毕业设计（论文）基于LabVIEW的通信原理虚拟实验室设计

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1、海军航空工程学院本科毕业设计(论文)目 录引言1第1章 绪论31.1 虚拟仪器的基本概念31.2 虚拟仪器的构成41.3 虚拟仪器的特点4第2章 虚拟实验室基本系统概述62.1 研究虚拟实验室的意义62.1.1 传统实验室的弊端62.1.2 虚拟实验室的优点72.2 软件LabVIEW简介92.3 虚拟实验系统的基本构成10第3章 软件设计183.1 虚拟仪器模块183.1.1 虚拟信号发生器模块183.1.2 虚拟数字示波器模块193.1.3 虚拟频谱分析仪模块213.1.4 虚拟数字滤波器模块223.2 虚拟实验室的实验列举253.2.1 信号的调制与解调实验253.2.2 信号的合成与分

2、解实验273.2.3 系统频率响应特性的实现28第4章 总结和展望314.1 总结314.2 展望32致谢33参考文献34第32页引言在这个计算机和网络时代，利用计算机和网络技术对传统的产业进行改造，已是大势所趋，而虚拟仪器系统正是计算机和网络技术与传统的仪器技术进行融合的产物。八十年代末，美国国家仪器公司(NI)提出了“软件就是仪器”的口号，将日益普及的计算机技术与仪器仪表技术完美结合起来，提出虚拟仪器(Virtual Instruments)的概念。LabVIEW是Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench 的缩写。它是NI 公司

3、研制的图形化编程软件，是目前最为成功、应用最为广泛的虚拟仪器软件开发环境。应用虚拟仪器技术，使我们能够在计算机上按照自己的需求来设计仪器，方便灵活而且开发周期短。它不仅降低了仪器成本，更提高了工作效率。在最近几年里,快速可靠的计算机通信网络获得了惊人的发展，局域网或广域网上的计算机可以进行信息和命令交换，这样网络服务拓展了虚拟仪器的使用范围，给虚拟仪器技术注入了强大的活力，进一步增强了数字化仪器的优势，从而成功地进入了网络化虚拟仪器阶段。LabVIEW具有非常强大的网络功能，其内置Web Server，可以进行网页发布，使客户端仅用Web浏览器便可以进行实验。通过将网络技术与虚拟仪器技术相结合

4、，远程虚拟实验室为远程教育的实验课程提供了解决方案。国内部分重点大学在这方面已开始了初步的研究和应用。但是在通信专业教学上的应用还无先例。通信原理教学实验包括：数字基带信号、数字调制与解调、模拟信号的波形编码、循环纠错编码等，其主要目的是帮助学生理解通信系统的整体概念及基本理论，对于培养学生的通信系统观念、提高实际动手能力有极其重要的作用。在这些教学实验中，需要的仪器有:数字万用表、任意波形发生器、数字存储示波器、频谱分析仪、失真度仪、频率计。特别是频谱分析仪作为频域分析仪器在教学实验中有着非常重要的作用，但因频谱分析仪价格的昂贵，至今没有配备。与传统仪器相比，虚拟仪器除了在性能、易用性、用户

5、可定制性等方面具有更多优点外，在工程应用和社会经济效益方面也具有突出优势。此外，传统的通信原理实验主要通过硬件电路实现各功能模块，由信号发生器产生信号，用示波器观察各点波形。由于实验条件的限制，往往得不到丰富实验结果，而且学生面对复杂的电路板难以从系统的观点去分析各点波形关系。设计出一套与传统实验相配合的虚拟实验软件，采用软件模拟的方法，通过灵活调节各个实验参数，灵活控制实验进程,便可很好的弥补传统通信原理实验的不足。因此，将虚拟仪器技术引入到教学实验中就成为行之有效的解决方案。1实现远程虚拟实验室有众多意义，但是目前最重要的也是最现实的意义就是应用于教育系统上。随着我国高等教育体制的深化改革

6、以及招生规模扩大方针实施以来,学生规模急剧膨胀的普通高等院校普遍陷入了实验教学的困境。从现实的意义上来说，在高等工程教育中采用虚拟实验室，可以从根本上解决实验与实习经费严重短缺问题。同时，利用虚拟仪器技术与计算机网络相结合还可以实现对仪器设备的远程、分布式控制,在教育、科研等领域中具有广阔的发展空间和应用前景,是实验教学的一个新的发展方向。第1章 绪论电子信息类的专业课程有两大特点，一是比较抽象，如信号与系统、数字信号处理、高频电子电路、通信原理、模拟和数字电子技术等课程，需要通过实验环节来帮助学生理解；有的则必须通过学生的实践才能掌握，网络技术、软件编程等课程，实验环节在电子信息实验教学中占

