基于LABVIEW的虚拟信号发生器毕业设计

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西安航空职业技术学院毕业设计（论文）论文题目：基于LABVIEW的信号发生器所属系部：电子工程系专业：电子信息工程技术西安航空职业技术学院制2012年10月15日 毕业论文（设计）诚信声明本人声明：所呈交的毕业论文（设计）是在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果，论文中引用他人的文献、数据、图表、资料均已作明确标注，论文中的结论和成果为本人独立完成，真实可靠，不包含他人成果及已获得或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。论文（设计）作者签名：日期：年月日毕业论文（设计）版权使用授权书本毕业论文（设计）作者同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文（设计）的复印件和电子版，允许论文（设计）被查阅和借阅。本人授权青岛农业大学可以将本毕业论文（设计）全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本毕业论文（设计）。本人离校后发表或使用该毕业论文（设计）或与该论文（设计）直接相关的学术论文或成果时，单位署名为。论文（设计）作者签名：日期：年月日指导教师签名：日期：年月日 西安航空职业技术学院毕业设计（论文）任务书题目：基于LABVIEW的信号发生器任务与要求：1学习LABVIEW的使用方法2设计出基于LABVIEW的正弦、方波、锯齿波、三角波的信号源3研究虚拟仪器技术在测量以及教学中的使用方法4对虚拟仪器技术试验室与传统试验室进行分析比对时间：2012年10月15日至2011年12月15日共8周所属系部：电子工程系学生姓名：马森学号：10202120专业：电子信息工程技术指导单位或教研室：电子信息工程技术教研室指导教师：贾佳职称：讲师西安航空职业技术学院制2012年10月15日 毕业设计(论文)进度计划表日期工作内容执行情况指导教师签字2011.10.15-2011.11.2确定指导老师和毕业设计题目完成2011.11.3-2011.11.10在图书馆查找相关资料完成2011.11.11-2011.11.14确定方案完成2011.11.15-2011.11.25画图完成2011.11.25-2011.11.28对图形进行设计完成2011.10.29-2011.12.15写论文准备PPT答辩完成教师对进度计划实施情况总评　　　　　　　　　　　　　　　　　签名　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　年月日本表作评定学生平时成绩的依据之一。 西安航空职业技术学院基于LABVIEW的信号发生器基于LABVIEW的信号发生器【摘要】传统的信号发生器其功能完全靠硬件实现，功能单一而且用户的购置、维护费用高。更重要的是，对于传统的信号发生器，其功能一旦确定便不能更改，用户要想使用新的功能则必须重新购买新的仪器，传统信号发生器的不足是显而易见的。虚拟仪器是将仪器技术、计算机技术、总线技术和软件技术紧密的融合在一起，利用计算机强大的数字处理能力实现仪器的大部分功能，打破了传统仪器的框架，形成的一种新的仪器模式。本课题完成了“虚拟信号发生器”的理论研究，在很大程度上解决了传统信号发生器的诸多弊端。本文主要研究虚拟仪器在信号发生器领域里的软件编程。本虚拟仪器可完成输出多种信号波形的同时产生与输出，信号输出频率、幅度等参数实时可调。本文研究的虚拟信号发生器主要具有如下优点：用户可自由定义其功能；系统功能升级扩充方便快捷、可与电脑等设备方便的互联。关键词:虚拟仪器；信号发生器；虚拟信号发生器；LABVIEW 西安航空职业技术学院基于LABVIEW的信号发生器Abstract:Thefunctionsoftraditionalsignalgeneratorsarecarriedoutsolelyonhardware,andatthesametimethefunctionsoftraditionalsignalgeneratorsaresinglenessandcostlyforpurchasingandmaintaining,Whatismoreimportantisthatthefunctionsoftraditionalsignalgeneratorscannotbealteredoncetheyarefixed.Usersmustgetnewonessolongastheywantnewfunctions.Thus,thedefectsoftraditionalsignalgeneratorsareobvious.Virtualinstrumentisformedbytheinstrumenttechnology,computertechnology,bustechnologyandsoftwaretechnology.Powerfuldigitalprocessing’sabilityofcomputerisusedtoachievethemainfunctionsofinstrument.Virtualinstrumentbroketheframeworkofthetraditionalinstruments,andbuiltanewdevicemodel.Thisdissertationhasaccomplishedthetheoreticalresearch,andmadeupthevariousshortcomingsoftraditionalsignalgeneratorstogreatdegree.Thisvirtualsignalgeneratorcanachievetheinputandoutputofmultisignals,andsuchparametersassignaloutputfrequencyandamplitudecanbeadjustedtimely.Theadvantagesofthisvirtualsignalgeneratorincludethefollowing:lowcostofhardware,usercustomfunctions,convenienceoftheupgradingandenlargementofsystematicfunctions,andconnectablewithcomputers.Keywords:VirtualInstrument；SignalGenerator；VirtualSignalGenerator；LABVIEW 西安航空职业技术学院基于LABVIEW的信号发生器目录1绪论11.1研究背景及动态11.2课题的意义22虚拟仪器和LABVIEW简介32.1虚拟仪器产生背景32.2虚拟仪器的概念32.3虚拟仪器的构成42.3.1虚拟仪器系统的硬件组成42.3.2虚拟仪器系统的软件组成42.4虚拟仪器的概述和在国内外的发展状况52.4.1虚拟仪器的概述52.4.2虚拟仪器的国内外发展状况63系统的基本功能和软硬件概述83.1系统基本功能83.2LABVIEW软件概述83.2.1LABVIEW的结构93.2.2LABVIEW的操作模块104系统整体设计方案和各部分方案设计144.1系统整体方案设计144.2各部分方案设计154.2.1波形按键选择的设计154.2.2通道选择方案设计164.3波形设计方案164.3.1基本波形设计方案164.3.2任意波形函数174.4主要部件的介绍175测试检测215.1正弦波215.2方波225.3三角波235.4锯齿波24结束语25参考文献26附录一27附录二27 西安航空职业技术学院基于LABVIEW的信号发生器1绪论在有关电参量的测量中，我们需要用到信号源，而信号发生器则为我们提供了在测量中所需的信号源，它可以产生不同频率的正弦信号、方波、三角波、锯齿波、正负脉冲信号、调幅信号、调频信号和随机信号等，其输出信号的幅值也可以按需要进行调节。传统信号发生器种类繁多，价格昂贵，而且仪器功能固定单一，不具备用户对仪器进行定义及编程的功能，一个传统实验室很难同时拥有多类信号发生器，然而，基于虚拟仪器技术的信号发生器则能够实现这一要求。随着计算机技术的迅猛发展，虚拟仪器技术在数据采集、自动测试和仪器控制领域得到了广泛的应用，促进和推动测试系统和仪器控制的设计方法与实现技术发生了深刻的变化。“软件即是仪器”已成为测试与测量技术发展的重要标志。虚拟信号发生器就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的LABVIEW软件来完成各种测试、测量和自动化应用。本课题介绍了基于LABVIEW的虚拟信号发生器的研究背景和发展动态,了解虚拟仪器的特点、现状和实现方法，探索虚拟仪器的发展方向，在LABVIEW平台中设计了多功能信号发生器，该发生器可以产生方波，三角波，锯齿波和正弦波。信号的频率、幅值可调，同时可以实现任意两种信号的叠加。在设计基本信号发生器之余，还添加了卷积和相关控件，用于实现两个信号的卷积。其中卷积和相关控件可以实现信号的卷积、反卷积、自相关、互相关。1.1研究背景及动态随着计算机、通信、微电子技术的日益完善，以及以Internet为代表的计算机网络时代的到来和信息化要求的不断提高，传统的通信方式突破了时空限制和地域限制，大范围通信变得越来越容易，对测控系建也产生了越来越大的影响。一个大的复杂测试系统的输入、输出、结果分析往往分布在不同的地理位置，仅用一台计算机并不能胜任测试任务，需要由分布在不同地理位置的若干计算机共同完成整个测试任务。集成测试越来越不能满足复杂测试任务的需要，因此，“网络化仪器”26 西安航空职业技术学院基于LABVIEW的信号发生器的出现成为必然。网络技术应用到虚拟信号发生器中是虚拟仪器发展的大趋势。同传统的编程语言相比，采用LABVIEW图形化编程方式可以节省大约80%的程序开发时间，并且其运行速度几乎不受影响，其一般特征是将虚拟信号发生器、外部设备、被测点以及数据库等资源纳入网络，实现资源共享，共同完成测试任务。使用网络化虚拟信号发生器，可在任何地点、任意时刻获取测量数据。和以PC为核心的虚拟信号发生器相比，网络化将虚拟仪器的发展产生一次革命，网络化虚拟仪器将把单台虚拟仪器实现的三大功能（数据采集、数据分析、及图形化显示）分开处理，分别使用独立的基本硬件模块实现传统仪器的三大功能，以网线相连接，实现信息资源的共享。“网络就是仪器”概念的确立，使人们明确了今后仪器仪表的研发战略，促进并加速了现代测量技术手段的发展与更新。