（电气工程专业论文）基于labview的高职应用电子专业虚拟实验平台构建.pdf

江苏大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t n o w a d a y s ，s o m eo fo urc o u n t r y su n i v e r s i t i e sa r ef a c e d w i t hm a n yp r o b l e m si nt e s t i n gc o u r s e s t h ep r o b l e m si n e l u d et h e u s eo fo l dt e s ti n s t r u m e n t sa n d u n i n s p i r i n g c o u r s e w o r k u p d a t i n gt h eh a r d w a r ei se x p e n s i v ea n di t i sd i f f i c u l tt o m a i n t a i nt h e m t h es h o r t c o m i n go ft r a d i t i o n a le x p e r i m e n t a l i n s t l u m e n t si si n c r e a s i n go b v i o u s t r a d i t i o n a ll a b o r a t o r yh a s s o m es h o r t c o m i n g s ，i n c l u d i n gav a r i e t yo fa p p a r a t u s ，h i g h c o s t ，s i n g l eu s e ，e t c v i r t u a l i n s t r u m e n tc a ns o l v et h a t d i f f i c u l tp o s i t i o na n db eb e n e f i e i a lt oi m p r o v et h ew h o l e e d u c a t i o n a lc o n d i t i o na n dt e a c h i n gl e v e l u s u a l l yv i r t u a l i n s t r u m e n ts y s t e mi sm a d eu po fd a t aa c q u i s i t i o n ，d a t aa n a l y s i s a n do u t p u td i s p l a y e x c e p ts o m ep a r to fd a t aa c q u i s i t i o ni s c o m p l e t e db yh a r d w a r e ，t h eo t h e r sa r ea 1 1r e a l i z e db ys o f t w a r e s o f t w a r ed e v e l o p m e n ti st h ec o r eo fv i r t u a li n s t r u m e n t d e s i g na n di m p l e m e n t t h i sa r t i c l ea n a l y z e sa n dr e s e a r c h e s v i r t u a l i n s t r u m e n t ， v i r t u a li n s t r u m e n t d e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n t l a b v i e wa n dv i r t u a li n s t r u m e n th a r d w a r es y s t e m a n di td e s c r i b e st h es o f t w a r ed e v e l o p m e n tp r o c e s si nd e t a i1b y t h el a b v i e wp r o g r a m m i n gl a n g u a g ea n dt h em o d u l a rd e s i g nm e t h o d t h e ni t p r o v i d e st h ep r i n c i p l e s ，f r o n tp a n e ld i a g r a m sa n d 江苏大学工程硕士学位论文 p r o c e s sd i a g r a m so ft h es i xv i r t u a li n s t r u m e n t sf o rl a b o r a t o r y t e a c h i n g ， w h i c ha r et h er e a l i z e dv i r t u a lt r a n s i s t o r c h a r a c t e r i s t i ct e s t e r ，v i r t u a ls i g n a lg e n e r a t o r ， v i r t u a l d i g i t a lf i l t e r ，v i r t u a lh a r m o n i ca n a l y z e r ，v i r t u a ls a m p li n g t h e o r e md e m o n s t r a t i o ni n s t r u m e n ta n dv i r t u a lm o d e m t h e c o m p o s e ds y s t e mb yt h e s e i n s t r u m e n t sc a nb eu s e di nt h e s p e c i a l t yc o r e c u r r i c u l u m s e x p e r i m e n tt e a c h i n g ，s u c h a s e l e c t r o n i ct e c h n o l o g y ，s i g n a la n ds y s t e ma n ds oo n t h u si tc a n b e c o m eau s e f u lc o m p l e m e n tt ot h ee x i s t i n ge x p e r i m e n tt e a c h i n g a n de n h a n c e st h e f l e x i b i l i t y a n dt h ec o m p a t i b i l i t yo f e x p e r i m e n tt e a c h i n gg r e a t l y t h et e a c h i n gp r a c t i c ep r o v e dt h a tt h ev i r t u a le x p e r i m e n t s c a nr a is es t u d e n t s i n t e r e s tine x p e r i m e n t sa n di m p r o v et h e q u a lit yo ft e a c h i n g k e y w o r d s ：v i r t u a li n s t r u m e n t ，d a t ac o l l e c t i o n ，s i g n a lp r o c e s s ， l a b v i e w 江苏大学学位论文版权使用授权书 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向圈家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位沦文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编奉学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用奉授权书。 彳、= 保密囱。 学位论文作者签名：嗡戈印1 。7 年6 月日 指导教师龋7 ) 纰 q7 年石月多日 独创性：声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本沦 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：年月 日 江苏大学工程硕士学位论文 1 课题背景 第一章绪论 电子技术的发展非常迅速，新器件与新的实验方法层出不穷，而传统的实验 教学方法己落后于时代的发展。应用电子专业电路基础、高频电子技术、 电子线路等课程概念抽象，理论上具有相当的深度和广度，学生普遍感到难 度较大，而这部分内容对学生的专业学习非常重要。要掌握这些内容，就要进行 一定数量的以验证理论为目的的实验。由于目前的大部分电工、电子实验室的常 规设备已经老化，有的技术上己经有些落后，在当前学校经费较少的情况下，如 果大量配置常规仪器、仪表，学校财力难以支付，也不符合目前学校的实际。 而且随着测试仪器数字化、计算机化的发展趋势，传统测试仪器渐渐有被取代的 趋势。虚拟仪器技术是计算机技术与电子仪器相结合而产生的一种新的仪器模 式，它是以虚拟仪器技术为基础的“综合 实验平台，运用虚拟仪器技术， 以微机为基础，构建集成化测试平台，代替常规仪器、仪表，不但能满足电f - e 、 电子实验教学的需要，而且降低了实验室建设的成本。本论文以labv i ew 为软件平台，以虚拟仪器为内容开发出的电工、电子技术实验教学系统为卡线， 列举了有代表性的实例，说明了它的特点。随着科学技术的不断发展以及相应 学科教学内容的更新，传统实验仪器同益暴露出一些缺陷和不足，如设备费用高、 损耗大、使用不灵活等。为了改善实验条件、改革实验教学方法、更新实验教 学内容、 提高实验教学课程的开设水平，把虚拟仪器技术引入电了实验教学已 成为一种积极的发展趋势。学生可以在电脑内的虚拟电子实验室软件系统中做各 种电路实验。运用虚拟仪器技术建立的虚拟电子实验室，在一定程度代臂了实 验室的传统仪器设备和兀器件。