基于虚拟仪器技术的测试实验教学平台Word格式.docx
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3．4信号分析仪的实现18
3．4．1信号分析模块的实现18
第四章信号发生器及演示实验单元的实现24
4．1信号发生器的实现24
4．1．1信号发生器的功能24
4．1．2信号发生器的实现原理24
4．1．3信号发生器的主界面24
4．2演示实验单元的实现27
第五章结论与建议36
5．1结论36
5．2进一步研究建议36
参考文献38
附录一39
低通滤波程序框图：
39
附录二40
基本函数发生器程序框图：
40
附录三41
正弦信号频谱分析程序框图：
41
前言
采用虚拟仪器软件开发平台LabVIEW在NI数据采集卡以及传感器实验台基础上,研制开发了检测技术实验教学平台。
给出该实验平台的软硬件构建方法,尤其是对平台的实验功能进行了详细阐述,并通过实例验证了该系统具有良好的实验教学效果。
同时该实验平台,利用LabVIEW中强大的网络通信功能,实现了硬件设备的资源共享、数据共享以及实验结果网络发布,能够最大限度地利用现有设备。
不仅可以节省大量仪器设备的经费投入,而且为教学提供了一种全新的现代化教学手段。
基于虚拟仪器技术的测试实验教学平台的开发，平台可以帮助学生形象生动的学习课本知识，将书本上的抽象理论具体的展现出来有利于提高学生的学习兴趣和学习效率，同时也提高了教学质量。
由于虚拟仪器是按照测量原理采用适当的信号分析技术和处理技术编制某种测量功能的软件来实现测试的仪器，通过设计虚拟仪器的课程，可使学生在掌握了一定的软硬件知识基础上获得更多实际应用的机会。
与传统的实验课程相比，虚拟仪器教学更好地融合了理论与实践相结合，使学生的软件与硬件技能同步提高；
虚拟仪器软硬件上模块化的设计使学生在学习的方式上更加灵活，也较容易掌握。
由此可见，在课程的开设和学生的实际情况来讲虚拟仪器教学都是可行的。
第一章绪论
1.1课题研究的目的和意义
1．1．1目前面临的问题
1．高等学校测试类课程营遍存在教学仪器缺乏或陈旧、教学方式呆板的情况
1.工程测试技术、传感器原理、数字信号处理、测控电路等测试类课程是众多高校理工科类专业的专业基础课和必修课程。
通过这些课程的学习可以获得测量原理、信号处理方法和计算机测量系统等方面的基础知识，并掌握温度、压力、噪声等常见物理量的测量和应用方法。
钡5试类课程实践性较强，但由于受教学实验条件限制，如实验设备缺乏或陈旧，导致这类课程教学活动的基本模式是教师讲、学生听，侧重课本内容讲授，实践性环节偏少。
学生常常感到课程的应用部
分空洞；
实验部分缺乏实物对象；
信号分析理论部分深奥、难懂。
学生对课程用认识不足，严重影响教学效果。
国外的一些高校则将测试类课程定位为实验课，通过具体的仪器使用或演示，强调对学生工程实践能力、表达交流沟通能力等综合素质的培养。
教学活动以教师为辅、学生为主。
学生通过综合型、研究型实验过程中整体实验构思、设计、实施和具体的操作环节，掌握课程知识、培养独立思考和动手能力，而不仅仅是把知识停留在书本上。
因此我国教学设各的更新和教学模式的转变成为切实提高学生素质的当务之急。
2．学生实验使用多台仪器，实验准备过程繁琐，支持维护困难
以简单的“学习使用示波器”实验为例。
实验员需要准备：
双踪示波器、数字万用表、函数发生器、电压毫伏表等仪器。
学生就需要检查实验元器件仪器仪表是否合格，检查接线，对示波器扫描初期调整，接电前设定初始位置，打开后仪器预热以及了解其它复杂旋钮的使用等等一系列知识。
当实验内容有所增加，仪器仪表也将随之增加，准备工作就更加繁琐，多次实验的器材准备工作对实验室工作人员来说是异常繁重的。