1.2课题的意义多种信号发生器是一种常用的信号源，是电子工程师在进行各种测试和诊断时必备的工具，广泛应用于电子技术实验、自动控制系统和科学研究等诸多领域。而传统信号发生器电路复杂，抗干扰能力差，实现困难及设计周期长。在这种传统信号发生器已严重滞后于信息时代和工程实际需要的背景下，人们开始致力于开发虚拟信号发生器。它把计算机技术、电子技术、传感器技术、信号处理技术、软件技术很好地结合起来，由用户定义仪器功能，桌面整洁，操做条理，不但使测量人员从繁复的仪器堆中解放出来，而且具有精度高、速度快、系统组建时间短、可扩展性强、技术更新快和仪器智能化等优点，尤其是在需要现场测试的地方发挥了很大的优势。传统台式多种信号发生器是由仪器厂家设计并定义好功能的一个封闭结构。它有特定的输入/输出接口和仪器操作面板，具有多种信号发生功能，当要实现更多的信号发生功能时，就要配置更多的仪器，这给用户的使用带来诸多不便。此外由于缺乏相应的计算机接口，配合数据采集及数据处理比较困难且体积相对庞大，制造成本比较高，这就增加了系统的开发成本。虚拟仪器技术的提出和飞快发展和传统台式音频信号发生器表现出的弊端，使得虚拟音频信号发生器应运而生。26 西安航空职业技术学院基于LABVIEW的信号发生器2虚拟仪器和LABVIEW简介2.1虚拟仪器产生背景当今我们处于一个正在高度发展的信息社会，要求在有限的时空上实现大量信息的交换，必然带来信息密度的急剧增大，要求电子系统对于信息的处理速度越来越高，功能越来越强，这使得系统结构日趋复杂。对体积、耗电和价格的要求使得系统及IC的集成度越来越高，同时激烈的市场竞争使得产品价格及研制生产周期缩短，传统的测试仪器已经越来越不能满足时代的要求，主要表现在以下几个方面：（1）要求测试仪器不仅能单独测量某个电量，而且测试仪器之间必须具备控制通道和数据交换通道，以便完成对各个被测量同时进行自动分析、信息综合及准确判断，传统的测试仪器在这方面受到极大的限制。（2）微处理器和DSP技术的飞速发展及它们价格的不断降低，改变了传统的电子设计概念，原来许多由硬件完成的功能现在逐步由运行在微处理器和DSP芯片上的软件来完成，这样给产品带来了巨大的好处：自动化、程序高、可靠性高、价格低、容易升级、系统具有宽适应范围的柔性结构、可维护性好等等。硬件软化的设计方法对当今测试仪器的设计产生了深刻的影响。（3）良好的人机界面的要求促进了传统测试仪器的改造。对于越来越复杂的被测系统，如果仍然使用传统的测试仪器必然会需要众多的仪器设备，面对各个生产厂家的不同设备，使用者需要学习不同设备的使用方法后方可使用。这样的测试仪器不仅使用效率及利用效率都很低，而且硬件存在巨大的冗余。（4）微计算机的广泛使用，给基于微计算机的测试仪器提供了巨大的市场，人们在使用计算机及测试仪器时越来越明显的感觉到测试仪器的许多功能不仅可以由已有的计算机来完成，而且需要增加某种测试功能时，只增加少量的模块化功能硬件即可，同时基于微计算机的测试仪器具有更多的优点。可见，一方面电子技术及市场的发展从客观上要求测试仪器向自动化及柔性化的方向发展，另一方面，电子技术及市场的发展也给虚拟仪器的产生提供了可能。在这种形式下，基于微计算机的虚拟仪器逐步变得现实，它的出现和广泛使用为测试系统的设计提供一个极佳的模式，并且使工程师们在测量和控制方面得到强大功能和灵活性。2.2虚拟仪器的概念虚拟仪器(Virtual26 西安航空职业技术学院基于LABVIEW的信号发生器Instrument，简称VI)的概念是由美国国家仪器公司(NI)在20世纪80年代最早提出的。虚拟仪器就是在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义、具有虚拟前面板、测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。其核心的思想是利用计算机的强大资源使本来需要硬件实现的技术软件化，以便最大限度地降低系统成本，增强系统功能与灵活性。虚拟仪器代表着从传统硬件为主的测试系统到以软件为中心的测试系统的根本性转变。虚拟仪器的出现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，对科学技术的发展和工业生产的进步将产生不可估量的影响。虚拟仪器利用个人计算机强大的图形环境和在线帮助功能，建立虚拟仪器面板，完成对仪器的控制，数据分析与显示，代替传统仪器，改变传统仪器的使用方式，提高仪器的功能和使用效率，大幅度降低仪器价格，使用户可以根据自己的需要定义仪器的功能。虚拟仪器可广泛应用于电子测量、电力工程、物矿勘探、医疗、振动分析、声学分析、故障诊断及教学科研等诸多领域。2.3虚拟仪器的构成虚拟仪器由硬件设备与接口、设备驱动软件和虚拟仪器面板组成。其中，硬件设备与接口可以是各种以PC为基础的内置功能插卡、通用接口总线接口卡、串行口、VXI总线仪器接口等设备，或者是其它各种可程控的外置测试设备，设备驱动软件是直接控制各种硬件接口的驱动程序，虚拟仪器通过底层设备驱动软件与真实的仪器系统进行通讯，并以虚拟仪器面板的形式在计算机屏幕上显示与真实仪器面板操作元素相对应的各种控件。用户用鼠标操作虚拟仪器的面板就如同操作真实仪器一样真实与方便。2.3.1虚拟仪器系统的硬件组成虚拟仪器的硬件系统一般分为计算机硬件平台和测控功能硬件。计算机硬件平台可以是各种类型的计算机，如台式计算机、便携式计算机、工作站、嵌入式计算机等。它管理着虚拟仪器的软件资源，是虚拟仪器的硬件基础。