基于LabVIEW的全仿真

《基于LabVIEW的全仿真》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于LabVIEW的全仿真（50页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、基于LabVIEW的全仿真电子实验课件的设计摘 要实验教学课件是提高实验教学质量和效率、降低实验教学成本的重要手段。基于图形化的虚拟仪器开发软件LabVIEW提出了一种全仿真电子实验课件的设计方法，即从课件界面的真实性和可操作的交互性上对实验仪器设备进行了全面仿真，力求在使用效果上达到一种真实的现场感受。本设计结合“教学用虚拟仪器系统实验”课题研究对象，从虚拟仪器这一新的设计思想角度出发，叙述了虚拟仪器的概念、性能特点，以及应用于教学实验的初步尝试和设计思路。本设计选用LabVIEW图形化编程语言为开发平台，开发了两个虚拟仪器综合实验虚拟函数发生器、虚拟示波器。根据需要自行定义了仪器的功能，构

2、造了仪器面板。该虚拟仪器具有常规信号仪器无可比拟的优点。最后，在前面的基础上进一步完善功能，设计出功能比较多的虚拟仪器。虚拟仪器技术作为学校未来教学科研的重要方法和手段，特别是在理工科学校其应用前景非常广阔。关键词 LabVIEW，实验教学，全仿真，电子实验课件45ABSTRACTExperimental teaching courseware played all important role in improving the quality and efficiency of experimental teaching, and reducing its cost as wel1A new

3、 design of full-simulation electronic experimental courseware based on LabVIEW, a graphical programming virtual instrument software was proposedThe new design aims at achieving a realistic feeling on the using effect, by means of full-scale simulating the experimental devices from both the authentic

4、ity and the operable interactionVia the research on object The using of the virtual instrument system in the teaching experiment, the paper describe the concept of virtual instrument, the basic construction of software and hardware system, characteristics of function and its application, and the pri

5、mary attempt in teaching experiment and design method on experiments teaching.Using the LabVIEW GUI as the developing platform, constructing the experiment system and instrument front-panel signal, the output and analysis of data anddiagraph are shown on the front-panel vividly，this paper further st

6、udy how to constructthe virtual instrument network laboratory system base on the virtual instrument system also The virtual instrument and technique will have very broad usage in the science andEngineering university as the means for teaching and scientific researchKey words LabVIEW, experimental te

7、aching, electronic experiment courseware, Full-simulation 目 录摘 要IABSTRACTII1 绪论11.1 课题背景11.2 课题研究的意义21.2.1目前高等院校教学实验的现状21.2.2虚拟仪器系统引入实验教学的意义31.3研究内容与工作安排51.3.1本文研究的主要内容51.3.2设计的主要工作52 常用的纯软件仿真62.1 图文的形式62.2 视频的形式62.3 Flash动画的形式62.4 虚拟仪器的形式73 虚拟仪器开发的集成软件包LabVIEW83.1 虚拟仪器的系统结构83.1.1虚拟仪器发展过程83.1.2虚拟仪器的

8、特点93.1.3虚拟仪器的构成93.1.4虚拟仪器与传统仪器的比较103.1 5虚拟仪器的发展前景113.2 LabVIEW开发平台介绍113.2.1 LabVIEW简介113.2.2 LabVIEW的特点123.3 LabVIEW设计虚拟仪器的方法134 基于虚拟仪器技术的信号发生器的设计和应用154.1 虚拟信号发生器的提出154.2 虚拟函数信号发生器的性能指标154.3 虚拟正弦波仿真信号发生器的实现164.3.1 功能描述164.3.2 设计步骤164.4 虚拟函数信号发生器的应用215 虚拟示波器的设计与应用235.1 虚拟示波器的介绍235.2 软件的设计与实现235.3 示波器

9、的主要技术指标245.4虚拟示波器的设计基础245.5 图像显示的基本原理255.6 设计步骤255.7 应用范围295.8 性能特点346 多功能的函数发生器和示波器346.1双通道的声卡函数信号发生346.2直接出数据的示波器346.3用LabVIEW内部函数发生器虚拟采集的示波器367 程序的调试和结果显示377.1 函数信号发生器的程序377.2 示波器的显示377.3双通道的声卡函数信号发生397.4直接出数据的示波器397.5用LabVIEW内部函数发生器虚拟采集的示波器40结论42参考文献43致 谢441 绪论1.1 课题背景LabVIEW 程序被称为虚拟仪器(VI)，是因为它们

10、的外观和操作能模仿实际的仪器。LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench 实验室虚拟仪器工程平台)是一个程序开发环境。类似于C,BASIC。但LabVIEW的特点在于，它使用图形化编程语言G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。LabVIEW还整合了满足GPIB, VXI, RS-232和RS-485以及数据采集卡等硬件通讯的全部功能。内置了便于TCP/IP, ActiveX 等软件标准的库函数。虽然LabVIEW是一个通用编程系统，但是它也包含为数据采集和仪器控制特别设计的函数库和开发工具。

