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《【电子信息工程毕业设计+文献综述+开题报告】基于LabVIEW的信号发生器的设计》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。
（20__届）本科毕业设计基于LabVIEW的信号发生器的设计39 摘要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。本文设计的虚拟函数信号发生器能产生正弦波、三角波、方波、锯齿波，输出信号的频率、幅值可调，并且能保存波形数据。本文的虚拟仪器设计基于LabVIEW的软件平台，通过硬件设备NIELVISII+采集之后模拟输出，并由示波器接受模拟波形。本设计是虚拟仪器模拟真实仪器的尝试。实践证明虚拟仪器是一种优秀的解决方案，能够实现各种之前传统硬件可以完成的任务。关键词：虚拟仪器，信号发生器，LabVIEW，NIELVISII+39 DesignofsignalgeneratorbasedonLabVIEWAbstractVirtualinstrumentisformedbytheinstrumenttechnology,computertechnology,bustechnologyandsoftwaretechnology.Powerfuldigitalprocessing’sabilityofcomputerisusedtoachievethemainfunctionsofinstrument.Virtualinstrumentbroketheframeworkofthetraditionalinstruments,andbuiltanewdevicemodel.Thesignalgeneratorofthispaperhasabilitytoproducesinewave,trianglewave,andsquarewave,sawtoothwaveand，Thefrequencyandamplitudeofoutputsignalcanbeadjusted,Andcansavethewaveforms.ThevirtualinstrumentdesignofThispaperbasedonLabVIEWsoftwareplatform,throughthehardwareequipmentNIELVISII+acquisitionandanalogoutputthewaveformandthentheoscilloscopeaccepttheanalogoutputwaveform..Thedesignisanattemptofvirtualinstrumenttosimulatetherealityinstrument.Itshowsthevirtualinstrumentisanexcellentsolutiontoachievethetaskwhichisachievedbytraditionalhardwareinthepast.Keywords:Virtualinstrument，signalgenerator,undergraduate,LabVIEW,NIELVISII+.39 目录摘要IIIAbstractIV1绪论11.1引言11.1.1信号发生器的发展11.1.2虚拟仪器的发展趋势21.1.3课题的主要任务32虚拟仪器42.1虚拟仪器的概述42.1.1虚拟仪器的特点及优势42.1.2虚拟仪器与传统仪器的比较52.1.3虚拟仪器系统的组成52.1.4虚拟仪器I/O接口设备62.1.5虚拟仪器的软件结构82.2虚拟仪器的开发软件82.2.1虚拟仪器的开发语言82.2.2图形化虚拟仪器开发平台——LABVIEW92.2.3基于LABVIEW平台的虚拟仪器程序设计92.3虚拟仪器的发展方向112.4小结123系统设计的硬件平台133.1PC机133.2NIELVISII+133.3示波器143.4整体硬件平台143.5小结154系统总体的设计及实现164.1软件系统设计164.1.1属性设置模块的设计164.1.2信号产生模块的设计164.1.3波形显示模块的设计174.1.4数据存储模块的设计174.1.5虚拟函数信号发生器的DAQ设计184.1.6虚拟函数信号发生器的总体设计2139 4.2虚拟函数信号发生器设计的仿真与输出225总结与展望26参考文献27致谢2939 基于LabVIEW的信号发生器的设计1绪论1.1引言信号发生器作为一个不可缺少的科学实验设备，广泛用于教学，科研等领域。大学，特别是科学和工程专业学院，在教学科研过程中需要大量设备，往往要配置的多套设备，如信号源，示波器等，但有些设备价格昂贵，按照传统的模型新建或改建的实验室需要庞大的投资，导致许多学校设备缺乏或陈旧，严重影响了教学和研究。如果利用虚拟仪器技术，建立系统，而不是传统的仪器仪表，不仅满足了实验教学的需要，还节省了大量资金，降低了实验室的建设成本，而且还可以提高教学和研究得质量和效益。虚拟仪器技术是计算机技术和测试技术相结合的产物，是这两门学科的最新技术的结晶，虚拟仪器的出现给现代测试技术带来了一场革命，它结合了计算机接口技术、仪器原理和技术、测试理论、多样化、高速总线技能化、模块化和网络化，体现出低成本、多功能、应用灵活、操作方便等优点，在很多领域大有取代传统仪器的趋势，成为当代仪器发展的一个重要方向，并受到各国企业界的高度重视。我国经济已经进入了一个新的发展时期，经济快速发展使得对先进任意波形发生器的需求更为强劲这样将加速实现企业，行业，尤其是电子，通讯，工业的技术改造步伐。高端台式机加工复杂，需要的制造水平较高，产量突破困难，虚拟技术的使用，您可以通过购买他们的通用仪器硬件，以虚拟仪器软件开发平台为依托，设计自己需要的高性能和低成本的仪器系统。虚拟仪器是在以个人PC机为核心的硬件平台之上，由用户定义的虚拟面板设计，测试功能是由一个计算机软件完成的一种测试仪器系统[1]。1.1.1信号发生器的发展信号发生器在20年代首次出现，用于测量早期的电子设备仪器。随着通信和雷达技术的不断发展，40年代出现了主要用于测试各种标准接收机的信号发生器，将信号发生器从定性分析的测试设备进化到定量分析的测量仪器，还有用于测量脉冲电路或脉冲调制器的脉冲发生器。由于早期信号发生器是复杂的机械结构，功率比较大，电路比较简单，因此放慢了发展步伐。直到1964年才出现第一台全晶体管的信号发生器。60年代的信号发生器具有非常快速的发展，以及函数发生器的出现，在这个由分立元件或模拟形式集成电路和模拟电子技术共同构成了信号发生器，电路结构复杂，只能产生正弦波，方波，锯齿波和三角波的简单波形，由于大型模拟电路的漂移，所以输出的振幅稳定性差，39 基于LabVIEW的信号发生器的设计和模拟电路的大尺寸，价格高，功耗大等缺点的存在，想要产生更多的复杂的波形，电路结构非常复杂。从70年代微处理器的问世和多年使用，数模转换器和模数转换器，硬件和软件扩展到使信号发生器能产生更复杂波形的功能。这时的信号发生器多数基于软件，微处理器控制的数模转换器使用过程中，你可以得到各种简单的波形。软件控制波形最大的缺点是，降低了输出波形频率，这主要取决于CPU的运行频率，如果你想提高频率可以改进软件程序频率，以减少执行周期时间来或增加CPU时钟周期，但是，这些措施效果是有限的，根本途径是改善硬件电路。朗读。。现三十三十五大阿双方大额度啊是大气污染ads全文请问阿飞我亲热ADSQWRFASDWQKJERHOI符号为符合我呢askodjfaoijfoiawqjefoiawjefadsoifjaoiwefjadosifjoiejawhefuowefoiwjaefopijew3在现代电子测量仪器应用中，计算机技术和信号处理技术的不断发展，使数字信号处理，逐步取代原来的模拟信号处理，极大地促进数字技术的发展，从而扩大了信号处理设备的能力，提高了信号的测量精度，精密和变化，克服了模拟信号处理速度慢等缺点，促进了数字信号发生器的共同发展。