選擇。根據(jù)實(shí)際情況，可以選擇漢寧窗、海明窗、布萊克曼窗、平頂窗等幾種窗體，處理后輸出一個(gè)加窗后的時(shí)域信號(hào)輸出，以減少

36、窗口效應(yīng)帶來(lái)的柵欄效應(yīng)和泄漏問(wèn)題。功率譜轉(zhuǎn)換模塊用Auto Power Spectrum.vi模板來(lái)實(shí)現(xiàn)，該模塊有4個(gè)端口，分別是時(shí)域信號(hào)輸入端、時(shí)域間隔dt輸入端、頻域信號(hào)輸出端、頻域間隔df輸出端。該模塊的功能是實(shí)現(xiàn)信號(hào)由時(shí)域向頻域的轉(zhuǎn)換。功率譜單位轉(zhuǎn)換模塊是由Spectrum Unit Conversion.vi模板來(lái)實(shí)現(xiàn)，該模塊有7個(gè)輸入端、2個(gè)輸出端。輸入端有頻譜類型的選擇，可以選擇功率譜、幅度譜、增益。對(duì)數(shù)/的選擇，可以選擇線性、dB、dBm.顯示單位選擇，可以選擇的單位是有效值、峰值、有效值的平方、峰峰值的平方等。輸出端是輸出頻譜、輸出頻譜單位。頻率峰值檢波子模塊是由Power

37、& Frequency Estimate.vi模板來(lái)實(shí)現(xiàn)，該模塊有5個(gè)輸入端、2個(gè)輸出端。輸入端包括功率譜輸入端、峰值頻率輸入、頻率間隔、以峰值頻率為中心的頻率搜索點(diǎn)數(shù)、窗常數(shù)等。輸出端由頻率峰值輸出、頻率峰值能量的輸出組成。該模塊用來(lái)求出頻譜的峰值頻率及峰值頻率點(diǎn)的功率估值。顯示模塊的設(shè)計(jì)可以選擇頻譜曲線顯示或時(shí)域信號(hào)顯示，還可以根據(jù)需要進(jìn)行線性或?qū)?shù)顯示。諧波峰值點(diǎn)測(cè)量模塊的設(shè)計(jì)，可讀出一次諧波、二次諧波、三次諧波峰值點(diǎn)的頻率值和功率值。數(shù)據(jù)讀取存儲(chǔ)模塊的設(shè)計(jì)是利用LabVIEW中有豐富的文件操作函數(shù)庫(kù)，采用數(shù)據(jù)表文件方式對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫(xiě)操作。而且此頻譜分析儀也可以通過(guò)Web發(fā)布HTML

38、文件，可以使本地或遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)瀏覽此頻譜分析儀的程序面板，從而可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能。113.1.4 虛擬數(shù)字濾波器模塊虛擬IIR數(shù)字濾波器用LabVIEW的Frequency Domain函數(shù)子模板中的Transfer Function VI測(cè)試濾波器的頻率響應(yīng)函數(shù)。運(yùn)行此程序，當(dāng)信號(hào)發(fā)生器輸出一個(gè)沖激函數(shù)時(shí)，分別選擇所有各種濾波器和不同階次，觀察它們的頻率響應(yīng)特性?？梢悦黠@看出，切比雪夫?yàn)V波器的過(guò)渡帶比較窄，但在通帶有紋波。巴特沃斯濾波器過(guò)渡帶比較寬，但是通帶非常平直。在此選用沖激函數(shù)作為系統(tǒng)激勵(lì)信號(hào)，用各種數(shù)字濾波器作為被測(cè)系統(tǒng)。沖激函數(shù)具有無(wú)限寬廣的頻譜，用沖激函數(shù)作激勵(lì)信號(hào)相當(dāng)于對(duì)測(cè)試

39、系統(tǒng)輸入所有頻率的信號(hào)，系統(tǒng)必然有對(duì)應(yīng)的輸出。 用Transfer VI計(jì)算出系統(tǒng)輸出與輸入的傅立葉變換之比，就是系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)。 FIR虛擬濾波器程序的前面板有信號(hào)的幅頻和相頻波形顯示控件、數(shù)據(jù)的顯示方式、數(shù)字濾波器類型的設(shè)置、窗函數(shù)的選擇以及高端截止頻率、低端截止頻率和階次的設(shè)置，它們均可以根據(jù)需要在前面板來(lái)完成。虛擬數(shù)字濾波器由濾波器子VI FIR Windows Filter的窗函數(shù)設(shè)置,選擇的9個(gè)選項(xiàng)框分別對(duì)應(yīng)前面板列表框的內(nèi)容。在此也選用沖激函數(shù)作為系統(tǒng)激勵(lì)信號(hào)。信號(hào)發(fā)生器輸出一個(gè)沖激函數(shù)，在分別選擇各種不同的窗函數(shù)和不同階次后運(yùn)行此程序，觀察它們的頻率和相位響應(yīng)特性。經(jīng)過(guò)FI