同时，学生需要付出更多的时间放在对仪器使用的学习上。
有时甚至会把主要精力用在学习仪器的使用上，不是实验本身。
实验仪器发生损坏后，维修需要专业人员。
经常会有这种现象；
昂贵的进口仪器被搁置一旁，原因就是坏了而无法维修。
这造成了国家资源的无形损失。
另外，精密仪器仪表的维护工作也较为困难。
可见，传统仪器的使用费时费力，存在很多无法克服的弊端。
3.我国高校面临实验室设备革新，硬件更新费时费力
实验教学相对于理论教学而言更具有直观性、实践性和创新性，实验教学在加强学生素质教育与培养创新能力方面有肴重要的、不可替代的作用。
在实验教学中，仪器是最基本的基础，要保证试验的开设和质量，就要同时投入大量试验仪器，而且随着高校招生数量的扩大．同一仪器设备应当具有一定的数量，才能满足教学需求。
由于各种客观条件，一次性投入大量专用仪器是不现实的。
还有一些学校目前仍在使用几十年前引进的设备。
这些设备体积庞大，功能单一，尤其是元件老化，严重的影响了教学和实验的正常进行。
而进行硬件更新需要大量资金投入，同时需要大量的人力物力，其难度可想而知。
1．1．2解决的方案
随着科学技术的不断发展以及相应学科高等教育课程教学内容的更新，传统仪器日益暴露出一些缺陷和不足。
为了改善实验条件、改革试验教学方法、更新试验教学内容、提高试验教学课程的水平，把虚拟仪器引入实验教学已成为一种必然趋势。
创建虚拟实验平台，取代多台传统实验仪器。
计算机+软件（+辅助硬件）=多台仪器！
本课题利用LabVIEW软件开发平台在计算机屏幕上虚拟出仪器的面板，用户可以通过鼠标或键盘操作面板上的旋钮、开关和按键，设置各种工作参数，来控制和操作仪器。
测量和分析结果可以从虚拟仪器面板读出。
用户在屏幕上通过虚拟仪器面板对仪器的操作如同在真实仪器上的操作一样直观、方便、灵活。
利用虚拟仪器开设综合性、创新型实验，使理论教学与实践更好的紧密结合，教学更生动、更形象，全面提高学生工程素质。
同时还可以激发学生的实验兴趣，使学生的实验技能、创新能力得到显著提高。
由于一台计算机可具有多台仪器的功能，实验准备过程被人大简化。
由于这些功能是基于计算机，而不是硬件元件，诸如调零、预热此类的实验步骤也完全省略。
这不能说不是对老师和学生的减负。
另外，实验仪器的设备功能可通过编程实现，摆脱了功能固化的困境。
原来的设备更新维护则变成程序的改进或软件的升级。
目前，我国高档台式仪器如数字示波器、频谱分析仪、逻辑分析仪等还主要依赖进口，这些仪表加工T艺复杂，对制造水平要求高，生产突破有困难，因此售价比较昂贵。
对一般高校来讲，不可能大量购买以满足教学和试验的需要，也势必影响学生对当代先进技术的学习和了解。
而通过虚拟仪器技术就可以只购买必要的通用的仪器硬件来设计高性价比的仪器系统，从而节省了大笔科研经费，从经济角度来讲完全具有可行性。
1．2虚拟仪器技术的发展和虚拟实验室的引入
1．2．1虚拟仪器概述
◆虚拟仪器的定义
仪器是测量的手段。
信号处理、图像处理（--维信号处理）是现代仪器技术的核心，由于采用数字信号处理技术，现代电子系统一般采用硬件、软件结合的方法实现，这样大火提高了系统的灵活性、通用性和性价比，基于计算机的虚拟仪器技术。
是目前先进仪器系统设计、开发的重要设计原则和实现基础。
图1-1虚拟仪器的构想
虚拟仪器（VirtualInstrument，简称VI）是虚拟技术在仪器仪表领域中的一个重要应用。
20世纪80年代，美国国家仪器公司（NationalInstrumentsCorporation，简称M）率先提出了“虚拟仪器”的概念，指出虚拟仪器是由计算机硬件资源、模块化仪器硬件和用于数据分析、过程通讯及图形用户界面的软件组成的测试系统，是一种由计算机操纵的模块化仪器系统。
