毕业设计基于LabVIEW的电子测量系统的设计.docx

1、毕业设计基于LabVIEW的电子测量系统的设计毕业设计-基于LabVIEW的电子测量系统的设计基于LabVIEW的电子测量系统的设计摘要：随着科技的发展，虚拟仪器在数据处理中的作用越来越重要。虚拟仪器的出现，打破了传统仪器由厂家定义，用户无法改变的工作模式，使得用户可以根据自己的需求，设计自己的仪器系统。在电子测量中，运用虚拟仪器不仅可以实现对数据模拟仿真，而且可进行采集分析。本设计主要通过软件LabVIEW编程,实现一个电子测量系统。其主要功能包括虚拟信号发生器、信号调幅解调器、数据采集与分析。虚拟信号发生器实现对正弦波、三角波、方波、锯齿波的产生。信号调幅解调器，是对信号的调制与还原。数据

2、采集与分析，通过硬件产生信号，应用数据采集卡采集信号到系统中，并进行读取与处理。通过LabVIEW的编程，完成了电子测量系统的设计，在一定程度上节约了对仪器经费的投入，提高了教学科研的质量和效率。关键词：LabVIEW；虚拟信号；调幅解调；采集；处理Design of Electronic Measurement System Based on LabVIEWAbstract:With the development of science and technology, virtual instrument in data processing is becoming more an more

3、 important. The appearance of virtual instrument has broken the working style that the traditinoal instrument was defined by the factory and the users cant change. The virtual instrument can make users design their own instrument system according to their own demands. In electronic measurement, the

4、virtual instrument can be used to realize the data simulation, data acquisition and analysis.Through the software LabVIEW, the design realizes a electronic measurement system. Its main functions include virtual signal generator, signal amplitude modulation demodulator, data acquisition and analysis.

5、 The virtual signal generator can produce sine wave,triangle wave, square wave and sawtooth wave.The signal amplitude modulation demodulator can realize signal modulation and signal recovery. In the data acquisition and analysis, a data acquisition card can be used to collect signals produced by har

6、dware, and begin to read and process.The design of electronic measurement system based on LabVIEW can save the equipment investment and improve the quality and efficiency of teaching and scientific research.Keywords:LabVIEW; virtual signals; amplitude modulation and demodution; collection; processin

7、g序 言电子测量仪器是电子行业的基础，它在电子行业中长期占据着十分重要的地位，是一个时代的电子行业发展水平的标志，并随着科学技术的发展而不断地更新变化着。传统的测量仪器由于功能固定，研制生产周期长等缺点，越来越不能满足信息时代的要求。这就给一种新型的测量仪器虚拟仪器提供了极大的发展空间，由于其硬件结构简单，以软件为主实现各种功能，且随计算机的发展不断提高其性能，具有很强的适应性，所以越来越引起世人的高度关注。虚拟仪器利用个人计算机强大的图形环境和在线帮助功能1，建立虚拟仪器面板，完成对仪器的控制、数据分析和显示，代替传统仪器，改变传统仪器的使用方式，提高仪器的功能和使用效率，大幅度降低仪器价格

8、，使用户可以根据自己的需要定义仪器的功能。虚拟仪器广泛应用于电子测量、化学工业、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。本设计运用LabVIEW编程，实现一个电子测量系统，功能主要包括虚拟信号发生器、信号调幅解调、数据采集分析三大内容。虚拟信号发生器由基本函数发生器构成，可以实现正弦波、三角波、方波、锯齿波四种信号的产生，并且参数可调。信号调幅解调包括信号解幅与解调，将高频载波信号与低频信号相乘，实现信号的调幅功能。利用乘积型同步检波器原理，将调幅信号与同步信号经过乘法器和滤波器就可以得到原调制信号。数据采集分析包括数据的采集与分析，通过数据采集卡，使硬件和

9、电脑相连接，把外部硬件产生信号采集到编程系统中进行显示与存储，从而进行读取与处理分析。本文共分五章，第一章简要介绍了虚拟仪器及LabVIEW的编程环境，第二章阐述了设计的总体思路及具体功能，第三章说明了虚拟信号发生器的设计，第四章讨论了信号调幅解调的内容，第五章则介绍了数据采集与分析的设计。第1章 虚拟仪器系统的概论1.1虚拟仪器简介 虚拟仪器（Virtual Instrument,简称VI）是基于计算机的仪器,是现代计算机技术和仪器技术深层次结合的产物，是当今计算机辅助测试领域的一项重要技术2。所谓虚拟仪器，就是在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义，具有虚拟面板，测试功能由测试软

