畢業設計-基于labview的虛擬函數信號發生器的設計與研究(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 算機、儀器硬件、固件與計算機軟件結合起來。除繼承傳統儀器的已有功能外，還增加了許多傳統儀器所不能及的先進功能。虛擬儀器的最大特點是其靈活性。用戶在使用過程中可以根據需要添加或刪除儀器功能，以滿足各種需求和各種環境，并且能充分利用計算機豐 富的軟硬件資源，突破了傳統儀器在數據處理、表達、傳送、存儲方面的限制。 一個儀器通常由數據采集與控制、數據分析和處理、結果顯示三部分組成。對于傳統儀器，三個部分幾乎均由硬件完成；對于虛擬儀器，后兩部分主要由軟件實現。與傳統儀器相比，虛擬儀器設計日趨模塊化、標準化，設計工作量、復雜性大大減小。 傳統的電子儀器是自封閉的系統，它具有信號輸入、輸出的能力，并有固定的用戶界面，比如：輸入、輸出信號接插件、旋鈕、按鈕、顯示儀表、顯示面板等。一個儀器包括傳感器、信號處理器、 A/D 轉換器、微處理器、存儲器和內部總線等專門 化的電路。通過這些電路來轉換、測量、分析實際信號，并將結果以 基于 LABVIEW 的虛擬函數信號發生器的設計與研究 第 6 頁 共 34 頁 各種方式顯示。然而，有時為了構成具有一定功能的系統，配置了一套儀器，但對其中的某些儀器，只用到了其中一部分功能，而將它作其他功能使用時，卻不具備或達不到所需指標。如另配置一套儀器，不斷效率不高，而且價格高。要是能將原有的儀器稍加改動 ,就可以擴大其使用范圍。但是傳統的儀器功能是由制造商決定的，用戶不能任意更改，用戶如按自己的要求定制儀器需要昂貴的價格。虛擬儀器概念的提出是儀器發展史上的一場革命，代表著儀器發展的最新方向和潮流。以下是傳統測試儀器和虛擬 儀器的一個比較： 表 21 傳統儀器與虛擬儀器對照表 傳統儀器 虛擬儀器 開發和維護費用高 基于軟件體系的 結構，大大節省開發和維護的費用 功能由儀器廠商定義 功能由用戶自己定義 于其他儀器設備的連接十分有限 面向應用的系統結構，可以方便地與外設、網絡或其他應用連接 數據無法編輯數 數據可編輯、 存儲、打印 硬件是關鍵部分 軟件是關鍵部分 價格昂貴 價格低廉（是傳統價格的五至十分之一） 技術更新慢（ 5— 10 年） 技術更新快（一般 1— 2 年） 系統封閉、功能固定、擴展性低 基于計算機技術開發的功能 模塊可構成多種儀器 正是因為意識到了虛擬儀器的諸多優點及傳統儀器的一些弊端，所以，我們計劃開發了這樣一臺基于 LabVIEW(美國 NI 公司 )的多功能虛擬數字發生器。其集成了示波，動態 /靜態波形分析，頻譜分析，頻率計，波形參數分析，信號發生，以及遠程示波等功能。在示波功能上，除了對波形的精確顯示外，還的波形參數進行了顯示和對其時域信號、頻域信號進行了分析。 虛擬儀器的硬件系統構成方案 虛擬儀器與傳統儀器最大不同就是不僅可以利用 PC 機組建成為靈活的虛擬儀器，更重要的是它可以通過各種不同的接口總線，組建 不同規模的自動測試系統 [5]。虛擬儀器系統按硬件構成方式，可有 GPIB 儀器通過 GPIB 接口卡與計 基于 LABVIEW 的虛擬函數信號發生器的設計與研究 第 7 頁 共 34 頁 算機組成 GPIB 系統； VXI 儀器與計算機組成 VXI 系統； PXI 儀器組成 PXI 系統；以 DAQ 和信號調理部分為硬件組成 PCDAQ 測試系統；并行總線儀器組成并行總線系統；串行總線儀器組成串行總線系統；現場總線設備組成現場總線系統等，以下重點介紹 GPIB、 VXI、 PXI 三種虛擬儀器組建方案。 (1)GPIB 儀器控制的虛擬儀器系統組建方案 GPIB 即通用接口總線，是一種國際通用的可編程儀器的數字接口標準。典型的 GPIB 測 試系統由一臺 PC 機，一塊 GPIB 接口卡和幾臺 GPIB 儀器通過標準GPIB 電纜連接起來，組成大型的自動化儀器測量系統。 (2)VXI 儀器控制的虛擬儀器系統組建方案 VXI(VEM bus eXtension for Instrumentation)總線是一種高速計算機總線 (VME 總線 )在儀器領域的擴展。它具有標準開發、結構緊湊、數據吞吐能力強、定時和同步精確、模塊可重復利用、眾多儀器商支持等優點，使它應用越來越廣。尤其在組建大中型規模自動測量控制系統，以及對速度、精度要求非常高的場合，有其它儀器無法比擬的優 點。