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1、海軍航空工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(論文)目 錄引言1第1章 緒論31.1 虛擬儀器的基本概念31.2 虛擬儀器的構(gòu)成41.3 虛擬儀器的特點4第2章 虛擬實驗室基本系統(tǒng)概述62.1 研究虛擬實驗室的意義62.1.1 傳統(tǒng)實驗室的弊端62.1.2 虛擬實驗室的優(yōu)點72.2 軟件LabVIEW簡介92.3 虛擬實驗系統(tǒng)的基本構(gòu)成10第3章 軟件設(shè)計183.1 虛擬儀器模塊183.1.1 虛擬信號發(fā)生器模塊183.1.2 虛擬數(shù)字示波器模塊193.1.3 虛擬頻譜分析儀模塊213.1.4 虛擬數(shù)字濾波器模塊223.2 虛擬實驗室的實驗列舉253.2.1 信號的調(diào)制與解調(diào)實驗253.2.2 信號的合成與分

2、解實驗273.2.3 系統(tǒng)頻率響應(yīng)特性的實現(xiàn)28第4章 總結(jié)和展望314.1 總結(jié)314.2 展望32致謝33參考文獻(xiàn)34第32頁引言在這個計算機和網(wǎng)絡(luò)時代，利用計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對傳統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)進(jìn)行改造，已是大勢所趨，而虛擬儀器系統(tǒng)正是計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與傳統(tǒng)的儀器技術(shù)進(jìn)行融合的產(chǎn)物。八十年代末，美國國家儀器公司(NI)提出了“軟件就是儀器”的口號，將日益普及的計算機技術(shù)與儀器儀表技術(shù)完美結(jié)合起來，提出虛擬儀器(Virtual Instruments)的概念。LabVIEW是Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench 的縮寫。它是NI 公司

3、研制的圖形化編程軟件，是目前最為成功、應(yīng)用最為廣泛的虛擬儀器軟件開發(fā)環(huán)境。應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)，使我們能夠在計算機上按照自己的需求來設(shè)計儀器，方便靈活而且開發(fā)周期短。它不僅降低了儀器成本，更提高了工作效率。在最近幾年里,快速可靠的計算機通信網(wǎng)絡(luò)獲得了驚人的發(fā)展，局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)上的計算機可以進(jìn)行信息和命令交換，這樣網(wǎng)絡(luò)服務(wù)拓展了虛擬儀器的使用范圍，給虛擬儀器技術(shù)注入了強大的活力，進(jìn)一步增強了數(shù)字化儀器的優(yōu)勢，從而成功地進(jìn)入了網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器階段。LabVIEW具有非常強大的網(wǎng)絡(luò)功能，其內(nèi)置Web Server，可以進(jìn)行網(wǎng)頁發(fā)布，使客戶端僅用Web瀏覽器便可以進(jìn)行實驗。通過將網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與虛擬儀器技術(shù)相結(jié)合

4、，遠(yuǎn)程虛擬實驗室為遠(yuǎn)程教育的實驗課程提供了解決方案。國內(nèi)部分重點大學(xué)在這方面已開始了初步的研究和應(yīng)用。但是在通信專業(yè)教學(xué)上的應(yīng)用還無先例。通信原理教學(xué)實驗包括：數(shù)字基帶信號、數(shù)字調(diào)制與解調(diào)、模擬信號的波形編碼、循環(huán)糾錯編碼等，其主要目的是幫助學(xué)生理解通信系統(tǒng)的整體概念及基本理論，對于培養(yǎng)學(xué)生的通信系統(tǒng)觀念、提高實際動手能力有極其重要的作用。在這些教學(xué)實驗中，需要的儀器有:數(shù)字萬用表、任意波形發(fā)生器、數(shù)字存儲示波器、頻譜分析儀、失真度儀、頻率計。特別是頻譜分析儀作為頻域分析儀器在教學(xué)實驗中有著非常重要的作用，但因頻譜分析儀價格的昂貴，至今沒有配備。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器除了在性能、易用性、用戶

5、可定制性等方面具有更多優(yōu)點外，在工程應(yīng)用和社會經(jīng)濟效益方面也具有突出優(yōu)勢。此外，傳統(tǒng)的通信原理實驗主要通過硬件電路實現(xiàn)各功能模塊，由信號發(fā)生器產(chǎn)生信號，用示波器觀察各點波形。由于實驗條件的限制，往往得不到豐富實驗結(jié)果，而且學(xué)生面對復(fù)雜的電路板難以從系統(tǒng)的觀點去分析各點波形關(guān)系。設(shè)計出一套與傳統(tǒng)實驗相配合的虛擬實驗軟件，采用軟件模擬的方法，通過靈活調(diào)節(jié)各個實驗參數(shù)，靈活控制實驗進(jìn)程,便可很好的彌補傳統(tǒng)通信原理實驗的不足。因此，將虛擬儀器技術(shù)引入到教學(xué)實驗中就成為行之有效的解決方案。1實現(xiàn)遠(yuǎn)程虛擬實驗室有眾多意義，但是目前最重要的也是最現(xiàn)實的意義就是應(yīng)用于教育系統(tǒng)上。隨著我國高等教育體制的深化改革

6、以及招生規(guī)模擴大方針實施以來,學(xué)生規(guī)模急劇膨脹的普通高等院校普遍陷入了實驗教學(xué)的困境。從現(xiàn)實的意義上來說，在高等工程教育中采用虛擬實驗室，可以從根本上解決實驗與實習(xí)經(jīng)費嚴(yán)重短缺問題。同時，利用虛擬儀器技術(shù)與計算機網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合還可以實現(xiàn)對儀器設(shè)備的遠(yuǎn)程、分布式控制,在教育、科研等領(lǐng)域中具有廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用前景,是實驗教學(xué)的一個新的發(fā)展方向。第1章 緒論電子信息類的專業(yè)課程有兩大特點，一是比較抽象，如信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理、高頻電子電路、通信原理、模擬和數(shù)字電子技術(shù)等課程，需要通過實驗環(huán)節(jié)來幫助學(xué)生理解；有的則必須通過學(xué)生的實踐才能掌握，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、軟件編程等課程，實驗環(huán)節(jié)在電子信息實驗教學(xué)中占

7、有非常重要的地位，是提高學(xué)生動手能力、培養(yǎng)創(chuàng)造能力和綜合素質(zhì)的一個有效的手段。很多學(xué)科都是以實驗課程為基礎(chǔ)的，缺少了實驗的支持，學(xué)科的教學(xué)和科研活動就無法進(jìn)行。學(xué)生只有通過足夠的驗證型實驗和一定數(shù)量的綜合設(shè)計型實驗才能加深理解和掌握所學(xué)的理論知識和應(yīng)用技術(shù)，也只有通過實驗，才能將理論與實踐很好地結(jié)合起來。二是電子信息技術(shù)作為新的支柱產(chǎn)業(yè)，發(fā)展非常迅速，技術(shù)更新快，導(dǎo)致高校的課程特別是實驗課程往往落后于技術(shù)的進(jìn)步，無法滿足實驗教學(xué)的需要。國內(nèi)高校傳統(tǒng)的實驗設(shè)備在實驗教學(xué)中暴露出的無實驗?zāi)M功能、輔助實驗教學(xué)功能等種種弊端。與時俱進(jìn)地開發(fā)出虛擬儀器實驗教學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行實驗教學(xué)，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和