信号发生器的应用非常广泛，种类非常多。首先，信号发生器可以分为一般和特殊两大类，特殊信号发生器，主要用于特定的测量目的如电视信号发生器，脉冲编码信号发生器，这种发生器的特点是对测量的对象要求的限制。第二，根据信号发生器的输出波形可划分为正弦波信号发生器，脉冲波信号发生器，函数发生器和任意波形发生器等。第三，根据产生信号的频率的方法可分为谐振法和合成法两种。传统的信号发生器使用谐振法，它采用选择性正弦振荡电路来产生频率，合成获取所需的频率。1.1.2虚拟仪器的发展趋势现代仪器仪表技术是计算机技术以及对各种基础学科紧密结合的产品。随着微电子技术，计算机技术，软件技术，网络技术，新的测试原理，测试方法，测试仪器领域和新兴结构的迅速发展，使其在许多方面，已打破传统仪器的概念，电子测量仪器的功能和作用发生了一个质的变化。在此背景下，1986年，美国国家仪器公司（NationalInstruments，NI）的建议虚拟仪器（VirtualInstrument，VI）的概念。虽然到目前为止还没有统一的文书的定义，人们普遍认为：虚拟仪器是在PC硬件和软件为基础，加入相关的是建有可重复使用的测试设备的可视化界面系统[2]。虚拟仪器软件为用户提供了充分发挥自己想象力和空间的友好的编程环境，根据用户自己的想法和需求，通过规划和设计，建立起他们自己的仪器系统。虚拟仪器可以由用户设计，完全打破了传统仪器的设计只能由生产厂家定义，用户无法改变的模式定义。硬件平台的建立后功能是由软件而不是硬件决定来确定的，以适应需要不断变化的的不同仪器，虚拟仪器软件设计结构功能，它是灵活，开放，与其他外设轻松连接，可以很容易形成一个较大的系统，技术更新周期短，随着计算机设备，技术系统和用户需求的和升级，配置的灵活性和性能的维护等方面的发展，收效大，投入少。。39 基于LabVIEW的信号发生器的设计虚拟仪器软件作为新的仪器系统的核心，它具有功能强，精度高，测试速度快，自动化程度高，种类多，人机界面灵活性出色等，一般被认为是第三代自动化测试系统的代名词[3]。使用虚拟仪器系统开发工具，可以很容易地避免在编程过程中的很多的重复工作，从而大大降低了复杂性程序的开发时间，客户可以使用不同的模块来构建自己的虚拟仪器系统。由于功能和虚拟机的性能一直在增加，现在在许多应用中它已成为一个传统仪器的主要替代品。所有的虚拟仪器的优势，使用户能够安全地抛弃旧的传统测量设备，接受新的基于计算机的虚拟仪器。计算机性能的不断提高，让虚拟仪器的性价比更加的高，用户对拥有昂贵价格传统仪器做一些使用的限制，进一步降低使用成本，降低系统开发成本和系统维修费用[4]。此外，新型笔记本电脑的出现，使便携式虚拟仪器再次到一个新的水平。这些都将加速虚拟仪器的发展，让它的功能和应用的不断增加和扩大。在测量、检测、电信、监控、教育等方面的应用已广泛开展。1.1.3课题的主要任务信号源的波形有正弦波、方波、三角波、锯齿波等不同种类。信号的频率、幅值和占空比等波形参数可按需要进行调节。本虚拟函数信号发生器的开发,基于LabVIEW这个软件开发平台。根据LabVIEW的特点结合信号源的需求,确定总体设计思想：（1）可以产生10HZ到100MHZ的正弦波、方波、三角波、锯齿波；（2）信号频率、幅度可调可控；（3）可以根据需要，保存波形的分析参数到指定文件。软件设计完成之后通过硬件设备NIELVISII+采集之后模拟输出波形，并由示波器接受模拟波形。39 基于LabVIEW的信号发生器的设计2虚拟仪器2.1虚拟仪器的概述虚拟仪器的概念是由美国国家仪器公司最先提出的[6]。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。虚拟仪器成为了智能仪器之后的新一代测量仪器。虚拟仪器技术的概念核心是“软件即设备”。该技术将计算机，仪器硬件和应用软件工具三部分。虚拟以仪器电脑和通用数字接口标准的测量仪器上的硬件基础，连接到一个计算机平台，直接利用广泛的计算机硬件和软件资源，把计算机硬件和测量仪器及计算机软件，硬件资源，各种工具和资源有机的结合起来。2.1.1虚拟仪器的特点及优势虚拟仪器是基于计算机的功能的硬件模块和计算机软件，由电子测试设备组成，软件是虚拟仪器的核心，其开发框图如图2-1所示，这是一个设备驱动程序软件的基本部分，其中标准仪器驱动程序软件，使系统的发展与仪器硬件的变化无关。这是虚拟一起的最大优势之一，这在开发时间和更新周期将大大减少[7]。图2-1虚拟仪器开发框图虚拟仪器应用程序使可重复的硬件和可选的软件库之间共同发挥作用，实现仪器模块，定时和触发的沟通。因为VI的模块化，开放性和灵活性，软件是关键，测试要求时，用户可以很容易的更改系统，包括更改硬件和软件模块，或重新配置现有系统，以满足新的测试需求。因此，当用户从一个项目移动到另一个项目，可以很简单地构建出来一些新的VI系统，而不用户担心丢失原有的硬件和软件资源[8]。39 基于LabVIEW的信号发生器的设计虚拟仪器的优势，由用户确定自己的特定的设备系统，灵活，并且很容易被建立，因此应用非常广泛。虚拟仪器技术和国际流行的“硬件软件化”的发展趋势，这是通常被称为“软件工具”。其功能强大，因此示波器，逻辑分析仪，频谱分析仪，信号发生器等设备的所有一般和特殊功能都可以实现。2.1.2虚拟仪器与传统仪器的比较虚拟仪器具有传统独立仪器仪表无法比拟的优势。在高速，高带宽和专业的测试区域内，传统独立仪器具有不可替代的优势。在中，低端测试领域，虚拟仪器可以代替部分独立仪器，但复杂的测试环境是虚拟仪器自动化的优势，这是传统独立仪器难以胜任地[9]。1）传统独立仪器仪表只有一个传统的仪表盘，其上装有了多种显示和操作因素，因此可能引起阅读和操作失误的数目的增加。而虚拟仪器不同，可以在分小组为运作，以实现更复杂的功能。因此，在每个子面板功能，可以简化操作和面板布局，提高精度且操作方便。同时，虚拟仪表板上的显示元件和类型不受现实的限制，设计人员可以根据用户操作的要求和需要来设计的仪表面板。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）设备功能需要由用户通过软件来定义不是预先由制造商定义。4）仪器性能的改进和扩展的简单，只需更新相关软件而不购买新的设备。5）虚拟仪器开放，灵活，和计算机的同步发展，可以通过互联网网络和其他外围设备连接。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，基于虚拟测试仪器测试系统的精度和速度大为提高，且支持自动化，智能化，多任务的测量。7）可以方便地存储和测试数据，测试结果的交流表达方式更加的多样。8）虚拟仪器在高性价比的条件下，降低了系统开发和维护成本，技术更新周期缩短近几年，随着网络技术的发展，已形成了虚拟仪器的网络。这是一个新的基于Web的虚拟仪器技术，使虚拟仪器技术，成为互联网实现现场监控和管理的一部分仪器系统。2.1.3虚拟仪器系统的组成虚拟仪器是基于计算机的工具。计算机和设备的密切集成，是仪器发展的重要方向。仪器和电脑的组合由两种基本方法，一种是把电脑组合进仪器，其典型的例子就是智能仪器。随着电脑的功能越来越强大，以及其功能的增加和其体积的缩小，这类仪器的功能越来越强大，现在包含嵌入式系统的设备已经出现了。另一种方法是把仪器装进计算机，以39 基于LabVIEW的信号发生器的设计仪器计算机共同硬件和操作系统为基础，实现了仪器系统的计算机的多种功能，虚拟仪器主要是指这种方法[10]。对虚拟仪器和传统仪器构成，从数据采集和控制，数据分析和处理为主，结果显示三个部分。其结构如图2-2所示。图2-2虚拟仪器的内部功能的划分对于其中的三个组成部分，传统仪器几乎完全是由硬件完成。对于虚拟仪器，对与第一部分是硬件结构的，后者两个主要是由软件实现。与传统仪器相比，虚拟仪器设计越来越模块化，标准化，大大降低了工作量。通常的虚拟仪器测试系统是由传感器，信号调理和数据采集硬件，通用计算机，打印机和其他配件的硬件组成。系统软件通常是一个专用的虚拟仪器编程语言开发而成，并通过互联网网络扩容。