基于 VXI 總線的組建方案功能最為強大、組建的系統最為穩定。但 VXI 總線實現強大功能的同時，價格也是十分昂貴的。 (3)PXI/Compact PCI 模型系統組建方案 美國國家儀器公司 1997 年 最 新 推 出 了 PXI(PCI bus eXtentions forInstrumentation)控制方案，基于 PCI 總線的虛擬儀器系統構架， PXI 將主流 PCI計算技術和控制器采用現在流行的奔騰處理器，帶有標準 GPIB 接口、串并口、以太網絡接口及顯示器接口，為用戶組建速度高、成本低、結構緊湊的測試系統提供了可行性。 目 前在構建工業自動化測試系統時，基于 GPIB 總線的最多并逐步采用 VXI技術。基于 VXI 總線的虛擬儀器系統雖然功能強大，但對許多場合而言仍然造價昂貴，且通用性差，一般用戶難以掌握。對于一些速度精度要求不高的場合，VXI 并不一定是考慮性價比的最佳方案。很多情況下采用當前廣為使用的 PC 機作為虛擬儀器的軟硬件基礎，建立基于 PC 的虛擬儀器系統。虛擬儀器的數據獲取和控制處理能力優于傳統儀器，且對于硬件要求大為降低。 虛擬儀器的軟件開發平臺 應用軟件開發平臺是設計虛擬儀器所必須的軟件工具。在確定的硬件基礎 基于 LABVIEW 的虛擬函數信號發生器的設計與研究 第 8 頁 共 34 頁 條件下，構 造和使用虛擬儀器的關鍵就是應用不同的軟件實現不同的功能。虛擬儀器的應用軟件主要包括：集成的開發環境、與儀器硬件的高級接口和虛擬儀器的用戶界面。應用軟件開發平臺的選擇，可因開發人員的喜好不同而不同，但最終都必須提供給用戶一個界面友好，功能強大的應用程序。目前較流行的虛擬儀器軟件開發平臺大致可以分為兩類：一類是圖形化的編程語言，代表性的有惠普的 HPVEE,NI 公司的 LabVIEW 等；另一類是文本式的編程語言，如C,Labwindows/CVI,VC 等。文本式編程語言和圖形化編程語言相比，語言靈活性較好，用戶可以 靈活的添加功能；而圖形化編程語言具有編程簡單、直觀、開發效率高的特點。 近年來，基于 PC 機和工作站基礎上的圖形接口標準和計算機計算能力的提高，促進了圖形開發軟件包和圖形開發環境的迅速普及，圖形開發方式為每一個虛擬儀器提供了可重用的代碼模塊，并允許用戶從其它代碼模塊中分級調用。這些重用部分是一些封裝良好的、原子性的程序代碼；理想情況下，重用部分應與硬件 IC 一樣，可以不經過任何修改而被直接 “插接 ”到其它程序中去。典型的重用部分包括函數庫、過程程序包、宏、類、庫等，它們通過各自的接口被組裝在一起，每一部分完成特定 的功能 [6]。在虛擬儀器圖形軟件開發平臺研究方面，近年來國際上許多公司都做了大量的工作，其中 NI 公司的 LabVIEW 和惠普公司的 VEE 虛擬儀器軟件開發平臺最具代表性。下面簡單的介紹一些常用的虛擬儀器軟件開發平臺各自的特點： (1)Microsoft Visual C++， Borland C++Builder,Borland Delphi 易學、使用簡單，面向對象可視化編程軟件；它的圖形控件工具能生成復雜的多窗口用戶界面不必編寫復雜的代碼；可創建自己 ActiveX 控件或組件，以及多線程和安全的 ActiveX控件 。 (2)Data Translation,HP VEE with DT VP,DTxEZTM 用于 Windows 操作系統的數據采集和產品開發的可視化編程語言；靈活，便于應用編程，以及和用戶程序接口； ActiveX 控件系列， VB 和 VC++下，可以設計和配置 Data Translation 數據采集板；可以和其他 ActiveX 控件組合創建應用程序。 (3)HewlettPacked HP VEE 不必編寫代碼就可以進行數據采集與分析；提供數據、處理控制、提供測量過程和測試報告。 基于 LABVIEW 的虛擬函數信號發生器的設計與研究 第 9 頁 共 34 頁 (4)National Instruments,LabVIEW,LabWindows/CVI 具有用于數據采集、儀器、網絡和分析的完全集成化的庫的圖形化環境；可編譯性能強；自動化的測試對接軟件； SQL 數據庫連接性 SPC 分析工具。