基于labview的虚拟信号分析仪器的设计毕业设计.doc
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本科毕业设计（论文）
题目基于LABVIEW的虚拟信号分析仪器的设计
目录
摘要 1
第一章虚拟仪器概述 3
1.1仪器的发展 3
1.1.1仪器的发展 3
1.1.2虚拟仪器的发展历程 4
1.1.3虚拟仪器的发展趋势 4
1.2虚拟仪器 5
1.2.1虚拟仪器概念 5
1.2.2虚拟仪器的特点及优势 5
1.2.3虚拟仪器的分类 7
1.2.4虚拟仪器系统的构成 8
1.3LabVIEW 10
1.3.1LabVIEW简介 10
1.3.2LabVIEW应用程序的构成 10
1.3.3LabVIEW中的操作模板 12
第二章信号发生 13
2.1信号发生器的发展史 13
2.2信号发生器的设计 14
2.2.1信号的发生 14
2.2.2基本函数发生器的设计 16
2.2.3基本混合单频信号发生器的设计 18
2.2.4均匀白噪声信号发生器的设计 21
2.2.5公式波形信号发生器的设计 22
第三章信号分析 23
3.1信号的时域分析 23
3.1.1测量信号的基本平均值与均方差 24
3.1.2信号的幅值以及极大值、极小值 25
3.2信号的频域分析 26
3.2.1快速傅里叶变换幅值—相位谱 26
3.2.2FFT频谱（幅度-相位） 27
第四章信号的处理 29
4.1信号的滤波处理 29
4.2巴特沃斯滤波器的滤波设计 29
4.3数字FIR滤波器的滤波设计 30
4.4滤波器ExpressVI的滤波设计 31
第五章虚拟信号分析仪器的综合设计 34
5.1虚拟信号分析仪器综合设计前面板 34
5.2虚拟信号分析仪器综合设计程序框图 35
5.3虚拟信号分析仪器的运行 36
第六章总结 37
参考文献 38
致谢 39
摘要
虚拟仪器是在以计算机为核心的硬件平台上，通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机地融为一体，利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析、处理，从而完成各种测试功能的仪器系统。
它充分利用最新的计算机技术来实现和扩展仪器的功能，用计算机屏幕可以简单地模拟大多数仪器的调节控制面板，以各种需要的形式表达并且输出检测结果，用计算机软件实现大部分信号的分析和处理,完成大多数控制和检测功能。
LabVIEW是一种高效用于构建数据采集与监测系统图形化编程语言。
本文运用LABVIEW设计出一个信号的产生、分析和处理的应用程序。
可以根据要求，产生多种常用信号，并能够对其进行时域和频域的常用分析。
首先是对原始信号进行时域波形显示,频域频谱显示。
最后再对滤波后的信号进行相关分析,除掉谐波干扰信号。
关键词：
LabVIEW虚拟仪器信号处理
ABSTRACT
Virtualinstrumentisonthecomputerasthecoreofhardwareplatform,throughthesoftwaretothecomputerhardwareresourcesandhardwareorganicallyfuseandinstrumentusingpowerfulcomputersoftwarefunctiontorealizesignaldatacalculations,analysis,processing,soastocompletethefunctionofvarioustestinstrumentsystem.Itmakefulluseofthelatestcomputertechnologytorealizeandexpandthefunctionoftheinstrument,useacomputerscreencansimplysimulatemostoftheinstrumentstoadjustthecontrolpanel,expressedintheformofavarietyofneedsandoutputtestresults,usingcomputersoftwaretorealizemostofthesignalanalysisandprocessing,completemostofthecontrolanddetection.
LabVIEWisaneffectiveandwidelyusedtoconstructthedataacquisitionandmonitoringsystemforthegraphicalprogramminglanguage.ThispaperUSESLABVIEWdesignasignalanalysisandprocessingoftheapplication.Canbegeneratedaccordingtotherequirements,avarietyofcommonlyusedsignals,andcancarryonthetimedomainandfrequencydomainanalysisofthecommonlyused.Thefirstistheoriginalsignal,accordingtothetimedomainwaveformfrequencyspectrumdisplay.Finally,thesignalafterfilteringcorrelationanalysis,getridofharmonicinterferencesignal.