因此，计算机技术在显示、存储能力、处理器性能、网络、总线标准等方面的发展，导致了虚拟仪器系统的快速发展。按照测控功能硬件的不同，VI可分为DAQ、GPIB、VXI、PXI和串口总线五种标准体系结构，它们主要完成被测输入信号的采集、放大、模/数转换。2.3.2虚拟仪器系统的软件组成26 西安航空职业技术学院基于LABVIEW的信号发生器测试软件是虚拟仪器的主心骨。NI公司在提出虚拟仪器概念并推出第一批实用成果时，就用软件就是仪器来表达虚拟仪器的特征，强调软件在虚拟仪器中的重要位置。NI公司从一开始就推出丰富而又简洁的虚拟仪器开发软件。使用者可以根据不同的测试任务，在虚拟仪器开发软件的提示下编制不同的测试软件，来实现当代科学技术复杂的测试任务。在虚拟仪器系统中用灵活强大的计算机软件代替传统仪器的某些硬件，特别是系统中应用计算机直接参与测试信号的产生和测量特性的分析，使仪器中的一些硬件甚至整个仪器从系统中消失，而由计算机的软硬件资源来完成它们的功能。虚拟仪器测试系统的软件主要分为以下四部分。（1）仪器面板控制软件仪器面板控制软件即测试管理层，是用户与仪器之间交流信息的纽带。利用计算机强大的图形化编程环境，使用可视化的技术，从控制模块上选择你所需要的对象，放在虚拟仪器的前面板上。（2）处理软件利用计算机强大的计算能力和虚拟仪器开发软件功能强大的函数库可以极大提高虚拟仪器系统的数据分析处理能力，节省开发时间。（3）器驱动软件虚拟仪器驱动程序是处理与特定仪器进行控制通信的一种软件。仪器驱动器与通信接口及使用开发环境相联系，它提供一种高级的、抽象的仪器映像，它还能提供特定的使用开发环境信息。仪器驱动器是虚拟仪器的核心，是用户完成对仪器硬件控制的纽带和桥梁。虚拟仪器驱动程序的核心是驱动程序函数/VI集，函数/VI是指组成驱动的模块化子程序。驱动程序一般分为两层，底层是仪器的基本操作，如初始化仪器配置仪器输入参数、收发数据、查看仪器状态等。高层是应用函数/VI层，它根据具体测量要求调用底层的函数/VI。（4）用I/O接口软件在虚拟仪器系统中，I/O接口软件作为虚拟仪器系统软件结构中承上启下的一层，其模块化与标准化越来越重要。VXI总线即插即用联盟，为其制定了标准，提出了自底向上的I/O接口软件模型即VISA。作为通用I/O标准，VISA具有与仪器硬件接口无关性的特点，即这种软件结构是面向器件功能而不是面向接口总线的。应用工程师为带GPIB接口仪器所写的软件，也可以于VXI系统或具有RS232接口的设备上，这样不但大大缩短了应用程序的开发周期，而且彻底改变了测试软件开发的方式和手段。2.4虚拟仪器的概述和在国内外的发展状况2.4.1虚拟仪器的概述26 西安航空职业技术学院基于LABVIEW的信号发生器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。在虚拟仪器技术发展中有两个突出的标志，第一是VXI总线标准的建立和推广，VXI总线系统具有标准化、通用化、系列化、模块化的显著特点，它集测量、计算、通信功能于一体，不仅继承了GPIB智能仪器和VME总线的特点，还具有高速、模块化、易子使用等优势。二是图形化编程语言的出现和发展。前者从仪器的硬件框架上实现了设计先进的分析与测量仪器所必须的总线结构，后者从软件编程上实现了面向工程师的图形化而非程序代码的编程方式，两者统一形成了虚拟仪器的基础规范。硬件技术的发展要保证虚拟仪器具备与传统仪器匹配的实时处理能力和可靠性，很重要的一点取决于传输测量数据的总线结构。通用仪器总线GPIB于1978年问世，实现了计算机与测量系统的首次结合。它标志着测量仪器从独立的手工操作单台仪器走向程控多台仪器的自动测试系统，是虚拟仪器技术发展的第一阶段。在虚拟仪器中，其分析功能是由计算机来完成的，或由计算机来控制的。因此，接口、总线的速度和可靠性是关键。1987年GPIB仪器总线与VME微机总线结合，诞生了VXI标准仪器总线，使得用户可以像仪器厂商一样，从访问寄存器这样的低层资源来设计和安排仪器功能，也使得用户化仪器功能设计得以实现。VXI总线的出现，使得虚拟仪器设计有了一个高可靠性的硬件平台．目前已出现了用于射频和微波领域的高端VXI仪器。当然，采用普通PC总线，尤其是工业PCI总线的虚拟仪器也在不断发展，这类虚拟仪器主要面向一般工业控制、过程监测和实验室应用。软件技术的发展和有关国际标准的建立，是推动虚拟仪器技术发展的决定性因素之一。在GPIB接口总线出现以后，关于程控仪器的句法格式、信息交换协议和公用命令的标准化，一直是人们关心的问题。标准程序命令(SCPI)标准的建立，向解决程控命令与仪器厂家无关这一目标迈进了重要的一步，随着虚拟仪器思想的深入，用户自己开发仪器驱动器己成为技术发展的客观需要。过去仪器驱动都是由仪器厂家专门设计，缺乏标准，使得用户在仪器软件方面的投资得不到保护。为此，国际上专门制定r虚拟仪器软件体系结构(VISA)标准，建立了与仪器接口总线无关的标准I／O软件，使得不同总线结构的硬件产品在相互取代时不必重新编写驱动程序，VISA标准与LABVIEW、HPVEE、Labwindows／cVI等先进开发环境软件相适应。开发一个由用户定制的虚拟仪器在软件技术上已经成熟。可以预计，未来的电子测量仪器和自动化测试技术的发展还将更多地渗透虚拟仪器的思想。