40、R窗濾波器濾波后，再用快速傅立葉變換得到輸出響應(yīng)函數(shù)的幅頻特性和相頻特性。數(shù)字濾波器的基本原理是將信號(hào)數(shù)字化后，通過(guò)一定的算法，應(yīng)用程序?yàn)V波功能。與模擬濾波器相比，數(shù)字濾波器具有以下優(yōu)點(diǎn)：可以用軟件編程，穩(wěn)定性高，可預(yù)測(cè)，不會(huì)因溫度、濕度的變化而影響測(cè)量誤差。應(yīng)用LabVIEW軟件的數(shù)據(jù)分析工具包，該包中提供了豐富的信號(hào)分析處理相關(guān)程序，包括波形測(cè)量、信號(hào)調(diào)理、信號(hào)監(jiān)測(cè)、波形發(fā)生和信號(hào)處理等，并提供了多種常用的濾波器，使用時(shí)只需輸入相應(yīng)的指標(biāo)參數(shù)即可。濾波器位于Functions模版Analyze子模板SignalProcessing子模板Filters子模板中。虛擬數(shù)字濾波器的前面板和程序框

41、圖如圖3.6和3.7所示。圖3.6虛擬數(shù)字濾波器的前面板圖3.7虛擬數(shù)字濾波器的程序框圖3.2 虛擬實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)列舉LabVIEW功能非常強(qiáng)大，它源于測(cè)試儀器的研究與開(kāi)發(fā)，其固有的圖形化編程環(huán)境非常適合于開(kāi)發(fā)大型復(fù)雜的測(cè)試系統(tǒng)。就本系統(tǒng)而言包含，了如信號(hào)調(diào)制與解調(diào)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)?zāi)K，信號(hào)的合成與分解實(shí)驗(yàn)?zāi)K和系統(tǒng)頻率響應(yīng)特性的實(shí)現(xiàn)模塊。而且各個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K之間又是相對(duì)獨(dú)立的子系統(tǒng)。如何將這些模塊集成在一起形成一個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，將是系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵。本系統(tǒng)在研究過(guò)程中著重解決了以下2 個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，一是系統(tǒng)界面的集成，二是各功能模塊的集成。在LabVIEW環(huán)境下，通?？梢圆捎靡韵? 種方法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)界面的集成

42、，即多面板技術(shù)和子面板技術(shù)。多面板技術(shù)實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為容易，而且可同時(shí)打開(kāi)多個(gè)實(shí)驗(yàn)子系統(tǒng)界面。子面板技術(shù)則顯的更為專業(yè)，但需要LabVIEW的高級(jí)編程技術(shù)實(shí)現(xiàn)。其不足之處是只能同時(shí)打開(kāi)一個(gè)實(shí)驗(yàn)子系統(tǒng)界面，如需多個(gè)實(shí)驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行,子面板技術(shù)則顯得無(wú)能為力。對(duì)于大型復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，為了提高程序的運(yùn)行效率及減小對(duì)資源的占用，普遍采用動(dòng)態(tài)加載子程序的方法實(shí)現(xiàn)各功能模塊的集成。以下就幾個(gè)典型模塊進(jìn)行基本闡述。3.2.1 信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)實(shí)驗(yàn)幅值調(diào)制與解調(diào)是測(cè)試中常用的信號(hào)調(diào)理方法。該實(shí)驗(yàn)子系統(tǒng)將調(diào)制與解調(diào)兩個(gè)過(guò)程集成到一個(gè)統(tǒng)一的交互式操作界面中，其前面板如圖3.8所示。前面板分成了兩個(gè)區(qū)域，即顯示區(qū)和操控區(qū)。