2.1.4虚拟仪器I/O接口设备I/O接口设备，主要用于完成被测输入信号的采集，放大，模拟到数字的转换。但实际情况可能会根据I/O接口的硬件设备有所不同，如数据采集卡/板，GPIB仪器总线，VXI总线设备，串行设备，USB等。虚拟仪器的组成主要有五种类型[12]，如图2-3所示。1)DAQ(DataAcquisition)数据采集卡是标准的基于总线的计算机（如ISA，PCI插槽，USB等）内置的功能卡。USB是最新技术，包括数据采集卡具有较高的精度和良好的可移植性，它更充分利用计算机资源，大大提高了测试系统的灵活性和可扩展性;使用数据采集卡可以快速，方便地构建虚拟仪器系统。在性能方面，与A/D转换技术，滤波和信号处理技术，数据采集卡已经达到了1GB的采样率/秒，精度可达24位，多达64个频道，具有数字I/O，模拟I/O和计数器/计时器和其它渠道。设备制造商生产出供用户选择，如示波器，串行数据分析仪，动态信号分析仪的数据采集卡大量模块，任意波形发生器。装在计算机中若干数据采集模块，相应的软件，可以形成一个多功能测试设备。这台计算机为基础的手段，无论是高品质的测量仪器，而且也能满足测量的多样性需求。在中国大多数用户而言，它具有成本高，是一个特别为中国的虚拟仪器程序适用。39 基于LabVIEW的信号发生器的设计图2-3虚拟仪器构成方式2）GPIB(GeneralPurposeInterfaceBus)通用接口总线，是标准的计算机通讯协议和设备。GPIB的硬件规格和软件进入国际行业标准协议，符合IEEE-488.1和IEEE-488.2，这是第一个仪器总线，对于大多数设备都配备遵循的GPIBIEEE-488接口。一个典型的GPIB测试系统包括一台电脑，一个GPIB总线接口卡在多个GPBI仪器传感模块和相应的软件和硬件基础。GPIB仪器都有一个单独的地址，计算机控制操作。系统仪器可以增加，减少或改变，只是在适当的更改计算机控制软件。GPIB接口总线结构的数据卡传输速率基础上，普遍低于为500KB/s时，系统不能为需要高速应用场合。3）VXI(VMEbusExtensionforInstrumentation)是一个VME总线，该场在仪器的扩展，在上个世纪1993年，VXI总线的版本为1.4的IEEE-1155作为一个开放的行业标准标准认可。专用仪器仪表的IEEE-488总线上的成功经验，一个10MHz的时钟，模拟和数字混音总线，星型总线，高速总线，时序关系，严格的基础上增加吸收，无论是计算机总线，总线和设备优势。4）PXI(PCIExtensionForInstrumentation)是CompactPCI总线在仪器领域的扩展，是NI公司于1997年发布了一个新的开放式，模块化的仪器总线规范。紧凑型PCI核心是结构和MicrosoftWindows软件。PXI是PCI核心中的一个技术规范和成熟的形式要求增加。加大对星形触发总线精确定时的板用于PXI触发总线和10MHz参考时钟同步数目，以及毗邻的高速模块间的通信，如当地的巴士，以满足用户实验的要求。5）串行总线系统的标准串行设备和电脑设备，以简化测试系统的虚拟平台组成。RS-232总线是通用串行总线的早期采用者，在与RS-232接口作为标准仪器I/O接口设备，RS-232接口由计算机系统串行总线是目前虚拟仪器组成的总线仍然是这样构成的主要测试低速系统虚拟仪器之一[10]。39 基于LabVIEW的信号发生器的设计2.1.5虚拟仪器的软件结构虚拟仪器技术的核心为软件，软件的基本结构如图2-4所示。用户可以使用各种编程软件开发自己要求的应用软件。在美国，以NI公司的软件产品NILabVIEW和LabWindows/CVI为代表的虚拟仪器受开发平台，是受人欢迎的集成开发工具。该软件开发平台提供了强大的仪器面板设计软件工具和数据的加工工具。为与虚拟仪器相结合，硬件制造商提供了各种不同的硬件模块的驱动程序，简化了虚拟仪器的设计。随着软件技术的模块化，软件的开发，各种硬件设备的驱动程序软件的模块化，标准化，软件重用的快速发展将虚拟仪器的开发将更加快速，便捷。图2-4虚拟仪器软件结构2.2虚拟仪器的开发软件2.2.1虚拟仪器的开发语言作为开发虚拟仪器系统的语言有：标准C和VisualC++，VisualBasic和其他通用编程语言。然而，从这些语言的发展，直接设计虚拟仪器系统是相当困难的，除了要花费大量的时间来测试系统的面板设计外，还要编写大量的设备驱动程序和低级控制的准备程序。对于那些不熟悉这方面知识的工程技术人员，需要花费大量的时间和精力，直接影响系统的开发时间和性能。除了通用的编程语言，还有一些专用的虚拟仪器开发语言和软件，其中具有影响力的开发软件有：NI公司的LabVIEW和LabWindows/CVI的。LabVIEW的解决方案事使用图形化编程，这是一个非常实用的开发软件。LabWindows/CVI是为与熟悉C语言编写开发的设计人员使用的，在Windows环境下标准的ANSIC开发环境。此外，还有惠普公司的HP-VEE的，HP-TIG开发平台，美国泰克公司的EZ-TEST，TEK-TNS平台软件，这是国际上公认的很好的虚拟仪器开发软件平台[10]。2.2.2图形化虚拟仪器开发平台——LABVIEWLABVIEW（实验室虚拟仪器工程）是一种图形化编程语言，它作为一39 基于LabVIEW的信号发生器的设计个标准的数据采集和仪器控制软件被广泛于工业界，学术界和研究实验室所接受。LABVIEW的集成了和满足的GPIB，VXI总线和RS-232和RS-485协议通信硬件和数据采集卡的所有功能。它还内置了便利的TCP/PI，ActiveX和其他功能的应用软件的标准库，是一个功能强大和灵活的软件。它可以方便地用来构建自己的虚拟仪器图形界面，使得编程和使用过程中更加形象化[10]。传统的文本编程是一种顺序的设计思想，设计人员必须写出语句的执行情况。LabVIEW是基于数据流的工作，而且对编程图形化，这使得许多没有掌握编程语言和编程技能的设计师也可以设计一个虚拟仪器系统[11]。目前，基于PC为基础的软件测试和工业控制，LABVIEW的市场占有率仅次于C++/C语言。LabVIEW有一系列的独特优势：第一，使用LabVIEW的程序框图式的图形化编程语言编程，该设备的图标，和科学家和工程师使用习惯的图标大部分是基本相同，这使得编程过程和思维过程是非常相似，同一个时间，提供了丰富的LabVIEWVI库和仪器面板材料库，近600种设备驱动程序，如GPIB设备的控制，VXI总线控制，串行设备控制和数据分析，显示和存储，而且LabVIEW也提供了一个特殊的程序开发工具箱，使用户能够设置断点，调试数据，可以用来探测和观察数据传输过程中的动态执行，更容易调试。因此，LabVIEW将受到越来越多的工程师和科学家们的青睐。使用LabVIEW，可产生独立的可执行文件，它是一个真正的32编译器。像许多常见的软件一样，LabVIEW提供的Windows，UNIX，Linux操作系统，苹果操作系统和其他版本[12]。2.2.3基于LABVIEW平台的虚拟仪器程序设计所有的LABVIEW应用程序是虚拟仪器(VI)，其中包括前面板、程序框图以及图标/连结器三部分[13]。1）前面板：前面板是一个图形用户界面，这是虚拟仪器面板，该界面具有用户输入和显示输出两种对象，具体表现为开关，旋钮，控制和显示图形的类型和其他对象。想要有可以运行的程序，不仅需要有前面板的设计，还要有和前面板相应的框图。2）程序框图：程序框图提供VI的图形化源程序。在程序框图中对VI编程，以控制和操纵定义在前面板上的输入和输出功能。程序框图中包括前面板上的控件连线端子，还有一些前面板上没有，但编程必须有的东西，例如函数、结构和连线等。LabVIEW的运行机制，从宏观意义来说已不再是传统的冯.诺依曼计算机体系结构的实现。在LabVIEW中，传统的文本语言结构的顺序（例如：C）是由并行的执行结构所取代，在本质上，它是一个具有图形数据流模型控制流结构的方式，以确保程序中的一个节点在获得所有数据后才开始39 基于LabVIEW的信号发生器的设计它的运行。换言之，这样的数据流程序的概念，是数据驱动的程序执行，它不受操作系统，计算机及其他因素的影响。