11、虚拟仪器的突出成就是不仅可以利用PC机组建成为灵活的虚拟仪器，更重要的是它可以通过各种不同的接口总线，组建不同规模的自测试系统。它可以借不同的接口总线的沟通，将虚拟仪器、带接口总线的各种电子仪器或各种插件单元，调配并组建成为中小型甚至大型的自动调试系统；虚拟仪器与传统仪器最重要的区别在于:虚拟仪器的功能由用户使用时自己定义，而传统仪器的功能是由厂商事先定义好的。由于诸多的优势，今天，虚拟仪器系统已成为仪器领域的一个基本方案，它的应用已经遍及各行各业。很多测量工程师现在都在使用虚拟仪器。由于微电子技术、计算机技术、软件技术、网络技术的高度发展及其在电子测量技术与仪器上的应用，新的测试理论、新的测

12、试方法、新的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己经发生了质的变化。在这种背景下，八十年代末美国率先研制成功虚拟仪器(Virtual Instrument)。虚拟仪器就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。虚拟仪器的出现是仪器发展史上的一场革命，代表着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将产生不可估量的影响。国际上从1988年陆续有虚拟仪器产品面市，当时有五家制造商推出30种产品。此后，虚拟仪器产品每年成倍增加，到199

13、4年底，虚拟仪器制造厂己达95家共生产1000多种虚拟仪器产品，销售额达2.93亿美元，占整个仪器销售额73亿的4%。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，生产虚拟仪器的主要厂家有HP公司，Tektronix公司等。而对于理工学科体系的一些学科，实验是教学活动中一个必不可少的过程。学生只有通过足够的验证性实验和一定数量的综合性实验，才能真正理解和掌握该学科的理论知识，获得一定的综合测试技能和实验能力，并初步具有处理实际测试工作的能力。众所周知，仪器是实验的基础，要保证这些综合性测试实验的开设质量，就要同时购置多套先进而昂贵的仪器。由此出现了资金投入与人才培养之间的矛盾，而将虚拟

14、仪器引入高校的实验教学不但可以提高测试效率和教学科研的质量，而且为降低测试仪器成本提供了有效的途径和方法。本论文利用虚拟仪器开发软件在图形化仪器界面设计和数据分析、处理等方面的优势，结合真实仪器设备的图片，提出了一种纯软件形式的全仿真的电子实验课件的设计方法。所谓全仿真，即从真实性和可操作性上对真实仪器的操作效果进行全面仿真。从真实性上讲，计算机屏幕上显示的是真实的仪器设备和实验。1.2 课题研究的意义1.2.1 目前高等院校教学实验的现状对高层次的学生而言，实践教学更为重要。所以实验教学水平的高低就成为教学质量的关键环节之一。而有些实验内容不同于一般的教学实验，需要多类、多台价格昂贵的仪器作

15、为支持。如一台HP3562A动态信号分析仪，价值人民币近20万元，一台B&K的2010B频率分析仪，价值人民币16万元。既要开好实验，又不可能投入超常的资余，这是一个十分突出的矛盾。随着教学仪器的发展和高等院校新时期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高等院校未来教学科研的重要方法和手段。(1)学校仪器设备缺乏和过时陈旧等现象，严重影响教学科研。对于高职院校，实验是教学活动中一个必不可少的过程，在电工电子实验室的建设中，教师普遍反映实验室常规设备有的己经老化，有的技术上有些落后，根本不能保证学生来做足够的验证性实验和一定数量的综合性实验。因此，充实实验内容，增开综合性实验项目，

16、进一步加强实验室建设，不断改革实验教学是十分必要的。(2)学校经费紧张，制约实验教学的发展。在当前学校经费较少的情况下，如果配置常规仪器、仪表，学校财力难以支付，也不符合目前学校的实际。众所周知，仪器是实验的基础，要保证这些综合性测试实验的开设质量，就要同时购置多套先进而昂贵的仪器。一个传统的实验要使用多种仪器，而且不同实验所用的仪器也不尽相同，如果开设综合性实验所需仪器更多，这么多的仪器不仅价值昂贵，体积大，占用空间多，而且相互连接也十分麻烦。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)传统的实验教学限制了教师和学生的

17、积极性。传统的实验教学方法是让学生在教师指导下进行实际的操作，随之而来的问题是教师的工作量很大却很难对所有学生进行指导，既影响教学效果又容易造成仪器损坏。运用CAI教学软件辅助实验教学，能较好克服存在的部分困难。但是，由于电子技术实验教学方面的CAI软件还很少，而且功能不强，交互性、操作性和界面的真实程度较差，适应范围窄，在一定程度上限制了教师和学生使用的积极性。1.2.2 虚拟仪器系统引入实验教学的意义如果将虚拟仪器系统引入实验教学，建立虚拟仪器技术实验室，情况就大为改观。不仅可完成电工、电子学、电气测量等基础课程的实验，还真正体现了虚拟仪器技术“软件就是仪器”，“一台计算机就是一个实验室”

18、的特殊优势。具体表现在以下几点:(1)实验设备投资降低，提高利用率。如果运用虚拟仪器技术，以微机为基础(我国普通高校实验室的计算机己经普及)，构建集成化测试平台，代替常规仪器、仪表，不但满足电工电子实验教学的需要，而且将这批微机可作为其他有关计算机课程教学用机，大大提高了设备利用率，可以节约大量仪器设备的经费投入，降低了实验室建设的成本。(2)提高实验教学的质量与效果。用虚拟仪器开发平台如LABV工EW开发各种不带相关功能硬件的“虚拟仪器”(真正的虚拟仪器是由计算机、软件、功能硬件组成的，为了与之区分，故用引号)，不但简单易行，且交互性、可操作性和真实感与实际的虚拟仪器基本相同。由它们组成一个

