毕业设计利用虚拟仪器开发虚拟任意波形发生器和虚拟示波器Word文件下载.docx
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Ultimately,thisthesissumsupseveralmeansofLabVIEWtorealizecommunicationthroughnetworksuchasTCPorUDPcommunication,DataSocket,WebServerandremotepanelstechnology.
Keywords:
VirtualInstruments,LabVIEV,ArbitraryWaveformGenerator,Oscilloscope,DataSocket
第1章绪论.........................................................1
1.1研究背景和课题的提出........................................1
1.2国内外研究现状综述..........................................1
1.3课题的主要工作和本文的主要内容..............................2
第2章虚拟仪器及其开发平台LabVIEW.................................3
2.1虚拟仪器....................................................3
2.1.1虚拟仪器的概念........................................3
2.2.2LabVIEW的特点与应用..................................3
2.1.3虚拟仪器的组成........................................4
2.1.4虚拟仪器的分类、应用和发展方向.........................5
2.1.5PXI模块化仪器平台.....................................8
2.2虚拟仪器开发平台LabVIEW....................................9
2.2.1LabVIEW简介..........................................9
2.2.2LabVIEW的特点与应用..................................9
2.2.3LabVIEW编程.........................................11
第3章虚拟任意波形发生器的设计....................................13
3.1虚拟任意波形发生器简介.....................................13
3.2虚拟任意波形发生器软件编程.................................13
3.2.1虚拟任意波形发生器前面板设计.........................13
3.2.2虚拟任意波形发生器程序框图设计.......................16
3.3虚拟示波器简介.............................................16
3.4虚拟示波器的软件编程.......................................17
3.4.1虚拟示波器前面板设计.................................17
3.4.2虚拟示波器的程序框图设计.............................18
第4章基于虚拟仪器的网络通信技术..................................20
4.1网络化虚拟仪器.............................................20
4.2WebServer及远程面板技术...................................21
4.2.1LabVIEW中的WebServer设置...........................21
4.2.2发布前面板对象.......................................21
4.2.3发布HTML文件........................................22
结束语.............................................................25
