基于labview的电子技术实验系统的设计文档格式.docx
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在传统实验教学模式中,学生靠手工记录和分析数据。
存在的问题是:
第一,记录时人为误差较大;
第二,不便于保存、查询和整理。
1.1.3实验教师工作繁杂
实验报告的评阅,典型问题的解答与数据核对,包含大量的重复性工作,给指导教师带来很多重复性劳动,精力很难集中在实验台上。
1.2虚拟仪器在电子实验教学中的应用
1.2.1虚拟仪器概述
所谓虚拟仪器，就是在以计算机为核心的硬件平台上，配合以相应的输入/输出接口，具有计算机显示器的虚拟面板，测试功能由测试软件来实现的一种计算机仪器系统。
自美国国家仪器公司（NationalInstruments，NI）在1986年提出虚拟仪器的概念之后，虚拟仪器技术便一直成为发达国家自动测控领域的研究热点和应用前沿。
目前，最著名的虚拟仪器系统是NI的LabVIEW，其最广泛的应用领域是测控领域，而文章将要探讨的，是将该系统应用于数字逻辑电路的教学、实验的问题。
文章认为，由于虚拟仪器的自身特点及数字与模拟电路的差异性，虚拟仪器系统并不适用于模拟电路系统的教学或实验，但对于数字电路系统，则有较强的、特殊的优势。
1.2.2LabVIEW的编程简介
在LabVIEW环境下开发的应用程序称之为VI。
VI是LabVIEW的核心，由一个人机交互的界面——前面板（FrontPanel）和相当于源代码功能的框图程序——后面板（Diagram）组成。
前面板是程序的界面，在这一界面上有控制量（Controls）和显示量（Indicators）两类对象。
在前面板中，控制量模拟仪器的输入装置并把数据提供给VI的框图程序，例如开关、旋钮；
而显示量则是模拟仪器的输出装置并显示由框图程序获得或产生的数据，例如用于显示波形的窗口等。
每一个程序前面板都对应着一段框图程序。
框图程序用LabVIEW图形编程语言编写，可以把它理解成传统程序的源代码。
框图程序由端口、节点、图框和连线构成。
其中端口被用来同程序前面板的控制和显示传递数据，节点被用来实现函数和功能调用，图被用来实现结构化程序控制命令，而连线代表程序执行过程中的数据
流，定义框图内的数据流动方向。
后面板又称代码窗口或流程图，是VI图形化的源能，一般不包括业务逻辑方法，Web层则和EnterpriseBeans交互，自身比如JSP和Servlets中会包含一些业务逻辑。
1.2.3虚拟仪器中的数字电子技术
虚拟仪器LabVIEW具有典型的图形化语言风格，其程序的编制过程就是将不同的图标（VI）进行选择、组合并连线的过程。
其不同图标（VI）相当于具有不同功能的“子程序”，图标间的连线指定了数据的流向，相当于代码语言的“赋值”语句。
在LabVIEW的函数选板中，既包含了大量专用的信号处理、信号运算等VI图标，也包含了各种数值运算、逻辑运算的基本VI图标。
其中的逻辑运算VI，其图标就是标准的逻辑运算符号，其中相应的逻辑运算VI选板如图1。
图1布尔逻辑运算VI选板
不难看出，利用这些图标编制的逻辑运算程序（LabVIEW后面板），也就是一个规范的数字逻辑电路的逻辑图。
就信号的输入/输出来说，LabVIEW亦提供了丰富的输入控件和输出控件，如各种形式的开关、按钮、指示灯、波形显示器等等，这些“器件”可直接用简单的拖动方式拖放到相应位置即可使用。
如图2数值输入控件
图2前面板中的控件