8、創(chuàng)新意識的目標(biāo)。目前國內(nèi)高校電子信息類實驗大多采用各門課程的實驗箱和傳統(tǒng)儀器搭建起來的實驗平臺，傳統(tǒng)儀器和實驗箱是功能固定且單一，通常只能作一些演示性和驗證性實驗，無法實現(xiàn)功能擴展和資源共享。電子信息類教學(xué)實驗常用儀器儀表為：函數(shù)發(fā)生器、示波器、萬用表及各種專用實驗設(shè)備等。1.1 虛擬儀器的基本概念虛擬儀器(Virtual Instrument，簡稱VI)是在以計算機為核心的硬件平臺上，通過軟件將計算機硬件資源與儀器硬件有機地融為一體，利用計算機強大的軟件功能實現(xiàn)信號數(shù)據(jù)的運算、分析、處理，從而完成各種測試功能的儀器系統(tǒng)。計算機在虛擬儀器中處于核心地位，計算機軟件技術(shù)和測試系統(tǒng)更緊密地結(jié)合成了

9、一個有機整體，儀器的結(jié)構(gòu)概念和設(shè)計觀點等都發(fā)生了突破性的變化。從構(gòu)成上來說，虛擬儀器就是利用計算機，配上相應(yīng)的硬件和專用軟件，形成既有普通儀器的基本功能，又有一般儀器所沒有的特殊功能的新型儀器。它將計算機采集測試分析引入到電子測量領(lǐng)域，用數(shù)字化和軟件技術(shù)極大地提高了測試的靈活性和可擴充性。1.2 虛擬儀器的構(gòu)成虛擬儀器的基本構(gòu)成包括計算機、虛擬儀器軟件、硬件接口模塊等，軟件是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵。虛擬儀器應(yīng)用軟件集成了儀器的所有采集、控制、數(shù)據(jù)分析、結(jié)果輸出和用戶界面等功能，使傳統(tǒng)儀器的某些硬件乃至整個儀器都被計算機軟件所代替。用戶可以根掘自己的需要，設(shè)計自己的儀器系統(tǒng)，滿足多種多樣的應(yīng)用要求。利用

10、計算機豐富的軟、硬件資源，可以人大突破傳統(tǒng)儀器在數(shù)掘的處理、表達(dá)、傳遞、儲存等方面的限制，達(dá)到傳統(tǒng)儀器無法比擬的效果。虛擬儀器可廣泛應(yīng)用于電子測量、電力工程、物礦勘探、醫(yī)療、振動分析、聲學(xué)分析、故障診斷及教學(xué)科研等諸多領(lǐng)域。21.3 虛擬儀器的特點虛擬儀器利用計算機強大的圖形環(huán)境功能，建立界面友好的虛擬儀器面板(即軟面板)，用戶通過鼠標(biāo)和鍵盤操作虛擬儀器就像操作傳統(tǒng)的電子測量儀器一樣。完成對被測試量的采集、分析、判斷、顯示、存儲及數(shù)據(jù)生成。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器的優(yōu)勢在于用戶自定義儀器功能、結(jié)構(gòu)等，且構(gòu)建容易，轉(zhuǎn)換靈活以及其開放性。決定虛擬儀器具有傳統(tǒng)儀器不可能具備的特點的根本原因在于：虛擬

11、儀器的關(guān)鍵是軟件。其主要優(yōu)點歸納如下：341、打破了傳統(tǒng)儀器的功能概念，由計算機完成信號的分析、顯示、存儲、打印等功能。由于充分利用計算機技術(shù)，完善了數(shù)據(jù)的傳輸、交換等性能，提高了系統(tǒng)使用的靈活性，可以滿足綜合性的要求。2、強調(diào)“軟件就是儀器”的新概念，軟件在儀器中代替由硬件甚至整機實現(xiàn)的角色。由于減少了許多隨時間可能漂移、需要定期校準(zhǔn)的分立式模擬硬件，加上標(biāo)準(zhǔn)化總線的使用，使系統(tǒng)的測量精度，測量速度和可重復(fù)性都大大提高。3、儀器由用戶自己定義，系統(tǒng)的功能、規(guī)模等均可通過軟件修改、增減，強調(diào)在通用計算機平臺的基礎(chǔ)上，通過軟件和軟面板，把由廠家定義的傳統(tǒng)儀器轉(zhuǎn)變?yōu)橛捎脩舳x的、由計算機軟件和幾種

12、模塊組成的專用儀器。虛擬儀器的出現(xiàn)，徹底打破了傳統(tǒng)儀器由廠家定義、用戶無法改變的模式，給了用戶一個充分發(fā)揮自己能力和想象力的空問。4、虛擬儀器的開放性和功能軟件的模塊化，使資源的可重復(fù)利用率提高，系統(tǒng)組建時間縮短，功能易于擴展，管理規(guī)范，使用簡便，軟/硬件生產(chǎn)、維護和開發(fā)的費用降低。虛擬儀器既可以作為單臺測試儀器使用，又可以構(gòu)成較為復(fù)雜的測試系統(tǒng)，甚至通過高速計算機網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成分布式測試系統(tǒng)，進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控及故障診斷。第2章 虛擬實驗室基本系統(tǒng)概述2.1 研究虛擬實驗室的意義實驗對于學(xué)生動手能力培養(yǎng)、學(xué)習(xí)興趣激發(fā)、理論知識理解的作用是純理論教學(xué)所不能替代的。像電路基礎(chǔ)、高頻電子、電子線路等，學(xué)生只有

13、通過足夠多高質(zhì)量的驗證性實驗和一定數(shù)量的綜合性實驗，給予同學(xué)足夠的感性認(rèn)識，才能真正理解和掌握該學(xué)科的理論知識，提高動手實踐能力，培養(yǎng)分析問題的能力。隨著招生規(guī)模的不斷擴大，國內(nèi)普通高等院校實驗設(shè)備往往比較陳舊，不能及時更新，從而無法跟上教育的飛速發(fā)展。虛擬實驗室系統(tǒng)則主要依賴于軟件和較少的配套硬件，使實驗室的維護費用和工作量大大降低。LabVIEW作為虛擬儀器開發(fā)系統(tǒng)的代表，可以利用Internet進(jìn)行虛擬實驗室的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，實現(xiàn)了資源共享，避免了儀器重復(fù)添置，滿足了用戶不再受時間、地點限制進(jìn)行遠(yuǎn)程的實時合作，提高了用戶的學(xué)習(xí)效果。真正體現(xiàn)了虛擬儀器技術(shù)“軟件就足儀器”，“一臺計算機就是一個虛

14、擬電子實驗室”的特殊優(yōu)勢。52.1.1 傳統(tǒng)實驗室的弊端目前，許多高等工科院校仍沿用傳統(tǒng)的實驗教學(xué)方法，實驗內(nèi)容側(cè)重于理論驗證和模仿訓(xùn)練，缺乏對學(xué)生創(chuàng)新意識的培養(yǎng)和綜合能力的提高。滯后的實驗設(shè)備和死板的實驗?zāi)Ｊ诫y以調(diào)動學(xué)生的主動性和創(chuàng)造性，實驗教學(xué)處于應(yīng)試教育。以往的工業(yè)生產(chǎn)以及教學(xué)實驗室中，傳統(tǒng)電子儀器起著主導(dǎo)作用。但是傳統(tǒng)電子儀器有其本身的不足之處。傳統(tǒng)電子儀器主要由三部分構(gòu)成：即對被測信號的采集與控制、分析與處理、測量結(jié)果的表達(dá)與存儲。傳統(tǒng)電子儀器的這些功能塊大多是以硬件或者固化的軟件的形式存在的，因此具有以下幾個方面的弱點：(1)成本高、技術(shù)更新慢。傳統(tǒng)電子儀器價格比較昂貴，動輒幾萬人

