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1、课程设计说明书 第II页基于LabVIEW的虚拟仪器设计线性微分方程曲线显示器摘 要随着计算机软、硬件的发展，计算机与外设之间的数据通信越来越频繁，也越来越便利，虚拟仪器应运而生。从本质上来说，虚拟仪器是仪器技术与计算机技术深层次结合的产物，它强调“软件是仪器”的概念，使用户能够根据自己的需要定义仪器功能，更好的组建自己所需要的测试系统。它是按照信号的处理与采集，数据的分析，结果的输出及显示的结构模式来建立通用信号处理硬件平台。 本课题就是在这个通用信号处理硬件平台，进行了基于LABVIEW的虚拟仪器设计线性微分方程曲线显示器的设计，设计基于LabWIEW软件的虚拟仪器设计线性微分方程曲线显示
2、器，能够显示实验室常用的正弦波、三角波、方波、锯齿波信号及白噪声和多频波，任意公式波，并在以设计好的虚拟显示器的基础上对所产生的信号做线性微分分析及相应的频谱分析。关键字：LabWIEW软件，虚拟仪器， 线性微分方程曲线显示器 目 录1 绪论11.1 课题描述11.2 设计任务与要求11.3 基本工作原理12 虚拟仪器技术22.1 虚拟仪器的概述22.2 虚拟仪器的发展趋势42.3 虚拟仪器系统的组成42.4 虚拟仪器的软件开发平台53 LabVIEW图形化开发环境63.1 LabVIEW简介63.2 LabVIEW的优点73.3 LabVIEW中的编程方式83 建立模型93.1 系统程序框图
3、设计93.2 系统程序运行结果11总 结12致 谢13参考文献14课程设计说明书 第14页1 绪论1.1 课题描述虚拟仪器是一种基于计算机的自动化测试仪器系统。虚拟仪器的突出优点在于能够与计算机技术结合，将计算机资源与仪器硬件，数字信号处理技术与不同功能的软件模块结合，组成不同的仪器功能。用户可根据测试的需要，自己设计所需要的仪器系统，即利用数据采集卡及计算机外围硬件进行信号的采集与检测，然后用计算机所编的软件来实现对信号的处理、计算和分析以及对测试结果进行显示。形编程方式，把复杂繁琐、费时的文本编程简化成“画流程图”的方法，与通用的文本编程语言相比，可以节省大约70一80的程序开发时间。编程
4、工作是由开发平台本身完成的，省去用户大量的编程工作。图形化软件开发平台只需用鼠标将屏幕上的各个功能图标按一定的顺序连接起来，就能方便迅速地完成程序的编写。该类软件开发平台同时支持与多种总线接口系统的通信连接，提供数据采集、仪器控制、数据分析和数据显示等与虚拟仪器系统相关的多种功能。是面向测试领域的优秀软件开发平台，受到了从事虚拟仪器系统的软件开发的广大工程技术人员的欢迎。因此，这次开发，我们将采用LABVIEW开发平台,来进行这次的虚拟显示器的开发。1.2 设计任务与要求通过对本课题的设计，要求掌握For循环结构、条件结构、信号生成控件、索引、数组控件、XY波形图、捆绑控件、矩阵、指数函数等的
5、使用。 本课题是设计一个求解4*4阶线性微分方程组设计，要求该系统能通过界面控件有选择性地改变数据数值，并观察数据的变化对曲线的的影响。 要求正确无误地完成全部软件设计，能正常运行，并写出合格的课程设计说明书，圆满完成各项任务。 1.3 基本工作原理本设计采用的是数字处理式频谱分析原理，方法为：经过采样，使连续时间信号变为离散时间信号，然后利用LabVIEW的强大的数字信号处理的功能，对采样得到的数据进行滤波、加窗、FFT 运算处理，就可得到信号的幅度谱、相位谱以及功率谱。FFT的输出都是双边的，它同时显示了正负频率的信息。通过只使用一半FFT输出采样点转换成单边FFT。FFT的采样点之间的频