更重要的是，虚拟仪器系统不同于虚拟现实技术或仿真技术，后两者只不过是对现实系统的一种模拟而已，而虚拟仪器虽称为“虚拟”，但其实质是一种基于计算机软、硬件系统作为支撑，通过采用一定的数学模型和算法来完成处理过程的真实仪器系统，一句话，虚拟仪器系统并非“虚拟”仪器，而是“真实”仪器，它是要完成真实仪器系统功能的。
也就是说，基于虚拟仪器系统进行的相应实验或教学过程，通过配置相关的A/D或DAQ接口，即成为能完成实际仪器功能的仪器，故基于虚拟仪器进行教学、实验，比基于虚拟现实技术或仿真技术的教学实验更具有实际意义！
由于虚拟仪器LabVIEW中提供的布尔运算VI比较完备，再加上系统本身图形化的语言风格，完全可以做到将“程序——逻辑图——实验过程——输入输出”等过程的结合，使过程简单明晰，可以完成数字逻辑电路中几乎所有的实验及演示，如：
半加器、全加器、比较器、计数器、与非门、D触发器、JK触发器、译码器等等，而且，具体的实验或演示过程，还可运用LabVIEW中程序执行过程的“高亮度单步执行”模式，充分地观察到信号的动态流程和逻辑电路的运算过程，甚至可以将某种逻辑运算过程单独开发为专门的用户VI，形成一独特功能的新型概念的“虚拟芯片”，供需要时直接调用。
下面就以一些大学课程中简单的数字电子技术实验为例，来介绍讨论运用虚拟仪器LabVIEW实现数字电路实验的过程。
第一章数字电路教学实验的设计
在电子技术课程中，数字电路作为电类专业的基础核心课程，其实验教学是十分重要的环节，实验包括半加器、全加器、数据选择器等内容。
1.1平台的构建
最后以相同的步骤完成减法器、数据选择器、计数器、触发器、译码显示等模块的设计，再将实验仿真模块整合到一个平台中，使用时只需点击选择模块按钮，就能调用其实验模块。
这样在实验教学中就可以非常方便地使用和查看各个模块的功能。
这就构成一个数字电路仿真实验平台，如图1-1所示。
图1-1数字电路仿真实验平台
1.2半加器的设计
半加器电路是指对两个输入数据位进行加法，输出一个结果位，不考虑低位数据的进位，产生进位输出的加法器电路。
输入信号：
A、B；
输出信号：
本位和S，向高位的进位C。
逻辑表达式为：
S=A⊕B，C=AB。
根据其逻辑关系用LabVIEW编写程序框图，如图1-2所示。
图1-2半加器程序框图
前面板如下：
其实现功能为：
当单独按开关A或B时S亮，当开关A，B同时开时C亮，S暗。
1.3全加器的设计
在相加的过程中，除最低位外，其余各位既要考虑本位的被加数Ai和Bi，还要考虑低位向本位的进位Ci-1，就是说低位的Ci-1也作为一个独立的变量参与运算。
因此，所谓全加就是求取三个变量（本位Ai、加数Bi输入以及低位向本位进位Ci-1）的和S及本位向高位的进位Ci。
因为全加器是基于半加器做成的，其中部分电路是半加器，所以可以利用LabVIEW中子VI的功能将半加器打包成一个子程序，作为VI模块调用。
如图1-3所示。
图1-3全加器程序框图
1.4比较器的设计
在二维二进制比较器的设计中，比较它们是否相等，当A1A0和B1B0相等时，S灯亮，即两数相等，反之，不相等。
程序如图1-4所示。
图1-4比较器程序框图
1.5双向同步计数器的设计
在双向同步计数器的设计中，通过控制UP/DOWN键，当UP/DOWN键为1时，随着计数脉冲的不断输入而作递增计数；
当UP/DOWN键为0时，随着计数脉冲的不断输入而作递减计数。
即此计数器可作为加减用的同步双向计数器。
因为双向同步计数器是基于JK触发器做成的，其中部分电路是JK触发器，所以可以利用LabVIEW中子VI的功能将JK触发器打包成一个子程序，作为VI模块调用，其程序如图1-5所示。