43、在顯示區(qū)安置了5個(gè)顯示控件，分別用于顯示調(diào)制信號(hào)、載波、調(diào)幅波及解調(diào)過(guò)程和解調(diào)結(jié)果，從而給出了調(diào)制及解調(diào)整個(gè)過(guò)程時(shí)域波形的直觀對(duì)比，這是一般普通電子儀器無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。圖3.8信號(hào)調(diào)制解調(diào)前面板根據(jù)調(diào)制原理，將被測(cè)信號(hào)（調(diào)制信號(hào)）與作為載波的高頻振蕩波相乘，其結(jié)果將是一個(gè)攜帶被測(cè)信號(hào)幅值信息而頻率為載波頻率的高頻信號(hào)，即調(diào)幅波。調(diào)幅波的包絡(luò)線反應(yīng)了被測(cè)信號(hào)波形的變化。如果將其與前述載波再一次相乘，即進(jìn)行同步解調(diào)，便可將調(diào)幅波中反映被測(cè)信號(hào)的低頻成分分離出來(lái)，再通過(guò)低通濾波器將高頻成分濾除，便可恢復(fù)原被測(cè)信號(hào)。根據(jù)這一原理分別用信號(hào)發(fā)生器模擬產(chǎn)生出被測(cè)信號(hào)和高頻載波，即可實(shí)現(xiàn)幅值調(diào)制及解調(diào)，整個(gè)過(guò)程

44、在前面板上可清晰的反映出來(lái)。其程序框圖如圖3.9所示。圖3.9調(diào)幅與解調(diào)的程序框圖3.2.2 信號(hào)的合成與分解實(shí)驗(yàn)復(fù)雜信號(hào)通常包含了多種不同的頻率成分，如周期方波是由無(wú)窮多個(gè)頻率成整倍數(shù)的奇次諧波疊加而成的，即： （2.1）為了能將這一結(jié)論通過(guò)具體的實(shí)驗(yàn)過(guò)程表現(xiàn)出來(lái)，需要對(duì)疊加諧波的次數(shù)進(jìn)行控制，因此在程序中設(shè)置了一系列的信號(hào)發(fā)生器來(lái)產(chǎn)生相應(yīng)的正弦波，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求逐一進(jìn)行疊加就可以合成出不同逼近程度的波形。為了能夠順利的進(jìn)行信號(hào)疊加，各信號(hào)發(fā)生器所產(chǎn)生的波形應(yīng)滿足頻率和幅值之間的特定比例關(guān)系。程序中主要使用了Case Structure結(jié)構(gòu)來(lái)完成信號(hào)類型和疊加次數(shù)的選擇。其前面板和疊加過(guò)程如

45、圖3.10所示。圖3.10周期方波合成信號(hào)分解是信號(hào)合成的逆過(guò)程，但本質(zhì)沒(méi)變。信號(hào)分解是將信號(hào)展開(kāi)成傅立葉級(jí)數(shù)，從而可以將一個(gè)復(fù)雜的信號(hào)分解成無(wú)窮多個(gè)頻率成整倍數(shù)的正弦波。在程序設(shè)計(jì)中采用了選項(xiàng)卡控件，以實(shí)現(xiàn)信號(hào)合成與分解功能的切換，同時(shí)在前面板上隱去了選項(xiàng)卡的選項(xiàng)標(biāo)簽，而采用布爾控件來(lái)控制選項(xiàng)卡的切換。3.2.3 系統(tǒng)頻率響應(yīng)特性的實(shí)現(xiàn)頻率響應(yīng)函數(shù)描述了測(cè)試系統(tǒng)對(duì)于輸入信號(hào)的傳輸與轉(zhuǎn)換特性，它是測(cè)試系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的頻域表示，是描述測(cè)試系統(tǒng)頻域響應(yīng)特性的重要手段。當(dāng)系統(tǒng)輸入為x ( t) ，輸出為y ( t) ，則系統(tǒng)輸出與輸入的付里葉變換之比稱為系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)，用H(j) 表示，即：(2.

46、2)實(shí)用中常用其模A()和相位角() 來(lái)表示，即系統(tǒng)的幅頻特性和相頻特性。為了實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程，需要用軟件對(duì)具體的物理系統(tǒng)進(jìn)行模擬，同時(shí)考慮到教學(xué)的具體情況，直接采用幅頻特性表達(dá)式A () 和相頻特性表達(dá)式() 來(lái)模擬系統(tǒng)。由于頻率特性是系統(tǒng)對(duì)于輸入頻率的響應(yīng)特性，故需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行激勵(lì),即依次用不同頻率i的簡(jiǎn)諧信號(hào)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行激勵(lì)，同時(shí)測(cè)出相應(yīng)頻率的激勵(lì)和系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的幅值Xi、Yi及相位差i () ，這樣對(duì)于每一個(gè)頻率i便有一組A i()= Yi/Xi和i () ，全部的Ai()i和i()i便可表達(dá)系統(tǒng)的頻率響應(yīng)12。本例采用快速正弦掃描方式進(jìn)行激勵(lì)，具體實(shí)現(xiàn)上采用了多步法。為了分配測(cè)量的頻率點(diǎn)或

