基于labvIEW的虚拟仪器信号发生器的设计.docx
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基于labvIEW的虚拟仪器信号发生器的设计
摘要
随着计算机软、硬件的发展，计算机与外设之间的数据通信越来越频繁，也越来越便利，虚拟仪器应运而生。
从本质上来说，虚拟仪器是仪器技术与计算机技术深层次结合的产物，它强调“软件是仪器”的概念，使用户能够根据自己的需要定义仪器功能，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硬件平台。
本文就是在这个通用信号处理硬件平台，进行了基于LABVIEW的虚拟函数信号发生器的设计，设计基于LabWIEW软件的虚拟函数信号发生器（能够产生实验室常用的正弦波、三角波、方波、锯齿波信号及白噪声和多频波，任意公式波），并在以设计好的虚拟信号发生器的基础上对所产生的信号做自相关分析，积分，微分分析及相应的频谱分析。
关键词：
虚拟仪器；Labview；虚拟函数信号发生器
参考文献33
致谢34
附录…………………………………………………………………………….…..35
附件
附件1开题报告（文献综述）
附件2译文及原文影印件
第1章绪论
1.1课题背景及意义
虚拟仪器在许多企业、科研单位被用于产品测试和测控系统，另外，包括一些著名高校在内的许多学校不仅建立了基于虚拟仪器的实验室，而且还开设了LabVIEW编程的课程。
例如清华大学汽车系利用虚拟仪器技术构建的汽车发动机检测系统，用于汽车发动机的出厂检验，主要检测发动机的功率特性、负荷特性等华中理工大学机械学院工程测试实验室将其虚拟实验室成果在网上公开展示，供远程教育使用四川联合大学基于虚拟仪器的设计思路，研制了“航空电台二线综合测试仪”，将台仪器集成于一体，组成虚拟仪器系统复旦大学、上海交通大学、广州暨南大学等一批高校，也开发了一批新的虚拟仪器系统用于教学和科研。
国内专家预测未来的几年内，我国将有的仪器为虚拟仪器。
国内将有大批企业使用虚拟仪器系统对生产设备的运行状况进行实时检测。
随着微型计算机的发展，虚拟仪器将会逐步取代传统的测试仪器而成为测试仪器的主流。
虚拟仪器技术的提出与发展，标志着二十一世纪自动测试与电子测量仪器领域技术发展的一个重要方向。
虚拟仪器技术为教学双方都提供了很好的舞台。
其内容新，反映了当前测量技术的发展方向；涉及面广，包括数学、物理、电工电子技术、计算机软硬件、信号处理及相关专业的测试技术。
它要求学生在理论与实际结合的基础上解决一两个测试问题，同时为学生的创造性学习提供充分的空间[1]。
目前，我国正处于科学技术蓬勃发展的新时期，对仪器设备的需求将更加强劲。
虚拟仪器赖以生存的计算机近几年正以迅猛的势头席卷全国，这为虚拟仪器的发展莫定了基础。
虚拟仪器作为传统仪器的替代品，市场容量巨大。
据专家预测，到本世纪初我国将有的仪器为虚拟仪器。
发达国家虽然在此领域比我国起步较早，但差距并不是很大，我们应当充分把握时机，取长补短，学习国外先进经验，将我国的虚拟仪器产业水平逐渐向先进国家靠拢。
1.2波形发生器的发展概况
波形发生器是应用在测试设备、信号接收设备等装置中的一种信号源。
早在二十年代，当电子设备刚开始出现的时候，信号发生器就出现了。
随着电子技术的巨大进步，波形发生器根据其关键技术—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（DireetAnalogFrequeneysynthesis，简称DAFs）技术[2]。
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1.1所示：
图1.1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[2J[，J[4j。
PLL是间接频率合成技术中的一个关键部分，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1.2所示。
图1.2锁相环原理框图
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。
目前市场上的基本属于第三代波形发生器，它们普遍采用的是DDS技术[5][6]。