19、个虚拟实验室，让学生先在虚拟实验室通过对“虚拟仪器”的模拟操作使用，全面了解和掌握各种虚拟仪器的使用方法和操作要点，为实际使用虚拟仪器设备和传统的实验仪器设备打下较好的基础，既可降低教师的劳动强度。减少仪器设备的损坏，又可以使实验内容更丰富，更生动，更易于理解，提高实验教学质量与效果。以仪器的学习与使用的实验教学为例，根据实际使用的虚拟仪器设备，将各种虚拟仪器及工作原理、操作使用方法设计成独立的教学模块，提高实验教学的质量与效率。(3)提高学生的实验兴趣、实验效果和效率。由于高等层次学生数学基础和教学时数的限定，学生对诸如相关分析、滤波器、概率统计、曲线拟合等数学分析方法很难理解但是借助虚拟仪

20、器的功能，就生动直观地展示了其物理实质。在教师的指导下，就比较容易理解了，这是课堂讲授很难作到的。 虚拟仪器在实验教学中最简单的应用就是代替常规的仪器，如函数发生器、示波器、万用表等。比如实验者在实验中采用虚拟仪器，实现信号发生及波形记录，可取得较好的效果。用计算机虚拟出的函数发生器产生实验所需的激励信号，其波形、频率、幅值等完全能代替常规的仪器使用。而用计算机虚拟出的示波器，不仅具有常规示波器的功能(如测量实验电路对激励信号的响应)，还可同时显示、记录、存储和打印多通道输入的波形，对存储的曲线可通过“回放”功能显示在屏幕上，“回放”速度可调，“回放”过程可暂停波形扫描，以便能更清楚地观察波形

21、的变化，所存储的曲线可以在任何时间打印输出，学生可以及时进行数据处理，观察和分析实验结果，从而提高了学生的实验兴趣、实验效果和效率。（4)丰富实验教学的内容，提高学生的创新能力。在同一台计算机上，通过操作者的不同的定义，可以虚拟出不同的仪器，各仪器之间还可以通过不同的窗口进行切换，因此实验室无需耗费大量资金配备各种传统仪器，只需通过软件设计就可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，与在传统实验室做出的实验结果一样。这样，使用虚拟仪器来代替传统仪器，能很好地解决实验教学的矛盾，丰富实验教学的内容;而且学生可自己设计软件来验证，也会

22、提高自身的创新能力。(5)便于教学研究。将虚拟仪器技术和计算机模拟仿真技术通过数据交换共享结合起来建成虚拟仿真实验室，对一些科学现象和规律进行仿真实验，能够代替部分实际实验项目供教师和学生进行教学与研究。学生利用计算机模拟仿真软件对实验进行模拟仿真，仿真的结果通过虚拟仪器系统进行观察、分析、处理。由于仿真软件和虚拟仪器均具有人机交互能力，这样在这个虚拟的交互式仿真世界，给人创造一种近乎进行真实实验的感觉。(6)提供发明、创造的新途径。通过使用虚拟仪器，学生可以在相同课时内同时学习电子技术和计算机的使用技巧。不但掌握了通用电路的测试技巧，加强对电路原理的理解，同时还接触了先进的技术，应用计算机后

23、，有无限的发展空间，有助于开发学生的创新能力，使学生从一个更高的起点面对明天的世界。(7)可利用计算机和互联网的优点。利用互联网远距离教学等，可使学生和教师在不同地点做同一个实验。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PC计算机近几年已基本普及全国，这为虚拟仪器的发展奠定了基础。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，到下世纪初我国将有5096的仪器为虚拟仪器。发达国家虽然在此领域比我国起步较早，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，将我国的虚拟仪器产业水平逐渐向先进国家靠拢。LabVIEW 作为虚

24、拟仪器开发系统的杰出代表，在我国由于引进的时间不长，了解和熟悉它的人还不多，还没有被充分认识和推广应用。本课题就LabVIEW在开发虚拟仪器过程中的应用做初步的探讨。1.3 研究内容与工作安排1.3.1 本文研究的主要内容本课题主要阐述如何在LabVIEW环境下设计虚拟教学仪器，并通过虚拟示波器、虚拟信号发生器、虚拟函数发生器的开发说明使用虚拟仪器的基本方法。第一部分: 主要介绍虚拟仪器开发的环境、理论背景和当今的发展状况，说明本课题的背景、意义及主要工作。第二部分: 分别讨论常用的纯软件仿真的电子实验课件和他们的优缺点，并得出虚拟仪器是最理想的。第三部分: 介绍用于虚拟仪器开发的集成软件包L

25、abVIEW。第四部分：结合教学实际，设计虚拟函数发生器， 分析在应LabVIEW中虚拟函数发生器的应用。第五部分：结合教学实际，设计虚拟示波器， 分析在应用LabVIEW中虚拟示波器的应用。第六部分：在上述的工作基础上进行扩展，设计出功能跟多的函数发生器和示波器。1.3.2 设计的主要工作1、前期工作收集资料 ，学习并熟悉LabVIEW软件，学习相关的仿真方式。2、中期工作虚拟函数信号发生器的开发；虚拟示波器的开发。3、后期工作设计出功能跟多的函数发生器和示波器，让我们更加深刻的认识虚拟仪器带给我们的优越感。2 常用的纯软件仿真2.1 图文的形式这是最常用的一种实验课件的形式，它是生动有趣的