参考文献...........................................................26
致谢...............................................................27
第一章绪论
1.1研究背景和课题的提出
20世纪80年代中期NI（NationalInstruments，即美国国家仪器公司）首先提出了“软件就是仪器"
（TheSoftwareistheInstrument）这一基于计算机技术的虚拟仪器概念。
虚拟仪器由于其性价比、开放性等优势迅速地占领了市场，成为测控仪器新的经济增长点和发展方向。
同时随着网络技术的爆炸式发展，网络技术已渗透到各行各业。
网络技术在虚拟仪器中的具体应用就包括网上教学实验、远程数据采集与控制、高档测量仪器设备资源的远程实时调用、远程测试等新兴技术和产业。
网络化虚拟仪器己经成为21世纪虚拟仪器发展的重要方向，具有极大的市场潜力和应用前景。
总的来说虚拟仪器代表了仪器仪表的发展方向，而网络化的虚拟仪器则代表了虚拟仪器的发展方向，所以研究虚拟仪器及其网络化技术具有非常广阔的前景。
本课题在实验室的PXI模块化仪器平台下设计了虚拟任意波形发生器和虚拟示波器，并且在现有的网络资源基础上对虚拟仪器的网络通信技术进行了研究和应用。
1.2国内外研究现状综述
近年来,世界各国的虚拟仪器公司开发了不少虚拟仪器开发软件，以便使用者利用这些仪器公司提供的开发软件编制测试软件，并组建自己的虚拟仪器或测试系统。
最早和最具影响的开发软件，是NI公司的LabVIEW软件和LabWindows/CVI开发软件。
LabVIEW采用图形化编程方案，是非常实用的开发软件。
LabWindows/CVI则是为熟悉C语言的开发人员准备的、在Windows环境下的标准ANSIC开发环境。
在虚拟仪器网络化技术方面，NI公司从软硬件两方面都提供了产品。
在LabVIEW和LabWindows/CVI中均提供了网络开发工具，如LabVIEWInternetDevelopersToolkit,LabWindowsInternetDevelopersToolkit等。
利用它们可以较容易的实现各种网络通信功能，如:
发送包含测控信息的电子邮件，将文件或数据传送到FTP服务器，利用浏览器浏览虚拟仪器，编写CGI程序实现服务器端操作等.这些开发工具包功能强大，能实现大部分的网络功能，当然它们也要求开发者具有较丰富的计算机网络知识和深厚的计算机网络开发功底。
为了降低开发难度，NI公司开始在LabVIEW6.1中提供NILabVIEWRemotePanels（远程面板）技术，它可以通过具体的配置利用IE来控制用LabVIEW设计的虚拟仪器程序。
当然远程面板技术也存在着速度慢，客户端连接能力有限等缺陷。
LabVIEW还提供另一种网络传输技术一一DataSocket技术,用户可以不用进行复杂的底层TCP编程，就可以通过计算机网络向多个用户终端同时广播现场的测试数据。
国内虚拟仪器的研究起步于九十年代中期，至今已有多家科研院所、高校及公司从事虚拟仪器技术的研究与产品的开发。
例如虚拟仪器技术及其网络化实现就是作为南京理工大学检测技术与自动化装置博士点211工程建设项目,本课题所进行的研究也是整个研究工作的延续。
1.3课题的主要工作和本文的主要内容
本课题以NI公司的GP模块化硬件平台为基础，选用了其中的NIPXI-5421和NIPXI-5122两块板卡来设计功能完善的虚拟任意波形发生器和虚拟示波器，其次在教研室的网络条件基础上，对虚拟仪器的网络通信技术做了研究和应用。
本文的主要内容是:
第一章:
对本文的研究背景、课题的提出和本文的主要工作内容做简单介绍。
第二章:
介绍了虚拟仪器及其软件开发平台LabVIEW，并对本课题所使用的PXI模块化仪器平台及数据采集卡做了简单介绍。
第三章:
叙述了能够产生八种标准波形和任意序列波形的虚拟任意波形发生器的设计过程。
叙述了虚拟示波器的设计过程。
本课题所设计的示波器能够完成波形显示、触发控制、频谱/功率谱分析、波形存储、参数测量等多种功能。
第四章:
研究并应用虚拟仪器的网络通信技术，主要包括TCP或UDP通信、DataSocket技术、WebServer及远程面板技术。
第二章虚拟仪器及其开发平台LabVIEW
2.1虚拟仪器
2.1.1虚拟仪器的概念
随着计算机技术、电子测量技术和通信技术的飞速发展，仪器技术领域发生着巨大的变化，各种创新的积累使得现代测量仪器的功能和作用发生了质的飞跃。
尤其是以计算机为核心的设计思想以及仪器系统与计算机软件技术的紧密结合，导致了仪器的概念发生了突破性的变化，出现了一种全新的仪器概念——虚拟仪器（VirtualInstruments）。