7、有非常重要的地位，是提高学生动手能力、培养创造能力和综合素质的一个有效的手段。很多学科都是以实验课程为基础的，缺少了实验的支持，学科的教学和科研活动就无法进行。学生只有通过足够的验证型实验和一定数量的综合设计型实验才能加深理解和掌握所学的理论知识和应用技术，也只有通过实验，才能将理论与实践很好地结合起来。二是电子信息技术作为新的支柱产业，发展非常迅速，技术更新快，导致高校的课程特别是实验课程往往落后于技术的进步，无法满足实验教学的需要。国内高校传统的实验设备在实验教学中暴露出的无实验模拟功能、辅助实验教学功能等种种弊端。与时俱进地开发出虚拟仪器实验教学系统进行实验教学，达到培养学生的动手能力和

8、创新意识的目标。目前国内高校电子信息类实验大多采用各门课程的实验箱和传统仪器搭建起来的实验平台，传统仪器和实验箱是功能固定且单一，通常只能作一些演示性和验证性实验，无法实现功能扩展和资源共享。电子信息类教学实验常用仪器仪表为：函数发生器、示波器、万用表及各种专用实验设备等。1.1 虚拟仪器的基本概念虚拟仪器(Virtual Instrument，简称VI)是在以计算机为核心的硬件平台上，通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机地融为一体，利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析、处理，从而完成各种测试功能的仪器系统。计算机在虚拟仪器中处于核心地位，计算机软件技术和测试系统更紧密地结合成了

9、一个有机整体，仪器的结构概念和设计观点等都发生了突破性的变化。从构成上来说，虚拟仪器就是利用计算机，配上相应的硬件和专用软件，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新型仪器。它将计算机采集测试分析引入到电子测量领域，用数字化和软件技术极大地提高了测试的灵活性和可扩充性。1.2 虚拟仪器的构成虚拟仪器的基本构成包括计算机、虚拟仪器软件、硬件接口模块等，软件是整个系统的关键。虚拟仪器应用软件集成了仪器的所有采集、控制、数据分析、结果输出和用户界面等功能，使传统仪器的某些硬件乃至整个仪器都被计算机软件所代替。用户可以根掘自己的需要，设计自己的仪器系统，满足多种多样的应用要求。利用

10、计算机丰富的软、硬件资源，可以人大突破传统仪器在数掘的处理、表达、传递、储存等方面的限制，达到传统仪器无法比拟的效果。虚拟仪器可广泛应用于电子测量、电力工程、物矿勘探、医疗、振动分析、声学分析、故障诊断及教学科研等诸多领域。21.3 虚拟仪器的特点虚拟仪器利用计算机强大的图形环境功能，建立界面友好的虚拟仪器面板(即软面板)，用户通过鼠标和键盘操作虚拟仪器就像操作传统的电子测量仪器一样。完成对被测试量的采集、分析、判断、显示、存储及数据生成。与传统仪器相比，虚拟仪器的优势在于用户自定义仪器功能、结构等，且构建容易，转换灵活以及其开放性。决定虚拟仪器具有传统仪器不可能具备的特点的根本原因在于：虚拟

11、仪器的关键是软件。其主要优点归纳如下：341、打破了传统仪器的功能概念，由计算机完成信号的分析、显示、存储、打印等功能。由于充分利用计算机技术，完善了数据的传输、交换等性能，提高了系统使用的灵活性，可以满足综合性的要求。2、强调“软件就是仪器”的新概念，软件在仪器中代替由硬件甚至整机实现的角色。由于减少了许多随时间可能漂移、需要定期校准的分立式模拟硬件，加上标准化总线的使用，使系统的测量精度，测量速度和可重复性都大大提高。3、仪器由用户自己定义，系统的功能、规模等均可通过软件修改、增减，强调在通用计算机平台的基础上，通过软件和软面板，把由厂家定义的传统仪器转变为由用户定义的、由计算机软件和几种

12、模块组成的专用仪器。虚拟仪器的出现，彻底打破了传统仪器由厂家定义、用户无法改变的模式，给了用户一个充分发挥自己能力和想象力的空问。4、虚拟仪器的开放性和功能软件的模块化，使资源的可重复利用率提高，系统组建时间缩短，功能易于扩展，管理规范，使用简便，软/硬件生产、维护和开发的费用降低。虚拟仪器既可以作为单台测试仪器使用，又可以构成较为复杂的测试系统，甚至通过高速计算机网络构成分布式测试系统，进行远程监控及故障诊断。第2章 虚拟实验室基本系统概述2.1 研究虚拟实验室的意义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。像电路基础、高频电子、电子线路等，学生只有