26、科学内容和完美的艺术形式的统一体。主要以文字来叙述实验的过程，并附以仪器设备的实物照片。让学生直觉上的认识仪器设备，指导学生对设备内容相关的富有感性认识，帮助学生分析、理解图中含义，把文中内容的语言表达通过理解转化为设备语言，这种实验课件通常采用的是PPT幻灯片文件或html网页文件。其优点是，比较容易制作，而且文件较小，便于传播，在网页上浏览也快捷；依据图文结合法进行教学，便于统一指导、组织教学和掌握教学进程，能充分调动学生的主体参与意识，有利于学生理解和记忆所有讲授的内容，起到发展学生智力的作用。既开拓了学生的视野，增加了他们的知识储备，也解决了学生不想学、不爱学、学不会、不会学的问题，使

27、教学过程优化，使教者教得省力，学生学得愉快。其缺点是，它基本上是静态的，仪器设备的照片不具备可操作性，在使用效果上与真实的仪器设备相去甚远。2.2 视频的形式 类似于传统的广播电视大学的教学模式。由教师亲自操作实验仪器，完成实验内容，用摄像机将实验的全过程真实地记录下来，并配上相应的解说和字幕，然后由相应的硬件和软件将录像资料转换为视频文件。这种实验课件的优点是，真实性强，可以让学生了解到实验的真实情景，而且有动作、有声音、有文字，形象、直观，可以多次重复使用，有效地缩短教学时间，提高记忆效率，最大限度地调动学生的有意注意与无意注意方便、快捷、高效多媒体教学通过演示课件，使授课方式变得方便、快

28、捷，节省了教师授课时的板书时间，提高了教学效率。有条件的院校还可以利用互联网实现资源共享，在校园网或者是教育网,甚至整个互联网上，最大限度地实现教师、学生、学校、家庭和社会之间的交流。其缺点是，它的制作过程较复杂，需要专业设备和专业人员来完成，且视频文件较大，不便于传播。另外，视频形式的实验课件同样不具备可操作性。2.3 Flash动画的形式Flash动画技术一经出现，就以其代码精练，占用资源少等优点倍受动画爱好者的青睐。Flash动画功能强大，不仅包括文字、图片、声音、视频各种元素，更有完善的脚本语言， 制作出来的作品交互性很强，Flash动画也是实验课件常用的形式。其优点是类似于视频播放，

29、有动作、有声音、有文字，还可以通过编程设计来实现一定的可操作性，同时，Flash文件远比视频文件小得多，便于传播，可用于网上远程教学，课件的一个基本出发点就是以文字为基础，配合图像、声音、动画等手段，从多方面刺激学生的感官，激发学生的兴趣，一个形式呆板的多媒体课件与黑板加粉笔的教学方式是没有什么区别的，它所获得的教学效果自然不会显著。其缺点是，画面主要由人工制作，需要具备较好的美术功底，且很难达到实物的真实效果，另外，可操作的交互性很有局限，电子仪器中的开关、旋钮等控件的动态调节，数据、波形的动态显示，数据的分析和处理，用Flash很难实现。2.4 虚拟仪器的形式虚拟仪器技术的出现和发展给电子

30、仪器行业带来了一场变革，其核心思想为“软件就是仪器”，即仪器的功能和可动态操作的图形化仪器界面由虚拟仪器开发软件来设计实现。LabVIEW (1aboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)，是一个开放的开发平台，使用“所见即所得” 的可视化技术建立人机界面，并且是针对测试、测量和过程控制领域的，使用为大多数工程师和科学家熟悉的数据流程图式的语言书写程序代码，所以编程过程和思维过程非常类似，编写程序变得简单而且编写出来的程序更易懂。LabVIEW提供了许多仪器面板中的控制对象，如表头、旋钮、开关、坐标图等，用户还可以通过控制编辑器，将现有

31、的控制对象修改为适合自己工作领域的控制对象。用LabVIEW编程的实验面板设置有“窗函数选择”、“滤波器参数设置”等操作窗口，以及原始信号和频谱显示屏等，使学生可以像操作实际仪器一样进行实验，同时在实验时间允许的条件下，学生可以进行个性化的面板设计和仪器功能的扩展设计。攀枝花学院毕业设计 基于虚拟仪器技术的信号发生器的设计和应用3 虚拟仪器开发的集成软件包LabVIEW3.1 虚拟仪器的系统结构虚拟仪器 (VIVirtual Instrumentation)是指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这台计算机，就像在操作自己定义、自己设计的一台单个仪器一样

32、，从而完成对被测试量的采集、分析、判断、显示、数据存储等。图3.1 传统仪器与虚拟仪器组成的示意图3.1.1 虚拟仪器发展过程虚拟仪器从概念的提出到目前技术的日趋成熟，体现了计算机技术对传统工业的革命。大致说来，虚拟仪器发展至今，可以分为三个阶段。第一阶段利用计算机增强传统仪器的功能。由于 GPIB总线标准的确立，计算机和外界通信成为可能，只需要把传统仪器通过GPIB和RS-232同计算机连接起来，用户就可以用计算机控制仪器。随着计算机系统性能价格比的不断上升，用计算机控制测控仪器成为一种趋势。这一阶段虚拟仪器的发展几乎是直线前进。第二阶段开放式的仪器构成。仪器硬件上出现了两大技术进步:一是插