真正体现了虚拟仪器技术“软件就足仪器”， “一台计算机就是一个虚拟电子实验室”的特殊优势。 2 国内外研究现状 虚拟仪器概念最早是由美困固家仪器公司在1 9 8 6 年提出的，但其雏形可以 追溯到1 9 8 i 年由美罔西北仪器系统公司推出的a p p l e 2 为基础的数宁存储示波 器，但是由于当时计算机软件开发水平的限制，编写个人仪器的驱动程序和人机 江苏大学工程硕士学位论文 交互接口是一项专门的技术工作，必须由专业厂商才能完成，这利一状况使得个人 仪器的推广和应用没有形成工业标准。目前，国内外很多高校都对虚拟仪器实验 室展开了研究。如剑桥大学、斯坦福大学、新加坡国立大学以及清华大学等都已 开展了虚拟仪器实验室方面的研究并取得了一定的进展。华中科技大学、北方交 通大学等将自己研制的虚拟仪器用于教学实践，收到了良好的效果。四川翼龙公 司研制了“y l s j a 型电子技术虚拟仪器实验教学系统”。所有这些表明，虚拟 仪器实验室在高等工科院校实验室教学中的优势，j f 在被逐步认识，并将逐步补 充和取代传统实验室。目前，虚拟仪器在发达国家中设计、生产、使用已经十分 普及，虚拟仪器系统及其图形编程平台，己作为理工科学生的一门必修课程。乜1 虚拟仪器代表着从传统硬件为主的测量系统到以软件为中心的测量系统的 根本性转变。以软件为毛的测量系统，充分利用工作站、台式计算机和笔记本电 脑的计算、显示、存储和互联网等提高工作效率，为工程师及科学家提高生产率、 测量精度及系统性能方面做出贡献。 近年来，世界各困的虚拟仪器公司开发了不少虚拟仪器丌发平台软件，以便 使用者利用这些仪器公司提供的开发平台软件组建自己的虚拟仪器或测试系统， 并编制测试软件。最早和最具影响的开发软件是n l 公司的l a b v i e w 软件。l a b v l e w 采用图彤化编程方案是非常实用的开发软件，l a b w in d o w s c v i 是为熟悉c 语言 的开发人员准备的，在w i n d o w s 环境下的标准a n s i c 开发环境。除了上述的优秀 开发软件之外，美国h p 公司的h p - v e e 和h p i i 6 平台软件，美国t e k t r o n i s 公司 的e z - t e s t 、t e k - t n s 软件，以及美国h e md a t a 公司的s n a p - m a r t e r 平台软件， 也是国际上公认的优秀虚拟仪器开发平台软件。” 美国是虚拟仪器的诞生地，也是全球最大的虚拟仪器制造国。安捷伦刚开始 对虚拟仪器技术不以为然，称虚拟仪器只能用于教育用途，在一：程界的实际应用 前景很有限。但n i 推出的高端采集卡速度可以达到g b i t s ，安捷伦己感觉到威 胁。在我国虚拟仪器设计、生产、使用也起步，我国有儿家企、j k 在研制虚拟仪器， 产品己达到一定的规模。 3 研究意义 高职院校由原先的巾专校升格而来，由于兴建新的校区，基建投入很大，相 对而言对设备的投入不够。而实验对于学生动手能力培养、学习兴趣激发、理论 知识理解的作用是纯理论教学所不能替代的，尤其象电路基础、高频电子、 2 江苏大学工程硕士学位论文 电子线路等，学生只有通过足够多高质量的验证性实验和一定数量的综合性 实验，给予同学足够的感性认识，才能真正理解和掌握该学科的理论知识，提高 动手实践能力，培养分析问题的能力。应用电子专业实验，是培养学生电子技术 应用和工程设计能力不可缺少的教学环节。由于其面向的足一个发展迅速的学 科，所以实验室教学方法、手段和水平也要不断改进和提高，以适应学科的发展。 3 1 传统实验室教学模式的弊端 以往的工业生产以及教学实验当中，传统电子仪器起管主导作用。但是传统 电子仪器有其本身的不足之处。传统电子仪器主要由三部分构成：即对被测信号 的采集与控制、分析与处理、测量结果的表达与存储。传统电子仪器的这些功能 块大多是以硬件或者固化的软件的形式存在的，因此具有以下几个方血的弱点 ( 1 ) 成本高、技术更新慢传统电子仪器价格比较昂贵，动辄几万人民币。 研发周期长，技术更新慢，使用当中存在元器件老化等问题，从而导致- 1 ：作状态 不稳定，r 常维护费用较高，技术难度大，使用寿命短。 ( 2 ) 数据显示、分析和存储功能不够强大传统电子仪器的图彤显示界面 比较小，依靠人工读取数据，误差因观察者的实验方法而不同，并且从中狭得的 信息量小。另外由于硬件设备的限制，往往无法实现更灵活、更特殊、史准确的 数据分析功能，也难以实现实验数据编辑、存储和打印等功能。 ( 3 ) 灵活性和可扩展性差传统电子仪器具有固定的用户界面、组成模块 和数据处理功能。独立仪器只有一块仪器面板，例如。示波器只有示波器面板， 频谱仪也只有频谱仪的面板。用户有时只需要用到仪器巾的一小部分功能。而在 用到其他功能时却达不至0 所需指标，如信号的频率受制于实际元器件的限制。用 户无法改动厂家同定好的仪器模块，灵活性和可扩展性差。 ( 4 ) 实验室设备利用率低高校实验室教学设备数量有限，特别是一些贵 重仪器，要做到学生与设备一对一配套是不现实的。在传统的实验室教学模式中， 一般会将学生分为若干小组，以组为单位作实验，使部分同学难以全部参与和投 入，没能充分了解和掌握实验全过程。 ( 5 ) 实验信息管理混乱实验信息，特别是实验数据的存储、分析和查询足 实验的一个重要内容。在传统实验教学模式中，学生靠手工记录和分析数据。存 在的j 、u j 题是：第一，记录时人为误差较大；第二，不便于保存、查询和整理。 ( 6 ) 实验教师工作繁杂实验报告的评阅，典型i 、u j 题的解答与数据核对，包 3 江苏大学工程硕士学位论文 含大量的重复性工作，给指导教师带来很多霞复性劳动，精力很难集中在实验台 上。4 1 如何更合理地配置教育资源，解决好资金投入与人才培养之间的矛盾，是学 校开展实验教育经常需要考虑而又是伤脑筋的问题。 3 2 虚拟仪器的优点 虚拟仪器在灵活性、性价比、用户化等方面。有着得天独厚的优势。是传统 仪器无法媲美的。虚拟仪器的优点表现在以下几个方面。 ( 1 ) 成本低虚拟仪器的开发维护成本低，系统构建时间短。只需通过增 加软件模块或者通用硬件模块来增添新的测量功能，缩短了系统的更新时间，有 利于系统的扩展。另外，虚拟仪器的结构是基丁软件体系的，不像传统仪器的硬 件那样存在，己器件老化及温度变化影响的问题，可以节省大笔的维护费用，从而 延长设各的使用寿命。低廉的开发成本使虚拟仪器有着雄厚的市场竞争力。预计 虚拟仪器价格仪是传统仪器的1 5 到1 10 。 ( 2 ) 灵活性大传统仪器系统自身封闭、功能同定、可扩展性差，功能和 模块由生产厂家定义，而虚拟仪器叮由用户白行定义功能模块，大大扩展了其灵 活性。 ( 3 ) 白定义性强在f 司一台计算机上，通过操作者的不同的定义，可以 虚拟出不同的仪器，各仪器之i 日j 还可以通过不叫的窗口进行切换，因此实验室无 需配备各利，传统仪器，可以通过软件设计使虚拟仪器和实验室设备不断更新。学 生在计算机上操纵各种虚拟仪器进行实验，就如同是在操作传统仪器一样有效， 与在真实实验室的现场实验做出的实验结果是一样的。这样，使用基于虚拟仪器 系统的虚拟实验来代管实际现场实验，能很好地解决实验教学的矛盾，而且又符 合现代测试技术和实验技术的发展方向。 ( 4 ) 数据处理功能强大计算机运算速度的日益提高，使得虚拟仪器处理 数据的过程拈常快速，数字信号处理理沦的成熟发展使得数据处理过程更为可 信、精确。传统仪器无法实现编辑数据的功能，而虚拟仪器可方便地对数据进行 编辑、存储和打印。 ( 5 ) 软硬件接口多传统仪器与其它仪器设备的连接十分有限，而虚拟仪 器在普通pc 机上就町实现，可方便的与网络外设及多种仪器连接，借助于现 在流行的d a q ( 数据采集) 卡、g pib ( 通用接口总线) 卡、v xi ( 系统控制接口 4 江苏大学工程硕士学位论文 卡) 等，可以插入计算机插槽和计算机进行数据交换。软件方面，可以方便地与 c 、m atlab 等接口进行调用，也可以与数据库连接，方便地支持网络传送数 据。 ( 6 ) 测量误差小传统仪器受系统误差的影响，不同仪器之间个体差异 较大，加之观察者自身因素等往往会影响测量结果，而虚拟仪器在pc 机上运行， 不同的pc 机上运行具有相同的效果，测量误差很小。由于虚拟仪器有着诸多的 优点，采用虚拟仪器技术来改进实验教学具有极大的可行性。 ( 7 ) 无缝集成虚拟仪器技术从本质上说是一个集成的软硬件概念。随着 产品在功能上不断地趋于复杂，通常需要集成多个测量设备来满足完整的测试需 求，而连接和集成这些不同设备总是要耗费大量的时间。虚拟仪器软件平台为所 有的i 0 设备提供了标准的接口，可以轻松地将多个测量设备集成到单个系统， 减少了任务的复杂性瞄， 传统仪器与虚拟仪器比较如表1 1 如示。 表1 1 传统仪器与虚拟仪器比较 指标 传统仪器 虚拟仪器 发展性开放性、灵活，可与计算机技术封闭性、仪器| 、f l j 相互配合较差 保持同步发展 升级关键是软件，系统性能升级方便，关键足硬件，升级成本较高， 通过网络下载丁| 级程序即可且升级必须上门服务 价格价格低廉，仪器问资源叮重复利价格昂贵，仪器问一般无法相 用率高互利用 功能用户可定义仪器功能只有厂家能定义仪器功能 联网能力可以与网络及周边设备方便连接功能单一，只能连接有限的独 立设备 开发费用开发与维护费用降至最低丌发与维护，i ：销高 技术更新技术更新周期短( 1 2 年)技术更新周期长( 5 10 年) 只有在自己动手的实验过程中，学生才能够将学到的理论知谚 真正掌握和应 用，这就使得电子测量仪器变得至关重要。而传统仪器下的院校实验教学，己严 重滞后于信息时代和工程实际的需要。虚拟仪器正是解决这一矛盾的最佳方案。 如前所述，基于p c 平台的虚拟仪器，可以充分利用学校的微机资源，完成多种 仪器功能，可以组合成功能强人的专用测试系统。随着计算机技术的不断发展和 5 江苏大学工程硕士学位论文 虚拟仪器软件的厂l 趋完善，虚拟仪器会越来越受到人们的重视，随着教学仪器的 发展和高职院校实验教学所面临的新要求，将虚拟仪器引入实验教学将成为学校 未来教学科研的重要方法和手段。 4 论文研究主要内容 目前，我国正处于科学技术蓬勃发展的新时期，对仪器设备的需求将更加强 劲。虚拟仪器赖以生存的p c 计算机近几年正以迅猛的势头席卷全国，这为虚拟 仪器的发展莫定了基础。虚拟仪器作为传统仪器的替代品，市场容量巨大。