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1、安徽工程大学毕业设计（论文）引 言随着人们生活节奏的加快，不同的工作对人提出了不同的要求，在某些场合中，传统的信号发生器已不能满足工作和学习的需要，例如，在上课的过程中，为了能形象的模拟出各种信号的变换过程，传统的信号发生器容易受到外界的干扰及由于误差等的原因导致结果相差很大，而用虚拟仪器模拟出来的波形则能很好的避免这些原因。LabVIEW能够虚拟很多常规仪器，通过计算机仿真完成不同的功能，这样既可节省设备投人的开支，又提高了效率。因此，基于LabVIEW实现多功能信号发生器具有重大意义。传统的信号发生器其功能完全靠硬件实现,功能单一而且用户的购置、维护费用高。更重要的是，对于传统的信号发生器
2、,其功能一旦确定便不能更改，用户要想使用新的功能则必须重新购买新的仪器,传统信号发生器的不足显而易见。这里研究的虚拟信号发生器可以接收输入信号并产生多种输出信号，信号输出频率、幅度等参数实时可调。信号发生器作为科学实验必不可少的装置，被广泛地应用到教学、科研等各个领域。高等学校特别是理工科的教学、科研需要大量的仪器设备，例如信号源、示波器等，常用仪器都必须配置多套，但是有些仪器设备价格昂贵，如果按照传统模式新建或者改造实验室投资巨大，造成许多学校仪器设备缺乏或过时陈旧，严重影响教学科研。如果运用虚拟仪器技术构建系统，代替常规仪器、仪表，不但可以满足实验教学的需要、节约大量的经费、降低实验室建设
3、的成本，而且能够提高教学科研的质量与效率。第1章 绪 论1.1课题研究的意义以往工业现场的各种数据都是采用人工读数和记录，一直停留在手工和数字仪表的水平，无法做到对大量的实验数据的实时采集和分析。随着计算机技术的发展，结合高精度、高性能的数据采集仪器的应用，是的多路数据采集实现了自动化，大量的数据采集和分析由计算机自动完成，提高了测量精度。而计算机已经与仪器结合得非常紧密，已成为整个系统的核心，许多传统仪器正在逐渐被计算机部分、甚至全部取代。把各种传感器与计算机连接起来，首先需要有一个硬件接口电路把仪表输出的信号变成能够被计算机识别的数字信号，其次是要有软件来管理。通过软件、计算机、采集卡、接
4、口硬件和传感器组成的系统叫仪器系统（也是数据采集系统）。LabVIEW就是计算机处理分析系统软件之一。在PC机为基础测量和工控软件中，LabVIEW的市场普及率仅次于C+语音。LabVIEW开发环境具有一系列优点，从流程式的编程、不需预先编译就存在语法检查、调试过程使用的数据探针，到其丰富的函数功能、数值分析、信号处理和设备驱动等功能，都比其他工具强大。LabVIEW是一种图形化的编程语言，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件2。信号发生器是许多电子设备特别是测试设息，分析研究被检测设备的情况。衡量或评定一个信号发生器的精度时，主要是对其中最基本备必
5、备的一部分，用以输入基准源信号给被测设备，通过接收被测设备返回的信和最重要的部分即正弦信号进行检测。检测正弦信号性能的重要指标是频率准确度和频率稳定度、信噪比和谐波畸变。编程对工程技术人员来说比较麻烦，LabVIEW软件用图形编程语言，直观简单、易于操作。用户使用LabVIEW可以随意创建程序，并把它当作子程序调用，以创建更复杂的程序，且调用的层次没有限制LabVIEW这种创建和调用子程序的方法，使创建的程序结构模块化，更易于调试、理解和维护。同时，LabVIEW能够虚拟很多常规仪器，通过计算机仿真完成不同的功能，这样既可节省设备投人的开支，又提高了效率。因此，基于LabVIEW实现多功能信号