2.4.2虚拟仪器的国内外发展状况虚拟仪器技术目前在国外发展很快，以美国国家仪器公司（NI）26 西安航空职业技术学院基于LABVIEW的信号发生器为代表的一批厂商已经在市场上推出了基于虚拟仪器技术而设计的商品化仪器产品。近年来，世界各国的虚拟仪器公司开发了不少虚拟仪器开发平台软件，使用者利用这些公司提供的开发平台软件组建自己的虚拟仪器或测试系统，并编制测试软件。最早和最具有影响力的开发软件，是NI公司的LABVIEW软件和LabWindows/CVI开发软件。LABVIEW采用图形化编程方案，是非常实用的开发软件。当今虚拟仪器的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串行总线和IEEE1394总线。世界各国的公司，特别是美国NI公司，为使虚拟仪器能够适应上述各种总线的配置，开发了大量的软件以及适应要求的硬件，可以灵活的组建不同复杂的虚拟仪器子自动检测系统。虚拟仪器的开发厂家，为扩大虚拟仪器的功能，在测量结果的数据处理、表达及其变换方面也做了很多工作，发布了各种软件，建立了数据处理的高级分析库和工具开发库（例如测量结果的谱分析、快速傅里叶变换、各种数据滤波器、卷积处理和相关函数处理、微积分、峰值、阈值检测、波形发生、回归分析、数值运算、时域和频域分析等），使虚拟仪器可以组建极为复杂的自动检测系统。在国内，我国将有50%的仪器为虚拟仪器。国内将有高校和大型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。哈工大仪器王电子有限责任公司就是其中之一，它的产品已达到了一定的批量。其主要产品有数字存储示波器系列、任意波形发生器及频率计系列、多通道大容量波形记录系列。LABVIEW作为虚拟仪器开发系统的杰出代表，在我国虽然引进的时间不长，但是现在己经被认识和推广、应用，它促进了中国测试领域的技术革命，在科研及教育领域都得到了迅速推广。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和发展，标志着二十一世纪自动测试与电子测试仪器领域技术发展的一个重要方向。26 西安航空职业技术学院基于LABVIEW的信号发生器3系统的基本功能和软硬件概述3.1系统基本功能多种信号发生器能够实现对常用正弦波、三角波、方波、锯齿波任意波形的显示与生成。并能实现双通道显示。在设计过程中使用美国国家仪器（NI）公司开发的图形化编程工具LABVIEW作为软件开发平台，开发出的系统前面板必须功能齐全、美观。能够在系统要求范围内实现对输出波形频率、相位、振幅和占空比的调节。3.2LABVIEW软件概述当今，C/C++、VC、VB和美国国家仪器（NI）公司的LABVIEW都可以作为虚拟仪器的软件开发工具。其中C/C++、VC、VB等传统软件开发平台为众多编程人员所熟悉，可以用来开发测试软件，但这种开发方式对测试人员要求很高，需要自己将各种数据处理方法用计算机语言实现，还要对用于数据通信的各种连接总线（如RS232、GPIB、USB等）非常熟悉，绝大多数测试工程人员难以做到，或者需要花费大量的时间来研究，而懂得这些编程方法的人员又不一定懂得测试，因此用这种平台开发测试工程软件难度大、周期长、费用高、可扩展性差。顺应形势的发展，一些专业测试开发平台纷纷推向市场，如HPVEE、组态软件平台、TPS平台等，但这些平台的专用性太强，可扩展性、通用性比较差。NI公司的LABVIEW全称叫LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkBench，它是一个高效的图形化程序设计语言。它采用了简单易用的图形式开发环境和灵活强大的函数库，为编程提供了一个直观的环境，与测量硬件紧密结合，能让工程师与科学家们迅速开发出有关数据采集、数据分析及显示的解决方案。LABVIEW是一个划时代的图形化编程系统，它提供了一种全新的程序编写方法，可通过交互式图形前面板进行系统控制和结果显示，即设计虚拟仪器的操作面板，通过框图模块来指示各种功能。现今数以万计的工程师、科学家及技术人员正在通过LABVIEW来构建测量与自动化解决方案。概括的说，LABVIEW作为测试软件开发平台有如下特点和优点：图形化编程环境。LABVIEW的基本编程单元是图标，不同的图标表示不同的功能模块。用LABVIEW编写程序的过程也就是多个图标用线连起来的过程，连线表示功能模块之间存在数据的传递。被连接的对象之间的数据流控制着程序执行，并允许有多个数据通路同步运行。其编程过程近似人的思维过程，直观易学，编程效率高，无须编写任何文本格式的代码，易为多数工程技术人员接受。26 西安航空职业技术学院基于LABVIEW的信号发生器可重用性高。LABVIEW继承并发展了结构化和模块化程序设计概念，使测试程序能够很好地体现分层性、模块化，即可以把任意一个测试程序当作顶层程序，也可将其当做其他测试程序的子程序，这样用户就可以把一个复杂的应用任务分解为一系列、多层次的子任务。通过为每个子任务设置不同的功能，并将这些测试子程序进行适当的组合、修改、交叉和合并等，就可以在顶层最终建成一个所有应用功能的测试系统。开发功能高效、通用。LABVIEW是一个带有扩展功能库和子程序库的通用程序设计系统，提供数百种功能模块（类似其他计算机语言的子程序或函数），包括算术运算、函数运算、信号采集、信号输出、数据存取、信号分析处理、数据通信等功能模块，涵盖了测试的各个环节，用户通过拖放及简单的连线，就可以在极短的时间内设计好一个高效而使用的测试软件，再配以相应的硬件就可以完成各种测试任务。