33、入式计算机数据处理卡(plug-in PC-DAQ ):二是VXI仪器总线标准的确立。这些新的技术使仪器的构成得以开放，消除了第一阶段内在的由用户定义和供应商定义仪器功能的区别。 第三阶段虚拟仪器框架得到了广泛认同和采用。软件领域面向对象技术把任何用户构建虚拟仪器需要知道的东西封装起来。许多行业标准在硬件和软件领域以产生，几个虚拟仪器平台已经得到认可并逐渐成为虚拟仪器行业的标准工具。发展到这一阶段，人们也认识到了虚拟仪器软件框架才是数据采集和仪器控制系统实现自动化的关键。在虚拟仪器技术发展中有两个突出的标志，一是VXI总线标准的建立和推广；二是图形化编程语言的出现和发展。前者从仪器的硬件框架上

34、实现了设计先进的分析与测量仪器所必须的总线结构，后者从软件编程上实现了面向工程师的图形化而非程序代码的编程方式，两者统一形成了虚拟仪器的基础规范。3.1.2 虚拟仪器的特点虚拟仪器的特点可归纳为:在通用硬件平台确定后，由软件取代传统仪器中的硬件来完成仪器的功能。仪器的功能是用户根据需要由软件来定义的，而不是事先由厂家定义好的。仪器性能的改进和功能扩展只需进行相关软件的设计更新，而不需购买新的仪器。研制周期较传统仪器大为缩短。虚拟仪器开放、灵活，可与计算机同步发展，可与网络及其它周边设备互联。3.1.3 虚拟仪器的构成虚拟仪器由通用仪器硬件平台(简称硬件平台)和应用软件两大部分构成。1.通用仪器

35、硬件平台与传统仪器一样，它同样划分为数据采集、数据分析处理、显示结果三大功能模块(如图3.2所示)。虚拟仪器以透明方式把计算机资源和仪器硬件的测试能力结合，实现仪器的功能运作。 分析统计数字滤波信号处理网络传输硬复制文件I/O图形用户接口RS-232VXI仪器GPIB仪器插人式DAQ 图3.2 虚拟仪器的功能模块PC或工作站虚拟仪器系统的构成有多种方式，主要取决于系统所采用的硬件和接口方式，其基本构成如图3.3所示。VX工仪器GPIB仪器DAQ产 品串行仪器被 测 单 元图3.3 虚拟仪器系统的构成要保证虚拟仪器具备与传统仪器匹配的实时处理能力和可靠性，很重要的一点是取决于传输测量数据的总线结

36、构。在虚拟仪器中，其分析功能是由计算机来完成的或由计算机来控制的。因此，接口、总线的速度和可靠性是关键，VXI总线标准的建立，使用户可以像仪器厂商一样，从访问寄存器这样的低层资源来设计和安排仪器功能，也使得用户化仪器功能设计得以实现。VXI总线的出现，使得虚拟仪器设计有了一个高可靠性的硬件平台。当然，普通PC总线，尤其是工业PCI总线的虚拟仪器也在不断发展，这类虚拟仪器主要面向一般工业控制，过程监测和实验室应用。2.软件结构虚拟仪器软件由两大部分构成。(1)应用程序。它包含两个方面的程序:实现虚拟面板功能的前面板软件程序定义测试功能的流程图软件程序。(2) I/0接口仪器驱动程序。这类程序用来

37、完成特定外部硬件设备的扩展、驱动与通信 。开发虚拟仪器，必须有合适的软件工具。目前有文本式编程语言如C, Visual C + ,Visual Basic, LabWindows /CVI等。图形化编程语言如LabVIEW , HPVEE等。3.1.4 虚拟仪器与传统仪器的比较与传统仪器相比，虚拟仪器具有许多优点，如表3-1所示:表 3.1 虚拟仪器与传统仪器的比较传统仪器虚拟仪器关键是硬件关键是软件开发与维护的费用高开发与维护的费用低技术更新周期长技术更新周期短价格高价格低，并且可重复性与可配置性强产商定义仪器功能用户定义仪器功能系统封闭、固定系统开放、灵活、与计算机的进步同步不易与其他设备

38、连接极易与其他设备连接虚拟仪器在智能化程序、处理能力、性能价格比、可操作性等方面都具有明显的技术优势，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)复用性强，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，可设计出数字示波器、逻辑分析仪、计数器等各种仪器。这样形成的测试仪器系统功能更灵活、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

39、享，更好地发挥仪器的使用价值。(3)可操作性强。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。3.1.5 虚拟仪器的发展前景虚拟仪器依靠其自身的优势使它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种产品。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1000

40、多种虚拟仪器产品，销售额达2.93亿美元，占整个仪器销售额73亿的4%。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PG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。据统计，1995年我国进口电子测量仪器73.5万台，价值32亿美元。据专家预测，到下世纪初我国将有50%的仪器为虚拟仪器。以上统计数字表明，虚拟仪器具有广阔的发展前景。但同时也应认识到，现在我国的科学技术水平还相对落后，每年需要花费大量的外汇进口电子仪器产品。如何发展我国自己的仪器产业，尤其是具有广阔发展前景的虚拟仪器，是我