15、民幣。研發(fā)周期長，技術(shù)更新慢，使用當(dāng)中存在元器件老化等問題，從而導(dǎo)致工作狀態(tài)不穩(wěn)定，日常常維護費用較高，技術(shù)難度大，使用壽命短。(2)數(shù)據(jù)顯示、分析和存儲功能不夠強大。傳統(tǒng)電子儀器的圖形顯示界面比較小，依靠人工讀取數(shù)據(jù)，誤差因觀察者的實驗方法而不同，并且從中獲得的信息量小。另外由于硬件設(shè)備的限制，往往無法實現(xiàn)更靈活、更特殊、更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)分析功能，也難以實現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)編輯、存儲和打印等功能。(3)靈活性和可擴展性差。傳統(tǒng)電子儀器具有固定的用戶界面、組成模塊和數(shù)據(jù)處理功能。獨立儀器只有一塊儀器面板，例如。示波器只有示波器面板，頻譜儀也只有頻譜儀的面板。用戶有時只需要用到儀器巾的一小部分功能。而在用到

16、其他功能時卻達(dá)不到所需指標(biāo)，如信號的頻率受制于實際元器件的限制。用戶無法改動廠家同定好的儀器模塊，靈活性和可擴展性差。(4)實驗室設(shè)備利用率低。高校實驗室教學(xué)設(shè)備數(shù)量有限，特別是一些貴重儀器，要做到學(xué)生與設(shè)備一對一配套是不現(xiàn)實的。在傳統(tǒng)的實驗室中，一般會將學(xué)生分為若干小組，以組為單位作實驗，使部分同學(xué)難以全部參與和投入，沒能充分了解和掌握實驗全過程。(5)實驗信息管理混亂。實驗信息，特別是實驗數(shù)據(jù)的存儲、分析和查詢是實驗的一個重要內(nèi)容。在傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式中，學(xué)生靠手工記錄和分析數(shù)據(jù)。存在的問題是：第一，記錄時人為誤差較大；第二，不便于保存、查詢和整理。(6)實驗教師工作繁雜。實驗報告的評閱，典

17、型問題的解答與數(shù)據(jù)核對，包含大量的重復(fù)性工作，給指導(dǎo)教師帶來很多不必要的勞動，精力很難集中在實驗臺上。如何更合理地配置教育資源，解決好資金投入與人才培養(yǎng)之間的矛盾，是學(xué)校開展實驗教育經(jīng)常需要考慮而又是傷腦筋的問題。2.1.2 虛擬實驗室的優(yōu)點虛擬儀器在靈活性、性價比、用戶化等方面。有著得天獨厚的優(yōu)勢。是傳統(tǒng)儀器無法媲美的。把虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用于實驗教學(xué)中,對于促進(jìn)實驗教學(xué)有著廣泛的優(yōu)勢 4 。虛擬儀器的優(yōu)點表現(xiàn)在以下幾個方面：567（1）成本低。虛擬儀器的開發(fā)維護成本低，系統(tǒng)構(gòu)建時間短。只需通過增加軟件模塊或者通用硬件模塊來增添新的測量功能，縮短了系統(tǒng)的更新時間，有利于系統(tǒng)的擴展。另外，虛擬儀器

18、的結(jié)構(gòu)是基于軟件體系的，不像傳統(tǒng)儀器的硬件那樣存在元器件老化及溫度變化影響的問題，可以節(jié)省大筆的維護費用，從而延長設(shè)各的使用壽命。低廉的開發(fā)成本使虛擬儀器有著雄厚的市場競爭力。預(yù)計虛擬儀器價格儀是傳統(tǒng)儀器的1/5到1/10。（2）靈活性大。傳統(tǒng)儀器系統(tǒng)自身封閉、功能同定、可擴展性差，功能和模塊由生產(chǎn)廠家定義，而虛擬實驗室中的虛擬儀器可由用戶自行定義功能模塊，大大擴展了其靈活性。（3）自定義強。在同一臺計算機上，通過操作者的不同的定義，可以虛擬出不同的儀器，各儀器之間還可以通過不不同的窗口進(jìn)行切換，因此實驗室無需配備各利，傳統(tǒng)儀器，可以通過軟件設(shè)計使虛擬儀器和實驗室設(shè)備不斷更新。學(xué)生在計算機上操

19、縱各種虛擬儀器進(jìn)行實驗，就如同是在操作傳統(tǒng)儀器一樣有效，與在真實實驗室的現(xiàn)場實驗做出的實驗結(jié)果是一樣的。這樣，使用基于虛擬儀器系統(tǒng)的虛擬實驗室來代管實際現(xiàn)場實驗，能很好地解決實驗教學(xué)的矛盾，而且又符合現(xiàn)代測試技術(shù)和實驗技術(shù)的發(fā)展方向。（4）數(shù)據(jù)處理功能強大。計算機運算速度的日益提高，使得虛擬儀器處理數(shù)據(jù)的過程非常快速，數(shù)字信號處理理淪的成熟發(fā)展使得數(shù)據(jù)處理過程更為可信、精確。傳統(tǒng)儀器無法實現(xiàn)編輯數(shù)據(jù)的功能，而虛擬儀器可方便地對數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯、存儲和打印。（5）軟硬件接口多。傳統(tǒng)儀器與其它儀器設(shè)備的連接十分有限，而虛擬儀器在普通PC機上就可實現(xiàn)，可方便的與網(wǎng)絡(luò)外設(shè)及多種儀器連接，借助于現(xiàn)在流行的D

20、AQ(數(shù)據(jù)采集)卡、GPIB(通用接口總線)卡、VXI(系統(tǒng)控制接口卡)等，可以插入計算機插槽和計算機進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。軟件方面，可以方便地與C、MatLab等接口進(jìn)行調(diào)用，也可以與數(shù)據(jù)庫連接，方便地支持網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)。（6）測量誤差小。傳統(tǒng)儀器受系統(tǒng)誤差的影響，不同儀器之間個體差異較大，加之觀察者自身因素等往往會影響測量結(jié)果，而虛擬儀器在PC機上運行，不同的PC機上運行具有相同的效果，測量誤差很小。由于虛擬儀器有著諸多的優(yōu)點，采用虛擬儀器技術(shù)來改進(jìn)實驗教學(xué)具有極大的可行性。（7）無縫集成虛擬儀器技術(shù)從本質(zhì)上說是一個集成的軟硬件概念。隨著產(chǎn)品在功能上不斷地趨于復(fù)雜，通常需要集成多個測量設(shè)備來滿足完整