10、件实现的一种计算机仪器系统。使用者用鼠标或键盘操作虚拟面板，就如同使用一台专用测量仪器。虚拟仪器的出现使测量仪器与个人计算机的界线模糊了。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。粗略地说这种结合有两种方式，一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统的仪器。另一种方式是将仪器装入计算机，以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能。虚拟仪器主要是指这种方式。下面的框图反映了常见的虚拟仪器方案。图1-1常见的虚拟仪器方案图1.2 LabVIEW的定义LabVIEW(L

11、aboratory Virtual Instrument Engineering Workbench,实验室虚拟仪器集成环境)是一种图形化的编程语言，具有数据采集、数据分析、信号发生、信号处理、输入输出控制等功能3。它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW集成了与满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。它还内置了便于应用TCP/IP、ActiveX等软件标准的库函数。这是一个功能强大且灵活的软件。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。图形化的编 程语言

12、，又称为“G”语言。使用这种语言编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是流程图或程序框图。它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念，因此，LabVIEW是一个面向最终用户的工具。它可以增强构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。利用LabVIEW可产生独立运行的可执行文件，它是一个真正的32位编译器。像许多重要的软件一样，LabVIEW提供了Windows、UNIX、Linux、Macintosh的多种版本。1.3 LabVIEW的运行机制使用LabVIEW开发平台编

13、制的程序称为虚拟仪器程序，简称为4。VI包括三个部分：前面板、程序框图、图标和连线板1前面板前面板是图形用户界面，也就是VI的虚拟仪器面板，这一界面上有用户输入控制和输出显示两类对象，具体表现有开关、旋钮、图形、指示灯以及其他控制和显示对象。图1-2所示是一个随机信号发生器的前面板，上面有一个显示对象，以曲线的方式显示了所产生的一系列随机数。还有一个控制对象开关，可以结束while循环。显然，并非简单地画两个控件就可以运行，在前面板后还有一个与之配套的程序框图。图1-2 随机信号发生器的前面板2程序框图程序框图是提供VI的图形化源程序。在程序框图中对VI编程，以控制和操纵定义在前面板上的输入和

14、输出功能。程序框图由接线端、节点、连线和结构等构成。图1-3所示是随机信号发生器的程序框图，可以看到程序框图中包括了前面板上的开关和随机数显示器的连线端子，还有一个随机数发生器的函数及程序的循环结构。随机数发生器通过连线将产生的随机信号送到显示控件，为了使它持续工作下去，设置了一个While Loop循环，由开关控制这一循环的结束。图1-3 随机信号发生器程序框图3. 图标和连线板创建VI的前面板和程序框图后，请创建图标和连线板，以便将该VI作为子VI调用。图标是子VI在其他程序框图中被调用的节点表现形式；连线板则表示节点数据的输入/输出口，就像函数的输入输出参数。用户必须指定连接器端口与前面

15、板的控制和显示一一对应。 第2章 总体设计介绍2.1总体设计基于LabVIEW的电子测量系统，主要包括常用虚拟信号发生器、信号调幅解调、数据采集与分析等常用仪器的设计与实现。程序功能模块框图设计如下图所示：图2-1 程序功能模块框图虚拟信号发生器，主要用到了基本函数发生器，功能包含了正弦波、三角波、方波、锯齿波的产生并且各波形的频率与幅值以及方波的占空比均可调。参数调整结果将在波形图上动态显示出来，可控制信号的采样频率与采样点数。信号调幅解调包括信号的调幅与解调，描述了信号调制、放大、还原的过程。将高频载波信号与低频信号相乘，实现信号的调幅功能。利用乘积型同步检波器原理，将调幅信号与同步信号经

16、过乘法器放大，之后通过滤波器还原信号。滤波器主要运用巴特沃斯滤波器，滤波类型采用低通滤波，滤波阶数为5阶。数据采集分析中，通过硬件函数信号发生器产生正弦波、三角波，利用数据采集卡，把程序和硬件相互连接，采集函数发生器的信号，显示在波形图上并把数据写入到电子表格。然后使用路径节点，读取数据并进行处理分析，再一次显示到波形图上。主要计算出信号数据的均方根、峰峰值、信号频率、周期以及方波占空比。因为需要采集硬件信号，所以制作一个简单的函数信号发生器。函数信号发生器主要通过电子元器件运放、RC积分器产生一定频率和幅值的方波和三角波，给予数据采集模块。2.2主程序前面板的设计当虚拟信号发生器、信号调幅解