它可以代替传统的测量仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、频谱分析仪等：
可集成于自动控制、上业控制系统；
可自由构建成专有仪器系统。
它是以计算机作为仪器统一的硬件平台，充分利用计算机独具的运算、存储、回放、调用、显示以及文件管理等基本智能化功能，同时把传统仪器的专业化功能和面板控件软件化，使之与计算机结合起来融为一体，这样便构成了一台从外观到功能都完全与传统硬件仪器一致，同时又充分享用计算机智能资源的全新的仪器系统。
◆虚拟仪器的分类
根据开发环境不同，虚拟仪器分为两类：
I．基于传统的文本语言式的平台。
主要是NI公司的LabWindows／CVI、Microsoft公司的VisualC++、VisualBasic、Borland公司的Delphi等。
II．基于国形化编程环境的平台。
如HP公司的HPVEE、NI公司的LabVIEW等。
图形化软件开发平台的提出，可以大大减轻系统开发人员的负担，使其将主要精力集中投入到系统设计中，而不再是具体软件细节的推敲上。
根据采用总线方式的不同，可分为五种类型：
I．PC总线插卡型虚拟仪器
这种方式是以数据采集板、信号条理电路以及计算机为仪器硬件组成的插卡式虚拟仪器系统。
这种系统采用PCI或计算机本身的ISA总线，将数据采集卡插入计算机的空槽中即可州。
II．GBIB总线方式的虚拟仪器
GPIB技术是IEEE488标准的虚拟仪器早期阶段所采用的技术。
它的出现使电子测量独立的单台手工操作向大规模自动溟4试系统发展。
典型的GPIB系统由一台PC机、一块GPIB接口卡和若干台BPIB形式的仪器通过GPIB电缆连接而成。
III．VXI总线方式虚拟仪器
VXI总线是一种高速计算机总线V／vIE总线在Ⅵ领域的扩展，它具有稳定的电源，强有力的冷却能力和严格的RFI／EMI屏蔽等特性。
IV．PXI总线方式虚拟仪器
PXI总线方式是PCI总线内核技术增加了成熟的技术规范和要求形成的。
它增加了多板同步触发总线的技术，以使用于相邻模块的高速通讯的局总线。
PXI的高度具有可扩展性。
v．并行口式虚拟仪器
最新发展的一系列可连接到计算机并行口的测试装置。
◆虚拟仪器的应用领域
虚拟仪器应用领域很广，在教学实验、电子测量、分析测试、航空航天测控、工业过程控制等领域逐步代替传统的仪器仪表。
因为虚拟仪器可与计算机同步发展，与网络及其他周边设备互联，用户只需改变软件程序就可以不断赋予它或扩展增强它的测量功能。
虚拟仪器技术不仅在数据采集、自动测试和测量仪器领域得到广泛应用，更促进和推动测试系统和测量仪器的设计方法与实现技术发生了深刻的变化。
“软件就是仪器”已经成为测试与检测技术发展的重要标志。
图形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。
PC计算机价格近年广被人们所接受，在国内有迅速普及，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，市场潜在容量巨大，具有广阔的发展前景。
1．2．2虚拟实验室的引入
虚拟实验室的概念
虚拟实验室的概念，最早在1989年由美国的Williamwolf教授提出，用来描述一个计算机网络化的虚拟实验室环境。
虚拟实验室主要由虚拟仪器、虚拟实验平台和虚拟实验组成。
是指在计算机系统中采用各种技术实现的一种虚拟实验环境，实验者可以像在真实环境中一样完成各种预定的实验项目，所取得的学习或者《5l练效果等价甚至优于在真实的环境中所取得的效果。
