2017毕业论文-基于labview的虚拟信号发生器的设计

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1、课题名称 基于LabVIEW8.0的虚拟函数信号发生器的设计指导教师姓名 学生姓名 专 业 自动化学 号 基于LabVIEW的虚拟函数信号发生器的设计摘 要 本文实现了基于LabVIEW8.5的虚拟正弦波、方波、三角波、锯齿波以及任意信号波形的信号发生。操作人员可以根据需要,改变波形的频率、幅值、相位、偏移量等参数，并可保存波形的分析参数到指定文件。本论文首先简介了虚拟函数信号发生器的开发平台，及虚拟信号发生器的设计思路，并且给出了基于LabVIEW的虚拟信号发生器的前面板和程序设计流程图，讲述了功能模块的设计步骤，提供了虚拟发生器的前面板。 本仪器系统操作简便，设计灵活，具有很强的适应性。【

2、关键词】：虚拟仪器，LabVIEW，信号发生器第一章 虚拟仪器（Virtual Instrument）1.1 虚拟仪器概念虚拟仪器的起源可追溯到20世纪70年代。“虚拟”的含义主要是强调了软件在这类仪器中的作用，体现了虚拟仪器与主要通过硬件实现各种功能的传统仪器的不同。由于虚拟仪器结构形式的多样性和适用领域的广泛性，目前对于虚拟仪器的概念还没有统一的定义。美国国家仪器公司（National Instruments Corporation，NI）认为，虚拟仪器是由计算机硬件资源、模块化仪器硬件和用于数据分析、过程通信及图形用户界面的软件组成的测控系统，是一种计算机操纵的模块化仪器系统。虚拟仪器主

3、要由通用的计算机资源（例如微处理器、内存、消声器）、应用软件和仪器硬件（例如A/D、D/A、数字I/O、定时器、信号调理等）等构成。使用者利用应用软件将计算机资源和仪器硬件结合起来，通过友好的图形界面来操作计算机，完成对测试信号的采集、分析、判断、显示和数据处理等功能。虚拟仪器中的硬件主要用于解决信号的调理以及输入、输出问题。而软件主要用于实现对数据的提取、分析处理、显示以及对硬件的控制等功能，这些功能在传统电子仪器中往往通过硬件来实现。图1-1给出了一种利用数据采集卡实现的虚拟仪器。 信号调理 数据处理 数据采集卡 传感器 虚拟仪器面板 图1-1 常见虚拟仪器的组件方案 与传统仪器相比，虚拟

4、仪器具有以下优点。 （1）虚拟仪器的软件和硬件具有开放性、模块化、互换性以及可重复使用等优点。例如，为了提高仪器的性能，可加入一个通用的仪器模块，或者更换一个仪器模板，而不必重新购买整个仪器。 （2）在通用硬件平台搭建后，由软件来实现仪器的具体功能，即软件在虚拟仪器中具有重要的作用。 （3)虚拟仪器的功能是由用户根据实际需要通过软件来定义的，而不是事先由仪器商定义的。 （4）虚拟仪器研制的周期较传统仪器大为缩短。 （5）虚拟仪器的性价比较高。 （6）由于虚拟仪器技术是建立在计算机技术和数据采集技术基础上的，因而技术更新较快、成本较低、测试自动化程度较高，而且可与网络及其他设备互联。 （7）虚拟

5、仪器具有友好、灵活的人机界面，传统仪器的界面较呆板。1.2 虚拟仪器的分类虚拟仪器随着计算机的发展和采用总线方式的不同，一般可分为六种类型。 （1）PC总线插卡型虚拟仪器 这种方式借助插入计算机内的数据采集卡与专用的软件构成测试系统。PC-DAQ/PCI插卡是最廉价的形式，从数据采集的前向通道到后向通道的各个环节都有对应的产品。它充分利用了PC的机箱、总线、电源及软件资源，因而也受PC机箱环境和计算机总线的限制，存在诸多的不足。美国NI公司提出的PXI总线，是PCI总线计算机在仪器领域的扩展，由它形成了具有性能价格比优势的最新虚拟仪器测试系统，但由于技术新、成本高，目前使用还不普及。 （2）G

6、PIB总线方式的虚拟仪器GPIB技术是IEEE488标准的虚拟仪器早期的发展阶段。它的出现使电子测量独立的单台手工操作向大规模自动测试系统发展，典型的GPIB系统由一台PC机、一块GPIB接口卡和若干台BPIB形式的仪器通过GPIB电缆连接而成。用GPIB通用仪器总线，可替代传统的人工操作方式，在计算机的控制下完成复杂的测量。我国几百家厂商的数以万计的仪器都配置了GPIB总线，应用遍及科学研究、工程开发、医药卫生、自动测试设备、射频、微波等各个领域。 （3）VXI总线方式虚拟仪器VXI总线是一种高速计算机总线VME总线在VI领域的扩展，它具有稳定的电源，强有力的冷却能力和严格的RFI/EMI屏

7、蔽。由于它的标准开放、结构紧凑、数据吞吐能力强、定时和同步精确、模块可重复利用、众多仪器厂家支持的优点，很快得到广泛的应用。经过多年的发展，VXI系统的组建和使用越来越方便，尤其是组建大、中规模自动测量系统以及对速度、精度要求高的场合。有其他仪器无法比拟的优势。然而，组建VXI总线要求有机箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造价比较高。 （4）PXI总线方式虚拟仪器PXI总线方式是PCI总线内核技术增加了成熟的技术规范和要求形成的，增加了多板同步触发总线的技术规范和要求形成的，增加了多板发总线，以使用于相邻模块的高速通讯的局总线。PXI的高度可扩展性。PXI具有8个扩展槽，而台式PCI系统只有34个