这样既节约了时间，又可提高测试的可控制性及测试速度。支持多种仪器和数采硬件的驱动。LABVIEW提供了数百种仪器的源码级驱动程序，包括DAQ、GPIB（IEEE488）、PXI、VXI、RS232，根据需要还可以在LABVIEW中自行开发各种硬件驱动程序，也可以通过动态链接库（DLL）利用其他语言开发函数库，从而进一步扩展其功能。网络功能强大。LABVIEW支持常用网络协议，如传输控制协议（TCO/IP）和用户数据报协议（UDP），方便网络、远程测控系统的开发。开放性强。LABVIEW具有很强的开放性，是一个开放的开发环境，能和第三方软件轻松连接，通过LABVIEW可以把现有的应用程序和NET组件、ActiveX、DLL等相连，可以和MATLAB混合编程，也可以在LABVIEW中创建能在其他软件环境中调用的独立执行程序或动态链接库。由于LABVIEW虚拟仪器系统具有上述优点，所以本设计将采用LABVIEW作为编程的开发平台。3.2.1LABVIEW的结构所有的LABVIEW程序，即虚拟仪器（VIs）,都包括前面板（FrontPanel）和程序流程图（BlockDiagram）两部分。前面板是LABVIEWVI的图形用户接口，集成了用户输入和显示输出功能。前面板中包括旋钮、按钮、图形和其他的控制（Controls）与显示(Indicators)模块。用户可以根据自己的需要在前面板上放置按钮等控制模块及显示模块。图是指程序的内部运行结构，是系统结构、数据处理的流程，包含了虚拟仪器的图形化源代码。流程图由端口、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，图框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，定义了框图内的数据流动方向。它和文本式开发平台（如VC++）中的*.h、*.cpp26 西安航空职业技术学院基于LABVIEW的信号发生器等文件的作用是一样的，只是LABVIEW流程图的开发是图形化的，更简单、高效、直观，如图3.1所示。图3.1LABVIEW结构图3.2.2LABVIEW的操作模块LABVIEW具有多个图形化的操作模板，用于创建和运行程序。这些操作模板可以随意在屏幕上移动，并可以放置在屏幕的任意位置。操纵模板共有三类，为工具（Tools）模板、控制（Controls）模板和功能（Functions）模板。（1）工具模板（ToolsPalette）工具模板为编程者提供了各种用于创建、修改和调试VI程序的工具。如果该模板没有出现，则可以在Windows菜单下选择ShowToolsPalette命令以显示该模板。当从模板内选择了任一种工具后，鼠标箭头就会变成该工具相应的形状。当从Windows菜单下选择了ShowHelpWindow功能后，把工具模板内选定的任一种工具光标放在框图程序的子程序（SubVI）或图标上，就会显示相应的帮助信息。工具图标有如下几种：操作工具：使用该工具来操作前面板的控制和显示。使用它向数字或字符串控制中键入数值时，工具会变成标签工具的形状。选择工具：用于选择、移动或改变对象的大小。当它用于改变对象的连框大小时，会变成相应形状。标签工具：用于输入标签文本或者创建自由标签。当创建自由标签时它会变成相应形状。连线工具：用于在框图程序上连接对象。如果联机帮助的窗口被打开时，把该工具放在任一条连线上，就会显示相应的数据类型。对象弹出菜单工具：用左鼠标键可以弹出对象的弹出式菜单。漫游工具：使用该工具就可以不需要使用滚动条而在窗口中漫游。26 西安航空职业技术学院基于LABVIEW的信号发生器断点工具：使用该工具在VI的框图对象上设置断点。探针工具：可以在框图程序内的数据流线上设置探针。程序调试员可以通过探针窗口来观察该数据流线上的数据变化状况。颜色提取工具：使用该工具来提取颜色用于编辑其他的对象。颜色工具：用来给对象定义颜色。它也显示出对象的前景色和背景色。与上述工具模板不同，控制和功能模板只显示顶层子模板的图标。在这些顶层子模板中包含许多不同的控制或功能子模板。通过这些控制或功能子模板可以找到创建程序所需的面板对象和框图对象。用鼠标点击顶层子模板图标就可以展开对应的控制或功能子模板，只需按下控制或功能子模板左上角的大头针就可以把对这个子模板变成浮动板留在屏幕上。（2）控制模板(ControlsPalette)用控制模板可以给前面板添加输入控制和输出显示。每个图标代表一个子模板。如果控制模板不显示，可以用Windows菜单的ShowControlsPalette功能打开它，也可以在前面板的空白处，点击鼠标右键，以弹出控制模板。注：只有当打开前面板窗口时才能调用控制模板。控制模板如左图所示，它包括如图所示的几个子模板。数值子模板：包含数值的控制和显示。布尔值子模块：逻辑数值的控制和显示。字符串子模板：字符串和表格的控制和显示。列表和环（Ring）子模板：菜单环和列表栏的控制和显示。数组和群子模板：复合型数据类型的控制和显示。图形子模板：显示数据结果的趋势图和曲线图。路径和参考名(Refnum)子模板：文件路径和各种标识的控制和显示。控件容器库子模板：用于操作OLE、ActiveX等功能。26 西安航空职业技术学院基于LABVIEW的信号发生器对话框子模板：用于输入对话框的显示控制。修饰子模板：用于给前面板进行装饰的各种图形对象。