数据流驱动的LabVIEW程序。根据数据流给编程提供了一个目标，只有当所有输入是有效时才履行这一目标;而目标输出，它是功能完全时才是有效的。这将LabVIEW的程序框图之间的连接方案和执行顺序由数据流控制，而不是通过类似文本程序执行顺序中的各种限制语句。因此，我们可以使用相互连接的简单功能块图，来发展开发速出甚至可以同时运行多个数据通道的应用程序[14]。LabVIEW的核心是VI。VI有一个作为人机对话实现的前面板和程序框图，其功能是类似与传统开发语言的源代码。程序框图的指令将被前面板接受。在VI的前面板控制元件来模拟仪器的输入设备并将数据提供给后台的程序框图;指示器标是用于模拟仪器输出设备和显示收到的或由框图生成的数据。使用LabVIEW平台的设计自己程序框图，不必受传统的编程语法规则。利用LabVIEW平台设计的VI是分层次，模块化。它可以是顶层程序中使用，也可以作为其他程序或子程序。一个VI用在另一个VI中，称为子VI，当一个子VI被调用时是以图标形式被使用的。LabVIEW开发编程具有模块化的概念。用户可以把一个任务分成一系列的子任务，每个子任务可以进一步细分成许多低级别的子任务，直到一个的任务分解为一个复杂多子任务的组合。运行过程中，首先，每个子VI完成子任务，然后再一步步将联合完成最后的任务的VI。VI相对于传统的仪器，其前面板的显示和其他控制元件相当于的传统仪器的控制按钮，并在程序框图上的接线端子等同于传统的硬件设备的硬件电路。在许多情况下，使用VI可以模拟传统仪器，不仅在屏幕上出现一个生动的标准仪表面板，而且但它的功能与传统仪器几乎是相同的。这种设计的优势在两个方面[15]：（1）类似框图的设计，易于工程技术人员的接受和掌握，特别是那些没有在方案设计很多经验的工程师。（2）设计理念和运行过程清晰，直观。如通过数据探针的使用，高亮突出了调试等方法的程序运行，在此过程中，程序运行速度较慢，不执行的代显示灰色码，代码执行将被突出，而线上显示的数据流线数据值，完善的数据流跟踪操作。这极大的方便了调试和了解参数的设置过程。3）图标/连接器设计：这部分的设计突出了虚拟仪器的模块化设计理念。在大规模的自动检测系统中，完成一个复杂的系统设计步骤的设计是相当困难的。在LabVIEW提供的图标/连接工具为实现模块化设计准备的。设计人员可以自动检测由一个复杂的系统划分成的几个子系统，每个人都可以完成某些功能。这种设计有以下几个方面的优势：（1）39 基于LabVIEW的信号发生器的设计在一个复杂的自动检测系统分为几个子系统，方案设计思路清晰，调试程序设计师带来了很多方便。同时也为将来的系统维护提供了便利。（2）一个复杂的自动检测系统划分成几个子系统，每个子系统是一个全功能模块，因此记录测试功能的详细信息，便于实现软件重用，从而节省了软件开发周期，提高了系统的可靠性设计性。（3）便于实现“测试集成”和虚拟仪器库的思想。同时为实现虚拟仪器设计的灵活性提供了前提。2.3虚拟仪器的发展方向虚拟仪器作为一个新的工具，其优点是由用户定义的函数和仪器的结构，且建立容易，转换灵活，它已被广泛应用在电子测量，声学分析，故障诊断，航空航天，机械工程，建筑用工程，铁路交通，生物医学，教学和研究，以及许多其他方面。随着计算机硬件和软件技术，通信技术和网络技术的发展，为虚拟仪器提供了广阔的天地，国内外设备部门都看重了这个大市场。测控设备将向着高效率，高速度，高精度，高可靠性，自动化，智能化和网络化方向前进。公开的数据采集仪的标准将走上标准化，通用化，模块化的道路[16]。虚拟仪器不仅完成有传统仪器的大部分的功能，而且还具有比传统更先进的功能。在数据存储，数据分析，信号调理，数据等方面，具有传统仪器无法比拟的优势。仪器的主要功能是通过软件实现的，这使得设备材料的成本大幅度降低，在当今社会中，和环保，节能的时代要求相一致。因此，虚拟仪器技术是电子信息时代，新的仪器概念的发展，它代表了在21世纪仪器仪表技术的发展。虚拟仪器可用于在全世界许多地区的半导体，石化，冶金，机械，电信，能源，航空航天，医疗，通讯，汽车，电子，科研和教学行业[17]。虚拟仪器作为新的教学工具，已慢慢走进教室和实验室，逐渐改变传统的教学模式，它是现代教育技术发展的必然走向。在目前学校经费少的情况下，电力和电子实验室，实验室设备和一些已经老化的传统建筑，一些比较落后的技术，如果配置常规仪器，仪表，学校难以支付的起，也不符合当前学校实践。此外，随着数字测试设备，电脑的发展趋势，传统的测试仪器已逐渐被取代的趋势。如果使用上虚拟仪器技术，以计算机为基础，建立综合测试平台，而不是传统的仪器仪表，不仅可以满足电工电子实验教学的需要，并将这些计算机可以在计算机课程教学中使用，大大提高了设备的利用率，减少实验室的建设成本。当前应解决的是如何使虚拟仪器和现有仪器配合，挖掘现有设备潜力，逐步淘汰和取代传统仪器。总之，虚拟仪器有很广阔的发展空间，并最终要取代大量的传统仪器成为仪器领域的主流产品，成为测量、分析、控制、自动化仪表的核心。39 基于LabVIEW的信号发生器的设计2.4小结本章节介绍了虚拟仪器与其开发软件的一些基本情况和特点，还比较了虚拟仪器和传统仪器的差别，为寻找课题的设计方向与正确编写程序框图打下了坚实的基础。3系统设计的硬件平台3.1PC机39 基于LabVIEW的信号发生器的设计虚拟仪器就是用通用计算机强大的数据处理能力代替以往需要硬件电路才能完成的功能，所以现在随着个人电脑的快速发展，个人电脑在许多科技领域的广泛应用使其为测量仪器的执行搭建了一个理想的硬件和软件平台，通过增加一个简单的数据采集系统，个人计算机可以仿真任何仪器[17]。不同的仪器只要对该软件重新编程就可以在同一硬件中实现。本文所用PC机基本配置如下：操作系统：WindowsXPSP3;CPU:Intel®Core™DuoCPUT6400@2.00GHZ;内存容量：2G。3.2NIELVISII+NI教学实验室虚拟仪器套件（NIELVIS+）如图3-1所示，它是动手设计与原型设计平台，集成了最常用的12个仪器—包括示波器、数字万用表、函数发生器、波特图分析仪等等，将它们集成在适合于硬件实验室或课堂的使用中。100MS/s的示波器选项可以用于NIELVISII+中。基于NILabVIEW图形化系统设计软件，带有USB即插即用功能的NIELVIS提供了虚拟仪器的灵活性，并且允许进行快速简单的测量采集与显示。图3-1NIELVISII+规格参数：任意波形发生器/模拟输出通道数..............................2；数模转换器分辨率...........16位；最大更新速率1通道...........................2.8MS/s；39 基于LabVIEW的信号发生器的设计2通道...........................2.0MS/s；定时分辨率......................50ns；输出范围..........................±10V，±5V；电压转换速率...................20V/μs。3.3示波器本次仿真所用示波器型号为（RIGOLDS5062M），如图3-2所示图3-2RIGOLDS5062M型示波器3.4整体硬件平台硬件平台的整体视图如图3-3所示。39 基于LabVIEW的信号发生器的设计图3-3硬件平台3.5本章小结本章节主要介绍了本设计中使用到的硬件的基本情况和其总体连接图。39 基于LabVIEW的信号发生器的设计4系统总体的设计及实现4.1软件系统设计在设计本次信号发生器系统的主要任务是设计程序框图和其前面板，在设计这两部分中若没有出现数据类型不匹配、控件的属性设置等问题，再跟硬件连接，看是否可以产生各种信号，并且能被示波器采集到。在设计中,根据信号发生器的工作原理将虚拟函数信号发生器分成属性设置、信号产生、波形显示和数据存储四个功能模块,利用G语言分别实现各个模块的功能。4.1.1属性设置模块的设计属性设置模块主要功能是调节信号产生模块生成信号的属性。