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1、【标题】基于 LabVIEW 译码器的设计 【作者】袁金花 【关键词】虚拟仪器 LabVIEW 译码器 前面板 程序框图 【指导老师】朱清友 【专业】应用电子技术 【正文】1 引言1.1 问题的提出 实验是工科教学中的一种重要教学辅助手段，学生可以通过实验，加深对原理性知识的理解，增加感性认识，巩固理论知识，提高实际动手操作能力，积累实际经验。目前，在各高校工科实验室中，采用传统方式进行实验教学的仍然占大多数。实验过程往往比较简单，需要的仪器却比较复杂，利用率却不高，各门实验课程往往因为某些参数上的差异不得不购置同类实验设备，例如译码器。此外，为了保证学生有较好的实验效果，要求人手一套实验设备
2、，需要购置大量的仪器仪表，在全国高等教育大幅度扩招的今天，以有限的经费是很难满足这一要求的。因此，研究开发灵活性高、物美价廉的实验教学设备成为非常有意义的课题，而虚拟仪器技术的发展为其指明了研究方向1。随着数字电路技术和计算机技术的飞速发展,EDA(electronic design automation)技术逐渐取代传统的电子设计方法而成为数字电路设计的主流。EDA利用软件的编程设计,达到对硬件系统的功能仿真、测试和设计实现,使产品的开发周期缩短,成本降低。现在比较主流的 EDA 开发平台有加拿大的 EWB、美国的MAX+plus、澳大利亚的 protel 等。而美国 NI 公司的 LabV
3、IEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench 实验室虚拟仪器工程平台),虽然不是专业的 EDA 开发软件,但凭借其在虚拟仪器技术上的突出优势和图编程的特性(在流程图中创建源程序,而非使用基于文本的语言来产生源程序代码),同样可以有效地应用于数字电路设计,达到良好的仿真和设计效果2。1.2 虚拟仪器概述美国 NI 公司于 20 世纪 80 年代中期首先提出了“软件就是仪器”这一基于计算机技术的虚拟仪器概念。这个概念为用户定义、构造自己的仪器系统提供了完美的解决途径。虚拟仪器通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机的融合为一体，从而
4、把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，大大缩小了仪器硬件的成本和体积，并通过软件实现对数据的显示、存储以及分析处理。当硬件平台 1/O 接口设备与计算机确定后，编制某种测量功能的软件后计算机就成为该种功能的测试仪器。因为虚拟仪器与计算机技术同步发展，与网络及其他周边设备互联，所以用户只需改变软件程序就可以不断的赋予它或扩展增强它的测量功能。这就是说，仪器的设计制造不再是厂家的专利。虚拟仪器开创了仪器使用者可以成为仪器设计者的时代，这给仪器使用者带来了无尽的收益3。虚拟仪器(Virtual instrument )是基于计算机的仪器。计算机仪器的密切结合是目前仪器发展的
5、一个重要方向。粗略的说，这种结合有两种方式。一种方式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，这类仪器的功能也越来越强大，目前己经出现含有嵌入式系统的仪器。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，实现各种仪器的功能。虚拟仪器主要是指这种方式。在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是为了解决信号的输入输出，软件才是整个系统的关键，任何一个用户都可以通过改写软件的办法，方便的改变和增减仪器系的功能，即“软件就是仪器” 4。虚拟仪器技术的出现，打破了传统仪器由厂家定义功能，用户无法改变的固定模式，虚拟仪器技术给用户一个充分发挥自