虚拟仪器实验室可以应用于传感技术、非电量测量技术、自动测试技术、测控技术、计算机控制技术、医疗仪器等课程的教学实验和相关的课程设计、毕业设计上。
近几年，LabVIEW在国内教育领域得到迅速推广，许多理工科院校建立了相关的虚拟仪器实验室，并开设了LabVIEW和虚拟仪器的课程。
虚拟仪器技术给传统的教学研究带来了巨大的变化，在教学实验和科研中起着越来越重要的作用。
国内虚拟实验室的建设状况
从90年代开始，国内的一些大学相继开展了虚拟仪器系统的研究与开发工作，如：
哈尔滨工业大学、重庆大学、国防大学、成都电子科技大学、中国科技大学、清华大学等。
目前我国部分高校还正在积极开展虚拟仪器的研究工作，重点在于研制具有自主知识产权的虚拟仪器软件平台，并开发相应的虚拟仪器设备。
开发我国自己的虚拟仪器
2004年11月。
由吉林大学完成的“图形化虚拟仪器开发平台”项目在长春通过省级鉴定。
这是我国科技人员打破国际技术垄断，自主研制成功的一种新型虚拟仪器。
和国内外同类产品相比，该平台具有价格低廉、兼容性好等特点，比建设同样的虚拟仪器研究实验室能节约近2／3的资金。
吉林大学先后开发了微型虚拟数字存储示波器、微型虚拟波形发生器、虚拟LCR测试仪、虚拟冲击功测试仪、分布式地震数据采集系统，并已应用丁^实践。
这些成果不但打破了国外图形化虚拟仪器开发平台的垄断地位，而且进一步满足了大专院校、科研单位在教学实验、分析测量等方面，以及航空航天测控、工业过程控制等领域的实际需求。
1．3课题研究的任务和内容
建立完善的虚拟实验室系统，可以具体到某一专业的实验室，形式也多种多样，如配备齐全也需要较多投入，前文诸多高校虚拟实验室的配备就是如此。
这种系统结构完善，可以满足较多研究的需求，但并非适合所有学校。
课题提出的教学试验平台则可以用软件配合计算机以及辅助硬件满足基本测试实验的需求，从而大大简化了虚拟实验室的配备，为虚拟实验室的推广提出了一种相对价格低廉、易于实现的途径。
目前常见的虚拟实验软件大多是基于课件的，优点是操作简单、开发费用低、易于维护、表现形式生动。
但是这种形式只能用于单纯演示实验，实验者不能参加到实验中去，交互性差。
而市场上的T程测试软件面向工程，不考虑教学的基础性，也不适合学校使用。
本课题针对教学需求，利用NI公司USB-6008数据采集卡LabVIEW2009分析软件一套开发出一套适合高等学校实验室<
如测控技术、传感器原理、信号处理等实验室）的特色平台。
本文主要分为以下几个部分：
1、分析同类型虚拟仪器平台的功能特点，根据目前高校测试实验室的状况及需求，进行特色教学平台的总体结构设计。
2、针对课题涉及到的信号采样、预处理以及处理，分析其实现原理，确定软件开发方案。
3、针对实验需求，设计出信号分析仪、信号发生器和演示实验单元三大模块，并将它们集成到统一的应用环境界面中。
各部分功能定位如下：
（1）信号分析仪
（2）信号发生器
（3）演示实验单元
4、给出具体实验，根据操作过程对软、硬件的配合使用做出说明，方便用户使用。
5、对本课题的工作进行总结，给出进一步研究的建议。
第二章教学平台的总体设计和硬件选择
2．1基于虚拟仪器的测试系统的构成
2．1．1测试系统的构成
测试的过程就是获得信号并提取所需信息的过程。
通常，测试工作的全过程包含着若干不同功能的环节：
被测对象、信号的传感与变换、传输与条理、分析与处理、显示与记录等。
一般的测试系统主要由图2-l所示几个部分构成：
图2-1测试系统的构成
传感器将被测物理量（如噪声、温度等）检出并转换为电量，中间变换装置对接收到的电信号用硬件电路进行分析处理或经A／D变换后用软件进行信号分析，显示记录装置则测量结果显示出来，提供给观察者或其它自动控制装置。