用户自定义的控制和显示。调用存储在文件中的控制和显示的接口。（3）功能模板(FunctionsPalette)功能模板是创建框图程序的工具。该模板上的每一个顶层图标都表示一个子模板。若功能模板不出现，则可以用Windows菜单下的ShowFunctionsPalette功能打开它，也可以在框图程序窗口的空白处点击鼠标右键以弹出功能模板。注：只有打开了框图程序窗口，才能出现功能模板。功能模板如下图所示。结构子模板：包括程序控制结构命令，例如循环控制等，以及全局变量和局部变量。数值运算子模板：包括各种常用的数值运算符，如+、-等；以及各种常见的数值运算式，如+1运算；还包括数制转换、三角函数、对数、复数等运算，以及各种数值常数。布尔逻辑子模板：包括各种逻辑运算符以及布尔常数。字符串运算子模板：包含各种字符串操作函数、数值与字符串之间的转换函数，以及字符(串)常数等。数组子模板：包括数组运算函数、数组转换函数，以及常数数组等。群子模板。包括群的处理函数，以及群常数等。这里的群相当于C语言中的结构。比较子模板：包括各种比较运算函数，如大于、小于、等于。时间和对话框子模板：包括对话框窗口、时间和出错处理函数等。文件输入/输出子模板：包括处理文件输入/输出的程序和函数。26 西安航空职业技术学院基于LABVIEW的信号发生器仪器控制子模板：包括GPIB(488、488.2)、串行、VXI仪器控制的程序和函数，以及VISA的操作功能函数。仪器驱动程序库：用于装入各种仪器驱动程序。数据采集子模板：包括数据采集硬件的驱动程序，以及信号调理所需的各种功能模块。信号处理子模板：包括信号发生、时域及频域分析功能模块。数学模型子模块：包括统计、曲线拟合、公式框节点等功能模块，以及数值微分、积分等数值计算工具模块。图形与声音子模块：包括3D、OpenGL、声音播放等功能模块。通讯子模板:包括TCP、DDE、ActiveX和OLE等功能的处理模块。应用程序控制子模块:包括动态调用VI、标准可执行程序的功能函数。底层接口子模块：包括调用动态连接库和CIN节点等功能的处理模块。文档生成子模板。示教课程子模板：包括LABVIEW示教程序。用户自定义的子VI模板。“选择…VI子程序”子模板：包括一个对话框，可以选择一个VI程序作为子程序（SUBVI）插入当前程序中。其它几个子模板是LABVIEW的附加Toolkit安装上去的。在LABVIEW完全版中不包括这些子模板。编制软件时通过对控制和功能模块中子模块的灵活调用，选取相应的功能子模块，分别置于前后面板内，使用连线工具即可完成虚拟仪器设计。26 西安航空职业技术学院基于LABVIEW的信号发生器4系统整体设计方案和各部分方案设计4.1系统整体方案设计先运行程序，然后设置数据采集卡以及通过波形选择开关选择波形，并设定其幅度、频率、相位、占空比(方波)，波形信号就可在显示屏上显示并通过数据采集卡输出波形。程序运行过程中，可通过面板上的控件随时改变波形的参数（幅度、频率、相位、占空比），关闭电源，程序停止运行。系统框图如图4.1所示。图4.1系统框图4.2各部分方案设计4.2.1波形按键选择的设计（1）波形选择波形选择是通过布尔控制选择器的输出值再对所有的选择器的输出进行累加得出最后的结果进入Case条件结构。例如要输出正弦波：正弦波的布尔亮输出1；其他都输出0；累加以后还是1；通过这个“1”进入Case条件结构进行判断。程序框图如图4.2所示。（2）Case条件结构26 西安航空职业技术学院基于LABVIEW的信号发生器在LABVIEW程序框图的编程里面选择结构中的条件结构。在各个分支中设置选择各种波形以及各种波形的参数、控件设置。以方波为例：设置方波的偏移量、频率、幅度、初相位、占空比、采样信息等控件。程序框图如图4.3所示。图4.2波形选择图4.3Case条件结构4.2.2通道选择方案设计通道的选择通过两个开关控制选择结构来实现波形的。如图4.4所示。图4.4通道选择按设计26 西安航空职业技术学院基于LABVIEW的信号发生器4.3波形设计方案4.3.1基本波形设计方案基本波形示通过按键来控制调用那种函数进而产生波形进行显示。其原理图如图4.5所示。这块以方波介绍，其他三种波形与方波一样。图4.5基本波形设计图4.3.2任意波形函数任意波形是通过公式波形来产生的。如图4.6和4.7所示。图4.6任意波形后面板26 西安航空职业技术学院基于LABVIEW的信号发生器图4.7任意波形仿真前面板4.4主要部件的介绍1.选择函数图4.8选择函数依据s的值，返回连线至t输入或f输入的值。s为TRUE时，函数返回连线至t的值。s为FALSE时，函数返回连线至f的值。连线板可显示该多态函数的默认数据类型。2.正弦波形VI图4.9正弦波VI生成含有正弦波的波形。正弦波形详细信息：如Y序列表示正弦波，则该VI依据下列等式生成波形。y[i]=amp×sin(phase[i])，i=0,1,2,…,n–1，26 西安航空职业技术学院基于LABVIEW的信号发生器amp=幅值，n=采样数(#s)，相位[i]为：初始相位+频率×360.0×i/Fs1.方波波形VI图4.10方波波形VI生成含有方波的波形。-1.0，（0.01×duty)×360.0pmod<360.0pmod=pmodulo360.0，duty=占空比(%)，相位[i]为：初始相位+频率×360.0×i/Fs4、三角波VI图4.11三角波VI生成含有三角波的波形。