21、的測試需求，而連接和集成這些不同設(shè)備總是要耗費大量的時間。虛擬儀器軟件平臺為所有的I/O設(shè)備提供了標(biāo)準(zhǔn)的接口，可以輕松地將多個測量設(shè)備集成到單個系統(tǒng)，減少了任務(wù)的復(fù)雜性。表2.1 虛擬實驗室和傳統(tǒng)實驗室的比較指標(biāo)虛擬實驗室傳統(tǒng)實驗室發(fā)展性開放性、靈活，可與計算機技術(shù)保持同步發(fā)展封閉性、儀器間相互配合較差。升級關(guān)鍵是軟件，系統(tǒng)性能升級方便，通過網(wǎng)絡(luò)下載升級程序即可。關(guān)鍵是硬件， 升級成本較高，且升級必須上門服務(wù)。價格價格低廉，儀器間資源可重復(fù)率高。價格昂貴，儀器間一般無法相互利用功能用戶可自行定義。只有廠家能定義功能。聯(lián)網(wǎng)能力可以與網(wǎng)絡(luò)及周邊設(shè)備方便連接。功能單一，只能連接有限的獨立設(shè)備開發(fā)費用

22、開發(fā)與維護費用降到最低。開發(fā)與維護費用高。技術(shù)更新技術(shù)更新周期短。技術(shù)更新周期長。只有在自己動手的實驗過程中，學(xué)生才能夠?qū)W(xué)到的理論知識真正掌握和應(yīng)用，這就使得電子測量儀器變得至關(guān)重要。而傳統(tǒng)儀器下的院校實驗教學(xué)，己嚴(yán)重滯后于信息時代和工程實際的需要。虛擬實驗室正是解決這一矛盾的最佳方案。如前所述，基于PC平臺的虛擬實驗室，可以充分利用學(xué)校的微機資源，完成多種儀器功能，可以組合成功能強人的專用測試系統(tǒng)。隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展和虛擬儀器軟件的日趨完善，虛擬儀器會越來越受到人們的重視，隨著教學(xué)儀器的發(fā)展和高職院校實驗教學(xué)所面臨的新要求，將虛擬儀器引入實驗教學(xué)將成為學(xué)校未來教學(xué)科研的重要方法和手段

23、。2.2 軟件LabVIEW簡介LabVIEW是Laboratory Virtual Instrument Engi neering Workbench的縮寫，即實驗室虛擬儀器工程平臺，是一種圖形化編程語言，又稱G語言。其編寫的程序稱為虛擬儀器VI(Virtual Instrument)，是以VI為后綴的文件。LabVIEW不但在程序界面設(shè)計時采用了與其他高級語言類似的圖形化方式，更重要的是在編寫程序代碼、實現(xiàn)程序功能的同時，使用的也是圖形化的操作方式。打開LabVIEW的程序，看到的不是一行行的文本，而是由一條條彩色線段連接起來的、各式各樣的小圖形塊。這是一種全新的編程方式。由于圖形比文字更

24、為直觀，因而LabVIEW比其他編程語言更適合初學(xué)者進(jìn)行學(xué)習(xí)。一個對計算機軟件完全不了解的初學(xué)者，通常只需學(xué)習(xí)兩三天的時間就可以隨心所欲地編寫一些簡單的程序了。這是其他編程語言學(xué)習(xí)者無法想象的。8LabVIEWe的編程效率之高是文本編程語言所無法比擬的。LabVIEW擁有豐富的工具包，尤其是針對測控、仿真等領(lǐng)域，這些工具包往往可以為編程者提供其所需大部分功能。因此，在LabVIEW程序中，有時幾個簡單的圖形和連線就能夠完成文本語言中幾十行甚至上百行代碼才能完成的功能。LabVIEW的第一個版本是在Macintosh機（蘋果個人計算機）上實現(xiàn)的，后來才移植到PC機上。此后，LabVIEW從未放棄

25、過對跨平臺的支持。至今，LabVIEW仍然是支持不同平臺和操作系統(tǒng)數(shù)目最多的編程語言之一。LabVIEW編程語言有很多優(yōu)點，在某些特定的領(lǐng)域，它的優(yōu)勢更加明顯。尤其在測試測量，控制與測試，仿真等領(lǐng)域的應(yīng)用。2.3 虛擬實驗系統(tǒng)的基本構(gòu)成虛擬實驗系統(tǒng)主要用于教學(xué)實驗的仿真模擬，完全擺脫了硬件的限制。根據(jù)實驗的內(nèi)容和要求，首先在LabVIEW環(huán)境下，分別模擬出各種實驗儀器，其中包括虛擬信號發(fā)生器，虛擬數(shù)字示波器，虛擬頻譜分析儀，虛擬數(shù)字濾波器等實驗教學(xué)儀器，在此基礎(chǔ)上又構(gòu)建了三個相應(yīng)實驗?zāi)K，分別分類為基礎(chǔ)性實驗，綜合性實驗和創(chuàng)新性實驗。每一個模塊為一個獨立的實驗子系統(tǒng)，以完成特定的實驗內(nèi)容。所有

26、這些子系統(tǒng)模塊由一個主程序模塊來控制，主模塊則以主程序界面的形式來體現(xiàn)。此外還設(shè)置了程序的啟動模塊用以此外還設(shè)置了程序的啟動模塊用以啟動主程序。實驗系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1.1所示啟動模塊主程序模塊基礎(chǔ)性實驗綜合性實驗創(chuàng)新性實驗圖2.2 虛擬實驗系統(tǒng)構(gòu)成考慮到該系統(tǒng)主要是用于教學(xué)實驗的仿真，因此和硬件相關(guān)的部分都需要采用軟件來進(jìn)行模擬。LabVIEW中包含了大量的函數(shù)模塊，如信號仿真模塊、信號調(diào)理模塊及信號分析處理模塊等，利用這些功能強大的函數(shù)模塊以及不同類型的輸入控件和顯示控件，可以方便地實現(xiàn)測試過程的模擬、實驗數(shù)據(jù)的分析及結(jié)果的顯示等。在系統(tǒng)功能的操控上，一般是通過菜單或按鈕來實現(xiàn)。采用按鈕方式更

27、接近于真實的儀器，并且在程序的實現(xiàn)上較為容易。為了使程序框圖更加簡潔，可采用層疊式順序結(jié)構(gòu)（Stacked Sequence Structure）來控制查詢的順序。本系統(tǒng)采用了多面板結(jié)構(gòu)按鈕操控。虛擬實驗系統(tǒng)主界面如圖2.2所示。每個界面按鈕下又分別有三個平行的分界面。分界面分別對應(yīng)著各個相對的實驗?zāi)K，如圖2.3和2.4所示。圖2.3 虛擬實驗系統(tǒng)的主界面圖2.4 虛擬實驗系統(tǒng)基礎(chǔ)性實驗分界面圖2.5 虛擬實驗系統(tǒng)綜合性實驗分界面圖2.6 虛擬實驗系統(tǒng)創(chuàng)新性實驗分界面利用LabVIEW內(nèi)置Web服務(wù)器還可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程虛擬實驗室。系統(tǒng)采用GPIB （general purpose interfa

28、ce bus）儀器控制技術(shù)，可程控儀器連接到LabVIEW儀器控制服務(wù)器上，現(xiàn)儀器的本地控制，并利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，把所提供的實驗題目及內(nèi)容放入建立的網(wǎng)站上，遠(yuǎn)程用戶只需利用網(wǎng)絡(luò)瀏覽器，就可以登錄到遠(yuǎn)程實驗室的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器上，進(jìn)行實驗操作，遠(yuǎn)程控制實驗儀器。整個遠(yuǎn)程虛擬實驗室系統(tǒng)的軟件構(gòu)成可分為以下幾個子系統(tǒng)：Web服務(wù)器子系統(tǒng)、本地儀器控制子系統(tǒng)和客戶端子系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)圖如圖2.6所示：遠(yuǎn)程虛擬實驗室服務(wù)器子系統(tǒng)儀器控制子系統(tǒng)客戶端子系統(tǒng)圖2.6遠(yuǎn)程虛擬實驗室的軟件構(gòu)成Web 服務(wù)器是整個系統(tǒng)的核心部分。通過Web服務(wù)器，用戶可以訪問Web站點、控制儀器，并獲得實驗結(jié)果。公共網(wǎng)關(guān)接口（CGI）和傳輸控