17、调器、数据采集与分析均完成时，需要把他们链接成一整套系统，称它为实现系统的主程序。其前面板设计如图2-2所示。图2-2 主程序前面板的设计主程序前面板设计包括信号发生器、信号调幅解调、数据采集与分析的开关控件。图中按钮开关控件，可编辑文字，形象显示控件所链接的程序。点击开关控件，就会进入相应的功能程序。点击“停止运行”，则跳出运行界面。点击“数据采集与分析”控件，进入数据采集与分析界面如图2-3所示。图2-3 数据采集与分析前面板的设计点击“返回”则跳出数据采集与分析界面，返回到电子测量虚拟仪器系统界面。接下来具体讨论主程序程序框图的设计。2.3主程序的程序框图设计程序框图的设计主要是包括一个

18、whlie循环和一个条件结构。While循环中包括打开信号发生器程序、打开信号调幅解调程序、打开数据采集与分析程序和一个停止按钮。条件结构中有“真”和“假”两个选择，此设计只用到了“真”的界面，“假”的界面不用。在“真”的界面中主要用到了打开VI引用、属性节点和关闭引用，如图2-4所示。条件结构的主要作用是在while循环中的停止按钮被按下时，结束while循环同时跳出运行界面。条件结构中的打开VI引用路径是当前VI路径，而当前路径是关闭，所以，结束while循环的同时就会跳出运行界面。接下来介绍打开子VI和其链接。图2-4 主程序的程序框图设计2.31 子VI的打开在进行子VI的打开时，需要

19、用到函数选板，应用程序控制中一些相应的节点，下面介绍这些需要用到的节点。1.打开VI引用节点打开VI引用节点主要是利用打开VI引用动态的方法，在程序运行时，打开需要打开的子VI。具体是把VI路径端口与需要打开的子VI的名字相连接来进行子VI的打开。图2-5为打开VI引用函数各端点示意图。图2-5 打开VI引用节点的各端点示意图2.属性节点把通用“属性节点”从函数选板拖放到VI程序框图上时5，默认设置为应用程序类。这时可以从中选取版本号、程序名称等属性，通过属性节点的右键菜单可以让它显示其他类别对象属性，如图2-6所示。图2-6 属性节点的选择类型设置VI的属性时把属性节点关联的类型选为VI。之

20、后，可以对其属性进行设计，如图2-7所示。因为需要打开子VI，所以在选择属性的时候选择前面板窗口的打开。图2-7 属性节点的属性选择3.调用节点把通用“调用节点”从函数选板拖放到VI程序框图上时，默认设置为应用程序类。这时可以从中选取版本号、程序名称等属性，与属性节点相同，也需要选择它的对象属性，如图2-8所示。同样选择类也应用为VI。图2-8 通用节点的选择类型在属性节点的设置中，属性类是前面板的打开，那么之后的通用节点需要运行打开的子VI,所以，在通用节点选择方法时选择运行VI，如图2-9所示。图2-9 调用节点的方法属性选择4.关闭引用节点在运行子VI之后，就是将VI进行关闭。图2-10

21、是它端点的示意图。图2-10 关闭引用节点端点示意图2.3.2 VI的链接介绍完需要用到的节点之后，利用这些节点组成打开子VI的程序，在打开VI引用节点前的路径常量中输入要打开的文件名，注意输入文件名与想要打开文件名保持一致，一个字符亦不能错。否则，系统将找不到正确的进入与返回路径，而使打开子VI无法顺利进行。程序框图左边的“OK”按钮控件对应于所调用的文件，也就是说在前面板中按下程序框图中“OK” 所对应的按钮，当前程序将进入所要打开的程序。在主程序前面板所对应的程序框图的“OK” 按钮上编辑文字，显示所要进入的程序，使整个程序系统的运行清晰明了。下面是打开信号发生器、打开信号调幅解调、打开