6、率间隔是fs/N，这里fs是采样频率。FFT和能量频谱可以用于测量静止或者动态信号的频率信息。FFT提供了信号在整个采样期间的平均频率信息。因此，FFT主要用于固定信号的分析（即信号在采样期间的频率变化不大）或者只需要求取每个频率分量的平均能量。在采样过程中，为了满足采样定理，对不同的频率信号，选用合适的采样速率，从而防止频率混叠。实际中，我们只能对有限长的信号进行分析与处理，而进行傅立叶变换的数据理论上应为无限长的离散数据序列，所以必须对无限长离散序列截断，只取采样时间内有限数据。这样就导致频谱泄漏的存在。所以利用用加窗的方法来减少频谱泄漏。由于取样信号中混叠有噪声信号，为了消除干扰，在进行
7、FFT 变换之前，要先进行滤波处理。本设计采用了巴特沃斯（Butterworth）、切比雪夫（Chebyshev）、椭圆（Ellipse）、贝塞尔（Bessel）等滤波器。以下说明时域分析与频域分析的功能1）信号的时域分析主要是测量测试信号经滤波处理后的特征值，这些特征值以一个数值的方式来表示信号的某些时域特征，是对测试信号最简单直观的时域描述。将测试信号采集到计算机后，在测试VI中进行信号特征值处理，并在测试VI前面板上直观地表示出信号的特征值，可以给测试VI的使用者提供一个了解测试信号变化的快速途径。信号的特征值分为幅值特征值、时间特征值和相位特征值。2）信号的频域分析就是根据信号的频域描
8、述来估计和分析信号的组成和特征量。测量时采集到的是时域波形，但是由于时域分析工具较少，往往把问题转换到频域来处理。频域分析包括频谱分析、功率谱分析、相干函数分析以及频率响应函数分析。通过信号的频域分析，可以确定信号中含有的频率组成成分和频率分布范围；还可以确定信号中的各频率成分的幅值和能量；同时还能分析各信号之间的相互关系1。2 虚拟仪器技术2.1 虚拟仪器的概述虚拟仪器的概念是由美国国家仪器公司最先提出的。所谓虚拟仪器是基于计算机的软硬件测试平台，它可代替传统的测量仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、频谱分析仪等，可集成于自动控制、工业控制系统之中，可自由构建成专有仪器系统。虚拟仪器是智
9、能仪器之后的新一代测量仪器。虚拟仪器的核心技术思想就是“软件即是仪器”。该技术把仪器分为计算机、仪器硬件和应用软件三部分。虚拟仪器以通用计算机和配备标准数字接口的测量仪器为基础，将仪器硬件连接到各种计算机平台上，直接利用计算机丰富的软硬件资源，将计算机硬件和测量仪器等硬件资源与计算机软件资源有机的结合起来。虚拟仪器是基于计算机的功能化硬件模块和计算机软件构成的电子测试仪器，而软件是虚拟仪器的核心，如图1所示，其中软件的基础部分是设备驱动软件，而这些标准的仪器驱动软件使得系统的开发与仪器的硬件变化无关。这是虚拟仪器最大的优点之一，有了这一点，仪器的开发和换代时间将大大缩短。虚拟仪器中应用程序将可
10、选硬件和可重复用库函数等软件结合在一起，实现了仪器模块间的通信、定时与触发。由于VI的模块化、开放性和灵活性，以及软件是关键的特点，当用户的测试要求变化时可以方便地由用户自己来增减硬、软件模块，或重新配置现有系统以满足新的测试要求。这样，当用户从一个项目转向另一个项目时，就能简单地构造出新的VI系统而不丢失己有的硬件和软件资源。图1 硬件模块虚拟仪器技术的优势在于可由用户定义自己的专用仪器系统，且功能灵活，很容易构建，所以应用面极为广泛。虚拟仪器技术十分符合国际上流行的“硬件软件化”的发展趋势，因而常被称作“软件仪器”。它功能强大，可实现示波器、逻辑分析仪、频谱仪、信号发生器等多种普通仪器全部
