基于LabVIEW的虚拟信号发生器和虚拟示波器.docx
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基于LabVIEW的虚拟信号发生器和虚拟示波器
毕业论文
基于LabVIEW的虚拟信号发生器和虚拟示波器
学生姓名:
学号:
测控技术与仪器
学院:
专业:
指导教师:
2015年6月
基于LabVIEW的虚拟信号发生器和虚拟示波器
摘要
随着电子计算机技术和软件开发技术的日新月异,电子计算机在数据的实时分析和处理,显示,存储等方面的优势与传统的仪器相比越来越明显。
与此同时,随着计算机性价比的不断提升,传统仪器的价格又长期居高不下,再加上传统仪器的功能单一,发展虚拟仪器已经成为一个不可阻挡的历史潮流。
本课题在掌握了虚拟仪器的基本结构及信号处理的相关知识基础之上,设计了虚拟信号发生器和虚拟示波器。
对虚拟仪器的概念,结构,发展趋势进行了相关分析。
虚拟仪器主要由硬件和软件两个部分构成。
本文对虚拟示波器的硬件即数据采集卡进行了介绍,对其软件部分进行了详细研究。
在此基础上完成了数据采集模块、滤波模块、测量模块、显示模块的设计。
关键词:
虚拟仪器,虚拟示波器,数据采集,虚拟信号发生器
ThevirtualsignalgeneratorandthevirtualoscilloscopesignalbasedonLabVIEW
Abstract
Alongwiththecomputertechnologyandsoftwaredevelopmenttechnologychangeswitheachnewday,theelectroniccomputerinreal-timedataanalysisandprocessing,display,storage,andotheraspectsoftheadvantagesandthetraditionalinstrumentsismoreandmoreobviousthan.Atthesametime,alongwiththecomputercost-effectiverising,traditionalinstrumentsandhighpricesforalongtime,plusthetraditionalinstrumentssinglefunction,thedevelopmentofvirtualinstrumenthasbecomeanirreversiblehistoricaltrend.
Thistopicinthemasterthebasicstructureofvirtualinstrumentandsignalprocessingknowledgefoundation,designedasetofvirtualoscilloscopeandfunctionsignalgenerator.Ontheconceptofvirtualinstrument,structure,developmenttrendforthecorrelation analysis.Virtualinstrumentmainlybythehardwareandsoftwaretwo parts.Inthispaper,thevirtualoscilloscopehardwaredataacquisitioncardnamelyinitial,introducesthesoftwareofarestudied.Basedontheanalysisofspectrumfinishedmodule,storagemodule,displaymodule.
Key words:
virtualinstrument,virtualoscilloscope,datacollection,functionsignalgenerator.
目录
1绪论1
1.1课题研究的概述1
1.1.1虚拟仪器的产生背景1
1.1.2虚拟仪器的研究意义1
1.1.3虚拟仪器的构成2
1.1.4虚拟仪器的优点5
1.2国内外的研究现状及发展趋势6
1.2.1虚拟仪器的研究现状6
1.2.2虚拟仪器的发展趋势7
1.3本课题的主要研究内容8
2LabVIEW简介9
2.1LabVIEW的简介9
2.2LabVIEW应用程序的构成9
2.2.1前面板10
2.2.2流程图10
2.3LabVIEW中的操作模版10
2.3.1工具选板10
2.3.2控制选板11
2.3.3函数选板11