22、数据采集与分析模块的链接程序框图，如图2-11、2-12和2-13所示。图2-11 打开信号发生器程序框图的设计图2-12 打开信号调幅解调程序框图的设计图2-13 打开数据采集与分析程序框图的设计第3章 虚拟信号发生器的实现31信号发生器的介绍信号发生器一般是指能自动产生正弦波、方波、三角波等电压波形的电路或仪器。传统信号发生器大多由模拟电路构成，存在连线复杂、调试烦琐且可靠性差的缺点6。而使用LabVIEW编程产生的虚拟信号发生器可以稳定的产生虚拟波形，图形化显示在波形图上，并且相应的参数可以调节。接下来介绍虚拟信号发生器的设计。3.2虚拟信号发生器的设计3.21虚拟信号发生器前面板的设计

23、虚拟信号发生器主要运用基本函数发生器和下拉列表相结合，实现对信号正弦波、方波、三角波、锯齿波的产生与选择，并在波形显示器输出。数字控件可以改变信号频率、幅值及方波占空比的大小。如在下拉菜单“常用信号选择 1”中选择的是正弦波，通过旋钮滑动杆来调节正弦幅值，在波形显示器中也会得到相应的体现；频率也可以类似地调节，其数据变化对输出信号波形的影响都会在前面板上的波形图中显示出来。“常用信号选择 2”中也可实现相同功能。如图3-1所示是虚拟信号发生器前面板的设计。图3-1 虚拟信号发生器前面板设计图3.22虚拟信号发生器程序框图的设计在虚拟信号发生器程序框图的设计中，主要使用“信号处理” “波形生成”

24、 “基本函数发生器”和文本下拉列表，这样信号发生器的四种信号选择之间不产生冲突，选择一种信号后，调节相应的模块上面的旋纽,可以改变所选信号的幅值和频率。基本函数发生器各接线端如图3-2所示，分别有信号类型、频率、幅值、相位、采样信息、信号输出等端口，在连接程序框图是，接线端对应连接。图3-2 基本函数发生器各接线端示意图虚拟信号发生器的程序框图设计如图3-3所示。利用while循环中添加移位寄存器功能，使波形得到动态显示。具体是通过移位寄存器加1之后乘上一个相应的数值连接到基本函数发生器的相位接线端，实现相位的偏移。为增加系统功能，在虚拟信号发生器的程序中，同一个While循环内加入两个基本函

25、数发生器，所以也就有了前面板上所标识的“常用信号选择 1”与“常用信号选择 2”，但它们属同一个信号源，因为两个基本函数发生器的信号来源于同一组采样信息。图3-3 信号发生器的程序框图设计第4章 信号调幅解调器的设计4.1调制解调原理工程中被测物理量,如力、位移、温度等，经过传感器变换后，常常是一些缓变的微小电信号。从放大处理来看,直流放大有零漂和级间耦合等问题。为此,往往把缓变信号先变为频率适当的交流信号,然后利用交流放大器放大,最后再恢复为原缓变信号7。这样的变换过程称为调制与解调,已被广泛用于传感器的调理电路中。调制是指利用被测缓变信号来控制或改变高频振荡波的某个参数(幅值、频率或相位)

26、 ,使其按被测信号的规律变化,以利于信号的放大与传输。若控制量是高频振荡波的幅值,则称为调幅(AM) ；若控制量是高频振荡波的频率或相位,则称为调频(FM) 或调相( PM) 。4.1.1解调原理在AM 调制过程中,如果将载波分量抑制掉,就可以形成抑制载波的双边带信号。双边带信号也可以用载波和调制信号直接相乘得到8。当调制信号为单频信号时,若设: , 式中: 。则双边带调幅信号的数学表示式为: (4-1)式中: k 为乘积电路的电路常数；为双边带调幅信号的振幅,它与调制信号成正比。一般把控制高频振荡波的缓变信号称为调制波；载送缓变信号的高频振荡波称为载波;经过调制的高频振荡波称为已调波。解调器

27、中的乘法器有2个输入信号:一个是待解调的调幅波,另一个是同步信号。双边带调幅解调器结构如图4-1所示。图4-1 双边带调幅解调器结构4.1.2 乘积型同步检波器原理已调信号与同步信号经过乘法器和滤波后就可以得到原调制信号。如果同步信号和发送端的频率及相位有一定的偏差,将会使恢复出来的调制信号产生失真。设输入信号为DSB信号:式中: 同步信号为:这两个信号相乘,输出为: (4-2)式中: k 为乘法器的相乘系数。经低通滤波得到输出信号为: (4-3)乘法器后接的低通滤波器的截止频率远小于和频时,上式中的高频分量 项将被低通滤波器大大衰减,而只有差额信号项 输出。可见,解调器是由乘法器和低通滤波器