根据设计要求在控制模板上选择相应的控件放在前面板上,按规定设置性能指标,完成属性设置。我的属性设置前面板如图4-1所示。其主要属性设置有:信号类型切换、信号的输出频率、幅度等参量的控制。这些属性通过设置仪器前面板控件实现参数选定。图4-1 属性设置模块的前面板4.1.2信号发生模块的设计39 基于LabVIEW的信号发生器的设计信号发生模块是本设计的核心,主要功能是生成所需的信号。这个方案是使用波形产生子模板中的基本函数发生器节点来生成正弦波、三角波、方波、锯齿波四种类型的信号。其图标和端口如图4-2所示。该节点不仅包含输出指定波形图形的数字型数组,而且包含时间参数,称作波形数据。波形数据以簇的形式给出,包括起始时间t0、采样时间间隔dt和一个由采样数据构成的数组。其程序框图如图4-3所示。图4-2 基本函数发生器节点图标图4-3 信号产生模块方案的程序框图4.1.3波形显示模块的设计波形显示分两种,即波形表和波形图。它们的分别主要是数据接收和波形刷新方式不一样。波形表是以一点一点(或一个一个数组)的方式接收数据和实时显示数据的,而波形图是以数据块方式接收一个数组,然后把这个数组数据一次性送入波形图控件中全部显示出来。可见,波形表非常适用于描述数据动态变化的规律,实现数据动态观察;波形图适用于显示稳定的波形,故应选择波形图作为波形显示控件。4.1.4数据存储模块的设计由于函数信号发生器产生的是一些波形数据,因此应该采用波形文件I/O子模板中的写入波形文件VI节点或者写入测量文件39 基于LabVIEW的信号发生器的设计VI节点来将波形数据保存到磁盘中。本次信号发生器的设计是应用写入测量文件VI节点来存储波形数据的,节点图标和端口如图4-4所示。图4-4 写入测量文件VI图标 4.1.5虚拟函数信号发生器的硬件设计装好NI-DAQmx驱动，通过USB数据线连接硬件设备NIELVISII+，开启NIELVISII+电源开关。NIELVISII+上的三个指示灯如图4-5图4-5，NIELVISII+指示灯指示灯说明：POWER-电源指示灯；READY-与电脑连接状态指示灯；ACTIVE-设备运行状态指示灯。在NIELVISII+断电情况下用导线连接模拟输出口1（AO）和拟输入口1（AI），如图4-6所示，39 基于LabVIEW的信号发生器的设计模拟输出口0模拟输入口0图4-6接线图在设备通过自检后，在程序框图中添加“DAQ助手”，双击出现对话框，模拟输出节点设置如图4-7所示。图4-7模拟输出节点的设置设置模拟输出的生成模式，待写入采样和采样率。点击确定。如图4-8所示。39 基于LabVIEW的信号发生器的设计图4-8模拟输出节点同理，模拟输入节点的设置，如图4-9所示：图4-9AI模拟输入节点的设置设置模拟输出的生成模式，待写入采样和采样率。点击确定。如图4-10所示。AO用于输出模拟信号，AI用与检测AO输出的模拟信号，用LabVIEWF仿真示波器接收AI节点的信号来观察AO输出的模拟信号。39 基于LabVIEW的信号发生器的设计图4-10模拟输入节点4.1.6虚拟函数信号发生器总体实现 将4个基本模块和AI、AO两个VI组合在一起就是本次基本函数信号发生器的软件设计部分,其整体程序框图如图4-11所示。图4-11本次信号发生器的整体程序框图这样就完成了本次虚拟函数信号发生器总体结构的软件设计。其前面板如图4-12所示。39 基于LabVIEW的信号发生器的设计图4-12 本次虚拟函数信号发生器设计的前面板4.2虚拟函数信号发生器设计的仿真与输出1）虚拟仪器仿真四种波形仿真结果如图4-13所示：A为正弦波仿真；C为方波仿真；B为三角波仿真；D为锯齿波仿真。DCBA图4-13四种波形仿真结果2）示波器输出示波器探头黑色夹子用于接地，红色夹子连接接AO。接通电源，示波器连接如图4-14所示：39 基于LabVIEW的信号发生器的设计地AO图4-14示波器连线图三角波输出如图4-14所示：方波输出如图4-15所示，图4-16中A为正弦波，B三角波，C为锯齿波。39 基于LabVIEW的信号发生器的设计图4-14三角波输出图4-15方波仿真39 基于LabVIEW的信号发生器的设计图4-16示波器输出方波的占空比调节效果如图4-17所示，A为80%占空比；B为20%占空比。图4-17方波占空比调节效果图39 基于LabVIEW的信号发生器的设计5总结与展望本设计在研究虚拟仪器技术、DAQ应用技术的基础上，使用虚拟仪器技术实现了信号发生器。前面板应提供良好的人机交互界面，可以实现实验室里几种常见的信号波形。本设计大部分工作是程序的编写，所涉及的硬件部分都是现成的。但是对硬件的了解也是必需要做的工作，特别是对NIELVISII+的了解，其中包括采集率，采集通道，采样方式等，然后根据实际情况选择合适的参数。与现有的信号发生器相比，该信号发生器的输出波形类型没有很大的改变，而且波形的频率由于硬件本身对于采样频率的限制，并没有在原来的基础上提高有所提高。在输出基本波形时如果需要增大波形的频率，则需要减小波形的采样频率，否则会由于硬件的溢出问题而不能运行，但是减小采样频率容易让波形产生失真。如果在这个设计上进一步研究信号发生器，在波形的类型上应该有更多的变化，更迅速的响应时间，更准确的调节过程。对于信号波形的参数，如频率、幅值、相位、占空比等的设定有更好更精确的方式，而且在波形失真和噪声方面有更好的解决方法。在面板美化方面也可以做得更好更漂亮。通过本设计，深刻地认识到了虚拟仪器技术是当代仪器发展的重要发展方向。虚拟仪器也以崭新的模式和强大的功能深入人心，伴随计算机技术和信息技术的发展虚拟仪器必将拓展到各个领域，引起仪器的深层次变革。39 基于LabVIEW的信号发生器的设计参考文献[1]于洁,钟佩思.信号发生器在虚拟仪器界面中的设计与实现[J].山东理工大学学报(自然科学版),2005,19(2):106-110．[2]袁渊，古军.虚拟仪器基础教程［M］.西安：西安电子科技大学出版社，2002．[3]屈尔庆.基于LabVIEW的信号发生器的设计[J].信号处理.106-107.[4]李震,柯旭贵,汪云祥.虚拟仪器的发展历史、研究现状与展望[J].安徽工程科技学院学报,2005,18,(4):1-4.[5]李纪欣.虚拟仪器技术及其发展趋势[J].电子材料与电子技术，2005：（3）：41-46[6]张毅刚.虚拟仪器技术介绍[J].国外电子测量技术,2006,25,(6):1-6.[7]陆绮荣.基于虚拟仪器技术个人实验室的构建[M].电子工业出版社,北京,2006.[8]范福玲，韩建勋．基于LABVIEW的虚拟信号发生器的设计[J]．中原工学院学报，2006，17（4）：26-28．[9]张易之.虚拟仪器的设计与实现[J]，西安电子科技大学，2002，3:34—36.[10]朱治国，郑建荣，刘小平.虚拟仪器及其常用开发软件[J]，现代仪器，2004，1:15—16.[11]汪敏生.LabVIEW基础教程[M].北京:电子工业出版社,2002,48—51.[12]杨乐平,李海涛,杨磊.LabVlEW程序设计与应用[M].北京:电子工业出版,2005．[13]曹玲芝．现代测试技术及虚拟仪器[M]．北京航空航天大学出版社，2004：18-20．[14]ShenXiaoyan,ZhangGuang,ZhenShuchun,theMissileInstituteoftheAir-forceEngineeringUniversitySanyuan,Shaanxi713800,China;AnalysisandDesignofMicrowaveVirtualTime-FrequencyAnalyzer[A];Proceedingsofthe5thInternationalSymposiumonTestandMeasurement(Volume1)[C];2003年[15]LIZhili,XUEChangsheng,XUYihui9DepartmentofBeijingInstitute39 基于LabVIEW的信号发生器的设计ofSpecialE.