基于LABVIEW的虚拟函数信号发生器设计说明.docx

1、基于LABVIEW的虚拟函数信号发生器设计说明 2013届毕业设计说明书 基于LabVIEW的多功能函数信号发生器设计 院 、 部： 电气与信息工程学院 学生姓名： 指导教师： 职称 指导教师： 职称 专 业： 电子信息工程 班 级： 完成时间： 2013年5月30日 摘 要 随着计算机软件、硬件的发展，计算机与外部设备之间的数据通信变得越来越频繁，也越来越便利，于是虚拟仪器也就应运而生。从本质上来说，虚拟仪器是仪器技术与计算机技术深层次相结合的产物，它强调了“软件即仪器”的概念，使用户能够根据自己的需要来定义仪器的功能，这样用户就能更好的组建自己所需要的测试系统。它是按照信号的处理与采集，数

2、据的分析，结果的输出及显示的结构模式来建立通用信号处理的硬件平台。 本文就是在这个通用信号处理的硬件平台，进行了基于LABVIEW的虚拟函数信号发生器的设计，本设计是基于LabWIEW软件的多功能函数信号发生器，能够产生实验室所常用的正弦波、三角波、方波、锯齿波信号及任意公式波等基本波形信号，本设计充分利用了LabVIEW软件开发平台所提供的丰富资源, 采用模块化的设计方法，并设计了一个用户的登陆系统和登录音效以及按键音效给人以视觉和听觉上美的感受，并进一步完善了虚拟信号发生器的功能, 能产生5种我们经常用到的信号以及其他的一些较复杂的信号。 关键词：虚拟仪器；Labview；函数信号发生器

3、ABSTRACT With computer software and hardware development, computer and data communication between external devices become more frequent, but also more convenient, so virtual instruments also emerged. In essence, the virtual instrument is the instrument technology and computer technology product of t

4、he combination of deep level, it emphasizes the software instrument concept that allows users to define their own needs to the instrument function, so users can better the need to establish their own testing system. It is in accordance with the signal processing and collection, data analysis, and di

5、splay the output results of the structural model to create common signal processing hardware platform. This article is in this general-purpose signal processing hardware platform for a LABVIEW-based virtual function signal generator design, the design is based on the LabWIEW software multi-function

6、signal generator can produce lab common sine wave, triangle wave, square wave, sawtooth wave signal and the arbitrary formulas and other basic waveform signal, the design takes advantage of LabVIEW software development platform provides a wealth of resources, using a modular design approach, and des

7、igned a user login system and registry keys sound and sound gives a visual and auditory experience of beauty, and further improve the functionality of the virtual signal generator, can produce five kinds of signals, and we often use some other more complex signals. Keywords: virtual instrument; Labv

8、iew; function signal generator1 绪论1.1 课题背景及意义 现代化生产要求电子仪器品种多、功能强、精度高、自动化程度高，而且要求测试速度快、实时性好、具有良好的人机界面。虚拟仪器正可以实现这些要求，虚拟仪器(Virtual Instrument，简称VI)的概念是由美国国家仪器公司(NI)在20世纪80年代最早提出的。由于仪器仪表技术和PC技术的飞速前进，虚拟仪器因此诞生。虚拟仪器技术是当前PC协助检测（CAT）技术的一个重要研究领域，和以前的仪器相比,虚拟仪器有灵活性、多样性、和许多其他的好的方面。由于科技的飞速发展，其应用汇更普遍，这也对虚拟仪器技术的需求会

9、更加大。以LabVIEW为基本构架实现TMS320F2812-DSP与PC机的串行口通信，是将2812-DSP丰富的片上资源、较高的数据处理能力与功能强大的图形化编程虚拟仪器开发平台LabVIEW相结合，克服了PC机串口通信软件程序代码冗长复杂，不便进行功能拓展的缺点，并简化了串口调试程序，达到了操作简单、功能齐全的要求。 随着电子科学技术的发展，微电子集成电路技术、计算机技术、通讯技术、测控技术互相渗透，互相融合而形成了新型的电子信息技术。经过了二十多年的发展，虚拟仪器的概念已逐步为工业界和学术界所认识，成为21世纪测试技术与仪器技术发展的一个重要方向，并且在研究、制造和开发等总舵领域得到广

10、泛运用。虚拟仪器技术是测试技术和计算机技术相结合的产物，是以计算机为基础，配以相应测试功能的硬件作为信号输入输出的接口，利用虚拟仪器软件开发平台在计算机的屏幕上虚拟出仪器的面板并实现相应的功能，使得使用者在操作计算机时就像在操作一台自己设计的测试仪器。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，给用户提供了一个充分发挥自己才能和想象力的空间，实际上代表了一种创新的仪器设计思想。与传统仪器相比，虚拟仪器具有性价比高、开放性好、智能化程度高、界面友好、使用方便、模块化和网络化的优点、在很多领域有取代传统仪器的趋势。1.2 波形发