图1-5双向同步计数器的程序框图
1.6与非门的设计
在与非门的实验中，由于其比较简单，设计起来也比较简单，在这不过多的叙述了。
程序框图如图1-6所示。
图1-6与非门的程序框图
1.7D触发器的设计
其功能为输入为1时，输出为1；
输入为0时，输出亦为0，输出Q与输入D保持一致。
其程序框图如图1-7所示。
图1-7D触发器的程序框图
1.8JK触发器的设计
在JK触发器的设计中，JK表示两个信号的输入端，CLK是脉冲输入端，Q与
为两个互补输出端。
JK触发器的状态方程为Qn+1＝J
n＋
Qn，JK触发器常被用作缓冲存储器，移位寄存器和计数器。
其程序框图如图1-8所示。
图1-8译码器程序框图
其前面板如下：
1.9译码器的设计
此设计的是3线－8线译码器74LS138，其中A2、A1、A0为地址输入端，
～
为译码输出端，S1、
、
为使能端。
其功能为：
当S1＝1，
＋
＝0时，器件使能，地址码所指定的输出端有信号（为0）输出，其它所有输出端均无信号（全为1）输出。
当S1＝0，
＝X时，或S1＝X，
＝1时，译码器被禁止，所有输出同时为1。
其程序框图如图1-9所示。
图1-9译码器的程序框图
第二章虚拟数字示波器的设计与实现
2.1虚拟示波器的介绍
虚拟示波器是将模拟信号经过抽样量化，以二进制数字形式存储在计算机的存储器中，并以数字方式输出。
其频率分辨率取决于信号样本长度，只要存储的容量足够大，存储的信号样本足够多，频率分辨率就足够高。
分析精度取决于量化误差和计算机的字长，只要保证量化误差在一定的范围内和有足够的计算机的字长，即可实现高精度测量，至于处理速度，完全取决于计算机的运行速度。
由于计算机技术的高速发展，以个人计算机为核心的虚拟示波器实现实时处理是非常容易的。
其主要特点是:
（l）处理速度快
处理速度对于一个具有信号分析功能的设备来说是非常重要的，它不仅直接影响工作效率，而且还影响到分析的质量。
用本示波器的FFT功能处理1024点数据仅以毫秒为计时单位，这就能更正确地反映被分析信号的特征。
（2）多功能
传统仪器大多是单功能的仪器，一台仪器只能完成一种固定功能，如滤波器、频谱分析仪、信号发生器等。
但是本仪器却是一种多功能的综合设备，例如，可以对信号进行频谱分析、相位分析等。
集许多功能于一身。
是一种理想的示波和分析系统。
（3）频率分辨率高
模拟信号处理的一个很大的缺点是频率的分辨率不高，这主要原因是模拟滤波器的通带不可能做的很窄，它受到技术的限制。
但虚拟示波器采用数字运算，频率分辨率取决于被分析信号的长度，即信号的持续时间，使信号的持续时间是T，则频率分辨率为△f=1/T。
只要T足够长，分辨率就足够高。
例如，若抽样频率为IkHz，样本数取1024点（相当于T=ls），则频率分辨率为IHz。
（4）分析精度高，稳定可靠
在虚拟示波器中，影响系统精度的因素主要有两个:
A/D转换器精度和数字运算所取的字长。
本文中A/D转换器选用12位，转换误差小于ILSB，运算中字长的选择和减小计算误差的措施可以保证所要求的计算精度。
本仪器是一个数字处理系统，具有数字计算机的基本结构，从而具备了重复性好、稳定可靠等优点。
（5）虚拟示波器不仅具有一般仪器所具有的操作面板，还具有计算机常用的输入输出设备，还可随时在计算机磁盘中对采集到的数据进行读写操作，给用户提供了极大的方便。
2.2软件设计思想
创建虚拟仪器的过程共分三步：