2.4LabVIEW中的程序调试11
2.4.1找出语法错误11
2.4.2高亮模式11
2.4.3断点与单步执行12
2.4.4探针12
3数据采集及数据采集卡简介13
3.1数据采集13
3.1.1数据采集的概念13
3.1.2数据采集的目的13
3.2数据采集卡13
3.2.1数据采集卡的外观13
3.2.2数据采集卡功能14
3.3数据采集卡驱动的安装与设置15
4LabVIEW的软件设计17
4.1虚拟仪器的创建17
4.2虚拟仪器的创建步骤17
4.3设计用户界面17
4.4设计程序17
4.5程序测试18
5虚拟信号发生器的设计19
5.1前面板的设计19
5.1.1前面板的外观19
5.1.2前面板的设置步骤19
5.2程序框图的设计20
5.2.1程序框图20
5.2.2程序框图的设计步骤22
5.3配置的设计25
5.3.1配置的前面板25
5.3.2配置的程序设计26
5.3.3程序框图的设计步骤26
5.4设备的连接与调试27
5.5波形的显示28
5.5.1正弦波28
5.5.2锯齿波28
5.5.3方波29
5.5.4三角波29
6虚拟示波器的设计30
6.1前面板的设计30
6.1.1前面板的外观30
6.1.2前面板的设置步骤31
6.2程序框图的设计31
6.2.1程序框图31
6.2.2程序框图的设计步骤32
6.3设备的连接与调试33
6.4波形的显示35
6.4.1正弦波35
6.4.2三角波35
6.4.3方波36
结论36
参考文献37
致谢39
1绪论
1.1课题研究的概述
1.1.1虚拟仪器的产生背景
随着电子技术及计算机技术的快速发展,测试仪器正由传统的硬件仪器向以计算机为平台的测控仪器方向发展。
虚拟仪器是计算机技术、现代测量技术与仪器仪表技术不断发展的产物。
是由美国国家仪器公司提出的,由计算机硬件资源,模块化仪器硬件和用于数据分析、过程通信及图形用户界面的软件组成的测控系统[1]。
虚拟仪器通过应用程序将计算机与功能化硬件结合起来,用户可以利用计算机软件设计图形化界面来模拟仪器面板,用程序控制信号的采集、分析、显示、存储和输出等,实现真实仪器的功能[2]。
基于LabVIEW软件进行了虚拟信号发生器和示波器的开发,利用软件即是仪器的特性,实现了传统仪器的相关功能。
虚拟仪器的概念最初是由美国国家仪器公司(NationalInstrumentsCorp,简称NI)于1986年提出,NI公司在80年代研制和推出了许多总线系统的虚拟仪器,后来美国HP公司、Tektronic公司、Racal公司也在此方面有了很多进展[3]。
虚拟仪器在国外发展很快,以NI公司为首的很多公司已经在市场上推出了大量基于虚拟仪器技术的电子仪器产品。
据“世界仪表及自动化”杂志预测,虚拟仪器在21世纪中期将占到仪器市场50%左右的份额。
虚拟仪器在本世纪发展很快,大有取代传统仪器的趋势。
1.1.2虚拟仪器的研究意义
虚拟仪器技术是当今计算机技术和新仪器技术相结合的产物,是现代测试技术与系统的发展趋势。
利用在LabVIEW环境下设计的虚拟仪器可以方便快捷实现对电压信号的采集、分析、数据存储与回放,取得了较好的效果。
随着虚拟仪器技术的发展,加上信号处理方法越来越成熟,其在日常方面的应用将会越来越受到重视。
LabVIEW近年来,世界很多公司推出了不少虚拟仪器软件开发平台,使仪器的使用者可以开发组建自己需要的虚拟仪器。
其中,比较具有代表性的是NI公司LabVIEW平台和Labwindows/CVI平台。
相比而言,Labwindows是为熟悉C语言的传统软件开发人员所设计的[4]。
虚拟仪器(VirtualInstrument)是基于个人电脑的测控设备或系统,它通常由计算机、测控电路模块和专门应用软件组成,通过人机交换来完成对信号的采集、分析、处理和显示。
虚拟仪器具有性能高、功能强、操作方便、自动化程度高、开发周期短,以及易于实现软硬件的系统集成和构建多用途的测控系统等优点。
LabVIEW是由美国NI公司开发的图形化编程开发平台,它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受,被公认为是标准的数据采集和仪器控制软件。
使用图形化编程语言编写程序,提供了用于GPIB设备控制、VXI总线控制、串行口设备控制、数据分析、显示和存储的应用程序模块,支持传统的程序调试手段,支持TCP/IP等网络通信协议,且易学易用,开发速度快,功能强大[5]。