DDs是从相位概念出发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之类的波形，也能重演由数位示波器捕获的波形。
其典型结构如图1.3所示：
图1.3直接数字频率合成结构图
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，输出频点多，可达2“个频点（假设DDS相位累加器的字长是N）;
2、频率切换速度快，可达us量级;
3、频率切换时相位连续;
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、可以产生任意波形;
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重视，并得到广泛的应用。
[3]
1.3本文主要论文
本文主要阐述虚拟仪器技术的概念和基本设计思路，设计基于LabWIEW软件的虚拟函数信号发生器（能够产生实验室常用的正弦波、三角波、方波、锯齿波信号及白噪声和多频波，任意公式波），并在以设计好的虚拟信号发生器的基础上对所产生的信号做自相关分析，积分，微分分析及相应的频谱分析。
第1章.主要阐述了课题研究的背景、研究意义以及本文的主要研究工作。
第2章.叙述了近年来在仪器测试领域内出现的新型仪器—虚拟仪器的概念、特点、发展现状及构建技术，同时介绍了用于虚拟仪器开发的集成软件LabWIEW，以及VI（VirtualInstrument）的概念LabVIEW创建仪器的一般过程
第3章.对本文采用的编程软件La合实例对LabVIEW中具体的编程方式、设计模式以及bVIEW的特征进行简单介绍，这也是本文选用该软件作为主要软件开发环境的原因。
然后结多线程技术、同步控制等在我们开发实际中运用到的技术做一一的研究和介绍。
第4章.虚拟函数信号发生器的设计。
本章主要二个部分。
第一个部分分为八个模块，分别介绍了基本函数波形产生模块多频信号产生模块、任意公式波形产生模块、噪声信号产生模块、正弦波仿真信号发生器模块、自相关函数演示模块、虚拟正弦波频谱分析仪模块、虚拟积分器与微分器模块。
第二个部分介绍了虚拟函数信号发生器总体设计思路及其流程图。
第2章虚拟仪器技术
本章将对虚拟仪器技术概念进行深入探讨,对虚拟仪器软硬件构成方案进行研究。
在对比各方案特点的基础上，结合实际情况，确定本文校准系统的硬件构成方案以及使用的软件开发平台的选择。
2.1虚拟仪器概述
什么是虚拟仪器（VirtualInstrument），国外专家从不同角度描述了虚拟仪器，总的来说，虚拟仪器是指通过应用程序将计算机与功能化模块硬件结合起来，用户可以通过友好的图形界面来操作这台计算机，就像在操作自己定义、自己设计的一台单个仪器一样，从而完成对被测试量的采集、分析、判断、显示、数据存储等。
因为虚拟仪器是以计算机为核心、在Windows等操作系统平台上运行的，所以它具有一机多功能的特点，可以同时运行多个软件，当作多种仪器使用，此类具有多功能的仪器系统称之为虚拟集成仪器系统[4]。
虚拟仪器是计算机技术和仪器技术结合的产物。
它把计算机、仪器硬件、固件与计算机软件结合起来。
除继承传统仪器的已有功能外，还增加了许多传统仪器所不能及的先进功能。
虚拟仪器的最大特点是其灵活性。
用户在使用过程中可以根据需要添加或删除仪器功能，以满足各种需求和各种环境，并且能充分利用计算机丰富的软硬件资源，突破了传统仪器在数据处理、表达、传送、存储方面的限制。
一个仪器通常由数据采集与控制、数据分析和处理、结果显示三部分组成。
对于传统仪器，三个部分几乎均由硬件完成；对于虚拟仪器，后两部分主要由软件实现。
与传统仪器相比，虚拟仪器设计日趋模块化、标准化，设计工作量、复杂性大大减小。
传统的电子仪器是自封闭的系统，它具有信号输入、输出的能力，并有固定的用户界面，比如：
输入、输出信号接插件、旋钮、按钮、显示仪表、显示面板等。
一个仪器包括传感器、信号处理器、A/D转换器、微处理器、存储器和内部总线等专门化的电路。
通过这些电路来转换、测量、分析实际信号，并将结果以各种方式显示。
然而，有时为了构成具有一定功能的系统，配置了一套仪器，但对其中的某些仪器，只用到了其中一部分功能，而将它作其他功能使用时，却不具备或达不到所需指标。
如另配置一套仪器，不断效率不高，而且价格高。
要是能将原有的仪器稍加改动,就可以扩大其使用范围。
但是传统的仪器功能是由制造商决定的，用户不能任意更改，用户如按自己的要求定制仪器需要昂贵的价格。