&M.TechnologyBeijing,NO.1,Anwaibeiyuan,P.R.China;ApplicationoftheVirtualInstrumentTechnologyintheAutomaticTestingSystemofWeaponEquipment[A];第七届国际测试技术研讨会论文集[C];2007年.[16]江建军,刘继光.LabVIEW程序设计教程[M].北京:电子工业出版社,2008.[17]刘连生，汪海兵.基于虚拟仪器信号发生器设计与实现[J]．中国民航大学学报，2007，25（7）：122-123．39 基于LabVIEW的信号发生器的设计文献综述基于LabVIEW的信号发生器的设计1前言部分（阐明课题的研究背景和意义）信号发生器作为科学实验必不可少的装置，被广泛地应用到教学、科研等各个领域。高等学校特别是理工科的教学、科研需要大量的仪器设备，例如信号源、示波器等，常用仪器都必须配置多套，但是有些仪器设备价格昂贵，如果按照传统模式新建或者改造实验室投资巨大，造成许多学校仪器设备缺乏或过时陈旧，严重影响教学科研。如果运用虚拟仪器技术构建系统，代替常规仪器、仪表，不但可以满足实验教学的需要、节约大量的经费、降低实验室建设的成本，而且能够提高教学科研的质量与效率。虚拟仪器的出现给现代测试技术带来了一场革命，虚拟仪器技术是测试技术和计算机技术相结合的产物，是两门学科的最新技术的结晶，融合了计算机接口技术、仪器原理和技术、测试理论、多样化、高速总线技能化、模块化和网络化，体现出低成本、多功能、应用灵活、操作方便等优点，在很多领域大有取代传统仪器的趋势，成为当代仪器发展的一个重要方向，并受到各国企业界的高度重视[1]。虚拟仪器良好的软件编程环境给用户提供了一个能充分发挥自己想象力和才能的空间，可根据用户自己的设想及需求，通过编程来设计和组建自己的仪器系统。虚拟仪器可以由用户自行设计和定义，这彻底打破了传统仪器只能由生产厂家设计定义、用户无法改变的模式。在硬件平台确立之后，是由软件而不是硬件来决定仪器的功能，虚拟仪器可通过改变软件设计结构的方法来适应不同的需求，它的功能灵活、开放，容易与其他外设和网络相连，可以轻易地构成更大的系统，技术更新周期短，可随着计算机技术的发展和用户的需求进行仪器与系统的升级，在灵活组态和性能维护等多个方面都有着传统仪器无法比拟的优点，且收效大，投入少[2]。编程对工程技术人员来说可能会比较麻烦，LABVIEW软件用图形编程语言，简单直观、操作容易。用户使用LABVIEW可以随意创建程序，并把它当作子程序调用，以创建更复杂的程序，且调用的层次没有限制。LABVIEW这种创建和调用子程序的方法，使创建的程序结构模块化，更易于理解、调试和维护。同时，LABVIEW能够虚拟很多常规仪器，通过计算机仿真完成不同的功能，这样既可节省设备投人的开支，又提高了效率。因此，基于LABVIEW实现多功能信号发生器具有重大意义[3]。2主题部分（阐明课题的国内外发展现状和发展方向，以及对这些问题的评述）随着当今微电子技术、计算机技术、软件网络技术的飞速发展，新的测试理论、测试方法以及测试领域新仪器结构不断的出现,在测试技术与计算机深层次融合中出现了一种全新的仪器结构——虚拟仪器,这一概念最先由美国国家仪器公司(NatinalInstruments，NI)在39 基于LabVIEW的信号发生器的设计1986年提出的,之后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[4]。虚拟仪器这一概念在很多文献中都有介绍,所谓虚拟仪器（VirtualInstrument，VI），是指在以计算机为核心的硬件平台上，由用户使用软件平台来设计定义，具有由计算机显示器显示虚拟面板，其大部分测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。它是由测量仪器技术、总线技术和计算机技术等共同孕育的一种全新的仪器技术。其突出特点是打破了传统仪器的封闭性,把仪器的绝大部分硬件变成计算机上的软件，用户可以自行设计、自行定义、自行组建自己需要的仪器,并可将组建的多种仪器存放在计算机的仪器库中，配以传感器和数据通讯卡，构成性能、功能、外观和操作方式都和传统仪器相同或超过传统仪器功能的新型概念仪器系统[5]。其实质就是利用计算机强大的软件功能利用相应接口设备来完成信号的采集、输入/输出，从而完成各种仪器功能。“虚拟”的含义有二：(1)虚拟仪器的面板是虚拟的，它只不过是由计算机模拟而已。而传统仪器面板上的器件都是实物。(2)虚拟仪器的测量功能大部分是由软件来完成。虚拟仪器是在以个人计算机为核心组成的硬件平台支持下，通过软件编程来实现仪器的功能。虚拟仪器与传统仪器之比较：①虚拟仪器具有可变性、多层性、自创性的面板，而传统仪器的面板一经制造完成便不可更改。②虚拟仪器融合计算机强大的硬件资源，突破了传统仪器在数据处理、显示、存储等方面的限制，大大增强了传统仪器的功能③虚拟仪器的性能、功能、指标可以由用户根据需要由软件来定义修改,而传统仪器一经设计、制造完成后,就很难改变。④虚拟仪器具有开放的、标准的、功能强大的接口总线、板卡及相应的应用软件，为虚拟仪器的数据采集和接口控制提供强大的支持。⑤虚拟仪器的硬、软件都具有开放性、模块化、可重复使用及互换性等特点⑥虚拟仪器具有成本低、开发周期短、维护方便、易于集成应用的特点。决定虚拟仪器具有传统仪器不可能具备的特点的根本原因在于“虚拟仪器的关键是软件”。虚拟仪器与传统仪器相比，有四大优势：性能高、扩展性强、开发时间少和完美的集成功能[6]。虚拟仪器不但可以完成巨大部分传统仪器所拥有的功能，而且还能具有比传统仪器更为先进的功能。在数据存储、数据分析、信号调理、数据显示等多个方面，都具有传统仪器无法相比的优越性。由于其主要的仪器功能是靠软件来实现的，这也使设备制造的物质成本降了很多，在当今世界范围内都非常符合绿色环保、节约能源的时代要求。所以虚拟仪器技术是电子信息时代仪器技术发展的新理念，它代表了仪器仪表技术在21世纪的发展方向。虚拟仪器可广泛用于半导体、石化、冶金、机械、电信、能源、航空航天、医学、通信、汽车、电子、科研和教学等世界范围内的众多领域[7]。39 基于LabVIEW的信号发生器的设计国外虚拟仪器技术自上世纪80年代由美国NI公司提出以来，一直成为发达国家自动测控领域的研究热点和应用前沿。近年来，国内外的许多大型自动测控和仪器公司均相继开发制作了不少的虚拟仪器开发平台，但最早、最具影响力的还是NI公司的图形化开发平台LabVIEW。虚拟仪器在国外已发展成为一种新的产业。美国是虚拟仪器的诞生地，目前也是全球最大的虚拟仪器制造国。我们国内虚拟仪器的发展最早也是从引进并消化NI的产品开始的。国家自然科学基金委员会也曾将虚拟仪器研究作为现代机械工程科学前沿学科之一,列入过为“十五”期间优先资助领域。目前有些研究已取得可喜成绩，如由重庆大学测试中心秦树人教授承担的国家863项目“虚拟仪器关键技术的研究及其产业化”，所研发的“一体化虚拟仪器”就是一种不同于欧美虚拟仪器的新技术。这项成果表明我国在虚拟式仪器方面走出一条与欧美技术线路完全不同的自主创新路子,并成为国际上嵌入式一体化虚拟仪器研发的先行者[8]。但是，国内虚拟仪器行业至今还没有形成具有自主知识产权的虚拟仪器核心开发技术，也没有相关的行业标准。虚拟仪器产业无论在规模还是在质量上都难以与国外同行匹敌，国外虚拟仪器产品几乎垄断了国内的市场。加入WTO以后，我国虚拟仪器行业面临的形势更加严峻。虚拟仪器可以在相同的硬件平台下，通过不同的软件就可以实现功能完全不同的各种仪器，即软件是虚拟仪器的核心，因此可以说“软件就是仪器”。“软件即是仪器”，仪器的各种功能是通过软件实现的。在虚拟仪器软件平台的发展上，美国NI公司开发的Labview最具代表性。LabVIEW（LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench,实验室虚拟仪器工程平台）是美国NI公司推出的一种基于G语言（GraphicsLanguage,图形化编程语言）的虚拟仪器软件开发工具。