三角波形详细信息如Y序列表示三角波，则该VI依据下列等式生成波形。y[i]=amp×tri(phase[i])，i=0,1,2,…,n–1，amp=幅值，n=采样数(#s)，tri[p]为：2×pmod/180.0，0pmod<90.0或2×(1–pmod/180.0)，90.0pmod<270.0或2×(pmod/180.0–2.0)，270.0pmod<360.0pmod=pmodulo360.0，相位[i]为：初始相位+频率×360.0×i/Fs26 西安航空职业技术学院基于LABVIEW的信号发生器锯齿波形详细信息如Y序列锯表示齿波，则该VI依据下列等式生成波形。y[i]=amp×锯齿波形（相位[i]），i=0,1,2,…,n–1，amp=幅值，n=采样数(#s)，锯齿波形（相位[i]）为：pmod/180.0，0pmod<180.05、公式波形VI图4.12公式波形VI通过公式字符串指定要使用的时间函数，创建输出波形。26 西安航空职业技术学院基于LABVIEW的信号发生器5测试检测5.1正弦波1.功能描述该正弦波仿真信号发生器，可产生正弦信号。指标如下：·频率范围：0.1Hz～10kHz·初始相位:0°～180°·幅度值：0.1～5.0·采样点数：N=8～512图5.1正弦波26 西安航空职业技术学院基于LABVIEW的信号发生器5.2方波1.功能描述该方波仿真信号发生器，可产生方波信号。指标如下：·频率范围：0.1Hz～10kHz·初始相位:0°～180°·幅度值：0.1～5.0·采样点数：N=8～512图5.2方波26 西安航空职业技术学院基于LABVIEW的信号发生器5.3三角波1功能描述该三角波仿真信号发生器，可产生三角波信号。指标如下：·频率范围：0.1Hz～10kHz·初始相位:0°～180°·幅度值：0.1～5.0·采样点数：N=8～512图5.3三角波26 西安航空职业技术学院基于LABVIEW的信号发生器5.4锯齿波1功能描述该锯齿波仿真信号发生器，可产生三角波信号。指标如下：·频率范围：0.1Hz～10kHz·初始相位:0°～180°·幅度值：0.1～5.0·采样点数：N=8～5125.4锯齿波26 西安航空职业技术学院基于LABVIEW的信号发生器结束语本文采用了目前比较流行的美国国家仪器公司的LABVIEW作为该系统的软件开发平台，对虚拟仪器和LABVIEW软件进行了介绍,并详细地介绍一种基于LABVIEW环境下自行开发的虚拟函数信号发生器。虚拟仪器设计及实现的核心是软件的开发。该仪器不但界面友好,而且功能强大、操作简便。经过仿真实验表明,它能够产生实验室常用的正弦波、三角波、方波、锯齿波信号,而且还可以产生白噪声及多频波,并能通过输入公式,产生测试领域的非周期特殊信号。本文采用模块化设计方法，详细描述了软件开发的全过程，分析并解决了设计及实现过程中出现的问题，并给出了已实现的虚拟正弦波仿真信号发生器、自相关函数演示仪、虚拟正弦波频谱分析仪、虚拟积分器和微分器的虚拟仪器程序的原理、前面板图和程序流程图。由这些仪器组成的系统，可用于电路基础、电子技术基础、信号与系统、自动控制理论等专业基础课程的实验教学。26 西安航空职业技术学院基于LABVIEW的信号发生器参考文献[1]胡仁喜等编著.LABVIEW8.2.1虚拟仪器实例指导教程[M].北京机械工业出版社,2007.11.[2]张凯等编著.LABVIEW虚拟仪器工程设计与开发.[M].北京国防工业出版社,2004.6.[3]张毅等编著.虚拟仪器技术分析与应用.[M].北京机械工业出版社,2004.2.[4]余成波,冯丽辉等编著.虚拟仪器技术与设计.[J].重庆大学出版社,2006.7.[5]刘全心,南建平.基于LABVIEW的虚拟函数信号发生器的设计[J].2007年5月第31期.[6]NationalInstruments.UsingLABVIEWtoCreateMultithreadedVIs[M].Texas:NationalInstruments,2000.[7]张雄伟,陈亮,杨吉斌.现代语音处理技术及其应用[M].北京机械工业出版社,2003.[8]刘君华。虚拟仪器图形化编程语言LABVIEW教程.[M].西安电子科技大学出版社，2001[9]杨乐平。LABVIEW高级程序设计．[J].北京清华大学出版社，2003[10]武嘉澍。LABVIEW图形编程．[J].北京北京大学出版社，200226 西安航空职业技术学院基于LABVIEW的信号发生器附录一前面板附录二程序框图26 西安航空职业技术学院毕业设计（论文）审查意见书指导教师对学生马森所完成的题目为基于LABVIEW的信号发生器的毕业设计（论文）进行情况、完成质量的审查意见：成绩：指导教师：年月日 西安航空职业技术学院毕业设计（论文）评阅意见书评阅人对学生马森所完成的题目为基于LABVIEW的信号发生器的毕业设计（论文）评阅意见为：成绩：评阅人：年月日 西安航空职业技术学院毕业设计（论文）答辩结果毕业设计（论文）答辩委员会对学生马森所完成的题目为基于LABVIEW的信号发生器的毕业设计（论文）及答辩评语为：经答辩委员会研究，确定成绩为：毕业设计（论文）答辩委员会主任：答辩委员会委员：年月日该生毕业设计（论文）最终成绩评定：审阅成绩（权重0.4）评阅成绩（权重0.4）答辩成绩（权重0.2）最终成绩 答辩记录答辩人姓名马森答辩人学号10202120答辩时间：