1．被测量
被测量即信号，分为电信号和非电信号，如电压、电流（电信号）温度、湿度、位移、加速度、频率（非电信号）等。
2．信号转换
信号转换电路将采集到的各种信号测量出来并转换成为电信号（模拟电压或电流），主要包括信号变换器、传感器以及各种显示仪器。
3．信号调理
来自转换电路的电信号一般不能用数据采集设备来测量，主要问题是可能输出信号非常弱，且容易受噪声影响，有些信号可能存在很高的峰值。
因此在将它们转换为数字信号之前需要先进行处理，这项上作叫做信号调理。
包括：
放大／衰减、滤波、隔离等。
1）输入放大或衰减器。
用于对信号幅值进行调节，以适应A／D转换器的动态范围；
2）抗混淆滤波器。
保证进入处理系统的信号频谱被限制在抽样频率所允许的最高频率之内，以免产生混迭误差；
3）隔直装置。
隔离信号中的直流分量（如果所测信号中不应有直流分量的话）。
这三者几乎在一切信号处理系统中均有，因而输入放大器或衰减器、抗混淆滤波器则是调理部份的关键件H⋯。
但当实际中输入的原始信号已经比较理想时，可以省略相应的信号条理模块。
4．数据采集和控制
信号采集是将模拟信号变为数字信号，其核心是模／数（A／D）转换器，信号处理系统的性能指标与其密切相关。
嗣绕A／D转换器，信号采集部分还包含以HL部分电路。
1）采样保持电路。
它保证在A／D转换期间保持输入信号不变。
在模拟输入信号频率较高时，它对系统精度产生决定性的影响。
但模拟输入信号频率不高时则可不用。
2）时基信号发生器。
产生定时脉冲信号，控制采样。
3）触发系统。
决定采样的开始点，为捕捉瞬时脉冲或进行同步平均而设。
4）控制器。
对多道数据采集进行控制，控制A／D转换器的工作状态。
5．数据处理
信号处理是测试中获取的模拟信号，变成数字信号，然后用计算机进行处理。
这正是虚拟仪器的主要功能体现。
数据分析处理又可分为三部分：
（1）预处理：
这里是信号分析之前，对信号用数字方法进行的处理。
目的是进一步改善信号质量，方便进一步处理。
预处理部分主要包括以下几种：
错点剔除、去趋势项和数字滤波等。
（2）数据分析：
这是整个系统的核心，它依托于计算机，来完成该系统任务所规定的各种分析和运算。
（3）结果显示：
结果显示是为了显示分析处理结果的数据、图形而设置的。
一般采用CRT屏幕显示；
打印机打印结果或图形；
绘图机绘出其相应的曲线等方式。
为了读数或读图的方便，在显示结果时，往往可利用移动光标定位、选点、标定参数、显示等多种辅助功能，来帮助读取结果。
2.1．2基于虚拟仪器的测试系统的构成
虚拟仪器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。
这种结合又有两种方式。
一种是将计算机装入仪器，其典型的例子是智能化仪器。
随着计算机功能的日益强大以及体积的缩小，这类仪器的功能也越来越大，目前已经出现还有嵌入式系统的仪器。
另一种方式是将仪器放入计算机，以通用的计算机硬件为依托，实现各种仪器功能。
虚拟仪器主要指后一种方式。
传统仪器是将这些功能由特定的仪器设备来实现，比如频谱仪等。
虚拟仪器则是一种功能上的仪器，它将这些功能通过计算机调用相应的软件程序来实现。
2．2教学平台的总体设计
2．2．1总体设计方案
本课题的主要任务是在充分分析实验室需求的基础上，利用既有的数据采集设备（DAQ卡）开发出依托于计算机的功能性仪器，即虚拟仪器。
该仪器包括信号分析仪、信号发生器以及演示实验单元三部分。
2．2．2教学平台的构成
教学平台主要由数据采集系统和数据处理系统构成。
1．数据采集系统