虚拟仪器概念的提出是仪器发展史上的一场革命，代表着仪器发展的最新方向和潮流。
以下是传统测试仪器和虚拟仪器的一个比较：
表2-1传统仪器与虚拟仪器对照表
传统仪器
虚拟仪器
开发和维护费用高
基于软件体系的结构，大大节省开发和维护的费用
功能由仪器厂商定义
功能由用户自己定义
于其他仪器设备的连接十分有限
面向应用的系统结构，可以方便地与外设、网络或其他应用连接
数据无法编辑数
数据可编辑、存储、打印
硬件是关键部分
软件是关键部分
价格昂贵
价格低廉（是传统价格的五至十分之一）
技术更新慢（5—10年）
技术更新快（一般1—2年）
系统封闭、功能固定、扩展性低
基于计算机技术开发的功能模块可构成多种仪器
正是因为意识到了虚拟仪器的诸多优点及传统仪器的一些弊端，所以，我们计划开发了这样一台基于LabVIEW（美国NI公司）的多功能虚拟数字发生器。
其集成了示波，，动态/静态波形分析，频谱分析，频率计，波形参数分析，信号发生，以及远程示波等功能。
在示波功能上，除了对波形的精确显示外，还的波形参数进行了显示和对其时域信号、频域信号进行了分析。
2.2虚拟仪器的硬件系统构成方案
虚拟仪器与传统仪器最大不同就是不仅可以利用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，组建不同规模的自动测试系统[5]。
虚拟仪器系统按硬件构成方式，可有GPIB仪器通过GPIB接口卡与计算机组成GPIB系统；VXI仪器与计算机组成VXI系统；PXI仪器组成PXI系统；以DAQ和信号调理部分为硬件组成PC-DAQ测试系统；并行总线仪器组成并行总线系统；串行总线仪器组成串行总线系统；现场总线设备组成现场总线系统等，以下重点介绍GPIB、VXI、PXI三种虚拟仪器组建方案。
（1）GPIB仪器控制的虚拟仪器系统组建方案
GPIB即通用接口总线，是一种国际通用的可编程仪器的数字接口标准。
典型的GPIB测试系统由一台PC机，一块GPIB接口卡和几台GPIB仪器通过标准GPIB电缆连接起来，组成大型的自动化仪器测量系统。
（2）VXI仪器控制的虚拟仪器系统组建方案
VXI（VEMbuseXtensionforInstrumentation）总线是一种高速计算机总线（VME总线）在仪器领域的扩展。
它具有标准开发、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、众多仪器商支持等优点，使它应用越来越广。
尤其在组建大中型规模自动测量控制系统，以及对速度、精度要求非常高的场合，有其它仪器无法比拟的优点。
基于VXI总线的组建方案功能最为强大、组建的系统最为稳定。
但VXI总线实现强大功能的同时，价格也是十分昂贵的。
（3）PXI/CompactPCI模型系统组建方案
美国国家仪器公司1997年最新推出了PXI（PCIbuseXtentionsforInstrumentation）控制方案，基于PCI总线的虚拟仪器系统构架，PXI将主流PCI计算技术和控制器采用现在流行的奔腾处理器，带有标准GPIB接口、串并口、以太网络接口及显示器接口，为用户组建速度高、成本低、结构紧凑的测试系统提供了可行性。
目前在构建工业自动化测试系统时，基于GPIB总线的最多并逐步采用VXI技术。
基于VXI总线的虚拟仪器系统虽然功能强大，但对许多场合而言仍然造价昂贵，且通用性差，一般用户难以掌握。
对于一些速度精度要求不高的场合，VXI并不一定是考虑性价比的最佳方案。
很多情况下采用当前广为使用的PC机作为虚拟仪器的软硬件基础，建立基于PC的虚拟仪器系统。
虚拟仪器的数据获取和控制处理能力优于传统仪器，且对于硬件要求大为降低。
2.3虚拟仪器的软件开发平台
应用软件开发平台是设计虚拟仪器所必须的软件工具。
在确定的硬件基础条件下，构造和使用虚拟仪器的关键就是应用不同的软件实现不同的功能。
虚拟仪器的应用软件主要包括：
集成的开发环境、与仪器硬件的高级接口和虚拟仪器的用户界面。
应用软件开发平台的选择，可因开发人员的喜好不同而不同，但最终都必须提供给用户一个界面友好，功能强大的应用程序。
目前较流行的虚拟仪器软件开发平台大致可以分为两类：
一类是图形化的编程语言，代表性的有惠普的HPVEE,NI公司的LabVIEW等；另一类是文本式的编程语言，如C,Labwindows/CVI,VC等。