Keywords：
LabVIEW;virtual;signalprocessing
第一章虚拟仪器的概述
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（virtualinstruments）主要是指这种方式,充分利用现有计算机资源，配以独特设计的软硬件，实现普通仪器的全部功能以及一些在普通仪器上无法实现的功能。
1.1仪器的发展
1.1.1仪器的发展
随着电子技术的发展，仪器的发展经历了四个时期:
第一代仪器：
模拟仪器。
如指针式万用表、晶体管电压表，它们的基本特征是采用模拟电子技术实现，采用指针显示结果。
第二代仪器：
数字化仪器
数字化仪器目前相当普及，如数字电压表、频率计等。
这类仪器将模拟信号的测量转化为数字信号的测量，并以数字方式输出最终结果。
第三代仪器：
智能仪器
智能仪器内置微处理器，能进行自动测量，具有一定的数据处理能力，可取代部分脑力劳动。
它的全部功能全部都是以硬件（或固化的软件）的形式存在，无论是开发还是应用，都缺乏灵活性。
第四代仪器：
虚拟仪器
虚拟仪器是现代计算机技术和测量技术相结合的产物，是传统仪器观念的一次巨大变革，是将来仪器发展的一个重要方向。
从1988年开始，陆续有虚拟仪器产品面市。
此后，虚拟仪器产品飞速增加。
从仪器的发展历史可以看出，仪器领域已经历了两次技术革命。
第一次仪器革命是由于数字电子技术的发展引起的，使仪器形态进入了数字化仪器时代；第二次仪器革命是由于微处理器的大量应用引起的，使仪器形态进入了智能仪器时代。
目前，仪器领域正在进行第三次仪器革命，这次革命是由通用计算机硬软件技术的进步引起的，这次仪器革命将使仪器形态进入第四个时期：
虚拟仪器时代。
[2]
1.1.2虚拟仪器的发展历程
虚拟仪器的起源可以追朔到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，仪器级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、有效的研究开发使得该公司成为业界公认的权威。
虚拟仪器从概念的提出到目前技术的日趋成熟，体现了计算机技术对传统工业的革命。
大致说来，虚拟仪器发展至今，可以分为三个阶段，而这三个阶段又可以说是同步进行的。
[8]
第一阶段，利用计算机增强传统仪器的功能。
由于GPIB总线标准的确立，计算机和外界通信成为可能，只需要把传统仪器通过GPIB和RS-232同计算机连接起来，用户就可以用计算机控制仪器。
随着计算机系统性能价格比的不断上升，用计算机控制测控仪器成为一种趋势。
这一阶段虚拟仪器的发展几乎是直线前进。
第二阶段，开放式的仪器构成。
仪器硬件上出现了两大技术进步：
一是插入式计算机数据处理卡（plug-inPC-DAQ）；二是VXI仪器总线标准的确立。
这些新的技术使仪器的构成得以开放，消除了第一阶段内在的由用户定义和供应商定义仪器功能的区别。
第三阶段，虚拟仪器框架得到了广泛认同和采用。
软件领域面向对象技术把任何用户构建虚拟仪器需要知道的东西封装起来。
许多行业标准在硬件和软件领域以产生，几个虚拟仪器平台已经得到认可并逐渐成为虚拟仪器行业的标准工具。
发展到这一阶段，人们也认识到了虚拟仪器软件框架才是数据采集和仪器控制系统实现自动化的关键。
[1]
1.1.3虚拟仪器的发展趋势
现代仪器仪表技术是计算机技术和多种基础学科紧密结合的产物。
随着微电子技术、计算机技术、软件技术、网络技术的飞速发展，新的测试理论、测试方法、测试领域以及新的仪器结构不断出现，在许多方面已经冲破了传统仪器的概念，电子测量仪器的功能和作用发生了质的变化。
在此背景下，1986年美国国家仪器公司（NationalInstruments，NI）提出了虚拟仪器（VirtualInstrument，VI）的概念。
尽管迄今为止虚拟仪器还没有一个统一的定义，但是一般认为：
虚拟仪器是在PC基础上通过增加相关硬件和软件构建而成的、具有可视化界面的可重用测试仪器系统。
作为一种以计算机软件为核心的新型仪器系统，虚拟仪器具有功能强、测试精度高、测试速度快、自动化程度高、人机界面优异、灵活性强等优点，通常被认为是第三代自动测试系统的同义语[3]。