13、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。随着招生规模的不断扩大，国内普通高等院校实验设备往往比较陈旧，不能及时更新，从而无法跟上教育的飞速发展。虚拟实验室系统则主要依赖于软件和较少的配套硬件，使实验室的维护费用和工作量大大降低。LabVIEW作为虚拟仪器开发系统的代表，可以利用Internet进行虚拟实验室的网络发布，实现了资源共享，避免了仪器重复添置，满足了用户不再受时间、地点限制进行远程的实时合作，提高了用户的学习效果。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

14、拟电子实验室”的特殊优势。52.1.1 传统实验室的弊端目前，许多高等工科院校仍沿用传统的实验教学方法，实验内容侧重于理论验证和模仿训练，缺乏对学生创新意识的培养和综合能力的提高。滞后的实验设备和死板的实验模式难以调动学生的主动性和创造性，实验教学处于应试教育。以往的工业生产以及教学实验室中，传统电子仪器起着主导作用。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面的弱点：(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

15、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，从而导致工作状态不稳定，日常常维护费用较高，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。传统电子仪器的图形显示界面比较小，依靠人工读取数据，误差因观察者的实验方法而不同，并且从中获得的信息量小。另外由于硬件设备的限制，往往无法实现更灵活、更特殊、更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

16、其他功能时却达不到所需指标，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、分析和查询是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。存在的问题是：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

17、型问题的解答与数据核对，包含大量的重复性工作，给指导教师带来很多不必要的劳动，精力很难集中在实验台上。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。2.1.2 虚拟实验室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。把虚拟仪器技术应用于实验教学中,对于促进实验教学有着广泛的优势 4 。虚拟仪器的优点表现在以下几个方面：567（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

18、的结构是基于软件体系的，不像传统仪器的硬件那样存在元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，而虚拟实验室中的虚拟仪器可由用户自行定义功能模块，大大扩展了其灵活性。（3）自定义强。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不同的窗口进行切换，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

19、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室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非常快速，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机上就可实现，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

20、AQ(数据采集)卡、GPIB(通用接口总线)卡、VXI(系统控制接口卡)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、MatLab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

21、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/O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。表2.1 虚拟实验室和传统实验室的比较指标虚拟实验室传统实验室发展性开放性、灵活，可与计算机技术保持同步发展封闭性、仪器间相互配合较差。升级关键是软件，系统性能升级方便，通过网络下载升级程序即可。关键是硬件， 升级成本较高，且升级必须上门服务。价格价格低廉，仪器间资源可重复率高。价格昂贵，仪器间一般无法相互利用功能用户可自行定义。只有厂家能定义功能。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

22、开发与维护费用降到最低。开发与维护费用高。技术更新技术更新周期短。技术更新周期长。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识真正掌握和应用，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。虚拟实验室正是解决这一矛盾的最佳方案。如前所述，基于PC平台的虚拟实验室，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虚拟仪器软件的日趋完善，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

23、。2.2 软件LabVIEW简介LabVIEW是Laboratory Virtual Instrument Engi neering Workbench的缩写，即实验室虚拟仪器工程平台，是一种图形化编程语言，又称G语言。其编写的程序称为虚拟仪器VI(Virtual Instrument)，是以VI为后缀的文件。LabVIEW不但在程序界面设计时采用了与其他高级语言类似的图形化方式，更重要的是在编写程序代码、实现程序功能的同时，使用的也是图形化的操作方式。打开LabVIEW的程序，看到的不是一行行的文本，而是由一条条彩色线段连接起来的、各式各样的小图形块。这是一种全新的编程方式。由于图形比文字更

24、为直观，因而LabVIEW比其他编程语言更适合初学者进行学习。一个对计算机软件完全不了解的初学者，通常只需学习两三天的时间就可以随心所欲地编写一些简单的程序了。这是其他编程语言学习者无法想象的。8LabVIEWe的编程效率之高是文本编程语言所无法比拟的。LabVIEW拥有丰富的工具包，尤其是针对测控、仿真等领域，这些工具包往往可以为编程者提供其所需大部分功能。因此，在LabVIEW程序中，有时几个简单的图形和连线就能够完成文本语言中几十行甚至上百行代码才能完成的功能。LabVIEW的第一个版本是在Macintosh机（苹果个人计算机）上实现的，后来才移植到PC机上。此后，LabVIEW从未放弃

25、过对跨平台的支持。至今，LabVIEW仍然是支持不同平台和操作系统数目最多的编程语言之一。LabVIEW编程语言有很多优点，在某些特定的领域，它的优势更加明显。尤其在测试测量，控制与测试，仿真等领域的应用。2.3 虚拟实验系统的基本构成虚拟实验系统主要用于教学实验的仿真模拟，完全摆脱了硬件的限制。根据实验的内容和要求，首先在LabVIEW环境下，分别模拟出各种实验仪器，其中包括虚拟信号发生器，虚拟数字示波器，虚拟频谱分析仪，虚拟数字滤波器等实验教学仪器，在此基础上又构建了三个相应实验模块，分别分类为基础性实验，综合性实验和创新性实验。每一个模块为一个独立的实验子系统，以完成特定的实验内容。所有