文本式编程语言和图形化编程语言相比，语言灵活性较好，用户可以灵活的添加功能；而图形化编程语言具有编程简单、直观、开发效率高的特点。
近年来，基于PC机和工作站基础上的图形接口标准和计算机计算能力的提高，促进了图形开发软件包和图形开发环境的迅速普及，图形开发方式为每一个虚拟仪器提供了可重用的代码模块，并允许用户从其它代码模块中分级调用。
这些重用部分是一些封装良好的、原子性的程序代码；理想情况下，重用部分应与硬件IC一样，可以不经过任何修改而被直接“插接”到其它程序中去。
典型的重用部分包括函数库、过程程序包、宏、类、库等，它们通过各自的接口被组装在一起，每一部分完成特定的功能[6]。
在虚拟仪器图形软件开发平台研究方面，近年来国际上许多公司都做了大量的工作，其中NI公司的LabVIEW和惠普公司的VEE虚拟仪器软件开发平台最具代表性。
下面简单的介绍一些常用的虚拟仪器软件开发平台各自的特点：
（1）MicrosoftVisualC++，BorlandC++Builder,BorlandDelphi易学、使用简单，面向对象可视化编程软件；它的图形控件工具能生成复杂的多窗口用户界面不必编写复杂的代码；可创建自己ActiveX控件或组件，以及多线程和安全的ActiveX控件。
（2）DataTranslation,HPVEEwithDTVP,DTxEZTM用于Windows操作系统的数据采集和产品开发的可视化编程语言；灵活，便于应用编程，以及和用户程序接口；ActiveX控件系列，VB和VC++下，可以设计和配置DataTranslation数据采集板；可以和其他ActiveX控件组合创建应用程序。
（3）Hewlett-PackedHPVEE不必编写代码就可以进行数据采集与分析；提供数据、处理控制、提供测量过程和测试报告。
（4）NationalInstruments,LabVIEW,LabWindows/CVI具有用于数据采集、仪器、网络和分析的完全集成化的库的图形化环境；可编译性能强；自动化的测试对接软件；SQL数据库连接性SPC分析工具。
用于仪器控制和数据采集分析的交互式编译软件包；用于GUI的拖拉用户界面编程器；用于快速样机开发的代码产生工具和内部编译器；用于GPIB,VXI、串行、DAQ,TCP和用户控制界面的集成库；可用于Win2000/XP、SunSolarisI.x/2.x和HP-ux。
2.4基于虚拟仪器构建的自动测试系统的优点
根据以上对于虚拟仪器主要功能特点的介绍，不难看出基于虚拟仪器构建的自动测试系统具备以下突出优点[20]：
（1）采用虚拟仪器，计算机与硬件测试设备之间的数据传输非常方便、直接、快速。
在传统的测试仪器设备中，测试人员以手工的方式现场记录测试数据，在测试数据量比较大的情况下，这种数据记录方式不能很好的按时完成记录任务，测试过程也就变的复杂、缓慢，而且很容易引起测试误差。
对于有些常用的测试仪器，对于被测对象只能进行定性分析，如果需要精确的物理数据，就需要有额外的辅助措施。
在应用虚拟仪器技术的测试设备中，充分利用计算机的存储能力，让测试数据经由计算机总线，传输至计算机内存或硬盘，数据传输率可以满足测试的实时性要求，也加快了测试过程，这样就很好解决了数据的传输、保存问题[7]。
（2）在某些情况下，需要根据工程的实际需要实时、直接地对测试数据进行各种分析与处理，如进行PID控制、模糊逻辑控制、FFT、DFT运算、数字信号处理，数学分析和数据库联接、统计分析参数调整、单位转换等工作，这在传统仪器中很难做到。
在虚拟仪器中，开发人员可以使用现有的分析软件包或通过自行编制相应软件来满足这一功能要求。
（3）为了使测试过程直观、明了，有时需要多种方式显示测试数据、控制过程和分析结果，虚拟仪器中，就可以利用计算机的图形用户界面实现这一目标。
2.5本章小结
综上所述，虚拟仪器技术有着许多传统仪器所难以实现的优势，由虚拟仪器构建的自动测试系统在实际应用中将会有着巨大的前景。
本文将实现的远程信号源自动校准系统，是在现有硬件平台的基础上实现校准的自动化，系统原有仪器都是具有GPIB接口的智能仪器，因而从成本和效率综合考虑使用GPIB的仪器控制方案组建GPIB并行总线系统是一种切合实际的硬件构成方案。
而限于时间和工作量的关系，选用一门使用简单方便，效率高的虚拟仪器实现软件，是一个比较明智的选择。
而完全的图形化编程环境LabVIEW自然是最理想的选择。
对于LabVIEW的特点和相关的编程技术，将在下一章中做详细的介绍[8]。