LabVIEW中提供了工具模板、控件模板和函数模板3个操作模板来完成程序的创建[6]。
在LabVIEW环境下开发的应用程序称之为VI(VirtualInstru--ment)。
VI是LabVIEW的核心,由前面板和相当于源代码功能的程序框图后面板组成。
前面板就像虚拟仪器的用户接口,有实际仪器的面板,界面上有交互式的输入和输出类控件。
LabVIEW内部集成了大量的生成图形界的模板和组成一个仪器所需的主要部件。
后面板称程序框图、代码窗口或流程图,是VI图形化程的源程序[7]。
在程序框图中对VI编程,以控制和操定义在前面板的输入和输出等功能,主要包括前板上的连线端子,还有一些前面板上没有编程但须有的对象,如函数、结构和连线等。
LabVIEW前面板用于设计输入数值和观察输出量。
由于程序前面板是模拟真实仪器的面板,输入量被称为Controls,输出量被称为Indicators。
用户可以从控制工具中选用许多图板,如旋钮、开关、按键、数字显示、显示器、图表等。
当完成设后只需在程序执行时按一下开关,拨动一下旋钮,就可以完全操控整个仪器。
1.1.3虚拟仪器的构成
虚拟仪器从构成要素上讲,由计算机、应用软件和仪器硬件等构成;从构成分式上讲则由以DAQ板和信号调理为仪器硬件而组成的PC-DAQ测试系统,或已GPIB、VXI、Serial和Fieldbus等标准总线仪器为硬件组成的GPIB系统、VXI系统、串口系统和现场总线系统等多种形式。
虚拟仪器的构成如图1.1所示[8]。
图1.1虚拟仪器的结构
目前,虚拟仪器的构成方式有以下几种[9]:
(1)PC-DAQ插卡式的VI
这种方式用数据采集卡配以计算机平台和虚拟仪器软件,便可构成各种数据采集和虚拟仪器系统。
它充分利用了计算机的总线、机箱、电源以及软件的便利,其关键在于A/D转换技术。
这种方式受PC机机箱、总线限制,存在电源功率不足,机箱内噪声电平较高、无屏障,插槽数目不多、尺寸较小等缺点。
随着基于PC的工业控制计算机技术的发展,PC-DAQ方式存在的缺点已经和正在被克服。
因个人计算机数目非常庞大,插卡式仪器价格便宜,因此其用途广泛,特别适用于工业测控现场、各种实验室和教学部门使用。
(2)并行口式的VI
最新发展的可连接到计算机并行口的测试装置,其硬件集成在一个采集盒里或探头上,软件装在计算机上,可以完成各种VI功能。
它的最大好处是可以与笔记本计算机相连,方便野外作业,又可与台式PC相连,实现台式和便携式两用,非常方便。
(3)GPIB总线方式的VI
GPIB(GeneralPurposeInterfaceBus)技术是IEEE488标准的VI早期的发展阶段。
它的出现使电子测量由独立的单台的手工操作向大规模自动测试系统发展。
典型的GPIB系统由一台PC机,一块GPIB接口卡和若干台GPIB仪器通过GPIB电缆连接而成。
在标准情况下,一块GPIB接口卡可带多达14台的仪器,电缆长度可达20m。
GPIB技术可以用计算机实现对仪器的操作和控制,代替传统的人工操作方式,很方便的把多台机器组合起来,形成大的自动测试系统。
GPIB测试系统的结构和命令简单,造价较低,主要市场在台式仪器市场。
适用于精确度要求高,但对计算机速率要求和总线控制实时性要求不高的场合应用。
(4)VXI总线方式的VI
VXI总线是VMEbuseXtensionforInstrumentation的缩写,是高速计算机总线VME在VI领域的扩展,有稳定的电源,强有力的冷却能力和严格的RFI/EMI屏蔽。
由于它的标准开放,且具有结构紧凑、数据吞吐能力强、定时和同步精确、模块可重复利用、众多仪器厂家支持的优点,得到广泛的应用。
经过多年的发展,VXI系统的组建和使用越来越方便,有其他仪器无法比拟的优势,适用于组建大、中规模自动测量系统以及对速度、精度要求高的场合,但VXI系统要求有专用的机箱、零槽管理器及嵌入式控制器,造价比较高。
(5)PXI总线形式的VI
PXI总线是PCIeXtensionforInstrumentation的缩写,是PCI在VI领域的扩展。
这种新型模块化仪器系统是在PCI总线内核技术上增加了成熟的技术规范和要求形成的,具有多板同步触发、精确定时的星形触发、相邻模块间高速通讯的局部总线以及高度的可扩展性等优点,适用于大型高精度集成系统。
(6)网络接口方式的VI
尽管Internet技术最初并没有考虑如何将嵌入式智能仪器设备连接在一起,不过NI等公司已经开发了通过Web浏览器观测这些嵌入式仪器设备的产品,使人们可以通过Internet操作仪器设备。