26、这些子系统模块由一个主程序模块来控制，主模块则以主程序界面的形式来体现。此外还设置了程序的启动模块用以此外还设置了程序的启动模块用以启动主程序。实验系统的构成如图1.1所示启动模块主程序模块基础性实验综合性实验创新性实验图2.2 虚拟实验系统构成考虑到该系统主要是用于教学实验的仿真，因此和硬件相关的部分都需要采用软件来进行模拟。LabVIEW中包含了大量的函数模块，如信号仿真模块、信号调理模块及信号分析处理模块等，利用这些功能强大的函数模块以及不同类型的输入控件和显示控件，可以方便地实现测试过程的模拟、实验数据的分析及结果的显示等。在系统功能的操控上，一般是通过菜单或按钮来实现。采用按钮方式更

27、接近于真实的仪器，并且在程序的实现上较为容易。为了使程序框图更加简洁，可采用层叠式顺序结构（Stacked Sequence Structure）来控制查询的顺序。本系统采用了多面板结构按钮操控。虚拟实验系统主界面如图2.2所示。每个界面按钮下又分别有三个平行的分界面。分界面分别对应着各个相对的实验模块，如图2.3和2.4所示。图2.3 虚拟实验系统的主界面图2.4 虚拟实验系统基础性实验分界面图2.5 虚拟实验系统综合性实验分界面图2.6 虚拟实验系统创新性实验分界面利用LabVIEW内置Web服务器还可以实现远程虚拟实验室。系统采用GPIB （general purpose interfa

28、ce bus）仪器控制技术，可程控仪器连接到LabVIEW仪器控制服务器上，现仪器的本地控制，并利用网络技术，把所提供的实验题目及内容放入建立的网站上，远程用户只需利用网络浏览器，就可以登录到远程实验室的网络服务器上，进行实验操作，远程控制实验仪器。整个远程虚拟实验室系统的软件构成可分为以下几个子系统：Web服务器子系统、本地仪器控制子系统和客户端子系统。其结构图如图2.6所示：远程虚拟实验室服务器子系统仪器控制子系统客户端子系统图2.6远程虚拟实验室的软件构成Web 服务器是整个系统的核心部分。通过Web服务器，用户可以访问Web站点、控制仪器，并获得实验结果。公共网关接口（CGI）和传输控

29、制协议（TCP）是客户端与Web服务器以及Web服务器与实验室服务器之间的主要通信方法。在本地控制子系统中，作为控制仪器的PC机上装有通用接口总线( GPIB) 接口和一块网卡。仪器控制服务器通过已建立起的TCP/IP通道获得来自Web服务器控制仪器的命令字符串。进而启动仪器工作，完成测试任务。客户端子系统是嵌入在Web服务器中。当用户登录到Web服务器上后，用户可以浏览虚拟实验室站点，获得所提供实验的概括介绍以及详细说明。开始实验操作时，远程用户通过浏览器进入远程虚拟实验室系统网站的登录页面，如图2.7所示。图2.7虚拟实验室的登陆界面当Web 服务器接收到来自客户端的有效CGI（commo

30、n gateway interface）请求后，从表单中获取相应的实验参数,进而向仪器控制服务器提交调用VI 的请求。运行于仪器控制服务器上的G Web Server接收到请求后，建立起与客户端TCP/ IP 连接，调用相应的VI程序：首先调用串口通信程序,即通过串口向硬件实验平台发送控制指令，然后启动仪器控制VI模块，使其通过GPIB接口卡调用相关仪器设备，对实验电路进行测试；最后将实验测试结果以CGI响应的方式回传到Web服务器，由Web服务器端的CGI程序刷新客户端显示，完成了整个实验的操作过程。第3章 软件设计3.1 虚拟仪器模块虚拟实验室设计的关键是软件设计。虚拟仪器实验室设计的关键

31、是软件设计。 运用图形化编程语言LabVIEW设计了四大功能模块，即虚拟信号发生器模块、虚拟数字示波器模块、虚拟频谱分析仪模块、虚拟数字滤波器模块。以下是对各功能模块的设计。3.1.1 虚拟信号发生器模块信号发生器模块的信号生成是利用系统函数生成包括方波、三角波、正弦波、锯齿波、脉冲波等各种规则波形以及频率或者幅值变化的复杂波形，从而为信号的分析与处理提供条件和基础，这些信号经过多功能数据采集卡转换为模拟信号(D /A转换)，其实现过程是：首先通过检查面板上用户选择的波形类型、频率及幅值，跳转到相应的程序执行语句中，生成所需波形的数字量，然后调用LabVIEW中的数据采集部分的库函数进行D/A