11、生器的发展概况波形发生器是应用于测试设备、信号接收设备等装置中的一种波形函数信号源。早在20年代，当电子设备刚开始出现的时候，信号发生器就随着出现了。随着电子技术的巨大进步，波形发生器根据它的关键技术频率合成技术的角度，大致可以划分成三代。第一代的波形发生器采用的是直接模拟频率合成 (DireetAnalog Frequeneysynthesis，简称DAFs)技术。该技术原理简单，易于实现。它由模拟振荡器产生参考频率源，经谐波发生器产生一系列谐波，再经混频、分频和滤波等处理产生大量的离散频率。其结构如图1所示：图1 直接模拟频率合成框图根据所使用的参考频率的数目不同可分为非相关合成方法和相关

12、合成方法两种类型。非相关合成方法使用多个晶体参考频率源，所需的各种频率分别由这些参考源提供;相关合成方法只是用一个晶体参考频率源，所需的各种频率都由它经过分频、混频和倍频后得到，因而合成器输出频率的稳定性和精度与参考源一样。采用这种技术制作的函数发生器的优点是频率转换时间短、相位噪声低，但由于采用大量的混频、分频、倍频和滤波等模拟硬设备，使频率合成器的体积大、成本高、结构复杂、容易产生杂散分量，大多数硬件的非线性影响难于抑制。第二代的波形发生器采用的是模拟电路技术，其频率控制部分主要采用的是基于锁相环 (PhaseLockedLoop，简称PLL)的间接频合成技术。PLL是间接频率合成技术中的

13、一个关键部分，它是一个负反馈环路，是一个实现相位自动锁定的控制系统，其输出信号与参考信号相位同步。原理如图2所示。该频率合成技术是利用一个或几个参考频率源，通过谐波发生器和分频器等产生大量谐波或组合频率，然后用PLL把压控振荡器的频率锁定在某一谐波或组合频率上。这种波形发生器的优点是频率稳定和杂散抑制好，调试简便。但由分立组件构成的振荡电路和整形电路，在产生各种波形时，由于其锁相存在捕获时间问题，其频率切换速度比直接合成慢而且频率间隔不可能做的很小。采用这种技术的波形发生器电路结构复杂、体积庞大、准确度较差，而且仅能产生正弦波、方波、三角波等几种简单波形，难以产生较为复杂的波形信号。目前市场上

14、的基本属于第三代波形发生器，它们普遍采用的是DDS技术。DDs是从相位概念出发图2 锁相环原理框图直接合成所需要波形的一种新的频率合成原理。随着高速大规模集成电路技术的发展，DDS技术日益显露出它的优越性。基于DDS技术的任意波形发生器利用高速存储器作为查找表，通过高速D/A转换器对存储器的数据进行合成，它不仅可以产生正弦波、方波、三角波和锯齿波等规则波形，而且还可以通过上位机或下位机编辑，产生真正意义上的任意波形。例如，它能模拟编码雷达信号、潜水艇特征信号、磁盘数据信号、机械振动瞬变过程、电视信号以及神经脉冲类的波形，也能重演由数位示波器捕获的波形。其典型结构如图3所示：图3 直接数字频率合

15、成结构图采用DDS技术实现的任意波形发生器具有以下优点: （1）频率分辨率高，输出的频数点多，能够达到两个频点(假设DDS相位累加器的字长是N); （2）频率切换速度快，能达到微秒级; （3）频率切换时相位是连续的; （4）可以输出带宽正交信号; （5）输出相位噪声低，对参考频率源的相位噪声有改善作用; （6）能够产生任意波形; （7）全数字化实现，便于集成，体积小，重量轻。它在相对带宽、频率转换时间、相位连续、正交输出、高分辨率以及集成化等一系列性能指标方面，己远远超过了传统频率合成技术所能达到的水平，完成了频率合成技术的又一次飞跃。用这种方法产生线性调频信号及其它复杂波形信号的技术日益受到