用于儀器控制和數據采集分析的交互式編譯軟件包；用于 GUI 的拖拉用戶界面編程器；用于快速樣機開發的代碼產生工具和內部編譯器；用于 GPIB,VXI、串行、 DAQ, TCP 和用戶控制界面的集成庫；可用于 Win2021/XP、 Sun Solaris 。 基于虛擬儀器構建的自動測試系統的優點 根 據以上對于虛擬儀器主要功能特點的介紹，不難看出基于虛擬儀器構建的自動測試系統具備以下突出優點 [20]： (1)采用虛擬儀器，計算機與硬件測試設備之間的數據傳輸非常方便、直接、快速。在傳統的測試儀器設備中，測試人員以手工的方式現場記錄測試數據，在測試數據量比較大的情況下，這種數據記錄方式不能很好的按時完成記錄任務，測試過程也就變的復雜、緩慢，而且很容易引起測試誤差。對于有些常用的測試儀器，對于被測對象只能進行定性分析，如果需要精確的物理數據，就需要有額外的輔助措施。在應用虛擬儀器技術的測試設備中，充分利用計算 機的存儲能力，讓測試數據經由計算機總線，傳輸至計算機內存或硬盤，數據傳輸率可以滿足測試的實時性要求，也加快了測試過程，這樣就很好解決了數據的傳輸、保存問題[7]。 (2)在某些情況下，需要根據工程的實際需要實時、直接地對測試數據進行各種分析與處理，如進行 PID 控制、模糊邏輯控制、 FFT、 DFT 運算、數字信號處理，數學分析和數據庫聯接、統計分析參數調整、單位轉換等工作，這在傳統儀器中很難做到。在虛擬儀器中，開發人員可以使用現有的分析軟件包或通過自行編制相應軟件來滿足這一功能要求。 (3)為了使測試 過程直觀、明了，有時需要多種方式顯示測試數據、控制過程和分析結果，虛擬儀器中，就可以利用計算機的圖形用戶界面實現這一目標。 本章小結 綜上所述，虛擬儀器技術有著許多傳統儀器所難以實現的優勢，由虛擬儀器構建的自動測試系統在實際應用中將會有著巨大的前景。本文將實現的遠程信號 基于 LABVIEW 的虛擬函數信號發生器的設計與研究 第 10 頁 共 34 頁 源自動校準系統，是在現有硬件平臺的基礎上實現校準的自動化，系統原有儀器都是具有 GPIB 接口的智能儀器，因而從成本和效率綜合考慮使用 GPIB 的儀器控制方案組建 GPIB 并行總線系統是一種切合實際的硬件構成方案。而限于時間和工作量的關系，選 用一門使用簡單方便，效率高的虛擬儀器實現軟件，是一個比較明智的選擇。而完全的圖形化編程環境 LabVIEW 自然是最理想的選擇。對于 LabVIEW 的特點和相關的編程技術，將在下一章中做詳細的介紹 [8]。 基于 LABVIEW 的虛擬函數信號發生器的設計與研究 第 11 頁 共 34 頁 第 3 章 LabVIEW圖形化開發環境 LabVIEW 簡介 LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是實驗室虛擬儀器集成開發平臺的簡稱，它是目前國際上應用最廣泛的虛擬儀器開發環境之一，它是主要用于開發數據檢測、數據測量 采集系統、工業自動控制系統合數據分析系統等領域的專用軟件開發平臺 [9]。 LabVIEW 的 最大 特色 是采 用編 譯型 圖形 化編 程語 言 ――G 語言(GraphProgramming)，它與 C,Pascal,Basic 等傳統語言有著相似之處，如：相似的數據類型、數據流控制結構、程序調試工具，以及模塊化的編程特點。但二者最大的區別在于：傳統編程語言用文本語言編程，程序的執行依賴于文本所描述的指令 。而 LabVIEW 使用圖形語言 (即，各種圖標、圖形符號、連線等 )以框圖的形式編寫程序。用 LabVIEW 編程無需具備太多編程經驗，因 為 LabVIEW 使用的都是測試工程師們熟悉的術語和圖標，如各種按鈕、開關、波形圖等，界面非常直觀形象，因此， LabVIEW 對于沒有豐富編程經驗的測試工程師們來說無疑是個極好的選擇。 LabVIEW 語言具有豐富的擴展函數庫，集成了大量的生成圖形界面的模板，如各種表頭、旋鈕、開關、 LED 指示燈、圖表等，界面直觀、形象，相對于傳統的編程方式而言，它簡單易學而且執行效率高。與傳統的編程方式相比，使用 LabVIEW 設計的虛擬儀器，可以提高效率 410 倍 [10]。 LabVIEW 的圖形環境內置豐富的函數庫，提供了多種網 絡的接口，支持先進的流動數據傳輸等先進技術，使系統的開發更加方便，其中基于 TCP/IP 協議的網絡實時數據交換編程技術 ―― 數據套接字 (DataSocket)技術便是一特色。這種技術是一種開放的技術，與人們已習慣采