32、转换，转换后的模拟量通过D型连接器CN，输出到示波器上来观察所得到的波形。与此同时，模块中的监控部分是在软面板上，通过本系统所设计的虚拟示波器可以显示输出信号的波形，用户可以通过示波器波形窗口直接观察输出信号的波形参数。此信号发生器模块还提供了对输出信号的控制功能，即用户可以随时通过单击面板上的按钮,使信号暂停、继续或完全停止。9用图形化编程语言LabVIEW来设计波形发生器，主要依靠LabVIEW库函数中提供的Basic Function Generation子VI。通过在前面板上信号类型选择按钮来实现产生正弦信号、锯齿信号、三角信号、方波信号的功能。同时，可以根据实际的需要，设置不同的设备

33、号、通道号、信号频率、信号幅值、补偿值、初始相位、占空比以及采样点数、采样速率，然后把信号发生器产生的信号从数据采集卡的D/A通道送出，虚拟信号发生器的前面板和程序框图分别如图3.1和3.2所示图3.1 虚拟信号发生器的前面板图3.2 虚拟信号发生器的程序框图3.1.2 虚拟数字示波器模块虚拟示波器是由信号调理器、数据采集卡组成的外部采集系统和软件构成的分析处理系统组成。被测信号送到信号调理电路，进行隔离、放大、滤波整流后送数据采集卡进行A/D转换，最后由控制软件对测试信号进行数据处理，完成波形显示，参数测量、频谱分析等功能。虚拟示波器的结构框图如图3.3所示虚拟数字示波器的主要功能和传统数字

34、示波器的主要功能大致相同，包括：双通道信号输入、触发控制、通道控制、时基控制、波形显示、参数自动测量、频谱分析、波形储存和回放、数据网络传输的功能。此虚拟示波器是采用模块化的软件设计思想来编写的，每个功能的实现由一个模块完成，软件总体上包括数据采集、波形显示、参数测量、频谱分析、数据存储与回放和数据网络发布等六大模块组成，其程序框图如图3.4所示,最终实现数据采集、处理、记录、显示、通过网络传输数据等功能。虚拟数字示波器的操作界面如图3.5所示。10输出被测对象控制系统数据采集卡信号调整传感器图3.3 虚拟示波器的结构框图图3.4虚拟数字示波器的程序框图图3.5虚拟数字示波器的前面板3.1.3

35、 虚拟频谱分析仪模块数据采集模块的设计采用了AI acquire Waveform.vi来控制数据采集卡进行数据采集，把采集进来的数据进行频谱分析。在参数设置模块这部分的参数设置主要包括：设备与通道、缓冲区大小、采样点数、触发控制、扫描率、显示方式的设置等。频谱分析模块是由加窗函数模块、功率谱转换模块、功率谱单位转换模块、功率与频率峰值检波子模块组成。加窗函数模块的实现，是由Scaled Time Domain Windows.vi模板来实现.。该模板有2个输入端、2个输出端，从信号输入端输入一个时域信号，再进行窗体类型的选择。根据实际情况，可以选择汉宁窗、海明窗、布莱克曼窗、平顶窗等几种窗体

36、，处理后输出一个加窗后的时域信号输出，以减少窗口效应带来的栅栏效应和泄漏问题。功率谱转换模块用Auto Power Spectrum.vi模板来实现，该模块有4个端口，分别是时域信号输入端、时域间隔dt输入端、频域信号输出端、频域间隔df输出端。该模块的功能是实现信号由时域向频域的转换。功率谱单位转换模块是由Spectrum Unit Conversion.vi模板来实现，该模块有7个输入端、2个输出端。输入端有频谱类型的选择，可以选择功率谱、幅度谱、增益。对数/的选择，可以选择线性、dB、dBm.显示单位选择，可以选择的单位是有效值、峰值、有效值的平方、峰峰值的平方等。输出端是输出频谱、输出

37、频谱单位。频率峰值检波子模块是由Power & Frequency Estimate.vi模板来实现，该模块有5个输入端、2个输出端。输入端包括功率谱输入端、峰值频率输入、频率间隔、以峰值频率为中心的频率搜索点数、窗常数等。输出端由频率峰值输出、频率峰值能量的输出组成。该模块用来求出频谱的峰值频率及峰值频率点的功率估值。显示模块的设计可以选择频谱曲线显示或时域信号显示，还可以根据需要进行线性或对数显示。谐波峰值点测量模块的设计，可读出一次谐波、二次谐波、三次谐波峰值点的频率值和功率值。数据读取存储模块的设计是利用LabVIEW中有丰富的文件操作函数库，采用数据表文件方式对实验数据进行读写操作。