据专 家预测，剑本世纪前期我国将有5 0 的仪器为虚拟仪器。发达国家虽然在此领域 比我罔起步较早，但差距并不是很大，我们应当充分把握时机，取长补短，学习 国外先进经验，将我围的虚拟仪器产业水平逐渐向先进国家靠拢。 l a b v i e w 作为虚拟仪器开发系统的杰出代表，虽然在我国己经引进了一段时 间，但了解和熟悉它的人还不够，还远远没有被认识和推广应用。本文就l a b v i e w 研发平台在开发虚拟仪器过程巾的应用做了初步的探讨。 本论文以l a b v i e w 虚拟仪器为软件平台，以虚拟仪器在电工、电予技术实验 教学系统应用为主线，列举了有代表性的实例，说明了它的特点。然后对传统 的电子技术实验教学进行简要的分析和介绍，通过分析现代社会对学生的实际操 作能力的要求的提高，以及虚拟仪器技术的出现，从而提出了改进后的电子技术 虚拟仪器实验教学的方式，本文论述的是电子实验平台的实现，用n i 公司的虚 拟仪器丌发环境l a b v i e w 开发m6 个不同的虚拟仪器，包括仪器的前面板设计， 流程图设计。 第一章主要介绍了传统仪器的不足，和当今的发展状况，说明了本课题的背 景、意义及本文的主要工作。 第二章叙述了近年来在仪器测试领域内出现的新型仪器一虚拟仪器的组成、 功能及特点，同时介绍了用于虚拟仪器丌发的集成软件包l a b v i e w 。 第三章介绍了信号调理及采集的硬件选择、信号的类型、模拟端口、本课题 所用的数据采集卡、数字信号处理的基本概念、信号处理的基本方法如f f t 、频 谱分析、数字滤波、谐波分析等。该章是整篇论文的基础和理论依据。 第叫章结合教学实际，详细闸述基于l a b v i e w 平台虚拟信号发生器、虚拟调 制解调器、虚拟晶体管特性测试仪、虚拟谐波分析仪、虚拟采样定理演示仪、虚 拟数字滤波器等的设计。教学实践t j 卜明：labview 用于电子实验系统的 6 江苏大学工程硕士学位论文 开发是可行的，可广泛应用于应用电子专业的实验教学。 最后对本文进行了总结与展望。 7 江苏大学工程硕士学位论文 第二章虚拟仪器技术概述 图形化软件编程方法和集成开发环境为标志的虚拟仪器开发环境是虚拟仪 器技术研究的重要内容，也是虚拟仪器技术应用与发展的技术基础。美国国家仪 器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ，称n i ) 的创新产品l a b v i e w 是目前最为成功、 应用最为广泛的虚拟仪器软件开发环境，实际上，虚拟仪器的概念最初就是在开 发l a b v i e w 时提出的。 1 虚拟仪器的软件开发平台 1 。1 虚拟仪器概念 英国国家物理实验室( n p i 。) 的定义：虚拟仪器是在通用计算机( 如p c 机、 m a c 或j i ：作站) 中加上软件和或硬件，并使用计算机屏幕提供仪器虚拟界而的 可重用测量仪器。 n i 公司的定义：虚拟仪器就是在通用计算机上加上一组软件和硬件，使用者 在操作这台计算机时，就象足在操作一台他自己设计的专用电子仪器。虚拟仪器 ( v i r t u a li n s t r u m e n t i o n ) 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种方式，一种足将计算机 装入仪器，其典型的例了就足所谓智能化的仪器。随着计算机功能的r 益强大以 及其体积的h 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。虚拟仪器的起源可以追溯 到2 0 世纪7 0 年代，那时计算机测控系统在国防、航天领域已经有了相当的发展。 p c 的出现使仪器的计算机化成为可能。在仪器计算机化领域中，n i 走到了前列， 对虚拟仪器和l a b v i e w 长期的、系统的和有效的研究开发使得n i 公司成为业界 公认的权威。图2 1 反映了常见的虚拟仪器方案。哺1 8 江苏大学工程硕士学位论文 被信 数 数 测号 据虚拟 卜卜 采 入 据 k仪器 对 调 处 集面板 缘 理理 卡 图2 - i 虚拟仪器组建方案 虚拟仪器的主要特点有： 1 、尽可能采用了通用的硬件，各种仪器的差异主要足软件。 2 、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。 3 、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。 1 2 虚拟仪器应用 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己成为传统仪 器的主要替代方式。未米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柯无以伦比的强人功能和灵活性，可广泛应用 于电子测鼍、振动分析、声学分析、故障诊断、航天航空、军事工程、电气工程、 机械工程、建筑工程、铁路交通、地质勘探、生物医疗、教学及科研等多方面。 