6、己的才能、想象力的空间。用户可以随心所欲的根据自己的需求，设计自己的仪器系统，满足多种多样的应用需求。虚拟仪器作为 21 世纪的仪器，具有编程灵活、可自定义、数据处理和分析功能强大、开发周期短等优点，推动着测控技术的革命，在电力系统测量、控制方面有广阔的应用前景5。虚拟仪器具有如下特点:1虚拟仪器充分利用计算机技术，融合了计算机强大的硬件资源和丰富的软件资源，是开放的、模块化的，具有良好的开放性和可扩展性，可重复和交换使用，并大量运用动态链接库、类库和函数库，代码具有良好的可重复性。例如，可以通过加入一个通用仪器模块或更换一个仪器模块，重组仪器系统，而不用购买另一个全新系统。2用户可以自行定义
7、仪器或系统的功能、规模。由于仪器不再完全由仪器生产厂家来确定，用户可以根据自己的需要，通过增加或修改软件，为虚拟仪器加入新的钡量功能，强调了“软件就是仪器”的新概念，软件在某种程度上可以完成传统仪器不可能实现的硬件测试功能。加上虚拟仪器的开放性和功能软件的模块化，使组建系统变得更加灵活、简单。3虚拟仪器具有图形化用户界面，体现“所见即所得”的思想，功能外观类似于传统仪器，传统仪器的控制面板在各种虚拟仪器中都有被相应设置选项和结果输出控制的软面板所取代。且计算机处理的是数字信号，不易被干扰，稳定性强。近年来虚拟仪器因其强大的性能价格比优势得到了广泛的应用。虚拟仪器的发展主要取决于三个重要因素:计
8、算机的发展是动力、软件是主宰、高性能的 A/D 采集卡及信号调理器与传感器是关键6。1.3 虚拟仪器的功能任何测量测试仪器的主要功能包括三大部分:数据采集；数据测试和分析；结果输出显示。虚拟仪器也同样如此，区别在于虚拟仪器的数据分析和结果输出完全由计算机的软件系统来完成，人机交互的操作界面相当于传统仪器的操作面板。因此，只要提供特定的数据采集硬件，配合相应的控制软件，就构成了最简单的基于计算机的虚拟测量测试系统4。虚拟仪器的硬件平台由通用计算机和接口设备两部分组成， 由接口设备实现通用计算机程序与测控对象的通信，按其与计算机的接口方式可分为 5 种类型7。 信号调理器是在自动化控制系统中对各种
9、联络信号进行变送、转换、传输、运算的器件。它将各类一次传感器或一次仪表输出的模拟信号调理整合成智能控制系统司统一规范的信号，因此也称作信号转换器、信号变送器7。虚拟仪器系统框图如图 1-1 所示。 图 1-1 虚拟仪器系统1.4 虚拟仪器的应用现状和前景虚拟仪器技术是测试领域的一种新的思想和方法，它的出现是测试仪器技术和测控系统的一个新的里程碑8。虽然是新兴的仪器仪表技术，但由于其具备许多区别于传统仪器的突出优点，可以由用户自行设计定义，灵活变换参数，随着计算机技术特别是软件技术和仪器技术的进步而飞速发展，因此使现代测控的系统更灵活、更紧凑、更经济、功能更强大，从而在国内外各个领域得到了越来越
10、广泛的应用。虚拟仪器目前多应用在以下几个方面9: 1代替传统仪器进行各种测试工作。2辅助教学使用。用传统仪器，学生有时需要花较多时间去重复接线、更换仪器等，且有些仪器价格昂贵；而利用己开发好的虚拟仪器，在电子实验室中替代原有的许多分立仪器，可以降低成本、提高分析处理数据的效率能力，能大大促进教学实验改革的进程。3在监控方面的应用。虚拟仪器系统可以随时采集和记录从传感器传来的数据，并对之进行统计数字滤波、频域分析等处理，从而实现监控功能。4虚拟仪器己开始占领航空、航天、汽车、生物医学和其他众多应用领域。例如，利用虚拟仪器技术，北京航空航天大学完成了航空发动机压气机管道声模态及非定长特性测量的数据
11、采集和分析课题；清华大学构建了汽车发动机检测系统，用于汽车发动机出厂前的自动检测；重庆大学开发了虚拟实时噪声倍频程分析仪，实现了对噪声总声压级、各种计权声压级及相应倍频程的实时测量和分析；美国的 B&B 公司在 III 公司的 LabVIEW 和 PXI/SCXI 基础上开发了车内测试系统(IVDAS )；美国的 Geomatics 公司和 Goldsmith 公司等研制开发了农业自动化灌溉系统和秧苗分析系统，随着各种新技术的发展和开放式数据采集标准的应用，测控仪器将会更加高效、高速、高精度，向着标准化、通用化、系列化和模块化以及自动化、智能化和网络化的方向发展，并且越来越大众化和小型化，推动