（1）设计虚拟仪器的前面板。
虚拟仪器的交互式用户接口被称为前而板，它是模仿实际仪器的面板。
前面板包含旋钮、按钮，图形和其他控制与显示对象，通过鼠标和键盘为控制对象输入数据，在计算机屏幕上观看结果。
（2）编写虚拟仪器流程图。
流程图是一个编程问题的图形化解决方案（也是虚拟仪器的源代码）。
虚拟仪器从流程图中接受命令。
（3）确定虚拟仪器的图标和连接（表示某一虚拟子仪器）的参数列表，图标和连接允许将此仪器作为最高级的程序，也可以作为其他程序或子程序中的程序（子仪器）。
采用模块化的软件设计思想编写，每个功能的实现由一个模块完成，系统软件总体包括数据采集、参数测量、频谱分析、滤波及数据存储和回放等模块，最终实现数据采集、处理、记录、显示等功能口l。
系统组成如图2-1：
图2-1系统组成框图
2.3前面板设计
LabVIEW前面板用于设置输入数值和观察输出量，用于模拟真实示波器的前面板。
由于虚拟面板直接面向用户，是虚拟示波器控制软件的核心。
设计前面板时，主要考虑界面美观，操作简洁，用户可以通过前面板中的开关和旋钮模拟传统仪器的操作，通过键盘和鼠标实现对虚拟示波器的控制。
前面板上设有各个功能模块按钮，当按下相应按钮时，即可调用该子程序。
根据传统示波器的面板控键的功能，利用LabVIEW中的控制模板，分别在设计面板上放入模拟实际控键的显示器、通道选择控键、垂直增益控键、触发源、触发电平、时基控制等。
例如：
打开LabVIEW前面板编辑窗口，点击鼠标右键，显示控制模板，选择Graph》WaveformGraph，作为示波器的显示器，它可以显示一个或多个波形。
在显示器模板上点击鼠标右键，对其进行属性设置，如根据示波器的频率与幅度值的变化，利用工具模板中的文字工具，对显示器横（时间）、纵（幅度）坐标的刻度重新设置。
用Graph控键设计的示波器是完全同步的，波形稳定。
点击ShowControlPalette》ClassicControls》Boolean》HorizontalSlideSwitch选择开关，设置触发斜坡控键（极性），开关可对正、负斜坡进行选择。
点击ShowControlPalette》Numeric》Dial作为选择开关，设置扫描速率和垂直灵敏度等各种控键，它们使用的是同一种旋钮式控键。
根据控键所起作用和使用需要，对各控件进行性质设置。
如垂直灵敏度控键，设置三个刻度点（0．5Wdiv，1V／div，2Wdiv），当置于不同档时，可改变波形的垂直方向的灵敏度。
“扫描速率”控键的设置与“垂直灵敏度”相似，单位是“ms／div”，当选择不同档位时，显示器的横坐标刻度间隔分别以2ms／div，4ms／div和8ms／div变化，以达到改变波形的水平方向的扫描速度。
按Boolean》VerticalSwitch路径，设置“通道选择”控键。
设置三个选择档，分别是“A”、“B”和“A&
B”，用来实现单通道和双通道显示的功能。
软面板程序用来提供用户与虚拟示波器的接口。
当按下“采集”按钮，然后运行程序就可以开始采集信号。
用户可以进行单通道和双通道的任意切换：
各种功能模块的实现在面板上都对应着相应的按钮，按下该按钮就可以调出该模块子程序。
在子程序中按下返回键就回到主程序面板。
设计的前面板如图2—2所示。
图2-2虚拟示波器前面板
2．4信号采集模块
数据采集模块是虚拟示波器软件的核心，主要完成数据的采集。
包括触发控制、通道控制和时基控制等。
触发控制主要包括触发方式控制，触发斜坡控制和触发电平控制。
通道控制主要控制单通道或者是双通道测量。