38、而且此频谱分析仪也可以通过Web发布HTML文件，可以使本地或远程计算机浏览此频谱分析仪的程序面板，从而可以实现远程监控的功能。113.1.4 虚拟数字滤波器模块虚拟IIR数字滤波器用LabVIEW的Frequency Domain函数子模板中的Transfer Function VI测试滤波器的频率响应函数。运行此程序，当信号发生器输出一个冲激函数时，分别选择所有各种滤波器和不同阶次，观察它们的频率响应特性。可以明显看出，切比雪夫滤波器的过渡带比较窄，但在通带有纹波。巴特沃斯滤波器过渡带比较宽，但是通带非常平直。在此选用冲激函数作为系统激励信号，用各种数字滤波器作为被测系统。冲激函数具有无限

39、宽广的频谱，用冲激函数作激励信号相当于对测试系统输入所有频率的信号，系统必然有对应的输出。 用Transfer VI计算出系统输出与输入的傅立叶变换之比，就是系统的频率响应函数。 FIR虚拟滤波器程序的前面板有信号的幅频和相频波形显示控件、数据的显示方式、数字滤波器类型的设置、窗函数的选择以及高端截止频率、低端截止频率和阶次的设置，它们均可以根据需要在前面板来完成。虚拟数字滤波器由滤波器子VI FIR Windows Filter的窗函数设置,选择的9个选项框分别对应前面板列表框的内容。在此也选用冲激函数作为系统激励信号。信号发生器输出一个冲激函数，在分别选择各种不同的窗函数和不同阶次后运行此

40、程序，观察它们的频率和相位响应特性。经过FIR窗滤波器滤波后，再用快速傅立叶变换得到输出响应函数的幅频特性和相频特性。数字滤波器的基本原理是将信号数字化后，通过一定的算法，应用程序滤波功能。与模拟滤波器相比，数字滤波器具有以下优点：可以用软件编程，稳定性高，可预测，不会因温度、湿度的变化而影响测量误差。应用LabVIEW软件的数据分析工具包，该包中提供了丰富的信号分析处理相关程序，包括波形测量、信号调理、信号监测、波形发生和信号处理等，并提供了多种常用的滤波器，使用时只需输入相应的指标参数即可。滤波器位于Functions模版Analyze子模板SignalProcessing子模板Filte

41、rs子模板中。虚拟数字滤波器的前面板和程序框图如图3.6和3.7所示。图3.6虚拟数字滤波器的前面板图3.7虚拟数字滤波器的程序框图3.2 虚拟实验室的实验列举LabVIEW功能非常强大，它源于测试仪器的研究与开发，其固有的图形化编程环境非常适合于开发大型复杂的测试系统。就本系统而言包含，了如信号调制与解调的基础实验模块，信号的合成与分解实验模块和系统频率响应特性的实现模块。而且各个实验模块之间又是相对独立的子系统。如何将这些模块集成在一起形成一个综合实验系统，将是系统成败的关键。本系统在研究过程中着重解决了以下2 个关键技术，一是系统界面的集成，二是各功能模块的集成。在LabVIEW环境下，

42、通常可以采用以下2 种方法实现系统界面的集成，即多面板技术和子面板技术。多面板技术实现起来较为容易，而且可同时打开多个实验子系统界面。子面板技术则显的更为专业，但需要LabVIEW的高级编程技术实现。其不足之处是只能同时打开一个实验子系统界面，如需多个实验同时进行,子面板技术则显得无能为力。对于大型复杂的实验系统，为了提高程序的运行效率及减小对资源的占用，普遍采用动态加载子程序的方法实现各功能模块的集成。以下就几个典型模块进行基本阐述。3.2.1 信号的调制与解调实验幅值调制与解调是测试中常用的信号调理方法。该实验子系统将调制与解调两个过程集成到一个统一的交互式操作界面中，其前面板如图3.8所

43、示。前面板分成了两个区域，即显示区和操控区。在显示区安置了5个显示控件，分别用于显示调制信号、载波、调幅波及解调过程和解调结果，从而给出了调制及解调整个过程时域波形的直观对比，这是一般普通电子仪器无法实现的。图3.8信号调制解调前面板根据调制原理，将被测信号（调制信号）与作为载波的高频振荡波相乘，其结果将是一个携带被测信号幅值信息而频率为载波频率的高频信号，即调幅波。调幅波的包络线反应了被测信号波形的变化。如果将其与前述载波再一次相乘，即进行同步解调，便可将调幅波中反映被测信号的低频成分分离出来，再通过低通滤波器将高频成分滤除，便可恢复原被测信号。根据这一原理分别用信号发生器模拟产生出被测信号