使用虚拟仪器系统可以避免仪器编程过程中的大量重复性劳动，从而大大缩短复杂程序的开发时间，并且客户可以用不同的模块来构造自己的虚拟仪器系统，选择统一的测试策略。
由于虚拟仪器的功能和性能已被不断提高，如今在许多应用中它已成为传统仪器的主要替代方式。
而虚拟仪器的各种优点让用户可放心地舍弃旧的传统测量设备，接受更新型、以计算机为基础的虚拟仪器系统。
由于计算机的性能价格比不断改进，使虚拟仪器的价格更为大众化，用户不必再受限于传统仪器的使用限制和昂贵的价格，进一步降低了使用成本，减少了系统的开发费用和系统的维护费用[4]。
此外，新型笔记本电脑又把虚拟仪器的便携性和强大功能推向一个新的水平。
所有这些必将加快虚拟仪器的发展，使它的功能和应用领域不断增强和扩大。
在测量、检测、电信、监控、教育等方面的应用已广泛开展。
[4]
1.2虚拟仪器
1.2.1虚拟仪器概念
虚拟仪器的概念是由美国国家仪器公司最先提出的。
所谓虚拟仪器是基于计算机的软硬件测试平台，它可代替传统的测量仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、频谱分析仪等，可集成于自动控制、工业控制系统之中，可自由构建成专有仪器系统。
虚拟仪器是智能仪器之后的新一代测量仪器。
虚拟仪器的核心技术思想就是“软件即是仪器”。
该技术把仪器分为计算机、仪器硬件和应用软件三部分。
虚拟仪器以通用计算机和配备标准数字接口的测量仪器为基础，将仪器硬件连接到各种计算机平台上，直接利用计算机丰富的软硬件资源，将计算机硬件和测量仪器等硬件资源与计算机软件资源有机的结合起来。
1.2.2虚拟仪器的特点及优势
虚拟仪器是基于计算机的功能化硬件模块和计算机软件构成的电子测试仪器，而软件是虚拟仪器的核心，如图1.2所示，其中软件的基础部分是设备驱动软件，而这些标准的仪器驱动软件使得系统的开发与仪器的硬件变化无关。
这是虚拟仪器最大的优点之一，有了这一点，仪器的开发和换代时间将大大缩短。
虚拟仪器中应用程序将可选硬件和可重复用库函数等软件结合在一起，实现了仪器模块间的通信、定时与触发。
由于VI的模块化、开放性和灵活性，以及软件是关键的特点，当用户的测试要求变化时可以方便地由用户自己来增减硬、软件模块，或重新配置现有系统以满足新的测试要求。
这样，当用户从一个项目转向另一个项目时，就能简单地构造出新的VI系统而不丢失己有的硬件和软件资源[8]。
图1.2-1虚拟仪器开发框图
虚拟仪器技术的优势在于可由用户定义自己的专用仪器系统，且功能灵活，很容易构建，所以应用面极为广泛。
虚拟仪器技术十分符合国际上流行的“硬件软件化”的发展趋势，因而常被称作“软件仪器”。
它功能强大，可实现示波器、逻辑分析仪、频谱仪、信号发生器等多种普通仪器全部功能，配以专用探头和软件还可检测特定系统的参数，如汽车发动机参数、汽油标号、炉窑温度、血液脉搏波、心电参数等多种数据，它操作灵活，完全图形化界面，风格简约，符合传统设备的使用习惯，用户经简单培训即可迅速掌握操作规程。
虚拟仪器具有传统独立仪器无法比拟的优势。
在高速度、高带宽和专业测试领域，独立仪器具有无可替代的优势。
在中低档测试领域，虚拟仪器可取代一部分独立仪器的工作，但完成复杂环境下的自动化测试是虚拟仪器的强项，这是传统的独立仪器难以胜任的。
1）传统仪器的面板只有一个，上面布置了种类繁多的显示和操作元件。
由此导致许多识读和操作错误。
虚拟仪器与之不同，它可以通过在几个分面板上的操作来实现比较复杂的功能。
这样，在每个分面板上就可以实现功能操作的单纯化和面板布置的简洁化，从而提高操作的正确性和便捷性。
同时，虚拟仪器的面板上的显示元件和操作元件的种类与形式不受标准元件和加工工艺的限制，由编程来实现，设计者可以根据用户的要求和操作需要来设计仪器面板。
2）在通用硬件平台确定后，软件取代传统仪器中由硬件完成的仪器功能。
3）仪器的功能是由用户根据需要用软件来定义，不是事先由厂家定义的。
4）仪器性能的改进和功能扩展只需更新相关软件设计，不需购买新仪器。
5）虚拟仪器开放、灵活，与计算机同步发展，与网络及其他周边设备互联。