28、组成的。4.2 信号调幅解调器功能该仪器的功能是仿真生成两个幅值、相位和频率可调的正弦波，这两个仿真的正弦波一个是高频信号作为载波信号,用来模拟传感器实验主机箱提供的音频振荡信号,另一个是低频信号作为调制信号,它同时也是用来模拟金属箔应变式传感器所测得的振动源的原始振动信号。低频信号经高频载波后形成调幅波,调幅波再经巴特沃斯滤波器滤波后解调,并同时输出调幅波和解调后信号的波形。通过波形分析,使学生掌握调制解调器的基本原理9。4.3 虚拟调幅波解调器设计过程4.3.1 选用同步解调的理由调幅波解调的方法大致有4 种非线性解调、线性解调、包络线解调和同步解调。本文选用同步解调主要因为10: (1)

29、 非线性解调其解调失真大,难以得到高质量的解调； (2) 线性解调虽不产生解调失真,但输出的解调信号比较小,剩下很多调制波成分,这表明输入的调制波过而不入,只有一部分成为输出信号； (3) 包络线解调平直,会产生解调失真,所以必须要减小电路的时间常数,使之具有指数函数的衰减特性,但实现起来过于繁琐； (4) 所谓同步解调就是通过求解调波与载波的乘积进行解调的方法,其与调制过程仅仅存在着输入是信号还是调幅波的不同,其余完全相同,特别是本文中用来抑制载波的调幅,除该方法外再无其他解调法,所以采用该方法；4.3.2 低通滤波环节信号调理中另外一个重要的调理环节是滤波。巴特沃思滤波器最突出特点是具备最

30、大平坦程度的振幅响应,也就是具备最平直的频率响应曲线,这也是本设计选用巴特沃思低通滤波器的主要原因11。4.3.3 虚拟调幅波解调器前面板设计调幅解调器的前面板如图4-2所示,用到了5个波形显示器，分别显示调制信号”、“载波信号”、“已调信号”、“已调信号与载波信号乘积”和还原出来的“相敏检波信号”。调制信号、载波信号、参考信号的参数可由数字输入控件改变，改变数值，调制出最佳的还原波形。图4-2 调幅解调器的前面板4.3.4 调幅波解调器程序框图的设计虚拟调制解调器程序框图如图4-3 所示,主要用到了3个正弦波信号发生器、巴特沃斯滤波器、捆绑函数等相应节点来完成调幅解调的过程。其中巴特沃斯滤波

31、器的滤波类型设置为低通滤波，滤波阶数为5阶。图4-3 调制解调器程序框图一般说来，调制信号的变化要比载波变化慢得多，习惯上称之为窄带信号。幅值调制的频移功能在工程测试中具有重要意义，应用非常广泛。例如，当所测信号的频率很低时，由于常用的电子放大器在低频段工作特性不佳或容易混入低频噪声信号（如工频干扰），故造成被测信号的“污染”。为防止这种情况发生，就可幅值调制方法，将所测信号频率移至放大器增益保持常值和不易受干扰的频段上，待放大后再设法移回原处，恢复已放大了的原测试信号。第五章 数据采集分析系统的设计5.1数据采集系统结构数据采集（Data Acquisition,DAQ）,就是将被测对象的各种参量（物理量、化学量、生物量等）通过各种传感器件做适当转换后，再经信号调理、采样、量化、编码、传输等步骤送到控制器进行数据处理或记录的过程。数据采集系统通常由传感器、信号调理、数据采集卡、计算机及外设等部分组成12。5.1.1基于LabVIEW的数据采集卡对于虚拟仪器系统，要实现对外部数据采集的功能，必须配有一块数据采集卡。典型的数据采集卡的功能有模拟输入，模拟输出，数字I/O, 计数器/定时器操作等，这些功能分别由相应的单元电路来实现。模拟输入是数据采集卡最基本，最常用的功能。通过采集卡内的A/D转换电路，一个模拟信号就能转化为数字信号。A/D转换器的性能直接影响着模拟输