时基控制主要控制采集卡的扫描率及采样数。
采集中主要用到的函数有CreatDevice、InitDeviceProAD、ReadDeviceProAD_NotEmpty、ReleaseDeviceProAD和ReleaseDevice。
CreatDevice负责创建PCI设备对象，并返回其设备对象句柄。
InitDeviceProAD负责初始化设备对象中的AD部件，为设备操作就绪有关工作，如预置AD采集通道，采样频率等。
ReadDeviceProAD_NotEmpty读取设备上的AD数据，ReleaseDeviceProAD释放设备上的AD部件，ReleaseDevice释放设备对象所占用的系统资源及设备对象自身。
2.5信号测量和分析控制模块
这个模块主要由三个基本的功能模块组成:
电压测量模块、频率和相位测量模块、频谱分析模块组成。
电压测量模块主要完成对电压幅值、电压有效值、电压的频率及周期等参数的测量，并将结果显示出来。
频率和相位测量模块主要是利用李沙育图形来测量被测信号的频率以及相位角。
频谱分析模块主要是采用FFT变换，实现频域信号的分析，包括幅值频谱、相位频谱以及功率谱分析。
这三个功能模块分别由三个子VI来实现的。
2.6虚拟示波器的具体软件设计
本文开发的虚拟示波器是采用模块化设计，借助于LabV工EW提供的可视化集成开发环境，我们可以很方便的设计出用户所需要的虚拟仪器。
本虚拟仪器的程序框图如图2-3所示。
图2-3虚拟示波器程序框图
该示波器是由一个主程序和几个子程序组成的。
每一个子程序实际上都是能实现一定功能、完成一定任务的虚拟仪器（通常称为“子VI”），主程序通过对子程序的调用，来实现信号的采集、分析、处理等功能，使虚拟示波器具有层次化和模块化的结构。
下面对各主要子虚拟仪器（子Vl）做个简介。
（1）“通道选择”子程序
该子程序主要是实现对通道的选择，有三种选择方式:
A通道、B通道、A&
B，选择不同的通道可以实现对输入信号的选取。
（2）数据存盘子程序
该子程序可以实现对采集到的数据进行存取，以备以后对数据进行分析和处理。
（3）数据读取子程序
该子程序主要是实现对被保存数据的读取和波形的回放，能直观地观察到被采集到的数据波形。
（4）频谱分析子程序
该子程序主要是通过短时傅立叶变换（FFT）实现信号的谱分析，这里主要包括幅值谱、相位谱和功率谱分析。
当然可以在这个基础上根据你的实际需要进行改进，实现频率响应函数分析和相干函数分析。
（5）测量子程序
该子程序主要是实现对电信号的相关参数进行测量，被测的参数包括交流有效值、支流分量、峰一峰值、最大值、最小值、振动幅值等等。
从而得到被测信号的相关待测参数。
（6）频率和相位测量子程序
该子程序的两个主要功能是:
通过李沙育图形来确定被测信号的频率和相位角。
本小节讨论了虚拟示波器的实现技术，并对信号的采样技术和波形的显示技术做了仔细的研究。
虚拟示波器的软件设计采用模块化的设计思想，实现了数字存储示波器的各种功能，并且在原有功能的基础上增加了对信号的分析处理功能。
基于LabvIEW强大的功能，软件实现较为方便，有效地节省了开发的时间。
第三章基于虚拟仪器的实验室设计方案
任何一台仪器从功能上来说无非由以下三大功能模块组成：
信号的采集与控制、信号的分析与处理、结果的表达与输出。
虚拟仪器就是将这三大模块的功能尽可能用计算机来实现。
大多数虚拟仪器是由计算机来完成信号的分析和处理、结果的表达与输出这两个功能块的部分或全部功能。