41、们应该迫切解决的问题。3.2 LabVIEW开发平台介绍3.2.1 LabVIEW简介LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench实验室虚拟仪器工程平台)是NI公司的图形化、交互式的编程设计环境，为虚拟仪器提供了实现途径。LabVIEW是一个完全的、开放式的虚拟仪器开发系统应用软件，利用它组建仪器测试系统和数据采集系统可以大大简化程序的设计。LabVIEW与C+, Visual Basic，LabVIEW等编程语言不同，后者采用的是基于文本语言的程序代码，而LabVIEW则是使用图形化程序设计语言G，用方框图代替了传统

42、的程序代码。LabVIEW所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。与传统的编程方式相比，使用LabVIEW设计虚拟仪器，可以提高效率4-10倍。同时，利用其模块化和递归方式，用户可以在很短的时间内构建、设计和更改自己的虚拟仪器系统。3.2.2 LabVIEW 的特点LabVIEW 具有以下特点:1.图形化的仪器编程环境:它使用“所见即所得”的可视化技术建立人机界面，针对测试、测量以及过程控制等领域。LabVIEW提供了面板上所必需的许多显示和控制对象 ，如旋钮 、表头、图表等。用户还可以方便地将现有控制对象改成适合自己需要的控制对象。 2.

43、内置的程序编译器:LabVIEW采用方式运行32位应用程序，解决了其他按解释方式工作的图形编程平台速度慢的问题，其速度大体相当于编译C的速度。3.灵活的程序调试手段:用户可以在源代码中设置断点，单步执行源代码，在源代码的数据流上设置探针，在程序运行中观察数据流的变化。4.功能强大的函数库:LabVIEW提供了大量现成函数供用户直接调用，从底层VXI,GPIB、串口及数据采集板的控制子程序到大量的仪器驱动程序，从基本的功能函数到高级析库、涵盖了仪器设计中几乎所需要的函数。5.支持多种系统平台:LabVIEW支持多种系统平台，在WindowsNT/95/3.1,PowerMacintosh、HP.

44、SUNSPARC等系统平台上，NI公司都提供了相应版本的软件，并且平台之间开发 的应用程序可直接进行移值。6.开放式的开发平台:LabVIEW提供了DLL接口和CIN接口，使用户在LabVIEW平台上能调用其他软件平台编译的模块，提供对OLE的支持。7.网络功能:LabVIEW支持TCP/IP,DDE,IAC等功能。LabVIEW 的运行机制就宏观上讲已经不再是传统上的冯.诺依曼计算机体系结构的执行方式。传统的计算机语言(如C)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，这种方式确保程序中的节点只有在获得它的全部数据后才能执行。也就是

45、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。3.3 LabVIEW设计虚拟仪器的方法LabVIEW的图形化程序设计是基于现代软件的面向对象技术和数据流技术而发展起来的。数据流程序设计表示只有在所有输入都有效时，一个对象才开始执行，同样，只有当对象的功能完成以后，对象输出对有效。这样的话，互相在对象间的数据流控制着执行顺序，执行顺序不局限于来自文本式程序设计的线形顺序，它可以不受其限制。用户能够通过连接功能模块来快速开发自己的应用程序，甚至能够使用多路数据通道，实现同步操作。与传统的文本式程序设计一样，LabVIEW也有控制流程图功能执行的部分，它们

46、包括Sequence Statement，Case Statement，For Loop，While Loop，它们被图形化地描述成边界结构，像在传统地线形化程序设计中可以插入代码段一样，可以把图标放在LabVIEW图形结构的界限内部。LabVIEW 有一个图形编辑器来产生最优化编辑代码，虚拟仪器执行他们相当编译C的速度。利用应用程序生成器，用户能够产生虚拟仪器，就像独立的执行程序一样。下面按步骤说明集进行图形化的程序设计。(1)建立方案:选用LabVIEW软件，可以构建虚拟仪器，而不是编写程序。有了交互式控制的软件系统，用户可以很方便地建立其前面板接口。为了实现具体的功能,用户利用向导把流程

47、图组合在一起。(2)建立前面板:从控制模块上选择你需要的对象，放在虚拟仪器的前面板上。控制模板上的对象包括数字显示、表头、压力计、热敏计外壳、表、图片等。当你的虚拟仪器完成以后，就能在虚拟仪器工作时利用前面板去控制整个系统，如移动滑动片、在图像中变向、从键盘输入等。(3)构建图形化的流程图:对虚拟仪器进行程序设计，你不必担心很多传统程序设计所需的语法细节，而可自己构建流程图。从功能模板上选择对象(用图标表示)，并用线将它们连接起来以便数据进行传递。功能模块上的对象包括简单的数学运算、高级数据采集和分析方法、以及网络和文件输入输出操作。(4)数据流程序设计:LabVIEW用一种精巧的数据流程序设

48、计模式把用户从文本式语言的线形化方式构建程序的办法中解放出来。因为在LabVIEW软件中程序的执行顺序由各方块中的数据流决定。你也可以建立同步操作的流程图。LabVIEW软件是一个多任务系统具有多线程功能并运行多个虚拟仪器。(5)模块化和层次:LabVIEW虚拟仪器实行模块化设计，因而任何虚拟仪器既能独立运行，又能被用作其他虚拟仪器的一部分。甚至可以创建自己的虚拟仪器图标，因而可以设计由虚拟仪器构成的多层系统，并可以改变它，同其他虚拟仪器交换和连接以满足不断变化的应用需要。 (6)图形编辑器:在许多场合、程序运行速度都是很关键的。LabVIEW软件是唯一的带有编辑器的图形化编程环境、可以产生最