12、了仪器界新的革命9。1.5 虚拟仪器的开发环境 LabVIEW孤立的计算机硬件和 I/O 口设备均无法完成测试任务，软件技术在自动测试系统的研制与开发中正在起着越来越重要的作用。LabVIEW 编程语言是美国最大的虚拟仪器制造商 NI 公司推出的一种基于 G 语言(Graphics Language，图形化编程语言)的虚拟仪器软件开发工具。LabVIEW 是“实验室虚拟仪器工程平台(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)”的缩写，用 LabVIEW 设计的虚拟仪器可脱离 LabVIEW 开发环境，用户最终看见的是和实际硬件仪器相
13、似的操作面板10。LabVIEW 是一个工程软件包。1986 年，美国国家仪器公司(NationalIn Struments)开发研制出它基于苹果公司的 Macintosh 微机的最早版本.之后，该公司不断推出基于各种操作系统的 LabVIEW 版本。到现在为止，已经推出 LabVIEW 8.2。它们的出现开创了虚拟仪器的仪器研究新方法10。1.5.1 LabVIEW 的主要特点1图形化编程方式。设计者以方框图的形式编制程序，无需编写文本格式的代码。LabVIEW 是一种面向工程师的“所见即所得”的语言，运用的设备图标与科学家、工程师们习惯的大部分图标基本一致，这使得编程过程和思维过程非常相似
14、。该软件提供了非常丰富、形象的开发工具模板，提供了大量的函数和子程序支持用户的任务，也提供了一些专用程序如 GPIB 设备控制、VXI 总线控制、串行口设备控制、以及数据分析、显示和存储4。2数据流模式。传统的计算机语言中的顺序执行结构在 LabVIEW 中被并行机制所代替。从本质上讲，它是一种带有图形控制流结构的数据流模式(DataFlowMode)，这种方式确保了程序中的函数节点(FunctionNode )只有在获得它的全部数据后才能够被执行。也就是说，在这种数据流程序的概念中，程序的执行是数据驱动的，它不受操作系统、计算机等因素的影响4。3数据结构、分析函数非常丰富。LabVIEW 是
15、一个通用编程系统，不但能够完成一般的数学运算与逻辑运算和输入输出功能，它还带有专门的用于数据采集和仪器控制的库函数和开发工具，尤其还附带专业的数学分析程序包，基本上可以满足复杂的工程计算和分析要求4。4提供与其他编程语言的接口来完成更复杂的数值分析任务。LabVIEW 是一个开放的开发平台，可方便的调用 Windows 动态链接库和用户自定义的动态链接库中的函数，支持动态数据交换(DDE)、结构化查询语言(SQL), TC和 UDP 网络协议等。此外，LabVIEW 的 CIN 节点使用户可以使用由其它语言编译的程序，来完成一些用 LabVIEW 无法完成的复杂数值分析任务等4。1.5.2 L
16、abVIEW 程序的开发步骤LabVIEW 环境下开发的程序外型与操作方式可以模拟实际的仪器，因此被称作虚拟仪器 VI。实际上，VIS 类似于传统编程语言的函数或子程序，若干 VIs 可以组成一个主 VI。一个 VI 由前面板(FrontPanel)、框图程序(Diagram)和接口板组成，前面板接受来自框图程序的指令。开发一个 VI 程序的基本步骤如下:1创建前面板前面板类似于仪器的面板，也是用户界面。在 VI 的前面板中，控件(Control)如旋钮、按钮等模拟了仪器的输入装置，可用鼠标、键盘向程序输入数据，提供给VI 的框图程序；而指示器(Indicator)窗口等则模拟了仪器的输出装置，用于显示由框图程序产生的数据结果，并从计算机显示器上观察结果4。2构造图形化的框图程序每个程序的前面板都对应着一段框图程序即图标代码，也是 VI 的源代码，可以理解成传统程序。VI 用图标代码和连线来完成算术和逻辑运算，包括普