6）由于其以PC为核心，使得许多数据处理的过程不必像过去那样由测试仪器本身来完成，而是在软件的支持下，利用PC机CPU的强大的数据处理功能来完成，使得基于虚拟仪器的测试系统的测试精度、速度大为提高，实现自动化、智能化、多任务测量。
7）可方便地存贮和交换测试数据，测试结果的表达方式更加丰富多样。
8）虚拟仪器在高性价比的条件下，降低了系统开发和维护费用，缩短技术更新周期。
近年来，随着网络技术的发展，己经形成了网络虚拟仪器。
这是一种新型的基于Web技术的虚拟仪器，使得虚拟仪器测试系统成为Internet的一部分，实现现场监控和管理。
[3]
1.2.3虚拟仪器的分类
虚拟仪器的发展随着微机的发展和采用总线方式的不同，可分为五种类型：
1）PC总线——插卡型虚拟仪器
这种方式借助于插入计算机内的数据采集卡与专用的软件如LabVIEW相结合（注：
美国NI公司的Labview是图形化编程工具，它可以通过各种控件自已组建各种仪器。
Labview/cvi是基于文本编程的程序员提供高效的编程工具，通过三种编程语言VisualC++,VisualBasic,Labviews/cvi构成测试系统，它充分利用计算机的总线、机箱、电源及软件的便利。
但是受PC机机箱和总线限制，且有电源功率不足，机箱内部的噪声电平较高，插槽数目也不多，插槽尺寸比较小，机箱内无屏蔽等缺点。
另外，ISA总线的虚拟仪器已经淘汰，PCI总线的虚拟仪器价格比较昂贵。
2）并行口式虚拟仪器
最新发展的一系列可连接到计算机并行口的测试装置，它们把仪器硬件集成在一个采集盒内。
仪器软件装在计算机上，通常可以完成各种测量测试仪器的功能，可以组成数字存储示波器、频谱分析仪、逻缉分析仪、任意波形发生器、频率计、数字万用表、功率计、程控稳压电源、数据记录仪、数据采集器。
美国LINK公司的DSO-2XXX系列虚拟仪器,它们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机相连，实现台式和便携式两用，非常方便。
由于其价格低廉、用途广泛，特别适合于研发部门和各种教学实验室应用。
3）GBIB总线方式的虚拟仪器
GPIB技术是IEEE488标准的虚拟仪器早期的发展阶段。
它的出现使电子测量独立的单台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形式的仪器通过GPIB电缆连接而成。
在标准情况下，一块GPIB接口可带多达14台仪器，电缆长度可达40米。
GPIB技术可用计算机实现对仪器的操作和控制，替代传统的人工操作方式，可以很多方便地把多台仪器组合起来，形成自动测量系统。
GPIB测量系统的结构和命令简单，主要应用于台式仪器，适合于精确度要求高的，但不要求对计算机高速传输状况时应用。
4）VXI总线方式虚拟仪器
VXI总线是一种高速计算机总线VME总线在VI领域的扩展，它具有稳定的电源，强有力的冷却能力和严格的RFI/EMI屏蔽。
由于它的标准开放、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，很快得到广泛的应用。
经过十多年的发展，VXI系统的组建和使用越来越方便，尤其是组建大、中规模自动测量系统以及对速度、精度要求高的场合。
有其他仪器无法比拟的优势。
然而，组建VXI总线要求有机箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造价比较高。
5）PXI总线方式虚拟仪器
PXI总线方式是PCI总线内核技术增加了成熟的技术规范和要求形成的，增加了多板同步触发总线的技术规范和要求形成的，增加了多板发总线，以使用于相邻模块的高速通讯的局总线。
PXI的高度可扩展性。
PXI具有8个扩展槽，而台式PCI系统只有3~4个扩展槽，通过使用PCI—PCI桥接器，可扩展到256个扩展槽，台式PC的性能价格比和PCI总线面向仪器领域的扩展优势结合起来，将形成未来的虚拟仪器平台。
[5]
1.2.4虚拟仪器系统的构成
虚拟仪器是基于计算机的仪器。
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。
这种结合基本有两种方式，一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是智能化仪器。