8、扩展槽，通过使用PCIPCI桥接器，可扩展到256个扩展槽，台式PC的性能价格比和PCI总线面向仪器领域的扩展优势结合起来，将形成未来的虚拟仪器平台。 （5）并行总线方式虚拟仪器最新发展的一系列可连接到计算机并行接口的测试装置，它们把仪器硬件集成在一个采集盒内，完成各种测量功能。 （6）串行总线方式虚拟仪器USB通用串行总线，是简化PC与外设之间互联的一种标准总线，它使设备具有热插拔、即插即用、自动配置的能力。USB的级联星形拓扑结构大大扩充了外设数量，使用外设更加便捷、快速。而USB2.0标准更是将数据传输速率提高到了一个新的高度，因而具有很好的应用前景。由于其价格低廉、用途广泛、特别适合于

9、研发部门和各种教学实验室应用。1.3 虚拟仪器系统的构成虚拟仪器由硬件设备与接口、设备驱动软件和虚拟仪器面板组成。其中，硬件设备与接口可以是各种以PC为基础的内置功能插卡、通用接口总线接口卡、串行口、VXI总线仪器接口等设备，或者是其它各种可程控的外置测试设备，设备驱动软件是直接控制各种硬件接口的驱动程序，虚拟仪器通过底层设备驱动软件与真实的仪器系统进行通讯，并以虚拟仪器面板的形式在计算机屏幕上显示与真实仪器面板操作元素相对应的各种控件。用户用鼠标操作虚拟仪器的面板就如同操作真实仪器一样真实与方便。 1.3.1 硬件系统虚拟仪器的硬件系统主要由传感器、信号调理电路、数据采集设备（包括各种I/O

10、接口设备、通信适配器、模块化仪器机箱等）以及计算机组成。其中，计算机是虚拟仪器硬件平台的核心；传感器是虚拟仪器系统中的前置部件，将被测的非电量转化为电量；信号调理电路的主要功能是对传感器输出的模拟信号进行放大、滤波、隔离等；数据采集设备的主要作用是对被测信号进行采样、放大、模数转换等。根据所使用的仪器硬件不同，虚拟仪器硬件系统可以分为PC-DAQ系统，GPIB系统、VXI/PXI/LXI系统、串口系统、现场总线系统等。1.3.2 软件系统与虚拟仪器硬件模块在世界范围内的开放与标准化相适应，虚拟仪器的软件结构也要求具有开放的、统一的、格式和标准。为此，1993年VPP(VXI Plug&Play

11、）联盟成立，其目的在于补充和发展VXI总线规范中对虚拟仪器软件结构的定义。目前，VPP规范已被广大的仪器生产厂家所接受和使用。根据VPP系统规范的定义，虚拟仪器的软件结构从底层到顶层分别为：输入输出接口层、仪器驱动程序层和应用软件层。第二章 LabVIEW简介 LabVIEW（Laboratory Virtual instrument Engineering）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。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

12、/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。图形化的程序语言，又称为“”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。它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念，因此，LabVIEW是一个面向最终用户的工具。它可以增强你构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。利用LabVIEW，可产生独立运行的可执行文件，它是一个真正的位编译器。像许多重要的软

13、件一样，LabVIEW提供了Windows、UNIX、Linux、Macintosh的多种版本。2.1 LabVIEW应用程序的构成所有的LabVIEW应用程序，即虚拟仪器（VI），它包括前面板（front panel）、流程图（block diagram）以及图标/连结器(icon/connector)三部分。前面板前面板是图形用户界面，也就是VI的虚拟仪器面板，这一界面上有用户输入和显示输出两类对象，具体表现有开关、旋钮、图形以及其他控制（control）和显示对象（indicator）。图2-1所示是一个随机信号发生和显示的简单VI的前面板，上面有一个显示对象，以曲线的方式显示了所产生的

14、一系列随机数。还有两个控制对象：控制开关可以启动和停止工作；循环延时能够控制随机信号发生的循环时间。显然，并非简单地画两个控件就可以运行，在前面板后还有一个与之配套的流程图。图2-1 前面板 流程图流程图提供VI的图形化源程序。在流程图中对VI编程，以控制和操纵定义在前面板上的输入和输出功能。流程图中包括前面板上的控件的连线端子，还有一些前面板上没有，但编程必须有的东西，例如函数、结构和连线等。2.2 LabVIEW中的操作模板LabVIEW具有多个图形化的操作模板，用于创建和运行程序。这些操作模板可以随意在屏幕上移动，并可以放置在屏幕的任意位置。操纵模板共有三类，为工具（Tools）选板、控

15、制（Controls）选板和函数（Functions）选板。工具选板（Tools Palette）图2-3工具选板工具模板用于创建、修改和调试VI程序的工具。如果该模板没有出现，则可以在【查看(V)】菜单下选择【工具选板（T）】命令以显示该模板。当从模板内选择了任一种工具后，鼠标箭头就会变成该工具相应的形状。当从【查看(V)】菜单下选择了【工具选板（T）】功能后，把工具选板内选定的任一种工具光标放在流程图程序的子程序（Sub VI）或图标上，就会显示相应的帮助信息。与工具模板不同，控制和功能模板只显示顶层子模板的图标。这些顶层子模板中包含许多不同的控制或功能子模板。通过这些控制或功能子模板可以找到创建程序所需的面板对象和框图对象。用鼠标点击顶层子模板图标就可以展开对应的控制或功能子模板，只需按下控制或功能子模板左上角的大头针就可以把对这个子模板变成浮动板留在屏幕上。控制选板用控制选板可以给前面板添加输入控制和输出显示。每个图标代表一个子模板。如果控制选板不显示，可以用【查看(V)】菜单的【控制选板（T）】功能打开它，也可以在前面板的空白处，点击鼠标右键，以弹出控制选板。