29、制協(xié)議（TCP）是客戶端與Web服務(wù)器以及Web服務(wù)器與實驗室服務(wù)器之間的主要通信方法。在本地控制子系統(tǒng)中，作為控制儀器的PC機上裝有通用接口總線( GPIB) 接口和一塊網(wǎng)卡。儀器控制服務(wù)器通過已建立起的TCP/IP通道獲得來自Web服務(wù)器控制儀器的命令字符串。進(jìn)而啟動儀器工作，完成測試任務(wù)?？蛻舳俗酉到y(tǒng)是嵌入在Web服務(wù)器中。當(dāng)用戶登錄到Web服務(wù)器上后，用戶可以瀏覽虛擬實驗室站點，獲得所提供實驗的概括介紹以及詳細(xì)說明。開始實驗操作時，遠(yuǎn)程用戶通過瀏覽器進(jìn)入遠(yuǎn)程虛擬實驗室系統(tǒng)網(wǎng)站的登錄頁面，如圖2.7所示。圖2.7虛擬實驗室的登陸界面當(dāng)Web 服務(wù)器接收到來自客戶端的有效CGI（commo

30、n gateway interface）請求后，從表單中獲取相應(yīng)的實驗參數(shù),進(jìn)而向儀器控制服務(wù)器提交調(diào)用VI 的請求。運行于儀器控制服務(wù)器上的G Web Server接收到請求后，建立起與客戶端TCP/ IP 連接，調(diào)用相應(yīng)的VI程序：首先調(diào)用串口通信程序,即通過串口向硬件實驗平臺發(fā)送控制指令，然后啟動儀器控制VI模塊，使其通過GPIB接口卡調(diào)用相關(guān)儀器設(shè)備，對實驗電路進(jìn)行測試；最后將實驗測試結(jié)果以CGI響應(yīng)的方式回傳到Web服務(wù)器，由Web服務(wù)器端的CGI程序刷新客戶端顯示，完成了整個實驗的操作過程。第3章 軟件設(shè)計3.1 虛擬儀器模塊虛擬實驗室設(shè)計的關(guān)鍵是軟件設(shè)計。虛擬儀器實驗室設(shè)計的關(guān)鍵

31、是軟件設(shè)計。 運用圖形化編程語言LabVIEW設(shè)計了四大功能模塊，即虛擬信號發(fā)生器模塊、虛擬數(shù)字示波器模塊、虛擬頻譜分析儀模塊、虛擬數(shù)字濾波器模塊。以下是對各功能模塊的設(shè)計。3.1.1 虛擬信號發(fā)生器模塊信號發(fā)生器模塊的信號生成是利用系統(tǒng)函數(shù)生成包括方波、三角波、正弦波、鋸齒波、脈沖波等各種規(guī)則波形以及頻率或者幅值變化的復(fù)雜波形，從而為信號的分析與處理提供條件和基礎(chǔ)，這些信號經(jīng)過多功能數(shù)據(jù)采集卡轉(zhuǎn)換為模擬信號(D /A轉(zhuǎn)換)，其實現(xiàn)過程是：首先通過檢查面板上用戶選擇的波形類型、頻率及幅值，跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的程序執(zhí)行語句中，生成所需波形的數(shù)字量，然后調(diào)用LabVIEW中的數(shù)據(jù)采集部分的庫函數(shù)進(jìn)行D/A

32、轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的模擬量通過D型連接器CN，輸出到示波器上來觀察所得到的波形。與此同時，模塊中的監(jiān)控部分是在軟面板上，通過本系統(tǒng)所設(shè)計的虛擬示波器可以顯示輸出信號的波形，用戶可以通過示波器波形窗口直接觀察輸出信號的波形參數(shù)。此信號發(fā)生器模塊還提供了對輸出信號的控制功能，即用戶可以隨時通過單擊面板上的按鈕,使信號暫停、繼續(xù)或完全停止。9用圖形化編程語言LabVIEW來設(shè)計波形發(fā)生器，主要依靠LabVIEW庫函數(shù)中提供的Basic Function Generation子VI。通過在前面板上信號類型選擇按鈕來實現(xiàn)產(chǎn)生正弦信號、鋸齒信號、三角信號、方波信號的功能。同時，可以根據(jù)實際的需要，設(shè)置不同的設(shè)備

33、號、通道號、信號頻率、信號幅值、補償值、初始相位、占空比以及采樣點數(shù)、采樣速率，然后把信號發(fā)生器產(chǎn)生的信號從數(shù)據(jù)采集卡的D/A通道送出，虛擬信號發(fā)生器的前面板和程序框圖分別如圖3.1和3.2所示圖3.1 虛擬信號發(fā)生器的前面板圖3.2 虛擬信號發(fā)生器的程序框圖3.1.2 虛擬數(shù)字示波器模塊虛擬示波器是由信號調(diào)理器、數(shù)據(jù)采集卡組成的外部采集系統(tǒng)和軟件構(gòu)成的分析處理系統(tǒng)組成。被測信號送到信號調(diào)理電路，進(jìn)行隔離、放大、濾波整流后送數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，最后由控制軟件對測試信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，完成波形顯示，參數(shù)測量、頻譜分析等功能。虛擬示波器的結(jié)構(gòu)框圖如圖3.3所示虛擬數(shù)字示波器的主要功能和傳統(tǒng)數(shù)字

34、示波器的主要功能大致相同，包括：雙通道信號輸入、觸發(fā)控制、通道控制、時基控制、波形顯示、參數(shù)自動測量、頻譜分析、波形儲存和回放、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)墓δ?。此虛擬示波器是采用模塊化的軟件設(shè)計思想來編寫的，每個功能的實現(xiàn)由一個模塊完成，軟件總體上包括數(shù)據(jù)采集、波形顯示、參數(shù)測量、頻譜分析、數(shù)據(jù)存儲與回放和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)布等六大模塊組成，其程序框圖如圖3.4所示,最終實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理、記錄、顯示、通過網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)等功能。虛擬數(shù)字示波器的操作界面如圖3.5所示。10輸出被測對象控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集卡信號調(diào)整傳感器圖3.3 虛擬示波器的結(jié)構(gòu)框圖圖3.4虛擬數(shù)字示波器的程序框圖圖3.5虛擬數(shù)字示波器的前面板3.1.3

35、 虛擬頻譜分析儀模塊數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計采用了AI acquire Waveform.vi來控制數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，把采集進(jìn)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析。在參數(shù)設(shè)置模塊這部分的參數(shù)設(shè)置主要包括：設(shè)備與通道、緩沖區(qū)大小、采樣點數(shù)、觸發(fā)控制、掃描率、顯示方式的設(shè)置等。頻譜分析模塊是由加窗函數(shù)模塊、功率譜轉(zhuǎn)換模塊、功率譜單位轉(zhuǎn)換模塊、功率與頻率峰值檢波子模塊組成。加窗函數(shù)模塊的實現(xiàn)，是由Scaled Time Domain Windows.vi模板來實現(xiàn).。該模板有2個輸入端、2個輸出端，從信號輸入端輸入一個時域信號，再進(jìn)行窗體類型的選擇。根據(jù)實際情況，可以選擇漢寧窗、海明窗、布萊克曼窗、平頂窗等幾種窗體