6、发生器具有重大意义。传统的信号发生器其功能完全靠硬件实现,功能单一而且用户的购置、维护费用高。更重要的是，对于传统的信号发生器，其功能一旦确定便不能更改，用户要想使用新的功能则必须重新购买新的仪器，传统信号发生器的不足显而易见。这里研究的虚拟信号发生器可以接收输入信号并产生多种输出信号，信号输出频率、幅度等参数实时可调。主要具有如下优点：1）用图形化编程语言LabVIEW和面向对象编程技术，软件开发效率高，可操作性和可维护性好；2）充分利用了计算机的存储与外设连接的能力，测量结果和波形可直接打印输出或通过网络共享；3）硬件具有开放性，允许通过升级硬件来提高其性能；4）在相同硬件条件下，可以通过
7、修改或增加软件模块形成新的仪器功能。5）打破了传统数据采集“线缆密布”的形象，大大简化了测试系统的复杂程度，简化了现场的布置，节省了物力、人力。6）强调“软件就是仪器”。通过基于虚拟仪器的数据采集环境，同样能够“身临其境”地观察数据采集过程和进行“实际”操作。7）LabVIEW图形化编程方式简明快捷，易学易用，可节省大量的学习程序设计及进行程序开发的时间，尤其适合从事科研、开发的科学工作者、工程技术人员3。1.2课题研究的背景虚拟仪器的起源可以追溯到20世纪70年代，那计算机测控系统在国防、航天的领域已经有了相当的发展。PC出现以后,仪器的计算机化成为可能，甚至在微软公司的Windows诞生之
8、前，美国国家仪器公司已经在Macintosh计算机上推出了LabVIEW2.0以前的版本。对虚拟仪器和LabVIEW长期、系统、有效的研究开发使得该公司成为业界公认的权威。 自20世纪90年代以来，在计算机技术的推动下，以虚拟仪器为标志的通用化、智能化和网络化测量仪器及测试系统得到了迅猛发展，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，在许多方面已经突破了传统仪器的概念，电子测量仪器的功能和作用已经发生了质的变化。虚拟仪器利用现有的计算机，加上特殊的仪器硬件和专用软件，形成既有普通仪器的基本功能，又有一般仪器所没有的特殊功能的高档低价的新型仪器。虚拟仪器的出现是仪器发展史上的一场
9、革命，代表作仪器发展的最新方向和潮流，对科学技术的发展和工业生产的进步产生了不可估量的影响。现代化生产要求电子仪器品种多、功能强、精度高、自动化程度高，而且要求测试速度快、实时性好、具有良好的人机界面。与传统仪器相比，虚拟仪器则可以在脚底的成本下较好的实现这些要求，这正是虚拟仪器相对于传统仪器巨大的优势所在。依靠其自身的优势虚拟仪器在仪器市场的竞争力不断增强。许多大型仪器公司均在虚拟仪器市场上占有一席之地。1988年国际上开始有虚拟仪器产品面市，当时只有五家制造商推出的30中产品。此后，虚拟仪器产品每年成倍增加，到1994年底，虚拟仪器制造厂已达95家，共生产100多种虚拟仪器产品，销售额达2
10、.93亿美元，占整个仪器销售额73亿的4%13。 目前，我国正处于科学技术蓬勃发展的新时期，对仪器设备的需求讲更加强劲。虚拟仪器赖以生存的PC计算机近几年正以迅猛的势头席卷全国，这为虚拟仪器的发展奠定了基础，虚拟仪器作为串通仪器的替代品，市场容量巨大。虚拟仪器在仪器中所占地位越来越高也是与虚拟仪器性能的飞速提高分不开的。虚拟仪器经历了由模拟仪器、袋IEEE488接口的智能仪器到全部编程的发展历程，其中每一次飞跃无不以高性能计算机的发展为动力。近年来，计算机的处理能力提高很快，发展的速度已经远远的把传统仪器抛在了后面，高分辨率的图形显示与几百千兆的硬盘也已经成为了标准配置。同时，计算机生产厂商之
11、间的激烈竞争保证了计算机在显示、存储能力与处理性能等方面仍将高速发展。由于计算机技术、特别是计算机总线标准的发展导致VI在PXI和VXI两个领域中得到了快速的发展，它们将成为未来仪器行业的两大主流产品。具有上GHz采样率，高达24bits精度的DAQ版已经面世。A/D转换技术、仪器放大器、抗混叠滤波器与信号调理技术的进一步发展是DAQ版成为最具有吸引力的VI选件之一。模块化的Delta-sigma A/D转换器的仪器放大器可在3us内完成12bits精度下的参数设置，抗混叠滤波器可按1/6倍频程衰减90dB，多通道、完全可编程的信号调理等性能与功能指标仅仅是DAQ版先进技术性能中的几个例子。虚