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[9]。
虚拟仪器的组成与传统仪器一样，主要由数据采集与控制、数据分析和处理、结果显示三部分组成。
如图1.2.4-1所示。
图1.2.4-1虚拟仪器的内部功能的划分
对于传统仪器，这三个部分几乎均由硬件完成。
对于虚拟仪器，前一部分由硬件构成，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，使设计工作量大大减小。
通常虚拟仪器测试系统硬件组成部分是由传感器部件、信号调理及信号采集部件、通用计算机、打印机等构成。
系统软件部分通常用专用的虚拟仪器开发语言编写而成，并可通过Internet实现网络扩展。
下面的框图反映了常见的虚拟仪器组成方案。
图1.2.4-2虚拟仪器组成方案
图1.2.4-2是采用的虚拟仪器总框图,其中硬件部分为DAQ板卡,软件部分包括仪器驱动程序以及用LabVIEW编写的应用程序。
图1.2.4-3虚拟仪器组成总框图
从构成要素讲，VI系统是由计算机、应用软件和仪器硬件组成的；从构成方式讲，则有以DAQ板和信号调理为仪器硬件而组成的PC-DAQ测试系统，以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。
无论哪种VI系统，都是将仪器硬件搭载到笔记本电脑、台式PC或工作站等各种计算机平台加上应用软件而构成的。
因此，VI的发展已经完全跟上计算机技术的发展步伐，同时也显示出VI的灵活性与强大生命力。
[7]
1.3LabVIEW
1.3.1LabVIEW简介
LabVIEW（laboratoryvirtualinstrumentengineeringwokbench——实验室虚拟仪器工程平台）的概念,是直观的前面板与流程图式的编程方法的结合,是构建虚拟仪器的理想工具。
LabVIEW和仪器系统的数据采集、分析、显示部分一起协调工作,是简化了而又更易于使用的基于图形化编程语言G的开发环境。
[2]
前面板是一个传统的仪器概念,而软件前面板其实是自动化的拓展,因为它们保持了传统直观的视觉和感觉效果。
同时,软件前面板创建了一个真正的接口,无论用户使用什么类型的硬件,并且,不像硬件前面板,软件前面板只包含了对于一个应用场合很重要的参数,用户能够很容易地从一个单一前面板控制多台,并把整个系统作为一台虚拟仪器来看待。
流程图式的程序设计与科技工程人员较为熟悉的数据流和方块图的概念是一致的,而且由于流程图与传统程序设计语言的语法细节无关,构建和测试程序就可以少费时间。
使用流程图方法可以实现内部的自我复制,采用前面板、流程图、图标等,用户就对整个系统实现图形化描述,同时,用户还能够重用虚拟仪器,可以随时改变虚拟仪器来满足自己的需要。
LabVIEW集成了很多仪器硬件库,如GPIB/VXI/PXI/基于计算机的仪器、RS232/485协议、插入式数据采集、模拟/数字/计数器Ｉ/Ｏ、信号调理、分布式数据采集、图像获取和机器视觉、运动控制、PLC/数据日志等。
与传统的编程方式相比,使用LabVIEW设计虚拟仪器,可以提高效率4～10倍。
同时,利用其模块化和递归方式,用户可以在很短的时间内构建、设计和更改自己的虚拟仪器系统。
[6]
1.3.2LabVIEW应用程序的构成
所有的LabView应用程序，即虚拟仪器（VI），它包括前面板（frontpanel）、流程图（blockdiagram）以及图标/连结器（icon/connector）三部分。
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和显示输出两类对象，具体表现有开关、旋钮、图形以及其他控制（control）和显示对象（indicator）。
图4－1所示是一个虚拟示波器的前面板。
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流程图。
图1.3.2-1仿真信号ExpressVI的使用前面板
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