LabVIEW是一个开放式的虚拟仪器开发系统应用软件，它为设计者提供了一个便捷、轻松的设计环境，利用它设计者可以像搭积木一样，轻松地组建起一个测量系统或数据采集系统，并允许任意地构造自己的仪器面板，而无需进行任何繁琐的计算机程序代码的编写，从而可以大大简化程序的设计[9]。LabVIEW包含有专门用于设计数据采集程序和仪器控制程序的函数功能库和开发工具库。LabVIEW的程序设计其实质就是设计一个个的“虚拟仪器”，即“VI”。在计算机显示屏幕上利用函数功能库和开发工具库设计一个前面板(frontpanel)；在后台则使用图形化编程语言编制对应的框图程用于控制前面板序。程序的前面板具有与传统仪器类似的界面，可接受用户的鼠标指令。一般来说，每一个VI都可以作为其它VI的调用对象，其功能类似于文本语言的子程序。LabVIEW的运行机制就宏观上讲已经不再是传统上的冯.诺依曼计算机体系结构的执行方式。在LabVIEW中，统文本语言(如C)中的顺序执行结构被并行执行结构所代替，本质上来说，它是一种带有图形控制流结构的数据流模式，这种方式确保程序中的节点只有在获得它的全部数据后才能执行。也就是说，在这种数据流程序的概念中，程序的执行是数据驱动的，它不受操作系统、计算机等因素的影响。39 基于LabVIEW的信号发生器的设计数据流驱动了LabVIEW程序。根据数据流程序设计规定，只有当一个目标的所有输入有效时才能执行此目标；而目标的输出，只有当它的功能完全时才是有效的。这样，LabVIEW中被连接的方框图之间的数据流控制着程序的执行次序，而不象文本程序受到行顺序执行的约束。从而，我们可以通过相互连接功能方框图快速简洁地开发应用程序，甚至还可以有多个数据通道同步运行。LabVIEW的核心是VI。VI有一个前面板(frontpanel)用于实现人机之间对话和一个框图(diagram)其功能类似于源代码。框图的指令能被前面板接受。在VI的前面板中，控件(controls)模拟了仪器的输入装置并把数据提供给VI后台的框图;而指示器(indicators)则模拟了仪器的输出装置并显示由框图获得或产生的数据。在使用LabVIEW平台设计自己的框图程序时，完全不必受常规程序设计语法规则的限制。使用LabVIEW平台设计出的VI是分层次和模块化的。既可以将之用于顶层程序，也可用作其它程序或子程序的子程序。一个VI用在其它VI中，称之为子VI，子VI在调用它的程序中同样是以一个图标的形式出现的。LabVIEW发展了模块化程序设计的概念。使用者可以把一个任务分解为一系列的子任务，每个子任务还可以进一步分解成许多更低一级的子任务，直到把一个复杂的任务分解为许多子任务的组合。首先设子VI完成每个子任务，然后将之逐步组合成能够完成最终任务的VI[10]。总结起来LabVIEW软件开发平台具有以下优点[11]：1.图形化的编程方式，快捷，方便，易懂。2.为使用者提供了各种数据采集、存储及分析的库函数。3.采用数据流编程模式，能够同时运行多个程序多个任务的系统。4.强大的调试功能，既有传统的程序调试手段，同时具有有独到的高亮执行和探针工具。LabVIEW的编程设计直观、简单、高效。随着虚拟仪器技术的不断发展，图形化的编程语言的扩张必将成为在测试和控制领域内最流行的发展趋势。软件设计是虚拟信号发生器设计的核心。LabVIEW程序有两部分组成：前面板程序和框图程序，整个程序基于多线程设计[12]。虚拟信号发生器的前面板设计：前面板是用于实现人机交流的界面，帮助使用者向程序框图中输入各种控制参数和观察输出量，在前面板中，使用各种仿真图标，并能以实时趋势图和数值等各种形式的输出测试结果来模拟真实仪器的面板。前面板的设计，充分体现了LabVIEW的特长，即建立友好的人机操作界面，是虚拟信号发生器的最上层。在使用中直接通过鼠标和键盘设定数据的相关参数，使用波形显示器对输出波形进行观察，并且可以直接读出信号的幅值和频率。虚拟信号发生器的框图设计：框图设计相当于源代码设计，只有在完成了框图程序的设计后才能真正运行程序。在前面板设计好了以后，要根据各个框图之间的关系以及对数据的处理方法等设计框图程序。对框图程序的设计主要是对节点、数据端口和连线的设计。39 基于LabVIEW的信号发生器的设计尽管目前虚拟仪器的研究已取得许多重大进展,但现在的虚拟仪器体系仍存在以下问题：(1)仪器开发严重依赖使用者自身经验。根据调查表明，虚拟仪器基本都是使用者根据自身的实际需要开发的。但普通的虚拟仪器使用者中，同时具有软件设计经验和仪器专业知识的十分有限。因此，对普通的使用者来说，自我开发虚拟仪器还具有比较大的难度；(2)仪器设计的效率低。在现行的虚拟仪器设计中，尽管对面向对象、ActiveX、串行通讯端口技术的广泛使用在一定程度上提高了软件的重用性，但在设计时仍然需要编写大量代码才能把这些部件联接成一个完整的系统；(3)仪器的可扩展性和可重构性差。用户若需要改变仪器的某些功能，必须要通过开发平台在代码层次上重新修改、编译才能实现。因此，采用人工智能技术提高虚拟仪器软件系统的可重构能力，降低虚拟仪器的设计难度，真正实现用户自己定义仪器的目标，是虚拟仪器研究中亟待解决的一项重要工作[13]。3总结部分（将全文主题进行扼要总结，提出自己的见解并对进一步的发展方向做出预测）虚拟仪器是现代机械工程科学前沿学科之一，也是对国民经济发展有重要影响的新兴产业。虚拟仪器技术使得仪器仪表不再是功能单一的和固定的不可变结构，而是越来越表现出柔性化和智能化，其适应性越来越强，功能也越来越丰富。为了加速我国虚拟仪器技术的基础研究和应用推广。应在虚拟仪器的智能化开发平台、高性能数字信号处理芯片等方面进行进一步研究[14、15]。39 基于LabVIEW的信号发生器的设计4参考文献[1]于洁,钟佩思.信号发生器在虚拟仪器界面中的设计与实现[J].山东理工大学学报(自然科学版).2005,19(2):106-110．[2]袁渊，古军.虚拟仪器基础教程［M］.西安：西安电子科技大学出版社，2002．[3]屈尔庆.基于LabVIEW的信号发生器的设计[J].信号处理.106-107.[4]李震,柯旭贵,汪云祥.虚拟仪器的发展历史、研究现状与展望[J].安徽工程科技学院学报,2005,18,(4):1-4.[5]李纪欣.虚拟仪器技术及其发展趋势[J].电子材料与电子技术，2005：（3）：41-46[6]张毅刚.虚拟仪器技术介绍[J].国外电子测量技术,2006,25,(6):1-6.[7]陆绮荣.基于虚拟仪器技术个人实验室的构建[M].电子工业出版社,北京,2006.[8]“重庆大学虚拟仪器关键技术的研究课题验收”[N],科技日报,2006-12-19.[9]张易之.虚拟仪器的设计与实现[J]，西安电子科技大学，2002，3:34—36.[10]朱治国，郑建荣，刘小平.虚拟仪器及其常用开发软件[J]，现代仪器，2004，1:15—16.[11]汪敏生.LabVIEW基础教程[M],北京:电子工业出版社,2002,48—51.[12]杨乐平,李海涛,杨磊.LabVlEW程序设计与应用[M].北京:电子工业出版,2005．[13]李震,柯旭贵,汪云祥.虚拟仪器的发展历史,研究现状与展望[J].安徽工程科技学院学报,2003,18(4):1-4．江建军,刘继光.LabVIEW程序设计教程[M].北京:电子工业出版社,2008.[14]ShenXiaoyan,ZhangGuang,ZhenShuchun,theMissileInstituteoftheAir-forceEngineeringUniversitySanyuan,Shaanxi713800,China;AnalysisandDesignofMicrowaveVirtualTime-FrequencyAnalyzer[A];Proceedingsofthe5thInternationalSymposiumonTestandMeasurement(Volume1)[C];2003年[15]LIZhili,XUEChangsheng,XUYihui9DepartmentofBeijingInstituteofSpecialE.