根据虚拟仪器的特性,我们能够方便的将虚拟仪器组成计算机网络。
利用计算机网络将分散在不同地理位置不同功能的设备联系在一起,使昂贵的硬件设备、软件在网络上得以共享,减少了设备重复投资。
现在,有关MCN(MeasurementandControlNetworks)方面的标准正在积极进行,并取得一定的进展。
由此可见,网络化虚拟仪器将具有广泛的应用前景。
(7)USB接口方式的VI
UniversalSerialBus(USB)因为其在PC机上的广泛使用、即插即用的易用性和USB2.0高达480Mbits/s的传输速率,逐渐的成为仪器控制的主流总线技术。
现在计算机上的USB接口越来越多,也使得工程师可以很方便的将基于USB的测量仪器连接到整个系统中。
但是USB在仪器控制方面上亦有一些缺点。
比如说USB的排线没有工业标准的规格,在恶劣的环境下,可能造成数据的丢失,此外,USB对排线的距离也有一定的限制。
无论哪种VI系统,都是将仪器硬件搭载到笔记本电脑,台式微机和工作站等各种计算机平台加上应用软件而构成的。
1.1.4虚拟仪器的优点
一台性能优良的虚拟仪器不仅可以实现传统仪器的大部分功能,而且在许多方面有传统仪器无法比拟的优点,如使用灵活方便、功能丰富、价格低廉、可一机多用、可重复开发等。
与传统仪器相比虚拟仪器主要有以下几个优点:
(1)融合了计算机强大的硬件资源,突破了传统仪器在数据处理、显示、存储等方面的限制,大大增强了传统仪器的功能。
而且高性能处理器、高分辨率显示器、大容量硬盘等已成为虚拟仪器的标准配置。
(2)利用计算机丰富的软件资源,一方面,实现了部分仪器硬件的软件话,节省了物质资源,增加了系统的灵活性;一方面,通过软件技术和相应的数值算法、实时、直接的对测量数据进行各种分析和处理;另一方面,通过图形用户界面(Graph User Interface)技术,真正做到界面友好,人机交互。
(3)基于计算机总线和模块化仪器总线,使仪器的硬件实现了模块化、系列化,大大缩小了系统的尺寸,可方便的构建模块化仪器(Instrumentona Card)。
(4)基于计算机网络技术和接口技术,使VI系统具有方便、灵活的互联能力,广泛支持诸如CAN,Field Bus,PROFIBUS等各种工业总线标准。
因此,利用VI技术可方便的构建自动测试系统(ATS,AutomaticTestSystem),实现测量、控制过程的网络化。
(5)基于计算机的开放式标准体系结构。
虚拟仪器的硬、软件都具有开放性、模块化、可重复使用及互换性等特点。
因此,用户可以根据自己的需要选择不同厂家的产品,使仪器系统的开发更为灵活、效率更高,缩短了系统组建和维修的时间。
下表是虚拟仪器与传统仪器的比较[10]。
表1.1虚拟仪器与传统仪器的比较
虚拟仪器
传统仪器
开放、灵活,可与计算机技术保持同步发展
封闭性、仪器间相互配合较差
关键是软件,系统性能升级方便,通过网络下载升级程序即可
关键是硬件,升级成本较高,且升级必须上门服务
价格低廉,仪器间资源可重复利用率高
价格昂贵,仪器间一般无法相互利用
用户可定义仪器功能
只有厂家能定义仪器功能
可以与网络及周边设备方便互连
与其他设备仪器的连接十分有限
软件使得开发和维护费用降至最低
开发和维护开销高
技术更新周期短(1-2年)
技术更新周期长(5-10年)
数据可编辑、存储、打印
数据无法编辑
1.2国内外的研究现状及发展趋势
1.2.1虚拟仪器的研究现状
从虚拟仪器概念提出至今,有关虚拟仪器技术的研究方兴未艾。
研究人员在虚拟仪器硬件接口、虚拟仪器软件及其设计方法等方面做了许多有意义的研究工作,并已开发了许多实用的虚拟仪器系统。
各种虚拟仪器开发平台为虚拟仪器的推广应用奠定了基础。
美国NI公司在虚拟仪器概念出现以后,推出了图形化虚拟仪器专用开发平台LabVIEW。
这种平台采用独特的图形化编程方式,编程过程简单方便,是目前最受欢迎的虚拟仪器主流开发平台。
为了兼顾其他高级语言软件开发者的习惯,还推出了LabWindows/CVI、Componentworks等交互式开发平台[11]。
美国HP公司的HPVEE、Tektronis公司的EzTest和TekTNS以及美国HEMData公司的Snap-Marter平台软件,也是国际上公认的优秀虚拟仪器开发平台[12]。
在国内,西安交大韩九强等采用面向对象技术研究了可组态生成不同虚拟仪器的可视化虚拟仪器软件开发平台[13],重庆大学秦树人等提出了虚拟仪器产品的网络化开发方法[15]。