36、，處理后輸出一個加窗后的時域信號輸出，以減少窗口效應(yīng)帶來的柵欄效應(yīng)和泄漏問題。功率譜轉(zhuǎn)換模塊用Auto Power Spectrum.vi模板來實現(xiàn)，該模塊有4個端口，分別是時域信號輸入端、時域間隔dt輸入端、頻域信號輸出端、頻域間隔df輸出端。該模塊的功能是實現(xiàn)信號由時域向頻域的轉(zhuǎn)換。功率譜單位轉(zhuǎn)換模塊是由Spectrum Unit Conversion.vi模板來實現(xiàn)，該模塊有7個輸入端、2個輸出端。輸入端有頻譜類型的選擇，可以選擇功率譜、幅度譜、增益。對數(shù)/的選擇，可以選擇線性、dB、dBm.顯示單位選擇，可以選擇的單位是有效值、峰值、有效值的平方、峰峰值的平方等。輸出端是輸出頻譜、輸出

37、頻譜單位。頻率峰值檢波子模塊是由Power & Frequency Estimate.vi模板來實現(xiàn)，該模塊有5個輸入端、2個輸出端。輸入端包括功率譜輸入端、峰值頻率輸入、頻率間隔、以峰值頻率為中心的頻率搜索點數(shù)、窗常數(shù)等。輸出端由頻率峰值輸出、頻率峰值能量的輸出組成。該模塊用來求出頻譜的峰值頻率及峰值頻率點的功率估值。顯示模塊的設(shè)計可以選擇頻譜曲線顯示或時域信號顯示，還可以根據(jù)需要進(jìn)行線性或?qū)?shù)顯示。諧波峰值點測量模塊的設(shè)計，可讀出一次諧波、二次諧波、三次諧波峰值點的頻率值和功率值。數(shù)據(jù)讀取存儲模塊的設(shè)計是利用LabVIEW中有豐富的文件操作函數(shù)庫，采用數(shù)據(jù)表文件方式對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫操作。

38、而且此頻譜分析儀也可以通過Web發(fā)布HTML文件，可以使本地或遠(yuǎn)程計算機瀏覽此頻譜分析儀的程序面板，從而可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能。113.1.4 虛擬數(shù)字濾波器模塊虛擬IIR數(shù)字濾波器用LabVIEW的Frequency Domain函數(shù)子模板中的Transfer Function VI測試濾波器的頻率響應(yīng)函數(shù)。運行此程序，當(dāng)信號發(fā)生器輸出一個沖激函數(shù)時，分別選擇所有各種濾波器和不同階次，觀察它們的頻率響應(yīng)特性。可以明顯看出，切比雪夫濾波器的過渡帶比較窄，但在通帶有紋波。巴特沃斯濾波器過渡帶比較寬，但是通帶非常平直。在此選用沖激函數(shù)作為系統(tǒng)激勵信號，用各種數(shù)字濾波器作為被測系統(tǒng)。沖激函數(shù)具有無限

39、寬廣的頻譜，用沖激函數(shù)作激勵信號相當(dāng)于對測試系統(tǒng)輸入所有頻率的信號，系統(tǒng)必然有對應(yīng)的輸出。 用Transfer VI計算出系統(tǒng)輸出與輸入的傅立葉變換之比，就是系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)。 FIR虛擬濾波器程序的前面板有信號的幅頻和相頻波形顯示控件、數(shù)據(jù)的顯示方式、數(shù)字濾波器類型的設(shè)置、窗函數(shù)的選擇以及高端截止頻率、低端截止頻率和階次的設(shè)置，它們均可以根據(jù)需要在前面板來完成。虛擬數(shù)字濾波器由濾波器子VI FIR Windows Filter的窗函數(shù)設(shè)置,選擇的9個選項框分別對應(yīng)前面板列表框的內(nèi)容。在此也選用沖激函數(shù)作為系統(tǒng)激勵信號。信號發(fā)生器輸出一個沖激函數(shù)，在分別選擇各種不同的窗函數(shù)和不同階次后運行此

40、程序，觀察它們的頻率和相位響應(yīng)特性。經(jīng)過FIR窗濾波器濾波后，再用快速傅立葉變換得到輸出響應(yīng)函數(shù)的幅頻特性和相頻特性。數(shù)字濾波器的基本原理是將信號數(shù)字化后，通過一定的算法，應(yīng)用程序濾波功能。與模擬濾波器相比，數(shù)字濾波器具有以下優(yōu)點：可以用軟件編程，穩(wěn)定性高，可預(yù)測，不會因溫度、濕度的變化而影響測量誤差。應(yīng)用LabVIEW軟件的數(shù)據(jù)分析工具包，該包中提供了豐富的信號分析處理相關(guān)程序，包括波形測量、信號調(diào)理、信號監(jiān)測、波形發(fā)生和信號處理等，并提供了多種常用的濾波器，使用時只需輸入相應(yīng)的指標(biāo)參數(shù)即可。濾波器位于Functions模版Analyze子模板SignalProcessing子模板Filte

41、rs子模板中。虛擬數(shù)字濾波器的前面板和程序框圖如圖3.6和3.7所示。圖3.6虛擬數(shù)字濾波器的前面板圖3.7虛擬數(shù)字濾波器的程序框圖3.2 虛擬實驗室的實驗列舉LabVIEW功能非常強大，它源于測試儀器的研究與開發(fā)，其固有的圖形化編程環(huán)境非常適合于開發(fā)大型復(fù)雜的測試系統(tǒng)。就本系統(tǒng)而言包含，了如信號調(diào)制與解調(diào)的基礎(chǔ)實驗?zāi)K，信號的合成與分解實驗?zāi)K和系統(tǒng)頻率響應(yīng)特性的實現(xiàn)模塊。而且各個實驗?zāi)K之間又是相對獨立的子系統(tǒng)。如何將這些模塊集成在一起形成一個綜合實驗系統(tǒng)，將是系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵。本系統(tǒng)在研究過程中著重解決了以下2 個關(guān)鍵技術(shù)，一是系統(tǒng)界面的集成，二是各功能模塊的集成。在LabVIEW環(huán)境下，

42、通?？梢圆捎靡韵? 種方法實現(xiàn)系統(tǒng)界面的集成，即多面板技術(shù)和子面板技術(shù)。多面板技術(shù)實現(xiàn)起來較為容易，而且可同時打開多個實驗子系統(tǒng)界面。子面板技術(shù)則顯的更為專業(yè)，但需要LabVIEW的高級編程技術(shù)實現(xiàn)。其不足之處是只能同時打開一個實驗子系統(tǒng)界面，如需多個實驗同時進(jìn)行,子面板技術(shù)則顯得無能為力。對于大型復(fù)雜的實驗系統(tǒng)，為了提高程序的運行效率及減小對資源的占用，普遍采用動態(tài)加載子程序的方法實現(xiàn)各功能模塊的集成。以下就幾個典型模塊進(jìn)行基本闡述。3.2.1 信號的調(diào)制與解調(diào)實驗幅值調(diào)制與解調(diào)是測試中常用的信號調(diào)理方法。該實驗子系統(tǒng)將調(diào)制與解調(diào)兩個過程集成到一個統(tǒng)一的交互式操作界面中，其前面板如圖3.8所