第3章LabVIEW图形化开发环境
3.1LabVIEW简介
LabVIEW（LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench）是实验室虚拟仪器集成开发平台的简称，它是目前国际上应用最广泛的虚拟仪器开发环境之一，它是主要用于开发数据检测、数据测量采集系统、工业自动控制系统合数据分析系统等领域的专用软件开发平台[9]。
LabVIEW的最大特色是采用编译型图形化编程语言――G语言（GraphProgramming），它与C,Pascal,Basic等传统语言有着相似之处，如：
相似的数据类型、数据流控制结构、程序调试工具，以及模块化的编程特点。
但二者最大的区别在于：
传统编程语言用文本语言编程，程序的执行依赖于文本所描述的指令;而LabVIEW使用图形语言（即，各种图标、图形符号、连线等）以框图的形式编写程序。
用LabVIEW编程无需具备太多编程经验，因为LabVIEW使用的都是测试工程师们熟悉的术语和图标，如各种按钮、开关、波形图等，界面非常直观形象，因此，LabVIEW对于没有丰富编程经验的测试工程师们来说无疑是个极好的选择。
LabVIEW语言具有丰富的扩展函数库，集成了大量的生成图形界面的模板，如各种表头、旋钮、开关、LED指示灯、图表等，界面直观、形象，相对于传统的编程方式而言，它简单易学而且执行效率高。
与传统的编程方式相比，使用LabVIEW设计的虚拟仪器，可以提高效率4-10倍[10]。
LabVIEW的图形环境内置丰富的函数库，提供了多种网络的接口，支持先进的流动数据传输等先进技术，使系统的开发更加方便，其中基于TCP/IP协议的网络实时数据交换编程技术――数据套接字（DataSocket）技术便是一特色。
这种技术是一种开放的技术，与人们已习惯采用的TCP/IP编程接口、DDE等网络环境下的数据共享技术比较，使用起来更方便，开发效率更高，而且不需要大量的编程工作量。
数据套接提供统一的API编程接口，从数据共享的角度，它是对WinSock的高级封装，允许用户与各种服务器进行交互并在应用之间交换信息，比如LabVIEW以及一些不同的数据源或目标，源和目标包括其他的应用、文件、OPC（OLEForProcessControl）服务器、Web服务器以及FTP服务器。
使用DataSocket类和统一资源定位器（UniformResourceLocator，简称URL），就可建立数据套接的源与目标的连接，用户可以像使用LabVIEW中的其他数据类型一样用DataSocket读写数据，实现测量数据的实时共享[11]。
3.2LabVIEW的优点
LabVIEW从被推出到现在，20年的实践证明LabVIEW确实是一个使用方便却又功能非常强大的开发平台，LabVIEW具有以下优点：
（1）使用“所见即所得”的可视化技术建立人机界面，提供了大量仪器面板中的控制对象简单的方案即使没有多少编程经验，仍可以很方便的使用LabVIEW。
（2）先进的ActiveX技术融合了简单的拖放编程方法，仪器控制和数据采集变得非常简单，使用户非常容易地开发自己的系统，并将其立即投入使用。
（3）LabVIEW完整地集成了与GPIB,VXI,RS-232,RS485和内插式数据采集卡等硬件的通讯，而且，LabVIEW使得它们的驱动程序具有模块化，可以重复使用，最大限度地减少软件开发的工作量。
（3）LabVIEW拥有丰富的分析模块，可以满足用户从统计过程控制到数字信号处理（DSP）等方面的要求[12]。
（4）LabVIEW也拥有大量NI公司或第三方公司提供的、非常实用的支持软件，如，ApplicationBuilder（用于产生可执行文件）、SQLToolkit（用于将LabVIEW程序与本地或远程数据库相连）等，这些特性为LabVIEW环境下应用程序的开发提供了方便
（5）LabVIEW提供了先进的网络技术，如，TCP/IP函数库、数据套接字技术，可以很容易地实现测控网络的体系结构，并且提高了系统的开放性、稳定性、可靠性。
（6）使用LabVIEW开发环境，用户可以创建32位的编译速度，从而为常规的数据采集、测试等任务提供了更快的执行速度。
（7）LabVIEW有真正的编译器，用户可以创建独立的可执行程序，能够脱离
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