虚拟仪器的各种优点洼用户町以放心地含弃i u 的传统测量设备，接受更新以计算 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，减少了系统的丌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携性和强人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。h 1 2 虚拟仪器开发环境 l a b v i e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n e h ，实验 室虚拟仪器工程平台) 是美困n i 公司推出的一种基于g 语言( g r a p h ic s l a n g u a g e ，图形化编程语言) 的虚拟仪器软件丌发工具。可视化编程语言环境 9 江苏太学工程硕士学位论王 v i s u a l c + + 、v i s u a l b a s i e 等也可用于开发虚拟虚仪器，但编程难度较大，开发 蒯期较长且不易进行更改、升级和维护。l a b v i e w 用图标、连线和框罔代替传 统的程序代码，具有简单易学，开发周期短，开发出的应用程序界面美观，功能 强大等特点并且l a b v i e w 所运用的设备国杯与科学家、工程师们常用的人部分图 标基本一致，这使得编程过程和思维过程非常地相似，很适合于从事科研、开发 的没有编程经验的科学家和工程技术人员使片j ，所以被誉为工程师和科学家的语 言。 l a b v l g w 是由n l 刨讧的一个强大而义灵活的仪器和软什应用开发工具。n i 公司生产基于讣算机技术的软件产品，其产品帮助工程师和科学家进行测量、过 程控制及数据分析和储存。n i 公司是1 9 8 6 年, l a m et r u c h a r d 、j e f f r e yk ) d o s k y 和w i l lj a mn o w l l i l 创建于得克萨斯州的a u s t i i l 当时3 人正在位丁b u s t i n 的 得克萨斯大学应用研究苴；验审为荚同海j 进行声纳应片j 研究，爿找将测试设备连 接到d e cp d p1 1 计算机的方法。j a m e st r u c h a r d 于是决定开发种接口总线， 并吸纳j e f f 和b i l l 共h 研究，终j 成功地扦发ml a b v i e w 并提卅了“虚拟仪 器”这一概念。在此过稃中，他们创建了家新公刮n a t l o n a l i n s t r u m e n t s 。 从事研究、扦发、生j ”、测试工作的工程师和科学家以及在睹女汽车、半导体、 电子、化学、电信、制药等行、l k 工作的上程t l l | j 和科学家已经使用井直使用 l a b v i 洲柬完成他们的一作。l a b v l e w 扫：试骑测晕_ 、】业自动化年数据分析领域 起着重要作川。例如，在n a s a ( 荚罔问家航卒和 宙航行局) 的喷气推进实验 室，科学家使用l ，a b vt f w 柬分目i 和显示“火星探险旅行者号”白行装置的丁f l 数 据，包括自行装霄的位霄和温度、电池剩余电最，并总体监测旅行者号的全面4 用状态。”o l a b v i e w 的程序足数据流驱动的。数据流程序蹬计规定，个几标只有当它 的所有输入有效叫彳能执行，而目标的输卅，l 有当它的功能完全时爿足有效的。 这样，i j a h v f e w 中被连接的方框图之问的数姑流控制着程序的执行次序，而不像 文本程序受到行顺序执行的约束。从而，可以通过斗h 互连接功能方框图伙速简洁 地开发应用程序，甚至还；u 以有多个数据通道同步运行。 图2 - 2 工具模板 蚕 江苏是学工程硕士学位论文 丁其模板( t o o l sp a l e t t e ) 工具模板女i 】图2 2 所示。该模板提供了并种用丁创建、修改和调试v i 程序 的t 具。如果该模板没有出现， j ! i _ 可以在w l n d ( w s 菜单f 选择s h o wt o o lsp a le ie 命令以显示i ! l i 模板。当从模板内选择了仟一种工具后，鼠标箭头就会变成该上具 相应的形状。从w i n d o w s 菜单下选择了s h o wh e l pw i n d o w 功能后，把 具模 板内选定的任一种【具光标放在流程图程序的子程序( s u bv i ) 或圈标上，就会 显示丰| _ | 应的帮助信息。 曲控件q 搜索 新式 系统 经典 控制设计与仿真 h 加t 且包 用户拉伴 选择控件 囝2 - 3 控制模板 控制模板( c o n t r o lp a le t t e ) h 肯打丌前【j ：板时刁能调用陔模板，如削2 - 3 所示。改模板用来给前面板设 胃备种所需n 勺输i n 硅小别琢和输入控制对琢。每个h 枷、代表炎f 模板。如果控 制模板不显示，可以用w i n d o w s 菜甲的s h o w c o n t r o l sp a l e t t e 功能丰j 丌它，也可 以扯前山扳的空白处，点， - 鼠标i ，键，以弹出控制模扳。 