43、示。前面板分成了兩個區(qū)域，即顯示區(qū)和操控區(qū)。在顯示區(qū)安置了5個顯示控件，分別用于顯示調(diào)制信號、載波、調(diào)幅波及解調(diào)過程和解調(diào)結(jié)果，從而給出了調(diào)制及解調(diào)整個過程時域波形的直觀對比，這是一般普通電子儀器無法實現(xiàn)的。圖3.8信號調(diào)制解調(diào)前面板根據(jù)調(diào)制原理，將被測信號（調(diào)制信號）與作為載波的高頻振蕩波相乘，其結(jié)果將是一個攜帶被測信號幅值信息而頻率為載波頻率的高頻信號，即調(diào)幅波。調(diào)幅波的包絡(luò)線反應(yīng)了被測信號波形的變化。如果將其與前述載波再一次相乘，即進(jìn)行同步解調(diào)，便可將調(diào)幅波中反映被測信號的低頻成分分離出來，再通過低通濾波器將高頻成分濾除，便可恢復(fù)原被測信號。根據(jù)這一原理分別用信號發(fā)生器模擬產(chǎn)生出被測信號

44、和高頻載波，即可實現(xiàn)幅值調(diào)制及解調(diào)，整個過程在前面板上可清晰的反映出來。其程序框圖如圖3.9所示。圖3.9調(diào)幅與解調(diào)的程序框圖3.2.2 信號的合成與分解實驗復(fù)雜信號通常包含了多種不同的頻率成分，如周期方波是由無窮多個頻率成整倍數(shù)的奇次諧波疊加而成的，即： （2.1）為了能將這一結(jié)論通過具體的實驗過程表現(xiàn)出來，需要對疊加諧波的次數(shù)進(jìn)行控制，因此在程序中設(shè)置了一系列的信號發(fā)生器來產(chǎn)生相應(yīng)的正弦波，并根據(jù)實驗要求逐一進(jìn)行疊加就可以合成出不同逼近程度的波形。為了能夠順利的進(jìn)行信號疊加，各信號發(fā)生器所產(chǎn)生的波形應(yīng)滿足頻率和幅值之間的特定比例關(guān)系。程序中主要使用了Case Structure結(jié)構(gòu)來完成信

45、號類型和疊加次數(shù)的選擇。其前面板和疊加過程如圖3.10所示。圖3.10周期方波合成信號分解是信號合成的逆過程，但本質(zhì)沒變。信號分解是將信號展開成傅立葉級數(shù)，從而可以將一個復(fù)雜的信號分解成無窮多個頻率成整倍數(shù)的正弦波。在程序設(shè)計中采用了選項卡控件，以實現(xiàn)信號合成與分解功能的切換，同時在前面板上隱去了選項卡的選項標(biāo)簽，而采用布爾控件來控制選項卡的切換。3.2.3 系統(tǒng)頻率響應(yīng)特性的實現(xiàn)頻率響應(yīng)函數(shù)描述了測試系統(tǒng)對于輸入信號的傳輸與轉(zhuǎn)換特性，它是測試系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的頻域表示，是描述測試系統(tǒng)頻域響應(yīng)特性的重要手段。當(dāng)系統(tǒng)輸入為x ( t) ，輸出為y ( t) ，則系統(tǒng)輸出與輸入的付里葉變換之比稱為系統(tǒng)

46、的頻率響應(yīng)函數(shù)，用H(j) 表示，即：(2.2)實用中常用其模A()和相位角() 來表示，即系統(tǒng)的幅頻特性和相頻特性。為了實現(xiàn)這一過程，需要用軟件對具體的物理系統(tǒng)進(jìn)行模擬，同時考慮到教學(xué)的具體情況，直接采用幅頻特性表達(dá)式A () 和相頻特性表達(dá)式() 來模擬系統(tǒng)。由于頻率特性是系統(tǒng)對于輸入頻率的響應(yīng)特性，故需要對系統(tǒng)進(jìn)行激勵,即依次用不同頻率i的簡諧信號對系統(tǒng)進(jìn)行激勵，同時測出相應(yīng)頻率的激勵和系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的幅值Xi、Yi及相位差i () ，這樣對于每一個頻率i便有一組A i()= Yi/Xi和i () ，全部的Ai()i和i()i便可表達(dá)系統(tǒng)的頻率響應(yīng)12。本例采用快速正弦掃描方式進(jìn)行激勵，具

47、體實現(xiàn)上采用了多步法。為了分配測量的頻率點或確定頻率步長，最常見的方法是在掃頻范圍內(nèi)等分地產(chǎn)生各個頻率，即采用等步長的方法。這種方法的主要缺點是在高頻部分取點過多，掃描過慢。本例采用的策略是按對數(shù)坐標(biāo)中的頻率軸取等間隔步長，這樣可以較好地兼顧不同頻段的曲線特性13。程序的編寫是基于一個for循環(huán)完成的，循環(huán)的次數(shù)由頻率分辨率、起始頻率、結(jié)束頻率共同確定。激勵信號由正弦波形發(fā)生器產(chǎn)生，激勵的實現(xiàn)及數(shù)據(jù)的采集則由公式節(jié)點來模擬14。頻率特性曲線的顯示在for循環(huán)結(jié)束之后實現(xiàn)。該子系統(tǒng)可以對一階系統(tǒng)和二階系統(tǒng)進(jìn)行頻率特性的測試，并采用Case結(jié)構(gòu)進(jìn)行切換選擇。系統(tǒng)頻率響應(yīng)特性實驗的前面板及程序框圖如

48、圖3.11和圖3.12。圖3.11系統(tǒng)頻率響應(yīng)前面板圖3.12系統(tǒng)頻率響應(yīng)程序框圖為了使相頻特性圖與教科書相一致，程序中采用公式節(jié)點對其進(jìn)行了技術(shù)處理。第4章 總結(jié)和展望4.1 總結(jié)傳統(tǒng)的實驗方式和實驗手段往往受制于實驗室硬件條件的制約，無法滿足概念抽象的如信號分析等內(nèi)容的實驗教學(xué)要求，更無法走出實驗室直接參與到課堂教學(xué)過程中，虛擬實驗系統(tǒng)的實現(xiàn)徹底改變了這種局面。虛擬實驗不但走進(jìn)了課堂，而且改善了教學(xué)手段，改革了教學(xué)方式，使教學(xué)效果得到了極大的提高。本文開發(fā)的虛擬教學(xué)實驗系統(tǒng)充分利用了LabVIEW圖形化編程的特點和其強大的分析處理功能的優(yōu)勢，使得該系統(tǒng)非常適合于測試技術(shù)課程實驗的虛擬仿真教