11、功能，配以专用探头和软件还可检测特定系统的参数，如汽车发动机参数、汽油标号、炉窑温度、血液脉搏波、心电参数等多种数据，它操作灵活，完全图形化界面，风格简约，符合传统设备的使用习惯，用户经简单培训即可迅速掌握操作规程2。2.2 虚拟仪器的发展趋势现代仪器仪表技术是计算机技术和多种基础学科紧密结合的产物。随着微电子技术、计算机技术、软件技术、网络技术的飞速发展，新的测试理论、测试方法、测试领域以及新的仪器结构不断出现，在许多方面已经冲破了传统仪器的概念，电子测量仪器的功能和作用发生了质的变化。在此背景下，1986年美国国家仪器公司(National Instruments，NI)提出了虚拟仪器(V
12、irtual Instrument，VI)的概念。尽管迄今为止虚拟仪器还没有一个统一的定义，但是一般认为：虚拟仪器是在PC基础上通过增加相关硬件和软件构建而成的、具有可视化界面的可重用测试仪器系统2。作为一种以计算机软件为核心的新型仪器系统，虚拟仪器具有功能强、测试精度高、测试速度快、自动化程度高、人机界面优异、灵活性强等优点，通常被认为是第三代自动测试系统的同义语3。使用虚拟仪器系统可以避免仪器编程过程中的大量重复性劳动，从而大大缩短复杂程序的开发时间，并且客户可以用不同的模块来构造自己的虚拟仪器系统，选择统一的测试策略。由于虚拟仪器的功能和性能已被不断提高，如今在许多应用中它已成为传统仪器
13、的主要替代方式。而虚拟仪器的各种优点让用户可放心地舍弃旧的传统测量设备，接受更新型、以计算机为基础的虚拟仪器系统。由于计算机的性能价格比不断改进，使虚拟仪器的价格更为大众化，用户不必再受限于传统仪器的使用限制和昂贵的价格，进一步降低了使用成本，减少了系统的开发费用和系统的维护费用4。此外，新型笔记本电脑又把虚拟仪器的便携性和强大功能推向一个新的水平。所有这些必将加快虚拟仪器的发展，使它的功能和应用领域不断增强和扩大。在测量、检测、电信、监控、教育等方面的应用已广泛开展。2.3 虚拟仪器系统的组成虚拟仪器是基于计算机的仪器。计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。这种结合基本有两种方
14、式，一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是智能化仪器。随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统的仪器。另一种方式是将仪器装入计算机，以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能，虚拟仪器主要是指这种方式。虚拟仪器的组成与传统仪器一样，主要由数据采集与控制、数据分析和处理、结果显示三部分组成。电源电路图如图2所示：图2 电源电路图2.4 虚拟仪器的软件开发平台应用软件开发平台是设计虚拟仪器所必须的软件工具。在确定的硬件基础条件下，构造和使用虚拟仪器的关键就是应用不同的软件实现不同的功能。虚拟仪器的应用软件主要包括：集成的开发环境、与仪器硬件的高级接口和虚拟仪器的用户界面。应用软件开发平台的选择，可因开发人员的喜好不同而不同，但最终都必须提供给用户一个界面友好，功能强大的应用程序。目前较流行的虚拟仪器软件开发平台大致可以分为两类：一类是图形化的编程语言，代表性的有惠普的HPVEE,NI公司的LabVIEW等；另一类是文本式的编程语言，如C,Labwindows/CVI,VC等。文本式编程语言和图形化编程语言相比，语言灵活性较好，用户可以灵活的添加功能；而图形化编程语言具有编程简单、直观、开发效率高的特点。近年来，基于PC机和工作站基础上的图形接口标准和计算机计算能力的提高，促进了图形开