功能模板( f u “】o r sf a l e l t e ) 到喵爵一 翻到型 瘩圆斟一 辐舅旦锚一 江苏大学工程硕士学住论工 粕函数 编程 g 圭孽 恻量i 如 惶器i o 视觉与运动 数学 信号址理 数据通信 互毪接口 控制设计与仿真 1 稍数值 图24 功能模板 只有打开f g 序框幽，爿能显示功能模板如图24 所不 功能模板是创建流程圈程序的工其。该模板上的每个顶层斟标部裘不个 子模板。若功能模板不出现，则可以用w i n d o w s 菜巾下的s t r a wf ur l c t 1 1 sp a l e t t e 功能打外它，也呵以在流程图程序窗口的，白处点击鼠杯右键以弹出功能模板。 【o i 3 虚拟仪器设计步骤 31 程序输入 在l a b v l e w 的用户界面上，应特别 ：意它提供的操作模板，包括工具( t o o ls ) 模板、控制( c o n t r o l s ) 模板和函数( f u n c t l o n s ) 模扳。这些模板集 】反映了 该软什的功能与特征。 l a b v i e w 程序称为虚拟仪器程序，简称v i 。一个完整的v i s 包括3 个部分： 前面板、框图程序和圈标连接器。崮此一个v i 程序的设计主要包括前面板的设 计、框图程序的设计以及程序的调试。 创建前面板因为用户使用时所观察到的就是前面板，而且在前面板中执行 对仪器的操作，所以应根据实际中的仪器面板以及该虚拟仪器所要实现的功能来 1 2 鳖型日一圈 囹目陟陟一 眵胗陟陟固 陟莎陟陟回陟陟陟眵匝陟陟畛陟回 江苏大学工程硕士学位论文 设计前面板。前面板中主要由输入控制器和输出指示器组成。利用工具模板来添 加输入控制器和输出指示器( 添加后会在框图程序中出现对应的控制器或指示器 框图) 。控制器使用户可以输入数据到程序，而指示器则用来显示程序产生的数 值。控制器和显示器部件有许多种类，可以从控制模板的各个子模板中选取。 框图程序的设计框图程序相当于源代码，只有在创建了框图程序以后该程 序才能真正运行。所以在设计好前面板以后，就要根据各个框图之间的关系以及 对数据的处理方法等设计框图程序。对框图程序的设计主要是对节点、数据端口 和连线的设计。节点是v i 程序运行的要素，可以把他理解为程序的语句、函数 或子程序，他包括4 种类型：函数、v i 子程序、结构和代码接口。 连线是程序设计中较为复杂的问题。流程图上的每一个对象都带有自己的连 线端子，连线将构成对象之间的数据通道。因为这不是几何意义上的连线，因此 并非任意两个端子间都可迮线，连线类似于普通程序中的变量。数据单向流动， 从源端口向一个或多个目的端口流动。不同的线型代表不同的数据类型。表2 3 是一些常用数据类型所对应的线型和颜色： 表2 - 3l a b v i e w 的数据类型 类犁颜色标量一维数组二维数组 整形数兰色 浮点数橙色 逻辑量绿色 字符串粉色 删m o 州“橱。纠埔a o 嘲捌蛾嘲鞠删獬掰硝掰精剐嘲 文件路径 青色 当需要连接两个端点时，在第一个端点上点击连线j l ：具( 从工具模板栏调 用) ，然后移动到另一个端点，再点击第二个端点。端点的先后次序不影响数据 流动的方向。 当把连线工具放在端点上时，该端点区域将会闪烁，表示连线将会接通该端 点。当把连线工具从一个端口接到另一个端口时，不需要按住鼠标键。当需要连 线转弯时，点击一次鼠标键，即呵以正交垂直方向地弯曲连线，按空格键可以改 变转角的方向。 接线头是为了帮助正确连接端口的连线。当把连线工具放到端口上，接线头 就会弹出。接线头还有一个黄色小标识框，显示该端口的名字。线型为波折号的 连线表示坏线。出现坏线的原因有很多，例如：连接了两个控制对象；源端子和 1 3 江苏大学工程硕士学位论文 终点端子的数据类型不匹配( 例如一个是数字型，而另一个是布尔型) 。可以通 过使用定位工具点击坏线再按下 来删除它。选择e d i o ) r e m o v eb a d w i r e s 或者按下 可以一次删除流程图中的所有坏线。当v l 无法运行， 或者显示s i g n a lh a sl o o s ee n d s ( 信号丢失终端) 的错误信息时，这是一个快捷 的调试方法。 3 2 程序的调试 当前面板和程序框图设计好以后，程序的执行过程中可能会遇到很多方面的 错误，因此要对程序进行调试。首先查找错误，如果一个程序不能执行，运行按 钮会出现一个折断的箭头。点击断箭的运行按钮则会列出错误清单，双击列表中 的错误清单，则出错的对象或端口就会高亮显示。程序的调试方法主要有： 1 找出语法错误 如果一个v i 程序存在语法错误，则在面板工具条上的运行按钮会变成一个 折断的箭头，表示程序不能被执行。这时该按钮被称作错误列表。点击它，则 l a b v i e w 弹出错误清单窗口，点击其中任何一个所列出的错误，选用f i n d 功 能，则出错的对象或端门就会变成高亮。 2 设置执行程序高亮 在l a b v i e w 的工具条上有一个画着灯泡的按钮，这个按钮叫做“高亮执行” 按钮上。点击这个按钮使它变成高亮形式，再点击运行按钮，v i 程序就以较慢 的速度运行，没有被执行的代码灰色显示，执行后的代码高亮显示，并显示数据 流线上的数据值。这样，你就可以根据数据的流动状念足 踪程序的执行。 3 断点与单步执行 为了查找程序中的逻辑错误，有时希望流程图程序一个节点一个节点地执 行。