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1、 毕业设计论文课题名称：基于LabVIEW的虚拟仪器的设计姓 名： 专 业：电子测量技术与仪器班 级： 测量11301 学 号： 11011072 指导老师： 2013年11月 目 录摘要3第一章 虚拟仪器4 1.1虚拟仪器的概述4 1.2虚拟仪器的发展4 1.3虚拟仪器的结构原理5 1.4虚拟仪器的性能特点6 1.5虚拟仪器的应用7 1.6虚拟仪器的平台LabVIEW7第二章 实验说明10 2.1设计原理10 2.2设计内容与要求10 第三章 设计方案12 3.1 程序框图13 3.2方案实现与前面板设计13 3.3 结果分析18 结束语21参考文献22心得体会22附录23 摘要 现代科技发
2、展日新月异，计算机尤其如此。计算机强大的处理能力，使得它成为一种很好的工具，其应用范围也越来越广泛。虽然传统仪器已经得到迅猛的发展，仪器精度越来越高，功能越来越强，性能越来越好，但传统仪器基本上没有摆脱单独使用、手动操作的模式。传统台式仪器是由厂家设计并定义好功能的个封闭结构，它有固定的输入输出接口和仪器操作面板。每种仪器只能实现一类特定的测量功能，并以确定的方式提供给用户。我国高档台式仪器如数字示波器主要依赖进口，一方面这些仪器加工工艺复杂、制造水平要求高，生产突破有困难；另一方面，用户可以将一些先进的数字信号处理算法应用于虚拟仪器的设计，提供传统台式仪器所不具备的功能，而且完全可以通过软件
3、配置实现多功能集成的仪器设计。因此，目前研制一种结构简单、操作方便、费用低的数字示波器是非常必要的。声卡转换性能优越，技术成熟，配合强大的数据采集与处理功能，可以构建性价比相当高的数据采集系统。本文运用普通的计算机声卡代替商用数据采集卡，设计了一种双通道数字存储示波器。它具有位的量化精度，最高采样频率为。该系统能够正确采集声卡设计频率范围内的信号。对以上的信号，能够通过设计的电路衰减到合适的范围；对微伏级别的信号，能放大直到示波器上看到清晰的信号。虚拟数字存储示波器是虚拟仪器技术的一种具体应用，它将软件和虚拟仪器硬件紧密结合在一起，在公用计算机上虚拟地实现了示波器的各种功能，并进行了扩充。虚拟
4、数字存储示波器系统由信号采集、信号处理和结果显示三大部分构成，但是除了信号采集部分是由硬件实现之外，其它两部分都是由软件实现。我们所设计的虚拟数字存储示波器总体上包括数据采集、波形运算、波形存储回放以及滤波等模块组成。它除了通用功能外，又具有普通示波器所没有的许多优点，如波形可以存储为数据文件，以便进行永久保存、随时调用数据，进行波形实时显示。成本低廉，功能可根据应用的需要不断加强。因而用声卡构建低成本的数据采集系统是切实可行的。 第一章 虚拟仪器1.1虚拟仪器概述虚拟仪器技术是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。自1986年问世以来，世界各国的工程师
5、和科学家们都已将NI LabVIEW图形化开发工具用于产品设计周期的各个环节，从而改善了产品质量、缩短了产品投放市场的时间，并提高了产品开发和生产效率。使用集成化的虚拟仪器环境与现实世界的信号相连，分析数据以获取实用信息，共享信息成果，有助于在较大范围内提高生产效率。虚拟仪器提供的各种工具能满足我们任何项目需要。20年来，无论是初学乍用的新手还是经验丰富的程序开发人员，虚拟仪器在各种不同的工程应用和行业的测量及控制的用户中广受欢迎，这都归功于其直观化的图形编程语言。虚拟仪器的图形化数据流语言和程序框图能自然地显示您的数据流，同时地图化的用户界面直观地显示数据，使我们能够轻松地查看、修改数据或控
6、制输入。 美国国家仪器公司NI（NationalInstruments）提出的虚拟测量仪器（VI）概念，引发了传统仪器领域的一场重大变革，使得计算机和网络技术得以长驱直入仪器领域，和仪器技术结合起来，从而开创了“软件即是仪器”的先河。“软件即是仪器”这是NI公司提出的虚拟仪器理念的核心思想。从这一思想出发，基于电脑或工作站、软件和IO部件来构建虚拟仪器。IO部件可以是独立仪器、模块化仪器、数据采集板（DAQ）或传感器。NI所拥有的虚拟仪器产品包括软件产品（如LabVIEW）、GPIB产品、数据采集产品、信号处理产品、图像采集产品、DSP产品和VXI控制产品等。1.2虚拟仪器的发展 早在八十年代
7、初，就有人以个人计算机为基础，在微机内部增加一些插件或外附插件箱，将各种测量电路插件接于PC内部总线，加上某些软件来实现传统仪器的功能，这种仪器称为PC仪器或个人仪器。因为计算机系统的硬软件资源可代替一般自动测试系统和智能仪表中的微处理器、存储器、接口电路和显示器，因而减少了仪器的许多硬件，降低了仪器成本，而且无需对每一种新仪表都从头开始设计，所以该方案一经提出就在仪表界引起极大的轰动。 随着VXI(开放式测量系统)总线系统问世以及PC机的结构的变化，不断推动了虚拟仪表发展。VXI总线标准是一种全开放型卡式仪表标准，具有灵活适用、性能先进、高速运行、小型便携的特点，适用于模块化设计仪表。PC机
8、微处理器CPU速度不断提高、采用流水线、RISC结构，大大地提高了测试系统的数值处理能力。近年来，由于计算机软硬件技术资源的极大丰富，数字信号处理技术，图形化界面技术和自动生成程序等技术的提高，使虚拟仪器的进一步发展有了雄厚的技术基础。 1.3虚拟仪器的结构原理 虚拟仪器主要利用PC技术，只是添加A/D及D/A变换等少许硬件和以软件为主的仪器称为虚拟仪器。虚拟仪器通过应用程序将通用计算机与功能化硬件结合起来，用户可通过友好的图形界面来操作计算机，就像在操作自己定义、自己设计的一台仪器一样，从而完成对被测试量的采集、分析、判断、显示、数据储存等。它是在 PC技术的基础上发展起来的，能在数据导入磁