49、优化的代码，其运行速度与编译C的速度相当。利用内置的绘图器，甚至能够对与时间很关键的代码部分进行分析和优化。因而，不会因为图形化编程降低了效率。图形化程序设计编程简单、直观、开发效率高。随着虚拟仪器技术的不断发展，图形化的编程语言必将成为测试和控制领域内最流行的发展趋势。4 基于虚拟仪器技术的信号发生器的设计和应用4.1 虚拟信号发生器的提出当无法获得真实信号或需要产生与系统相适应的测试信号时，需要利用软件产生仿真信号。仿真信号可以是模拟信号，也可以是数字信号，如设计一个虚拟函数发生器，可产生正弦波，方波，锯齿波和三角波等模拟信号，该函数发生器可应用于虚拟电压表，虚拟示波器。作为仿真信号的输出

50、，与实际输入信号进行比较；还可以设计一个数据流发生器，应用于逻辑分析仪，作为触发信号或其他数字系统的测试输入信号。因此，在教学课件中让同学了解是非常必要的。LabVIEW8.2的函数模板提供了丰富的波形函数，用于产生模拟信号。如图4.1所示：图4.1 LabVIEW8.2的函数模板4.2 虚拟函数信号发射器的性能指标主要包括以下几项:1.输出波形:有正弦波、方波、三角波等任意波形，波形通过函数表达式输入。2.频率范围：理论上频率范围是覆盖全频段，但具体涉及到计算机性能。3.输出电压：一般指输出电压的峰-峰值。4.波形特性：不同波形有不同的表示法。一般正弦波和三角波的特性用非线性失真系数表示：而

51、方波的特性参数是上升时间。5.输出阻抗：作为测试信号源，希望所带负载范围宽，其阻抗应低。4.3虚拟正弦波仿真信号发生器的实现4.3.1 功能描述该正弦波仿真信号发生器可产生正弦信号指标如下：(1)频率范围：0.110000Hz，可选；(2)初始相位：01800，可选；(3)幅值：0.15.0V，可选；(4)生成波形的总点数：N=8512可选4.3.2 设计步骤： 1 前面板设计1)6个输入型数字控件：本控件供使用者键入生成正弦波的频率fx、周期，初始相位等。2)一个输出显示型图形控件：本控件用来显示所产生的正弦波波形。3)两个开关控制。4）获取真实仪器设备的图片。（图4.2）搭建好实验平台，将

52、函数信号发生器放在实验台上。用照相机进行现场拍照以获取真实的实验设备的图片。图片文件采用压缩较好的JPEG格式，以减小实验课件的文件大小。5）仪器界面的制作。将真实仪器设备的图片粘贴到LabVIEW 的空白界面上，作为背景图像。根据真实仪器面板上的控件(如旋钮、开关、显示屏等)调用相应的LabVIEW 控件，通过设置控件属性，调整其大小，改变其颜色，使其在外观上尽量接近真实的仪器控件，再将其覆盖在相应的真实仪器控件的图像上，达到一种“以假乱真”的效果，同时也把真实仪器的图像由静止不动变成了可动态操作。图4.2 真实仪器设备的图片在LabVIEW中前面板的设计（图4.3）（便于观察增加了波形显示

53、窗口）:图4.3 LabVIEW中前面板的设计几种主要仪器控件的制作过程: 设置 覆盖 LabVIEW 控件 真实仪器图像(局部) 全仿真仪器界面(局部)设置 覆盖 LabVIEW 控件 真实仪器图像(局部) 全仿真仪器界面(局部) 设置覆盖 LabVIEW 控件 真实仪器图像(局部) 全仿真仪器界面(局部) 设置 覆盖 LabVIEW 控件 真实仪器图像(局部) 全仿真仪器界面(局部) 设置 覆盖 LabVIEW 控件 真实仪器图像(局部) 全仿真仪器界面(局部) LabVIEW控件 真实仪器图像(局部) 全仿真仪器界面(局部)替换过后的前面板（图4.4）：图4.4 替换过后的前面板对其中前

54、面板用到的按钮作简单介绍:按钮描述按钮表示按钮功能逻辑开关布尔型控制器和指示器分别用于输入和输出布尔型数值（真或假），用来模拟开关等。旋钮开关旋钮的功能是输入或改变数字控制器的值，可用操作工具点击控制器上的线条。波形显示用来显示波形，可用可用对他进行一些的设置。框图程序（图4.5）：图4.5 框图程序对框图程序的一些函数的说明：函数描述函数表示函数功能正弦发生器是一个仿真正弦函数，可以设置采样，频率，幅值等条件语句是一个条件选择语句，如果条件是布尔型就两种选择（真和假），如果是其他就可以有231-1个子case逻辑控制逻辑非4.4 虚拟函数信号发生器的应用1虚拟函数信号发生器测试接线图虚拟函数

55、信号发生器作为测试激励源，一般可按图4.6所示连线。图4.6 虚拟函数信号发生器的测试连线图虚拟函数信号发生器为被测器件或系统提供测试用信号，被测系统对输入激励进行响应，响应的结果由虚拟测试仪器，如虚拟电压表、虚拟示波器、虚拟频率计等进行定量测试。2虚拟函数信号发生器的应用 虚拟函数信号发生器一样可用于音频放大器、滤波器、自动测试系统等的测试。如用于测量低频放大器的幅频特性，测试过程如下。（1）按图4.7所示连线。图4.7 放大器幅频特性测试连线图(2)调节困数信号发生器，使其输出频率为1kHz，幅度为10mv的正弦信号，并将该信号送到被测放大器输入端。 （3)在被测放大器输出端接上负载电阻R