47、確定頻率步長(zhǎng)，最常見(jiàn)的方法是在掃頻范圍內(nèi)等分地產(chǎn)生各個(gè)頻率，即采用等步長(zhǎng)的方法。這種方法的主要缺點(diǎn)是在高頻部分取點(diǎn)過(guò)多，掃描過(guò)慢。本例采用的策略是按對(duì)數(shù)坐標(biāo)中的頻率軸取等間隔步長(zhǎng)，這樣可以較好地兼顧不同頻段的曲線特性13。程序的編寫(xiě)是基于一個(gè)for循環(huán)完成的，循環(huán)的次數(shù)由頻率分辨率、起始頻率、結(jié)束頻率共同確定。激勵(lì)信號(hào)由正弦波形發(fā)生器產(chǎn)生，激勵(lì)的實(shí)現(xiàn)及數(shù)據(jù)的采集則由公式節(jié)點(diǎn)來(lái)模擬14。頻率特性曲線的顯示在for循環(huán)結(jié)束之后實(shí)現(xiàn)。該子系統(tǒng)可以對(duì)一階系統(tǒng)和二階系統(tǒng)進(jìn)行頻率特性的測(cè)試，并采用Case結(jié)構(gòu)進(jìn)行切換選擇。系統(tǒng)頻率響應(yīng)特性實(shí)驗(yàn)的前面板及程序框圖如圖3.11和圖3.12。圖3.11系統(tǒng)頻率響

48、應(yīng)前面板圖3.12系統(tǒng)頻率響應(yīng)程序框圖為了使相頻特性圖與教科書(shū)相一致，程序中采用公式節(jié)點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行了技術(shù)處理。第4章 總結(jié)和展望4.1 總結(jié)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方式和實(shí)驗(yàn)手段往往受制于實(shí)驗(yàn)室硬件條件的制約，無(wú)法滿足概念抽象的如信號(hào)分析等內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求，更無(wú)法走出實(shí)驗(yàn)室直接參與到課堂教學(xué)過(guò)程中，虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)徹底改變了這種局面。虛擬實(shí)驗(yàn)不但走進(jìn)了課堂，而且改善了教學(xué)手段，改革了教學(xué)方式，使教學(xué)效果得到了極大的提高。本文開(kāi)發(fā)的虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)充分利用了LabVIEW圖形化編程的特點(diǎn)和其強(qiáng)大的分析處理功能的優(yōu)勢(shì)，使得該系統(tǒng)非常適合于測(cè)試技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)的虛擬仿真教學(xué)。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)用戶的遠(yuǎn)程訪問(wèn)

49、是完全可行的。該系統(tǒng)的成功實(shí)現(xiàn)，對(duì)于進(jìn)一步深入開(kāi)展教學(xué)實(shí)踐的改革與創(chuàng)新具有一定的指導(dǎo)意義。LabVIEW的易學(xué)易用、快捷及功能的強(qiáng)大，已成為虛擬儀器開(kāi)發(fā)的首選工具。利用LabVIEW對(duì)測(cè)試實(shí)驗(yàn)進(jìn)行虛擬仿真，滿足了課程教學(xué)的需求。其本身所具有的便攜、靈活、直觀、易操作等特點(diǎn)，更是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)手段所無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。實(shí)踐表明，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不但能幫助學(xué)生更容易地理解抽象的概念，也使學(xué)生更深入地了解到了概念的實(shí)質(zhì)。通過(guò)學(xué)生自己動(dòng)手進(jìn)行實(shí)踐，引發(fā)了學(xué)生對(duì)課程的興趣，增強(qiáng)了學(xué)習(xí)的信心，也使學(xué)生充分感受到了虛擬儀器技術(shù)的魅力和樂(lè)趣。本文實(shí)現(xiàn)了用虛擬儀器技術(shù)改造傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的方法，使用虛擬儀器實(shí)驗(yàn)室方便、簡(jiǎn)單、高效，可以大