16、重视，并得到广泛的应用。1.3 本文的主要内容 该论文介绍了虚拟仪器技术的概念和基本的设计理念，设计软件基于LabWIEW多功能信号发生器，能产生共同的正弦波，三角波，方波，锯齿波信号和一些任意的公式，并在已设计的基础上，增加了一个登录模块和一个按键音效以及登录音效，所以能在视觉和听觉上都是享受。本文主要内容可以概括如下： （1） 主要阐述了课题研究的背景、研究意义和本课程设计的主要研究工作。 （2）简述了近些年来在仪器的测试方面出现了的一个新型的仪器虚拟仪器及其概念、特点、发展现状和虚拟仪器的构建技术，同时本文也介绍了一个作用于虚拟仪器的开发的集成软件LabWIEW，以及LabWIEW VI

17、(Virtual Instrument)的概念以及还介绍了LabVIEW创建虚拟仪器的一般过程和方法。（3）对本论文所采用的一个图形化编程软件LabVIEW中实例对具体的编程方式、设计模式以及LabVIEW的特征和优点进行了一些简单介绍，这也是介绍本文为什么选用这个软件作为我的主要软件开发环境的原因。然后也结合一个多线程技术、同步控制等在我们开发实际中大量运用到的一个技术做一一的研究和介绍。（4）虚拟函数信号发生器的设计。本章主要三个部分，第一个部分介绍了我所设计的一个登陆模块及其所包含的7个子VI的构成和一些简介。第二部分为4个模块，分别介绍了基本函数波形产生模块、任意公式波形产生模块。第三

18、部分介绍了虚拟多功能函数信号发生器的总体设计思路及其流程图以及进行了仿真和测试，得出了仿真和测试结果。2 虚拟仪器技术本章对虚拟仪器技术的概念进行了深入的探究,并且对虚拟仪器软硬件的构成方案进行了仔细研究。在对比了各个方案的特点后的基础之上，再结合了自己的实际状况，最终确定了本文校准系统的硬件构成方案和使用什么软件开发平台作为自己的软件开发平台。2.1 虚拟仪器概述 虚拟仪器的概念以及起源。虚拟仪器(VirtualInstrumentation，VI)是电子测量技术和计算机技术更加紧密结合产生的一种新仪器模式，是指以通用计算机作为核心硬件平台，配以相应的硬件模块作为信号输入输出接口，利用仪器软

19、件开发平台在计算机的屏幕上虚拟出仪器的面板和相应的功能，通过鼠标或键盘交互式操作完成相应测试测量任务的仪器。在这种仪器系统中，硬件仅仅是为了解决信号的输入输出，软件才是整个仪器系统的关键，任何一个用户都可以通过改写软件的办法，方便地改变个增减仪器系统的功能，即“软件就是仪器”。 虚拟仪器的起源可以追溯到20世纪70年代，那时计算机测控系统在国防、航天等领域已经有了相当的发展。PC机出现以后，仪器的计算机化成为可能，甚至在Microsoft公司的Windows诞生之前，NI公司已经在Macintosh计算机上推出了LabVIEW2.0以前的版本，对虚拟仪器和LabVIEW长期、系统、有效的研究开

20、发使得该公司成为业界公认的权威。 普通的PC有一些不可避免的弱点。用它构建的虚拟仪器isl6531cr或计算机测试系统性能不可能太高。目前作为计算机化仪器的一个重要发展方向是制定了VXI标准，这是一种插卡式的仪器。每一种仪器是一个插卡，为了保证仪器的性能，又采用了较多的硬件，但这些卡式仪器本身都没有面板，其面板仍然用虚拟的方式在计算机屏幕上出现。这些卡插入标准的VXI机箱，再与计算机相连，就组成了一个测试系统。VXI是结合GPIB仪器和DAQ板的最先进技术而发展起来的高速、多厂商、开放式工业标准。VXI技术优化了诸如高速AlD转换器、标准化触发协议以及共享内存和局部总线等先进技术和性能，成为可

21、编程仪器的新领域，并成为电子测量仪器行业目前最热门的领域。现在，已有数百家厂商生产的上千种VXI产晶面市。但由于VXI仪器价格昂贵，后来又推出了一种较为便宜的PXI标准仪器。从而形成了仪器行业的两大主流仪器标准PXI和VXI。 虚拟仪器的特点与传统仪器相比，虚拟仪器有以下一些特点。（1）软件是核心。根据系统设计要求，在选定系统控制用计算机以及一些标准化的仪器硬件模块或板卡后，软件部分就成为构建和使用虚拟仪器的关键所在。其中，仪器驱动软件的功能是实现与仪器硬件的接口和通信，应用软件则完成用户定义的测试和仪器功能，并提供人机交互界面。在进行应用程序开发时，可以利用HPVEE、LabVIEW、I。a