使用断点工具可以在程序的某一地点中止程序执行，用探针或者单步方式查 看数据。使用断点工具时，点击你希望设置或者清除断点的地方。断点的显示对 于节点或者图框表示为红框，对于连线表示为红点。当v i 程序运行到断点被设 置处，程序被暂停在将要执行的节点，以i 、人j 烁表示。按下单步执行按钮，闪烁的 节点被执行，下一个将要执行的节点变为闪烁，指示它将被执行。你也可以点击 暂停按钮，这样程序将连续执行直到下一个断点。 4 探针 1 4 江苏大学工程硕士学位论文 可用探针工具来查看当流程图程序流经某一根连接线时的数据值。从t o o l s 工具模板选择探针工具，再用鼠标左建点击你希望放置探针的连接线。这时显 示器上会出现一个探针显示窗口。该窗口总是被显示在前面板窗口或流程图窗 口的上面。在流程图中使用选择工具或连线工具，在连线上点击鼠标右键，在 连线的弹出式菜单中选择“探针”命令，同样可以为该连线加上一个探针。 15 江苏大学工程硕士学位论文 第三章数据采集弟二早鳅惦术果 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、改善性能非常灵活，便于利用p c 的软硬件资源和直接使用p c 的外设和 网络功能。虚拟仪器不但价低，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、可操作性好等明显优点。 组建一个最简单的基于l a b v i e w 的测试系统，传感器、信号调理和数据采集 模块是最基本的硬件。一个d a o 系统通常有用于获取、处理原始数据，分析传感 器和转换器，信号调节以及显示、存储数据的软件。其中，传感器是将被测试的 物理量转换为电量的最基础的环节，数据采集则将模拟信号转换成数字信号供计 算机进行分析处理，而信号调理往往是两者之问的桥梁，负责将传感器的输出信 号和数据采集模块i 叮以接受的信号类型联系起来。n 们 1 信号调理及硬件选取 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。虚拟仪器的输入输出由数据采集卡、g p i b 卡等硬件模块完成， 仪器的功能主要由软件构成。n 门 硬件是虚拟仪器工作的基础，它的主要功能是完成对被测信号的采集、传输 和显示测量的结果。虚拟仪器的硬件主要足由计算机和信号采集渊理部件所组 成，其中计算机包括微处理器、存储器和显示器等，它主要用米提供实时高效的 数据处理及传输性能，计算机是虚拟仪器的硬件基础。对于工业自动控制、测试 与测量而言，计算机足功能强大、价格低廉的运行平台。 测试系统中传感器的输出一般为电量，可以是模拟电压、电流、电荷及数字 脉冲，这些电量的幅值范围很大，如电压刚能从几微伏到几千伏，频率可能从o 到几兆赫兹。数据采集模块的允许输入信号：一般数据采集卡只能对电压量进行 模数转换，若为电流信号就首先要进行电流一电压转换。数据采集卡可以接受的电 1 6 江苏大学工程硕士学位论文 压范围是其供电电压的范围，一般有0 5 伏、一5 伏5 伏、o 1 0 伏等几种，所以 遇到电压幅值比较小的输入信号或幅值特别大的信号就首先要进行放大或衰减 到数据采集卡可以接受的电压范围。 从传感器的阻抗特性来讲，有的电压型传感器的输出阻抗低，其输出信号进 行数据采集之前就应进行阻抗变换，有的还应进行电气隔离。在传感器和数据采 集之间加入滤波环节以提高信噪比也很重要。 到目前为止，人们在信号调理环节所做的工作主要有信号放大或衰减、滤波、 隔离、多路复用和扩展、整流、热电偶补偿、激励、线性化、同步采集保持等。 信号调理环节往往由测试工程人员自己设计，或用多个独立信号调理仪器自己搭 建，随着基于计算机的测试系统应用越来越普遍，国内外很多厂家研制出各种功 能的信号调理卡，作为标准模块投放市场。 放大是一类最常见的信号调理。放大可将有用的电压区间的值放大，以增加 数字信号的精度，提高信号噪比，低电平信号应该在d a q 卡上或者信号源附近的 信号调理外围设备上进行放大，在接近信号源处而不是在d a q 卡上放大低电平信 号的一个原冈是为了提高信噪比。假如仅在d a q 卡上放人信号，那么，d a q 卡将 对沿从信号源到d a q 卡之间的导线进入的噪卢进行测量并将其数字化。另一方 面，如果在靠近信号源的地方放人信号，信号电压与沿导线进入的噪声电压的比 值也会更大。为了减小外界噪声对测黾信号的影响，可以使用屏蔽、双绞线或减 小线缆的长度。 隔离是指使用变压器、光或电容耦合等方法在被测系统和测试系统之间传递 信号，避免直接的电连接。使用隔离的原因由两个：一是从安全的角度考虑；另 一个原因是隔离可使从数据采集譬读出来的数据不受地电位和输入模式的影响。 如果数据采集卡的地与信号地之间有电位差，而又不进行隔离，那么就有可能形 成接地网路，引起误差。 滤波的目的足从所测量的信号巾除去不需要的成分。大多数信号调理模块有 低通滤波器，用来滤除噪声。通常还需要抗混叠滤波器，滤除信号巾感兴趣的最 高频率以上的所有频率的信号。某些高性能的数据采集卡自身带有抗混叠滤波 器。 信号调理也能够为某些传感器提供所需的激励信号，比如应变传感器、热敏 电阻等需要外界电源或电流激励信号。