12、拟仪器技术经过十余年的发展，正沿着总线与驱动程序的标准化、软件的模块化、编程平台的图形化和硬件模块的即插即用等方向发展。 虚拟仪器系统作为本世纪内电子测量仪器发展过程中出现的最新高峰，有着极其广阔的发展前景。它的出现为国家各个行业科研的发展提供了更新式的测试手段，它所具有的得天独厚的优势，是目前任何仪器都不能替代的。我们有理由相信，随着我过科技水平的不断提高，虚拟仪器必将仪器卓越的性能在我国测试行业及高等工科院校实验室教学及科研中得到更为广泛的应用。虚拟仪器（virtual instrumention）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。粗略地说这种结合有两
13、种方式，一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。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。 虚拟仪器的主要特点有：尽可能采用了通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件。 可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功能更强的仪器。用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。虚拟仪器实际上是一个按照仪器需求组织的数据采集系统。虚拟仪器的研究中涉及的基础理论主要有计算机数据采集和数字信号处理。目前在这一领
14、域内，使用较为广泛的计算机语言是美国NI公司的LabVIEW。虚拟仪器的起源可以追溯到20世纪70年代，那时计算机测控系统在国防、航天等领域已经有了相当的发展。PC机出现以后，仪器级的计算机化成为可能，甚至在Microsoft公司的Windows诞生之前，NI公司已经在Macintosh计算机上推出了LabVIEW2.0以前的版本。对虚拟仪器和LabVIEW长期、系统、有效的研究开发使得该公司成为业界公认的权威。目前LabVIEW的最新版本为LabVIEW2009，LabVIEW 2009为多线程功能添加了更多特性，这种特性在1998年的版本5中被初次引入。使用LabVIEW软件，用户可以借助
15、于它提供的软件环境，该环境由于其数据流编程特性、LabVIEW Real-Time工具对嵌入式平台开发的多核支持，以及自上而下的为多核而设计的软件层次，是进行并行编程的首选。普通的PC有一些不可避免的弱点。用它构建的虚拟仪器或计算机测试系统性能不可能太高。目前作为计算机化仪器的一个重要发展方向是制定了VXI标准，这是一种插卡式的仪器。每一种仪器是一个插卡，为了保证仪器的性能，又采用了较多的硬件，但这些卡式仪器本身都没有面板，其面板仍然用虚拟的方式在计算机屏幕上出现。这些卡插入标准的VXI机箱，再与计算机相连，就组成了一个测试系统。VXI仪器价格昂贵，目前又推出了一种较为便宜的PXI标准仪器。虚
16、拟仪器研究的另一个问题是各种标准仪器的互连及与计算机的连接。目前使用较多的是IEEE 488或GPIB协议。未来的仪器也应当是网络化的。 LabVIEW（Laboratory Virtual instrument Engineering Workbench）是一种图形化的编程语言的开发环境，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW集成了与满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。它还内置了便于应用TCP/IP、ActiveX等软件标准的库函数。这是一个功能强大且灵活的软件。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣6。 图形化的程序语言，又称为“G”语言。使用这种语言编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是流程图或框图。它尽可能利用了技术