数据采集过程借助软件来控制整个DAQ系统，包括采集原始数据、分析数据等。
信号经多路开关转换在软件设定的采样频率控制下，巡回采集并由可编程放大器放大信号，经采样保持和DAC单元被量化成数字信号，经存储单元进入计算机的显示缓冲区，最后由图形设备接口函数将数据转化成相应的像素并在屏幕上显示出波形。
数据采集系统一般由数据采集硬件、硬件驱动程序和数据采集程序几个部分组成。
数据采集设备主要功能是将模拟信号转换为数字信号，此外还有放大、采样保持、多路复用、数据缓存等功能。
硬件驱动程序是应用软件对硬件的编程接口，它包含着特定硬件可以接受的操作命令，完成与硬件之间的数据传递。
依靠硬件驱动程序可以大大简化LabVIEW编程工作，提高开发效率，降低开发成本。
LabVIEW7．0开发环境安装时，会自动安装NI-DAQ7．0软件，它包含两个驱动程序：
传统NI-DAQ和NI-DAQmx。
这两个驱动程序各自有单独的应用程序编程接口API，分别有不同的硬件和软件设置方法，冈此也形成了两套独立的数据采集系统。
本课题使用的是前者。
数据采集程序利用数据采集函数，通过软件编程实现对信号的采样。
可以通过软件设置采样频率、触发方式等。
2．数据处理系统
这部分是课题的核心部分。
通过程序设计，对采集到的信号进行显示、分析、保存、打印等处理，同时还有信号发生器、提供演示实验的功能。
其功能通过编程由计算机来完成，依托计算机强大的分析计算能力，对采集到的信号进行分析处理。
采集或分析完成的数据可以保存到计算机内，也可以对外输出，还可以通过网络传输给其他用户使用。
因此，其终端可以是计算机、图形用户接口进行网络传输或其它数据输出形式。
2．3开发环境LabVlEW简介
2．3．1LabVIEW简介
美国国家仪器公司（NationalInstruments，简称NI）是虚拟仪器技术的主要倡导者和贡献者。
其创新软件LabVIEW（LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench）采用图形化程序设计，编程简单、直观、开发效率高。
自1986年问世阻来，已经成为虚拟仪器软件开发平台事实上的工业标准，在研究、制造和开发的众多领域得到广泛应用。
从简单的仪器控制数据采集到尖端的测试和工业自动化，从大学实验室到工厂，从探索研究到技术集成，人们都可以发现LabVIEW应用的成果和开发的产品。
LabVIEW所创新的图形化语言编程方法成为虚拟仪器技术应用与发展的重要基础，得到上业界和学术界的广泛关注。
课题使用的版本为LabLIEW2009。
LabVIEW是一种高效图形化应用开发环境，结合了简单易用的图形化开发方式和灵活强大的编程语言。
它提供给用户一个直觉性环境，并通过与测量硬件的密切结合，让开发者迅速开发出有关数据采集利控制，数据分析和数据显示的应用系统，测量和自动化解决方案。
2．3．2本课题中LabVlEW的主要应用特点
针对数据采集：
LabVIEW提供给用户一个开放式的开发环境，用户可以将其与测量硬件轻松连接。
LabVIEW的交互式测量助手（assistant）、自动代码生成以及与大量设备的简易连接功能，使它能够方便快速地完成数据采集。
针对数据分析处理：
LabVIEW带有超过450个内置函数，专门用于从采集到的数据中挖掘有用的信息，用于分析测量数据及处理信号。
针对结果显示：
LabVIEW提供一系列工具用于数据显示、用户界面设计、报告生成、数据管理及软件连接。
2．3．3LabVIEW程序的构成
在LabVIEW环境下开发的程序称为虚拟仪器VI（VirtualInstruments），文件扩展名为．VI。
一个完整的LabVl
升级会员 