44、和高频载波，即可实现幅值调制及解调，整个过程在前面板上可清晰的反映出来。其程序框图如图3.9所示。图3.9调幅与解调的程序框图3.2.2 信号的合成与分解实验复杂信号通常包含了多种不同的频率成分，如周期方波是由无穷多个频率成整倍数的奇次谐波叠加而成的，即： （2.1）为了能将这一结论通过具体的实验过程表现出来，需要对叠加谐波的次数进行控制，因此在程序中设置了一系列的信号发生器来产生相应的正弦波，并根据实验要求逐一进行叠加就可以合成出不同逼近程度的波形。为了能够顺利的进行信号叠加，各信号发生器所产生的波形应满足频率和幅值之间的特定比例关系。程序中主要使用了Case Structure结构来完成信

45、号类型和叠加次数的选择。其前面板和叠加过程如图3.10所示。图3.10周期方波合成信号分解是信号合成的逆过程，但本质没变。信号分解是将信号展开成傅立叶级数，从而可以将一个复杂的信号分解成无穷多个频率成整倍数的正弦波。在程序设计中采用了选项卡控件，以实现信号合成与分解功能的切换，同时在前面板上隐去了选项卡的选项标签，而采用布尔控件来控制选项卡的切换。3.2.3 系统频率响应特性的实现频率响应函数描述了测试系统对于输入信号的传输与转换特性，它是测试系统数学模型的频域表示，是描述测试系统频域响应特性的重要手段。当系统输入为x ( t) ，输出为y ( t) ，则系统输出与输入的付里叶变换之比称为系统

46、的频率响应函数，用H(j) 表示，即：(2.2)实用中常用其模A()和相位角() 来表示，即系统的幅频特性和相频特性。为了实现这一过程，需要用软件对具体的物理系统进行模拟，同时考虑到教学的具体情况，直接采用幅频特性表达式A () 和相频特性表达式() 来模拟系统。由于频率特性是系统对于输入频率的响应特性，故需要对系统进行激励,即依次用不同频率i的简谐信号对系统进行激励，同时测出相应频率的激励和系统稳态响应的幅值Xi、Yi及相位差i () ，这样对于每一个频率i便有一组A i()= Yi/Xi和i () ，全部的Ai()i和i()i便可表达系统的频率响应12。本例采用快速正弦扫描方式进行激励，具

47、体实现上采用了多步法。为了分配测量的频率点或确定频率步长，最常见的方法是在扫频范围内等分地产生各个频率，即采用等步长的方法。这种方法的主要缺点是在高频部分取点过多，扫描过慢。本例采用的策略是按对数坐标中的频率轴取等间隔步长，这样可以较好地兼顾不同频段的曲线特性13。程序的编写是基于一个for循环完成的，循环的次数由频率分辨率、起始频率、结束频率共同确定。激励信号由正弦波形发生器产生，激励的实现及数据的采集则由公式节点来模拟14。频率特性曲线的显示在for循环结束之后实现。该子系统可以对一阶系统和二阶系统进行频率特性的测试，并采用Case结构进行切换选择。系统频率响应特性实验的前面板及程序框图如

48、图3.11和图3.12。图3.11系统频率响应前面板图3.12系统频率响应程序框图为了使相频特性图与教科书相一致，程序中采用公式节点对其进行了技术处理。第4章 总结和展望4.1 总结传统的实验方式和实验手段往往受制于实验室硬件条件的制约，无法满足概念抽象的如信号分析等内容的实验教学要求，更无法走出实验室直接参与到课堂教学过程中，虚拟实验系统的实现彻底改变了这种局面。虚拟实验不但走进了课堂，而且改善了教学手段，改革了教学方式，使教学效果得到了极大的提高。本文开发的虚拟教学实验系统充分利用了LabVIEW图形化编程的特点和其强大的分析处理功能的优势，使得该系统非常适合于测试技术课程实验的虚拟仿真教

49、学。经过验证，虚拟实验系统实现用户的远程访问是完全可行的。该系统的成功实现，对于进一步深入开展教学实践的改革与创新具有一定的指导意义。LabVIEW的易学易用、快捷及功能的强大，已成为虚拟仪器开发的首选工具。利用LabVIEW对测试实验进行虚拟仿真，满足了课程教学的需求。其本身所具有的便携、灵活、直观、易操作等特点，更是传统实验手段所无法实现的。实践表明，本实验系统不但能帮助学生更容易地理解抽象的概念，也使学生更深入地了解到了概念的实质。通过学生自己动手进行实践，引发了学生对课程的兴趣，增强了学习的信心，也使学生充分感受到了虚拟仪器技术的魅力和乐趣。本文实现了用虚拟仪器技术改造传统实验室的方法