9、盘的同时，实时地进行复杂的分析。具有高效的性能、强大的扩展功能、节约开发时间，以及完美的集成性能等技术优势。虚拟仪器是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。灵活高效的软件能创建完全自定义的用户界面，模块化的硬件能方便地提供全方位的系统集成，标准的软硬件平台能满足对同步和定时应用的需求。虚拟仪器的本质是利用现有的计算机，加上特殊设计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。它是利用计算机强大的图形环境和在线帮助功能，建立虚拟仪器面板，以代替传统仪器完成对仪器的控制、数据分析和显示功能。虚拟仪器的输入输出
10、由数据采集卡、GPIB卡等硬件模块完成，仪器的功能主要由软件构成。一套完整的虚拟仪器系统的结构一般来说分为四层： 1)测试管理层 用户使用虚拟仪器生产厂商开发的应用程序，组成自己的一套测试仪器。这是虚拟仪器的优点之一，它可以方便地使用户根据自己的需要，自己的风格建立自己的测试仪器。 2)应用(程序)开发层 由生产商提供的软件开发工具，如NI(NATIONAL INSTRUMENTS)公司的LabVIEW软件，LabWindows/CVI软件。用户可以用这类软件进行深层开发，以扩展仪器原有的功能。 3)仪器驱动层 由生产商开发，针对不同类型的仪器有不同的驱动程序接口。为给用户提供方便、易用的仪器
11、驱动程序，泰克公司、惠普公司和美商国家仪器公司等35家国际上最大的仪器公司成立了VXI plug & play系统联盟，并于推出VISA(Virtu-al Instrument Software Architecture)标准。 4)I/O总线驱动层 由生产商开发，用于将不同类型的实际仪器通过相同标准的总线连接起来形成一套完整的测试系统，如得到广泛应用的VXI(开放式测量系统)总线系统。 1.4 虚拟仪器的性能特点 虚拟仪器彻底改变了传统仪器由生产厂家定义功能的模式，而是在少量附加硬件的基础上，由用户定义仪器功能。因为它的运行主要依赖软件，所以修改或增加功能、改善性能都非常灵活，也便于利用PC
12、的软硬件资源和直接使用PC的外设和网络功能。虚拟仪器不但造价低，而且通过修改软件可增加它的适应性，进而延长它的生命周期，是一种具有很好发展前景的仪器。与传统仪器相比，虚拟仪器具有高效、开放、易用灵活、功能强大、性价比高、可操作性好等明显优点，具体表现为： 1)智能化程度高，处理能力强 虚拟仪器的处理能力和智能化程度主要取决于仪器软件水平。用户完全可以根据实际应用需求，将先进的信号处理算法、人工智能技术和专家系统应用于仪器设计与集成，从而将智能仪器水平提高到一个新的层次。 2)应用性强，系统费用低 应用虚拟仪器思想，用相同的基本硬件可构造多种不同功能的测试分析仪器，如同一个高速数字采样器，可设计
13、出数字示波器、逻辑分析仪、计数器等多种仪器。这样形成的测试仪器系统功能更灵活、更高效、更开放、系统费用更低。通过与计算机网络连接，还可实现虚拟仪器的分布式共享，更好地发挥仪器的使用价值。 3)操作性强，易用灵活 虚拟仪器面板可由用户定义，针对不同应用可以设计不同的操作显示界面。使用计算机的多媒体处理能力可以使仪器操作变得更加直观、简便、易于理解，测量结果可以直接进入数据库系统或通过网络发送。测量完后还可打印、显示所需的报表或曲线。这些都使得仪器的可操作性大大提高而且易用、灵活。 1.5虚拟仪器的应用 虚拟仪器的功能和性能已被不断地提高，如今在许多应用中它已成为传统仪器的主要替代方式。随着PC、
14、半导体和软件功能的进一步更新，未来虚拟仪器技术的发展将为测试系统的设计提供一个极佳的模式，并且在测量和控制方面都有无以伦比的强大功能和灵活性。可广泛应用于电子测量、振动分析、声学分析、故障诊断、航天航空、军事工程、电力工程、机械工程、建筑工程、铁路交通、地质勘探、生物医疗、教学及科研等诸多方面。 虚拟仪器的各种优点让用户可以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。此外，新型笔记本电脑又把虚拟仪器的便
15、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。1.6虚拟仪器的平台LabVIEWLabVIEW 是一种图形化编程语言，是美国国家仪器公司（National Instruments，简称NI）的软件产品，是目前功能强、应用和发展广阔的的图形化软件集成开发环境。它又主要是面向计算机测控领域的， 一种基于图形化虚拟仪器编程语言的软件开发平台， 它是世界上第一个采用图形化编程技术，面向仪器的 32 位编译型程序开发系统。LabVIEW 是实验室虚拟仪器工程平台 Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench 的缩写。它用图标代替文本代码创建应用程序。 LabVIEW 使用数据流编程由数据决定程序执行。 在 LabVIEW 中，用一系列工具和控制对象建立用户界面，即前面板（front panel） ，然后利用图形化函数图标添加程序代码，控制前面板对象。LabVIEW 这种图形化编程语言（graphical programming language） ，又称 G 语言。