22、bWindows/CVI等集成开发环境。可以看出，软件在虚拟仪器技术中占有十分重要的作用，NI公司提出的“软件就是仪器”(TheSoftwareistheInstrument)就是这一特点的形象概括。（2）灵活性和可扩展性。虚拟仪器打破了传统仪器由厂家定义功能和控制面板，用户没有办法更改的模式。仪器用户可根据自己不断变化的需求，自由发挥自己的想象力，方便灵活地重组测量系统，系统的扩展、升级可随时进行，而且系统更新的周期短、见效快，能充分地满足用户在不同场合的应用需求。（3）性价比高。虚拟仪器可以将茌传统仪器中一些由硬件完成的功能转为软件实现，减少了自动测试系统的硬件环节，降低了系统的开发成本和

23、维护成本；虚拟仪器能够同时对多个参数进行实时高效的测量，信号传输大部分采用数字信号的形式，数据处理也主要依赖软件来实现，大大降低了环境干扰和系统误差的影响；用户可以随时根据需要调整虚拟仪器的功能，实现一机多用。因此，使用虚拟仪器比传统仪器更经济。（4）良好的人机界面。虚拟仪器的操控界面是采用图形化编程技术实现的一种虚拟面板或称为软面板。虚拟面板可以模拟传统仪器面板的设计风格来设计，也可以由用户根据实际需求定制设计。测量结果可以通过计算机屏幕以曲线、图形、数据或表格等形式显示出来。（5）与其他设备互联的能力。虚拟仪器通常具备标准化的总线或通信接口，具有与其他设备互联的能力。例如，虚拟仪器能够通过

24、以太网与Internet相连，或者通过现场总线完成对现场设备监控和管理等。这种互联能力使虚拟仪器系统的功能显著增加，应用领域明显扩大。 虚拟仪器的发展趋势随着计算机、通信、微电子技术的不断发展，以及网络时代的到来和信息化要求的不断提高，网络技术应用到虚拟仪器领域中是虚拟仪器发展的大趋势。国内网络化虚拟仪器的概念目前还没有一个比较明确的提法，也没有一个被测量界广泛接受的定义。其一般特征是将虚拟仪器、外部设备、被测试点以及数据库等资源纳入网络，实现资源共享，共同完成测试任务。使用网络化虚拟仪器，可在任何地点、任意时刻获取数据信息的愿望成为现实。网络化虚拟仪器也适合异地或远程控制、数据采集、故障监测

25、、报警等。与以PC为核心的虚拟仪器相比，网络化虚拟仪器是仪器发展史上的一次革命。网络化虚拟仪器将由单台虚拟仪器实现的3大功能（数据获取、数据铃析及图形化显示）分开处理，分别使用独立的基本硬件模块实现传统仪器的两大功能，以网线相连接，实现信息资源的共享。2.2 虚拟仪器的系统构成 虚拟仪器由硬件设备与接口、设备驱动软件和虚拟仪器面板组成。其中，硬件设备与接口可以是各种以PC为基础的内置功能插卡、通用接口总线接口卡、串行口、VXI总线仪器接口等设备，或者是其它各种可程控的外置测试设备，设备驱动软件是直接控制各种硬件接口的驱动程序，虚拟仪器通常运用下层设备驱动软件和真正的仪表系统进行通信，能以虚拟仪

26、器面板的方式在电脑屏幕上显示与真实仪器面板操作元素相对应的各种控件。用户用鼠标操作虚拟仪器的面板就如同操作真实仪器一样真实与方便。2.2.1 虚拟仪器系统的硬件构成 虚拟仪器的硬件系统一般分为计算机硬件平台和测控功能硬件。计算机硬件平台可以是各种类型的计算机，如台式计算机、便携式计算机、工作站、嵌入式计算机等。它管理着虚拟仪器的软件资源，是虚拟仪器的硬件基础。因此，计算机技术在显示、存储能力、处理器性能、网络、总线标准等方面的发展，导致了虚拟仪器系统的快速发展。 按照测控功能硬件的不同，VI可分为DAQ、GPIB、VXI、PXI和串口总线五种标准体系结构，它们主要完成被测输入信号的采集、放大、

27、模/数转换。2.2.2 虚拟仪器系统的软件构成测试软件是虚拟仪器的主心骨。NI公司在提出虚拟仪器概念并推出第一批实用成果时，就用软件就是仪器来表达虚拟仪器的特征，强调软件在虚拟仪器中的重要位置。NI公司从一开始就推出丰富而又简洁的虚拟仪器开发软件。使用者可以根据不同的测试任务，在虚拟仪器开发软件的提示下编制不同的测试软件，来实现当代科学技术复杂的测试任务。在虚拟仪器系统中用灵活强大的计算机软件代替传统仪器的某些硬件，特别是系统中应用计算机直接参与测试信号的产生和测量特性的分析，使仪器中的一些硬件甚至整个仪器从系统中消失，而由计算机的软硬件资源来完成它们的功能。虚拟仪器测试系统的软件主要分为以下