50、，使用虚拟仪器实验室方便、简单、高效，可以大大节约实验室设备成本投入，解决了传统电子实验室实验设备繁多、仪器重复购置、利用率低、仪器的损坏率高等问题，提高了各种仪器性能，完善了实验手段，方便了学生及老师的使用。同时，本文中所研究的虚拟仪器也能给学生以耳目一新的感觉，学生再也不用对传统的仪器搬弄按钮，生搬硬套。而是直接与自己熟悉的电脑界面接触，也给教学给予了一定的方便。并通过几个简单的实验验证了运用LabVIEW建立虚拟实验室的可能性。本课题是一个引导性的基础研究，目的是探索虚拟实验系统的基本体系结构、关键技术、实现技术、虚拟仪器子系统的设计及框架解决方案，从而为实现各高等院校在计算机技术、汽车

51、工程、机械制造、医疗技术等方面的教育质量再上新台阶奠定基础。4.2 展望通过对通信原理虚拟实验室的设计，本人更加深刻地体会到，LabVIEW是创建虚拟实验室一个很好的软件平台，将其与网络技术相结合，实现虚拟仪器的网络化。这样，就将实验教学平台发展成了基于虚拟仪器的网络虚拟实验室。本课题对虚拟实验的实现方法和框架进行了较好地研究，取得了一些经验，为课题以后开展做了一些基础性的工作。但是由于作者水平上和时间上的限制，因而只是构建了一个虚拟实验室框架，完成了部分功能，离完善还有不少差距，本人认为还有许多值得继续研究的地方。首先，网络虚拟实验室除了具有良好的图形用户界面、逼真的虚拟仪器的模拟，还应具有

52、完备的实验内容。本文主要实现了几个较为简单的基础的实验。因此，在今后的研究中，应该在此系统的基础上多补充、添加新的虚拟实验，以进一步完善本虚拟实验室系统，从而使其成为一个比较完善的远程多媒体教学软件。其次，在虚拟实验室的网络化问题，本文也只探究了其可行性，由于时间仓促，并没有对其进行深入的探讨和研究。因而在今后的研究中要实现这一功能。最后，本系统在实验系统的制作上比较粗糙，仅实现平面图形结构，缺乏真实感。在今后的研究中可以利用VRML技术或3DMAX技术，将实验平台做成更加逼真生动的3D效果，使实验者更具身临其境的感觉。致谢本次毕业设计在我的导师刘云飞教员的悉心指导下得以顺利完成。导师给予的课

53、题针对性、实用性强，并且适合我本科层次的知识水平，对我加深专业知识的学习和理解有很大的帮助。设计过程中导师耐心为我解答疑难问题，经常询问毕业设计进度并不时督促。我的毕业设计顺利完成与导师的努力也是分不开的，在此致以深深的感谢！在我的毕业设计过程中，与我同组的傅红日、邓贵仁、高景祥等战友都给了我很大的帮助，另外和我一个专业的孙辰、何春龙、赵龙、李涛涛等同志也给了我莫大的帮助，在此我向他们表示真挚的感谢！在这几个月的时间里，我的教导员郭吉田同志以及队长赵轩坤同志，不时的督促我使我今日如期完成我的毕业论文，在此我也向他们表示感谢！另外，我还要感谢所有的在我的毕业设计过程中帮助我的人，没有他们的帮助我

54、不可能这么顺利的完成我的毕业论文，在这向他们表示深深的敬意！最后我向403教研室的所有教员表示最衷心的感谢！参考文献1 杨乐平等著. LabVIEW高级程序设计M ,清华大学出版社2 陈卫东，陈列尊虚拟仪器及技术在学校教育中的运用前景OL3 李艳基于LabVIEW的虚拟仪器的设计与应用：南京理工大学学位论文，2006.114 张国华,王如松.虚拟仪器技术对改革实验教学的作用 J .四川职业技术学院学报, 2006 , 16 ( 2 ) :104-1055 赵茂泰智能仪器原理及应用M北京：电子工业出版社，19996 蔡锦成,邓雄虚拟仪器的PC系统实现技术JIgt)II大学学报(自然科学版), 1

55、999No1：22257 虞惠华,俞承片虚拟仪器(VI)一计算机在仪器领域的中的应用J半导体技术，1997,No.5:19228 阮奇桢. 我和LabVIEW M.北京：航空航天大学出版社，20099 侯国屏,王坤,叶齐鑫. LabVIEW7. 1 编程与虚拟仪器设计M.北京：清华大学出版社,200510 张爱平. LabVIEW 入门与虚拟仪器M. 北京：电子工业出版社，2004.11 雷振山. LabVIEW 7Express 实用技术教程M. 北京：中国铁道出版社，2004.12 蔡共宣,林富生. 工程测试与信号处理M . 武汉:华中科技大学出版社,2006.13 侯国屏,王坤,叶齐鑫. LabVIEW7. 1 编程与虚拟仪器设计M . 北京:清华大学出版社,2005.14 刘旺锁,吉顺祥,陈冬. 基于虚拟仪器的扫频仪的设计与实现J . 电子测量技术,2007 ,30 (9) :78-80.第 31 页 共 3132 32页