49、學(xué)。經(jīng)過驗證，虛擬實驗系統(tǒng)實現(xiàn)用戶的遠(yuǎn)程訪問是完全可行的。該系統(tǒng)的成功實現(xiàn)，對于進(jìn)一步深入開展教學(xué)實踐的改革與創(chuàng)新具有一定的指導(dǎo)意義。LabVIEW的易學(xué)易用、快捷及功能的強大，已成為虛擬儀器開發(fā)的首選工具。利用LabVIEW對測試實驗進(jìn)行虛擬仿真，滿足了課程教學(xué)的需求。其本身所具有的便攜、靈活、直觀、易操作等特點，更是傳統(tǒng)實驗手段所無法實現(xiàn)的。實踐表明，本實驗系統(tǒng)不但能幫助學(xué)生更容易地理解抽象的概念，也使學(xué)生更深入地了解到了概念的實質(zhì)。通過學(xué)生自己動手進(jìn)行實踐，引發(fā)了學(xué)生對課程的興趣，增強了學(xué)習(xí)的信心，也使學(xué)生充分感受到了虛擬儀器技術(shù)的魅力和樂趣。本文實現(xiàn)了用虛擬儀器技術(shù)改造傳統(tǒng)實驗室的方法

50、，使用虛擬儀器實驗室方便、簡單、高效，可以大大節(jié)約實驗室設(shè)備成本投入，解決了傳統(tǒng)電子實驗室實驗設(shè)備繁多、儀器重復(fù)購置、利用率低、儀器的損壞率高等問題，提高了各種儀器性能，完善了實驗手段，方便了學(xué)生及老師的使用。同時，本文中所研究的虛擬儀器也能給學(xué)生以耳目一新的感覺，學(xué)生再也不用對傳統(tǒng)的儀器搬弄按鈕，生搬硬套。而是直接與自己熟悉的電腦界面接觸，也給教學(xué)給予了一定的方便。并通過幾個簡單的實驗驗證了運用LabVIEW建立虛擬實驗室的可能性。本課題是一個引導(dǎo)性的基礎(chǔ)研究，目的是探索虛擬實驗系統(tǒng)的基本體系結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)、實現(xiàn)技術(shù)、虛擬儀器子系統(tǒng)的設(shè)計及框架解決方案，從而為實現(xiàn)各高等院校在計算機技術(shù)、汽車

51、工程、機械制造、醫(yī)療技術(shù)等方面的教育質(zhì)量再上新臺階奠定基礎(chǔ)。4.2 展望通過對通信原理虛擬實驗室的設(shè)計，本人更加深刻地體會到，LabVIEW是創(chuàng)建虛擬實驗室一個很好的軟件平臺，將其與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)虛擬儀器的網(wǎng)絡(luò)化。這樣，就將實驗教學(xué)平臺發(fā)展成了基于虛擬儀器的網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室。本課題對虛擬實驗的實現(xiàn)方法和框架進(jìn)行了較好地研究，取得了一些經(jīng)驗，為課題以后開展做了一些基礎(chǔ)性的工作。但是由于作者水平上和時間上的限制，因而只是構(gòu)建了一個虛擬實驗室框架，完成了部分功能，離完善還有不少差距，本人認(rèn)為還有許多值得繼續(xù)研究的地方。首先，網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室除了具有良好的圖形用戶界面、逼真的虛擬儀器的模擬，還應(yīng)具有

52、完備的實驗內(nèi)容。本文主要實現(xiàn)了幾個較為簡單的基礎(chǔ)的實驗。因此，在今后的研究中，應(yīng)該在此系統(tǒng)的基礎(chǔ)上多補充、添加新的虛擬實驗，以進(jìn)一步完善本虛擬實驗室系統(tǒng)，從而使其成為一個比較完善的遠(yuǎn)程多媒體教學(xué)軟件。其次，在虛擬實驗室的網(wǎng)絡(luò)化問題，本文也只探究了其可行性，由于時間倉促，并沒有對其進(jìn)行深入的探討和研究。因而在今后的研究中要實現(xiàn)這一功能。最后，本系統(tǒng)在實驗系統(tǒng)的制作上比較粗糙，僅實現(xiàn)平面圖形結(jié)構(gòu)，缺乏真實感。在今后的研究中可以利用VRML技術(shù)或3DMAX技術(shù)，將實驗平臺做成更加逼真生動的3D效果，使實驗者更具身臨其境的感覺。致謝本次畢業(yè)設(shè)計在我的導(dǎo)師劉云飛教員的悉心指導(dǎo)下得以順利完成。導(dǎo)師給予的課

53、題針對性、實用性強，并且適合我本科層次的知識水平，對我加深專業(yè)知識的學(xué)習(xí)和理解有很大的幫助。設(shè)計過程中導(dǎo)師耐心為我解答疑難問題，經(jīng)常詢問畢業(yè)設(shè)計進(jìn)度并不時督促。我的畢業(yè)設(shè)計順利完成與導(dǎo)師的努力也是分不開的，在此致以深深的感謝！在我的畢業(yè)設(shè)計過程中，與我同組的傅紅日、鄧貴仁、高景祥等戰(zhàn)友都給了我很大的幫助，另外和我一個專業(yè)的孫辰、何春龍、趙龍、李濤濤等同志也給了我莫大的幫助，在此我向他們表示真摯的感謝！在這幾個月的時間里，我的教導(dǎo)員郭吉田同志以及隊長趙軒坤同志，不時的督促我使我今日如期完成我的畢業(yè)論文，在此我也向他們表示感謝！另外，我還要感謝所有的在我的畢業(yè)設(shè)計過程中幫助我的人，沒有他們的幫助我

54、不可能這么順利的完成我的畢業(yè)論文，在這向他們表示深深的敬意！最后我向403教研室的所有教員表示最衷心的感謝！參考文獻(xiàn)1 楊樂平等著. LabVIEW高級程序設(shè)計M ,清華大學(xué)出版社2 陳衛(wèi)東，陳列尊虛擬儀器及技術(shù)在學(xué)校教育中的運用前景OLhttp:/ 李艷基于LabVIEW的虛擬儀器的設(shè)計與應(yīng)用：南京理工大學(xué)學(xué)位論文，2006.114 張國華,王如松.虛擬儀器技術(shù)對改革實驗教學(xué)的作用 J .四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報, 2006 , 16 ( 2 ) :104-1055 趙茂泰智能儀器原理及應(yīng)用M北京：電子工業(yè)出版社，19996 蔡錦成,鄧雄虛擬儀器的PC系統(tǒng)實現(xiàn)技術(shù)JIgt)II大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)

55、版), 1999No1：22257 虞惠華,俞承片虛擬儀器(VI)一計算機在儀器領(lǐng)域的中的應(yīng)用J半導(dǎo)體技術(shù)，1997,No.5:19228 阮奇楨. 我和LabVIEW M.北京：航空航天大學(xué)出版社，20099 侯國屏,王坤,葉齊鑫. LabVIEW7. 1 編程與虛擬儀器設(shè)計M.北京：清華大學(xué)出版社,200510 張愛平. LabVIEW 入門與虛擬儀器M. 北京：電子工業(yè)出版社，2004.11 雷振山. LabVIEW 7Express 實用技術(shù)教程M. 北京：中國鐵道出版社，2004.12 蔡共宣,林富生. 工程測試與信號處理M . 武漢:華中科技大學(xué)出版社,2006.13 侯國屏,王坤,葉齊鑫. LabVIEW7. 1 編程與虛擬儀器設(shè)計M . 北京:清華大學(xué)出版社,2005.14 劉旺鎖,吉順祥,陳冬. 基于虛擬儀器的掃頻儀的設(shè)計與實現(xiàn)J . 電子測量技術(shù),2007 ,30 (9) :78-80.第 31 頁 共 3132 32頁