28、四部分。（1）仪器面板控制软件。仪器面板控制软件即测试管理层，是用户与仪器之间交流信息的纽带。利用计算机强大的图形化编程环境，使用可视化的技术，从控制模块上选择你所需要的对象，放在虚拟仪器的前面板上。（2）数据分析处理软件。利用计算机强大的计算能力和虚拟仪器开发软件功能强大的函数库可以极大提高虚拟仪器系统的数据分析处理能力，节省开发时间。（3）仪器驱动软件。虚拟仪器驱动程序是处理与特定仪器进行控制通信的一种软件。仪器驱动器与通信接口及使用开发环境相联系，它提供一种高级的、抽象的仪器映像，它还能提供特定的使用开发环境信息。仪器驱动器是虚拟仪器的核心，是用户完成对仪器硬件控制的纽带和桥梁。虚拟仪器

29、驱动程序的核心是驱动程序函数/VI集，函数/VI是指组成驱动的模块化子程序。驱动程序一般分为两层，底层是仪器的基本操作，如初始化仪器配置仪器输入参数、收发数据、查看仪器状态等。高层是应用函数/VI层，它根据具体测量要求调用底层的函数/VI。（4）通用I/O接口软件。在虚拟仪器系统中，I/O接口软件作为虚拟仪器系统软件结构中承上启下的一层，其模块化与标准化越来越重要。VXI总线即插即用联盟，为其制定了标准，提出了自底向上的I/O接口软件模型即VISA。作为通用I/O标准，VISA具有与仪器硬件接口无关性的特点，即这种软件结构是面向器件功能而不是面向接口总线的。应用工程师为带GPIB接口仪器所写的

30、软件，也可以于VXI系统或具有RS232接口的设备上，这样不但大大缩短了应用程序的开发周期，而且彻底改变了测试软件开发的方式和手段。2.3 虚拟仪器软件开发平台 虚拟仪器是一类软件化的仪器，核心概念是软件就是仪器，而应用软件开发系统设计虚拟仪器所必须的软件工具。目前，较流行的虚拟仪器软件开发系统大致可以分为三类： 第一类：图形化编程语言，代表性的有LabVIEW,HPVEE等； 第二类：文本式的编程语言，如C,Visual C+,LabWindows/CVI; 第三类：零编程开发系统，具有代表性的式VMIDS框架协议系统图形化的编程语言，这是我国自己开发的软件开发系统，它具有编程简单、直观、开

31、发效率高的特点。 目前市面上能够见到的开发系统，基本上都可以归为以上三类之一。这三类各有优缺点，也是目前在市面上都存在的原因。谁也取代不了谁。文本式编程语言具有编程灵活、运行速度快等特点，但他需要很深厚的编程功底，需要记忆很繁琐的文本语言，编程开发过程不是任何人都可以掌握的，不适合与那些没有语言功底的工程师和科学家，而图形化编程地出现正式弥补着文本变成的缺陷，把枯燥的写代码过程变成了把各种图形控件用连线连接起来的具有趣味性的图形化编程活动，但也不是不需要编程的，使用图形化编程语言的人，并不像文本编程者那样，需要很深厚的编程功底，但也不是说不用编程，而我国自己开发的VMIDS框架协议开发系统用户

32、是不需要编程，就能组建自己所需要的仪器。以下就几种典型的开发系统做一简单的介绍。 （1）LabVIEW是图形化的仪器编程环境，提供显示和控制对象，如表头、旋钮、图表等。内置高效的程序编译器编译方式运行32位应用程序 ，内置代码评估器。 灵活的程序调试手段可设断点 ，探针，高亮，单步。支持各种数据采集与仪器通信应用支持 ISA、EISA、PCI、PCMCIA和MacintoshNuBus等各种总线 。功能强大的数据处理和分析函数库包括数值函数、字符串处理函数、数据运算函数和文件I/O函数，还包括概率与统计、回归分析、线性代数、信号处理、数字滤波器、窗函数、三维图形处理等高级分析函数。 支持多种系统平台可在LabVIEW平台上调用其他软件平台编译的模块。开放式的开发平台网络功能面向对象技术。 （2）LabWindows/CVI采用事件驱动与回调函数编程，集成化开发平台，支持多种总线，支持数据处理和分析功能，提供格式化I/O库、Analysis库、Advanced Analysis库、ANSI C库