软件工程领域的新方法新理论在虚拟仪器设计中得到广泛应用。
面向对象技术(ObjectOriented)、ActiveX技术、组件技术(ComponentObjectModel,COM)等被广泛用来进行虚拟仪器的测试分析软件和虚拟界面(控件)软件设计,出现了许多数据处理高级分析软件和大量的仪器面板控件,这些软件为快速组建虚拟仪器提供了良好的条件[14]。
在1998年9月成立了IVI(InterchangeableVirtualInstrument)基金会。
IVI基金会是最终用户、系统集成商和仪器制造商的一个开放的联盟。
目前,该组织已经制订了示波器/数字化仪、数字万用表、任意波形发生器/函数发生器、开关/多路复用器/矩阵及电源等五类仪器的规范.IVI制订的虚拟仪器统一规范,提升了仪器驱动软件标准化水平[16]。
虚拟仪器网络化、智能化初见端倪伴。
随网络技术的高速发展,出现了以网络为基础、虚拟仪器为核心的/虚拟实验室(VirtualLaboratory)的概念。
目前,虚拟实验室已成功地应用于许多大型实验室的实验研究和高等学校的实验教学。
在人工智能研究的影响下,人们开始关注如何提高虚拟仪器的智能化水平。
重庆大学秦树人等提出的智能化控件的思想,通过具有一定智能的多功能控件提高虚拟仪器灵活性[16];该文作者提出了基于实例推理的虚拟仪器设计方法,通过对设计实例的查询、检索和适应、修改,实现软件资源的重用,提高虚拟仪器的设计效率[17]。
采用接口总线组建复杂虚拟仪器系统。
虚拟仪器的突出成就不仅是可以利用PC机组建成为灵活的虚拟仪器,更重要的是它可以通过各种不同的接口总线,组建不同规模的自测试系统。
目前虚拟仪器系统开发采用的总线包括传统的RS232串行总线、GPIB通用接口总线、VXI总线,以及已经被PC机广泛采用的USB通用串行总线和IEEE1394总线(Firewire)。
美国NI公司在1997年9月1日推出模块化仪器的主流平台PXI,这是与CompactPCI完全兼容的系统。
这种虚拟仪器模块化主流平台PXI/Compact,PCI的传输速度已经达到100Mb/s,是目前已经发布的最高传输速度[1]。
1.2.2虚拟仪器的发展趋势
虚拟仪器正在继续迅速发展。
它可以取代测量技术在传统领域的各类仪器。
虚拟仪器在组成和改变仪器的功能和技术性能方面具有灵活性和经济性,因而特别适应于当代科学技术迅速发展和科学研究不断深化所提出的更高跟新的测量课题和测量需要。
“没有测量就没有鉴别,科学技术就不能前进。
”虚拟仪器将会在科学技术的各个领域得到广泛的应用。
图形化编程平台的进一步发展和完善是虚拟仪器发展的一个重要方向。
如何使用户进行少量的学习甚至不需要学习就可使用功能强大的虚拟仪器,如何使用构成简单的虚拟仪器系统并完成复杂的测试内容,如何帮助用户对测试结果进行分析和判断等内容,是虚拟仪器技术努力的方向[18]。
我国还基本处于传统仪器与计算机化仪器互相分离的状态,世界各大相关的产品商家都在向中国这个巨大的市场进军。
结合我国的实际情况,我们必须走引进与自行开发相结合的道路。
一方面,大力引进国外虚拟仪器方面的生产技术;另一方面,发展基于计算机的插卡式硬件模块为主的测控技术,发展图形化平台的软件产品,充分利用我们现有的计算机及测控技术硬件,缩短与国际先进水平的差距。
VXI总线将成为未来虚拟仪器的理想硬件平台,这是由VXI总线的性能决定的;另一方面,基于PCI-DAQ的虚拟仪器系统由于性价比高、灵活性好而受到大多数用户的青睐,将得到高速的发展。
随着计算机硬件、软件技术的迅速发展,虚拟仪器将向高性能、多功能、集成化、网络化方向发展。
1.3本课题的主要研究内容
本文在虚拟仪器基本知识的基础上,用LabVIEW程序设计,最后将进行系统联调和试验。
综上所述,本文主要阐述和研究的内容如下:
(1)完成基于LabVIEW的虚拟信号发生器和虚拟示波器的软件设计。
(2)掌握LabVIEW软件进行编程,编写的源程序准确无误并能完成要求,设计的
前面板简洁、大方、操作方便。
(3)了解NIUSB-6009数据采集卡的属性,并掌握与PC端的连接以及波形的调
试。
(4)虚拟信号发生器可以输出正弦波、方波、三角波等信号。
(5)虚拟示波器要求实现波形显示、测量、波形数据分析处理。
2LabVIEW简介
2.1LabVIEW的简介
LabVIEW
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