也就是说，虚拟仪器是由计算机硬件资源、模块化仪器硬件和用于数据分析、过程通讯及图形用户界面（GUI）的控制软件组成，在软件控制下，由模块化仪器硬件进行测量信号的数据的采集，数据采集完毕后，传给计算机，软件再进行数据的分析处理，通过图形用户界面等方式将结果显示给用户。
虚拟仪器系统构成，参见图3-1。
图3—1虚拟仪器系统构成
3．1虚拟仪器实验室的硬件平台
我们知道虚拟仪器的硬件主要是由计算机和I／O接口设备两部分组成的。
按照构成虚拟仪器的接口总线的不同，分为数据采集插卡式（DAQ）虚拟仪器、RS232／RS485虚拟仪器、并行接口虚拟仪器、USB虚拟仪器、GPIB虚拟仪器、VXI虚拟仪器、PXI虚拟仪器以及最新的IEEEl394接口虚拟仪器。
以下对这些类型的虚拟仪器总线进行分析比较，根据自身的条件确定适合实验室需要的建设方案。
3．1．1DAQ虚拟仪器系统
DAQ（DataAcquiSition），即数据采集仪器，是一种比较典型的虚拟仪器，它的出现和发展与计算机密切相关。
DAQ仪器以微型计算机为平台，将计算机硬件积计算机软件结合起来，实现特定的仪器测量和分析功能，它具有性价比高、设计手段灵活、通用性强等优点，应用前景非常广阔。
DAQ仪器设计都是基于某一种总线迸行的，因此总线的标准和规范将对所设计的仪器系统的性能，包括结构上的先进性、可靠性、兼容性及扩充和升级等方面起到关键作用。
下面主要研究基于PCI总线的DAQ虚拟仪器系统。
一个由PC—DAQ／PCI插卡式虚拟仪器组成的多通道多参量测量系统如图3—2所示。
该测量系统由两大部分构成：
传感器及其调理电路部分和DAQ虚拟仪器硬件平台。
图3-2多通道多参量PC--DAQ／PCI插卡式虚拟仪器
1．传感器及其调理电路
在该系统中，计算机要想取得现场的各种参数，就必须先用传感器将各种物理量转换成电信号，只有那些数值大小合适的电压信号才可以直接进入虚拟仪器平台，大多数被测信号要经传感器及其调理电路变送后才能进入虚拟仪器系统。
传感器完成信号的获取，它将被测参量转换成相应可用于输出的电信号。
传感器输出的电信号大多数不能直接输送到显示、记录或分析仪器中去。
其主要原因是：
大多数传感器输出的电信号很微弱，需要进一步放大，有的还要进行阻抗变换；
有些传感器输出的是电参量，要转换为电能量：
输出信号中混杂有干扰噪声，需要去掉噪声，提高信噪比；
若测试工作仅对部分频段的信号感兴趣，则有必要从输出信号中分离出所需的频率成分；
当采用数字式仪器、仪表和计算机时，模
拟输出信号还要转换为数字信号等等。
因此，传感器的输出信号要经过适当的调
理，使之与后续测试环节相适应。
故调理电路的基本作用有三个：
①放大：
将微弱电压信号放大。
②转换：
将非电压输出信号转换为电压信号。
③滤波：
滤除高频干扰，限制信号的最高频率fmax避免产生混淆和混叠。
如果信号调理电路输出的是规范化的标准信号，即4～20mA电流信号（经标准电阻转换为1～5v／2～IOV标准电压信号），则称这种信号调理电路为变送器。
2．DAO虚拟仪器硬件平台
DAQ虚拟仪器的硬件平台由Pc计算机与数据采集卡（DAQ卡）组成。
数据采集卡（DAQ卡）由以下几个部分组成：
①多路开关。
将各路信号轮流切换到放大器的输入端，实现多参数多路信号的分时采集。
②放大器。
将前一级多路开关切换进入待采集的信号进行放大（或衰减）至采样环节的量程范围内。
通常实际系统中放大器做成增益可调的放大器，设计者可
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