56、L后，再将输出接到毫伏表或示波器的Y输入端，测出放大器在1kHz时的输出电压值。 (4)按被测电路的技术指标，在保持函数信号发生器输出幅度不变的情况下，逐点改变情号发生器的频率，逐点记录被测放大器的输出电压值，然后，根据记录数据。5 虚拟示波器的设计与应用5.1 虚拟示波器的介绍示波器在现实工程中有着非常实用而且必要的作用。电气、电子、仪表等工程和产品的设计过程当中，示波器的使用是非常普遍和必要的。示波器的作用是通过显示屏曲线将持测信号的特征和参数表现出来，以供工程设计人员把握和检测所设计的系统。传统的示波器和虚拟示波器有着相同之处，同时也有者本质区别。传统示波器是由专门厂家设计生产出来的，如

57、HP公司的双通道台式示波器HP系列，它们是由具体的各个电子、机械元器件组成的。而虚拟示波器则完全运用LabVIEW中的软件程序设计而成。这就是常用示波器和虚拟示波器的本质区别。也就是说，我们所使用的虚拟示波器是完全通过软件程序设计出来仿真常用示波器的它们在显示、测量、分析、上有着非常相似的地方，甚至有时候虚拟示波器在某些方面要远远优于常用示波器。另外，通过LabVIEW设计出来的示波器能拥有很多常用示波器不具备的长处。总之，利用虚拟示波器，设计人员可以很灵活地满足所测试的信号的要求。5.2 软件的设计与实现 虚拟示波器软件设计采用了先进的图形化编程语言工具LabVIEW。LabVIEW编程的主

58、要特点就是将虚拟仪器拆分为若干个基本的功能模块(相当于硬件设计中的集成电路一样)，各个模块的引脚代表了各种输入输出接口。程序编译人员可以通过相互交换的方式，采用图形化框图设计的方法，完成虚拟仪器的逻辑和测量分析功能设计。简单地说，就是将整个框图程序分解成若干个小的程序图，实行分步分块独立而义最终统一的设计原理。这一点同一般的硬件设计是非常相似的。 LabVIEW编程的另外一个优点就是能将软件的界面设计与功能设计分开，修改人机交互界面时不需要对整个程序进行调试，这种设计操作面板对于复杂的人机界面来说是十分方便的。LabVIEW还为用户提供了函数扩展功能，利用LabVIEW中的code Inten

59、d face Node(CIN)，可以调用像C语言那样传统的编程语言来写程序代码。总之，LabVIEW作为图形化编程语言环境，为虚拟仪器开发提供了一种快捷、方便和功能强大的软件工具。5.3 示波器的主要技术指标 示波器的水平偏转系统、垂直偏转系统和主机系统都定义了各自的技术指标。(1)频带宽度频带宽度标志示波器的最高响应能力，用频率和上升时间表不，两者的换算关系为上升时间0.35频带宽度(2)垂直灵敏度示波器可以分辨的最小信号幅度和输入信号的动态范围，一般用vcm，vdiv等表示。(3)输入阻抗 一般用 (M)pF表示，他标志对被测信号的负载的轻重。 (4)捆描速度 扫描速度也称为扫描时间因数

60、是指光点水平移动的速度，说明了示波器能观察的时间和频率的范围。（5)同步(或触发)电压它是指波形稳定的最小输入电压。5.4虚拟示波器的设计基础 示波测试以示波管为核心器件，建方在“电子束通过电场运动，运动轨迹与外电场相关”的规律基础上。其测试过程可通过示波器的结构框图来说明。如图5.1所示。 图5.1 示波器的结构框图Y轴偏转系统将输入的被测交流信号放大；x轴偏转系统提供一个与时间成线性关系的锯齿波电压；两组电压同时加到示波管的偏转板上，示波管中的电子束在偏转电压的作用下运动，在屏幕上形成与被测信号一致的波形。5.5 图像显示的基本原理在电子枪中，电子经过聚焦形成电子束，电子束通过垂直或水干偏

61、转板打到荧光屏上，产生亮点，亮点在荧光屏上垂直或水平偏转的距离，正比于加在垂直或水平偏转板上的电压，即亮点在屏幕上移动的轨迹，是加到偏转板上的电压信号的波形。示波器显示图形或波形的原理就是基于电子与电场之间的相互作用原理进行的。根据这个原理,示波器可显示随时间变化的信号波形和显示任意两个变量x与y的关系图形。5.6 设计步骤1） 获取真实仪器设备的图片（图5.2）。搭建好实验平台，将函数信号发生器放在 实验台上。用照相机进行现场拍照以获取真实的实验设备的图片。图片文件采用压缩较好的JPEG格式，以减小实验课件的文件大小。2） 仪器界面的制作。将真实仪器设备的图片粘贴到LabVIEW 的空白界面上，作为背景图像。根据真实仪器面板上的控件(如旋钮、开关、显示屏等)调用相应的LabVIEW 控件，通过设置控件属性，调整其大小，改变其颜色，使其在外观上尽量接近真实的仪器控件，再将其覆盖在相应的真实仪器控件的图像上，达到一种“以假乱真”的效果，同时也把真实仪器的图像由静止不动变成了可动态操作。图