虚拟仪器是基于计算机的仪器，它是在通用计算机上通过软件将计算机资源与仪器硬件有机地融合为一体，从而把计算机强大的计算处理、控制能力和仪器硬件的测量能力结合在一起，使得使用者在操作这台计算机时，就像在操作一台由他自己设计的专用仪器一样。
也就是说当仪器硬件平台v0接口设备与计算机连接好，再编制某种具有测量功能的软件后，计算机就成为具备这种功能的测试仪器。
这时通过计算机软件就能实现对数据的显示、存储以及分析处理。
总的来说，虚拟仪器技术就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侧试、测量和自动化应用的一种技术。
而由计算机硬件资源、模块化仪器硬件和相应的测试软件组成的模块化仪器系统则称为虚拟仪器系统。
2.1.2虚拟仪器的主要特点和与传统仪器的比较
虚拟仪器是对传统仪器概念的重大突破，具有以下特点:
●核心思想是软件。
虚拟仪器的硬件确定后，它的功能主要是通过软件来实现。
软件在虚拟仪器中具有关键的地位，是虚拟仪器的灵魂，并且软件的灵活性和复用性使得用户可以按照自己的需要来定义和设置测量功能，也就是说虚拟仪器使得用户能够自定义仪器功能。
而传统仪器的核心是硬件，并且仪器的功能由生产厂家确定，用户不能自己更改仪器功能。
●具有良好的人机界面。
在虚拟仪器中，测量结果是通过软件在计算机屏幕上生成，并且仪器的操作也是通过与传统仪器面板相似的图形界面软面板来实现。
因此，用户可以根据自己的爱好，利用计算机强大的图形环境和在线帮助功能，通过编制软件来定义自己所喜爱的面板形式。
●强大的数据处理功能。
信号处理理论的不断完善以及计算机运算速度的不断提高，为虚拟仪器快速、准确处理数据提供了良好基础。
●测量速度快。
测量输入信号的多个特性（如电压、频率、上升时间）往往只需要一个数据模块，并且要测量的信号特性能被数据处理器快速计算出来，这种将多种测试集于一体的方法缩短了测试时间，从而提高了测试速度。
●有更好的测量准确度。
在传统的自动测试系统中，必须把信号连接到每一台仪器上以完成对各种参数的测量。
这样，测量往往受电缆长度、阻抗、仪器校准和修正因子差异等影响。
而虚拟仪器受这些因素的影响较小，从而进一步提高了测量的准确度。
●便于扩展。
当测试系统需要增加新的测量功能或提高其性能时，用户只需要增加软件来执行新的功能;
当需要重新组建测试系统时，可以通过增加或更换一个通用模块来实现，而不用购买一个全新的系统。
●虚拟仪器具备和其他设备互联的能力。
虚拟仪器不仅具备与VXI总线等其他总线的接口能力，还可以将虚拟仪器接入网络，如Internet等，以实现对现场生产的监控和管理。
传统仪器则只可以连接有限的设备。
●集成和组合性能高。
虚拟仪器技术从本质上来说是一个集成的软硬件概念。
其各个功能模块都是清晰的模块化组合方式，选择不同的硬件、软件模块，进行不同的组合就可以组建不同的系统，达到不同的目的。
●技术更新快。
由于虚拟仪器技术是建立在当今世界最新的计算机技术、数据采集技术和通信技术基础上，因而技术更新速度快于传统仪器。
总的来说，与传统仪器相比，虚拟仪器在各方面都具有明显的优势，能够满足科技高速发展对电子测量技术提出的新要求，也必然会成为电子测量仪器发展的趋势。
2.1.3虚拟仪器的组成
虚拟仪器的组成主要包括硬件和软件两个基本要素，具体组成如图2.1所示。
1.软件组成
虚拟仪器系统的软件组成包括I/O接口软件、仪器驱动程序和应用软件开发环境三部分。
（1）I/0接口软件
I/O接口软件存在于仪器与计算机中的仪器驱动程序之间，是一个对仪器寄存器进行直接存取数据操作，并为仪器与仪器驱动程序提供信息传递的底层软件，是实现开放的、统一的虚拟仪器系统的基础与核心。
（2）仪器驱动程序
仪器驱动程序是完成对某一特定仪器的控制与通信的软件程序，是连接上层应用程序与底层I/O接口软件的纽带和桥梁。
每个仪器模块均有自己的仪器驱动程序。
例如在本课题设计中就需要用到NI-SCOPE和NI-FGEN这两个仪器驱动程序。
仪器驱动程序的实质是为用户提供用于仪器操作的较抽象的操作函数集。
其内容包括:
操作接口、编程接口、功能库和子程序接口等。
（3）应用软件开发环境
应用软件开发环境将计算机的数据分析和显示功能与仪器驱动器融合在一起，为用户开发虚拟仪器提供了必需的软件工具与环境。
目前，可供开发人员选择的虚拟仪器系统应用软件开发环境主要包括两种:
基于传统的文本语言式的平台，如NI公司的LabWindows/CVI、Microsoft公司的VisualC++、Borland公司的Delphi等;
基于图形化编程环境的平台，如NI公司的LabVIEW和HP公司的HPVEE等。
软件是虚拟仪器技术中最重要的部份，在应用软件开发环境下，使用正确的软件工具并通过设计或调用特定的程序模块，就可以高效地创建自己的人机交互界面。
2.硬件组成