50、大節(jié)約實(shí)驗(yàn)室設(shè)備成本投入，解決了傳統(tǒng)電子實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)設(shè)備繁多、儀器重復(fù)購(gòu)置、利用率低、儀器的損壞率高等問(wèn)題，提高了各種儀器性能，完善了實(shí)驗(yàn)手段，方便了學(xué)生及老師的使用。同時(shí)，本文中所研究的虛擬儀器也能給學(xué)生以耳目一新的感覺(jué)，學(xué)生再也不用對(duì)傳統(tǒng)的儀器搬弄按鈕，生搬硬套。而是直接與自己熟悉的電腦界面接觸，也給教學(xué)給予了一定的方便。并通過(guò)幾個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了運(yùn)用LabVIEW建立虛擬實(shí)驗(yàn)室的可能性。本課題是一個(gè)引導(dǎo)性的基礎(chǔ)研究，目的是探索虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的基本體系結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)、實(shí)現(xiàn)技術(shù)、虛擬儀器子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及框架解決方案，從而為實(shí)現(xiàn)各高等院校在計(jì)算機(jī)技術(shù)、汽車(chē)工程、機(jī)械制造、醫(yī)療技術(shù)等方面的教育質(zhì)量再上

51、新臺(tái)階奠定基礎(chǔ)。4.2 展望通過(guò)對(duì)通信原理虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)，本人更加深刻地體會(huì)到，LabVIEW是創(chuàng)建虛擬實(shí)驗(yàn)室一個(gè)很好的軟件平臺(tái)，將其與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)虛擬儀器的網(wǎng)絡(luò)化。這樣，就將實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)發(fā)展成了基于虛擬儀器的網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室。本課題對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)方法和框架進(jìn)行了較好地研究，取得了一些經(jīng)驗(yàn)，為課題以后開(kāi)展做了一些基礎(chǔ)性的工作。但是由于作者水平上和時(shí)間上的限制，因而只是構(gòu)建了一個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)室框架，完成了部分功能，離完善還有不少差距，本人認(rèn)為還有許多值得繼續(xù)研究的地方。首先，網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室除了具有良好的圖形用戶界面、逼真的虛擬儀器的模擬，還應(yīng)具有完備的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。本文主要實(shí)現(xiàn)了幾個(gè)較為簡(jiǎn)單的

52、基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)。因此，在今后的研究中，應(yīng)該在此系統(tǒng)的基礎(chǔ)上多補(bǔ)充、添加新的虛擬實(shí)驗(yàn)，以進(jìn)一步完善本虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)，從而使其成為一個(gè)比較完善的遠(yuǎn)程多媒體教學(xué)軟件。其次，在虛擬實(shí)驗(yàn)室的網(wǎng)絡(luò)化問(wèn)題，本文也只探究了其可行性，由于時(shí)間倉(cāng)促，并沒(méi)有對(duì)其進(jìn)行深入的探討和研究。因而在今后的研究中要實(shí)現(xiàn)這一功能。最后，本系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的制作上比較粗糙，僅實(shí)現(xiàn)平面圖形結(jié)構(gòu)，缺乏真實(shí)感。在今后的研究中可以利用VRML技術(shù)或3DMAX技術(shù)，將實(shí)驗(yàn)平臺(tái)做成更加逼真生動(dòng)的3D效果，使實(shí)驗(yàn)者更具身臨其境的感覺(jué)。致謝本次畢業(yè)設(shè)計(jì)在我的導(dǎo)師劉云飛教員的悉心指導(dǎo)下得以順利完成。導(dǎo)師給予的課題針對(duì)性、實(shí)用性強(qiáng)，并且適合我本科層次的知識(shí)水平，對(duì)我加深專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)和理解有很大的幫助。設(shè)計(jì)過(guò)程中導(dǎo)師耐心為我解答疑難問(wèn)題，經(jīng)常詢問(wèn)畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)度并不時(shí)督促。我的畢業(yè)設(shè)計(jì)順利完成與導(dǎo)師的努力也是分不開(kāi)的，在此致以深深的感謝！在我的畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，與我同組的傅紅日、鄧貴仁、高景祥等戰(zhàn)友都給了我很大的幫助，另外和我一個(gè)專業(yè)的孫辰、何春龍、趙龍、李濤濤等同志也給了我莫大的幫助，在此我向他們表示真摯的感謝！在這幾個(gè)月的時(shí)間里，我的教導(dǎo)員郭吉田同志以及隊(duì)長(zhǎng)趙軒坤同志，不時(shí)的督促我使我今日如期完成我的畢業(yè)論文，在此我也向他們表示感謝！另外，我還要感謝所有的在我的畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中幫助我