虚拟仪器的硬件由两部分组成，一部分是计算机硬件，另一部分是仪器硬件。
计算机用于管理虚拟仪器的硬件资源，是虚拟仪器的硬件基础和核心。
仪器硬件则是与计算机硬件一起工作，用来采集数据、提供源信号和控制信号。
2.1.4虚拟仪器的分类、应用和发展方向
1.虚拟仪器的分类
测试与测量的发展以测试总线的发展为标志。
测试总线从GPIB发展到VXI、PXI,测试仪器也由机架式发展到了插卡式。
虽然虚拟仪器更多地强调软件在仪器中的应用，但虚拟仪器仍离不开硬件技术的支持，信息的获取仍需要通过硬件来实现。
虚拟仪器的发展随着微机的发展以及采用的总线方式的不同，可以分为以下7种类型:
（1）PC总线插卡型虚拟仪器
这种方式借助于插入PC中的数据采集卡和专用的软件（如LabVIEW）相结合，完成具体的数据采集和处理的任务。
它充分利用了PC的总线、机箱和电源等硬件资源及其丰富的软件资源。
不过插卡式仪器价格比较昂贵，并且这类仪器受计算机机箱和总线的限制，还有电源功率不足、机箱内部噪声电平较高且无屏蔽、插槽尺寸较小且数量少等缺点。
（2）GPIB总线方式的虚拟仪器
GPIB总线是独立仪器上一种最通用的总线，计算机连接的仪器数目不超过15台,电缆总长度不超过20m,最高数据传输速率为8Mbyte/s。
凡是符合GPIB标准的仪器设备，不论出自何厂，均可用此标准总线连接起来构成自动测试系统。
GPIB系统的应用从最初的测试仪器控制迅速普及到自动控制、电视、导航、通信、核物理和工业控制等众多领域。
目前各大公司生产的台式仪器中几乎都配有GPIB接口，很多集成电路的制造商也生产了各种GPIB的接口芯片。
由于GPIB仪器总线只是8位并行仪器总线，传输速率和传输距离有限，已经跟不上当今大规模测试系统的需求。
但是GPIB总线仍然是实验室条件下，组建中等水平的自动测试系统所欢迎的总线。
（3）并行口式虚拟仪器
并行口式虚拟仪器可以连接到计算机并行口。
标准并口是采用25线的并行通讯总线，由于是用于计算机与打印机或者绘图仪的连接总线，因此，传输速率较高,传输距离较短（最长2m）。
（4）串行口式虚拟仪器
串行总线包括传统的RS232串行总线、USB通用串行总线和IEEE1394总线。
RS232串行总线是早期采用的通用串行总线，技术成熟，许多测量仪器都带RS232串行总线接口。
将带有RS232总线接口的仪器作为I/O接口设备，并通过RS232串行总线与计算机组成虚拟仪器系统仍然是目前虚拟仪器构成的方式之一。
它支持长距离传输，抗干扰能力强，但数据传输率低，主要适用于速度较低的测试系统。
当今PC机采用更多的是USB总线和IEEE1394总线。
USB和IEEE1394总线传输速率高，可连接设备多，并且均具有即插即用的能力，使得外设的安装变得十分简单，既不必打开机箱插入插卡，又不必考虑资源分配。
（5）VXI总线方式虚拟仪器
VXI总线，是一种高速计算机总线--VME总线在仪器领域的扩展。
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，为虚拟仪器系统提供了一个更为广阔的发展空间。
由于其标准开放、传输速率高、数据吞吐能力强、定时和同步精确、采用模块化设计、使用方便灵活、众多厂商支持等优点，已经越来越受到人们的重视。
在近十年时间内，随着VXI总线规范的不断完善和发展，以及VXI即插即用系统联盟的不懈努力，VXI系统的组建和使用变得越来越方便。
其应用面也越来越广，尤其是在组建中大规模自动测量测试系统，以及对速度、精度要求较高的场合，有着其他仪器系统无法比拟的优势。
（6）PXI总线方式虚拟仪器
PXI（PCIeXtensionsforInstrumentation）总线是NI公司在1997年9月推出的全新的开放性、模块化仪器总线规范。
它是以CompactPCI为基础的，由具有开放性的PCI总线面向仪器领域的扩展而来。
PXI总线符合工业标准，在机械、电气和软件特性方面充分发挥了PCI总线的全部优点。
（7）LXI总线方式虚拟仪器
LXI（LANeXtensionsforInstrumentation）总线是2004年由VXI科技公司和Agilent联合推出的一种基于工业以太网的新的总线规范，是继GPIB、VXI、PXI之后的新一代基于以太网络LAN的自动测试系统模块化构架平台标准。
它的推出被称为是“自1972年推出HP-IB总线以来的30多年里，测试和测控领域业界最大的新闻”。
以太网的错误检测、故障定位、长距离互联以及树状拓扑结构都比现有的总线结构优越，网络速度也由最初的lOMb/s发展到现在的lOGb/s。
LXI很有可能成为今后的市场主流总线技术。
2.虚拟仪器的应用
虚拟仪
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