&M.TechnologyBeijing,NO.1,Anwaibeiyuan,P.R.China;ApplicationoftheVirtualInstrumentTechnologyintheAutomaticTestingSystemofWeaponEquipment[A];第七届国际测试技术研讨会论文集[C];2007年.39 基于LabVIEW的信号发生器的设计开题报告基于LabVIEW的信号发生器的设计1选题的背景、意义随着测试技术及大规模集成电路技术的发展，传统的电子测试仪器已从模拟技术向数字技术发展；从单台仪器向多种功能仪器的组合及系统型发展；从完全由硬件实现仪器功能向软硬结合方向发展；从功能组合向以个人计算机为核心构成通用测试平台、功能模块及软件包形式的自动测试系统发展。同时，随着计算机技术的不断提高，现代自动测试系统正向仪器的自动化、智能化、小型化和综合化方向发展[1]。虚拟仪器的出现给现代测试技术带来了一场革命，虚拟仪器技术是测试技术和计算机技术相结合的产物，是两门学科的最新技术的结晶，融合了测试理论、仪器原理和技术、计算机接口技术、高速总线技能化、多样化、模块化和网络化，体现出多功能、低成本、应用灵活、操作方便等优点，在很多领域大有取代传统仪器的趋势，成为当代仪器发展的一个重要方向，并受到各国企业界的高度重视[2]。所谓虚拟仪器VirtualInstruments，就是在以通用计算机为核心的硬件平台上，利用虚拟仪器软件开发平台在计算机的屏幕上虚拟出仪器的面板以及相应的功能，人们通过鼠标或键盘操作虚拟仪器面板上的旋钮、开关和按键，去选用仪器功能，设置各种工作参数，启动或停止一台仪器的工作。在计算机软件控制下对输入的信号进行采集、分析、处理，测量结果和仪器工作状态都可从虚拟仪器面板上读出。用户在屏幕上通过虚拟仪器面板对仪器的操作如同在真实仪器上的操作一样直观、方便、灵活[3]。虚拟仪器完成各种测试功能时，通过使用计算机显示器的显示功能来模仿传统仪器的控制面板，输出各种形式的测试结果，通过使用计算机强大的软件功能管理账户，分析和运算信号数据，并通过输入/输出口完成对数据的采集、测量和调整。其核心思想是利用计算机强大的资源使原有的硬件技术需求程序化，以最大限度降低系统的成本，并且加强系统的功能和灵活性。其实质是利用计算机强大的数据处理能力，加上专门设计的硬件仪器，以建立拥有友好界面和丰富功能的新设备。仅需要通过软件界面进行简单的计算机操作，操作人员便可轻松完成对测试对象数据的采集和分析、判断[4、5]。39 基于LabVIEW的信号发生器的设计虚拟仪器软件编程环境给用户提供了一个充分发挥自己才能和想象力的空间，可根据用户自己的设想及要求，通过编程来设计、组建自己的仪器系统。虚拟仪器由用户自行设计、自行定义，彻底打破了传统仪器只能由生产厂家定义、用户无法改变的模式[6]。LabVIEW是美国国家仪器公司（NI）的创新产品，是目前国际上进行虚拟仪器开发的一个最佳平台，是新一代测试系统的核心。LabVIEW使用一种功能齐全的图形化编程语言，LabVIEW以其获得专利的数据流编程模式为我们摆脱了基于文本编程语言的顺序架构的桎梏。LabVIEW与其他计算机语言的显著区别是：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，LabVIEW使用的是图形化编程语言编写程序，产生的程序是框图的形式。与文本的顺序行所不同，节点间的数据流确定了LabVIEW的执行次序。用户可以轻松地创建可并行执行多种操作的程序框图。此外，LabVIEW并行执行的本质令多任务和多线程的执行得以简化。使用LabVIEW的调试工具，用户可监控数据在程序中的移动并精确掌握数据通过线缆在函数间移动的情况。这种方式与基于文本的语言不同，基于文本的语言要求用户监控每个函数用以跟踪程序的执行状况，而LabVIEW拥有所有的通用编程环境，如数据结构、循环结构和事件处理。LabVIEW有一个内置编译器，可在编辑时间编译所有代码。选择LabVIEW开发测试和测量应用的一大决定性因素是其开发速度。通常，使用LabVIEW开发应用系统的速度比使用其它编程语言快4到10倍。其原因在于，图形化编程语言为用户提供了丰富的扩展函数库，这些扩展函数库主要面向数据采集、GPIB和数据分析、显示、存储，为用户节省了宝贵的开发时间。同时LabVIEW还支持非常强大的网络处理功能，方便进行远程仪器开发。这样就可以通过网络来远程完成仪器开发和数据采集。LabVIEW还提供与其他编程语言的接口来完成更复杂的数值分析任务[7、8]。在硬件平台确立之后，是由软件而不是硬件来决定仪器的功能，虚拟仪器可通过改变软件的方法来适应不同的需求，它的功能灵活、开放，容易与其他外设、网络相连，构成更大的系统，技术更新周期短，可随着计算机技术的发展和用户的需求进行仪器与系统的升级，在性能维护和灵活组态等多个方面都有着传统仪器无法比拟的优点，且投入少，收效大[9]。39 基于LabVIEW的信号发生器的设计信号发生器主要用来产生幅度不同，频率各异的各种激励信号，是电工电子实验室、自动控制系统和科学研究领域经常用的一种测量仪器。普通台式信号发生器价格昂贵，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。所以采用虚拟仪器技术设计函数信号发生器，可以降低成本，缩短开发周期，并且能够和其它虚拟仪器构成一个完整的实验系统，也可以增加一些数字信号处理功能，极大地方便用户。所以，虚拟函数信号发生器的设计在电子测量领域中将会发挥极大的作用[10、11]。2相关研究的最新成果及动态国外虚拟仪器技术自上世纪80年代由美国NI公司提出以来，一直成为发达国家自动测控领域的研究热点和应用前沿，是现代仪器仪表发展的重要方向。近年来，世界各国的许多大型自动测控和仪器公司均相继研制了为数不少的虚拟仪器开发平台，但最早和最具影响力的还是NI公司的图形化开发平台LabVIEW。虚拟仪器在国外已发展成为一种新的产业。美国是虚拟仪器的诞生地，目前也是全球最大的虚拟仪器制造国[12]。阿尔卡特美国公司是全球领先的世界上电信设备制造商领导者之一。位于加州佩塔卢马的接入部，开发Litespan接入平台一种光纤数字环路载波（DLC）。DLC能够将电话公司中心机房普通铜线上的电话业务传递到更远的地方。通过LabVIEW，在相对短的时间内开发了一个全面测试方案。同时测试对每个信道单元的16个ANSI要求的环路和4条ISDN线路的一个信道单元进行测试时，每项测试所花费的时间为12分钟。由于一些信道单元需要测试某个温度范围内的状况，因而整个测试需要几天的时间。阿尔卡特公司Litespan硬件质量部的一位工程师，在程序中增加了一项功能，使得测试可以全天进行，甚至在周末也行。这项功能极大地扩展丰富了测试平台，提高了测试效率[13]。国内虚拟仪器最早的研究也是从引进消化NI的产品开始。国家自然科学基金委员会也曾将虚拟仪器研究作为现代机械工程科学前沿学科之一,列入过为“十五”期间优先资助领域。目前有些研究已取得可喜成绩，如由重庆大学测试中心秦树人教授承担的国家863项目“虚拟仪器关键技术的研究及其产业化”，所研发的“一体化虚拟仪器”就是一种不同于欧美虚拟仪器的新技术。这项成果表明我国在虚拟式仪器方面走出一条与欧美技术线路完全不同的自主创新路子,并成为国际上嵌入式一体化虚拟仪器研发的先行者[14]。1999年重庆大学机械工程学院秦树人教授提出“智能虚拟控件”概念以来，由他率领的研究团队先后取得了“智能控件化虚拟仪器”、“虚拟仪器拼搭场”、“智能虚拟控件和控件化虚拟仪器”和“岩石模型”等一系列研究成果，专家认为，这一系列成果标志着我国在虚拟仪器研究方面凭借自己原创技术跻身世界先进行列。从上个世纪80年代中期美国推出虚拟仪器(VI)以来，至今已产生了LabVIEW、HPVEE等国际上流行的开发系统，在虚拟智能测试方面积累了丰富资源。在落后欧美水平十几年的条件下，秦树人提出一种全新的虚拟仪器模式--“智能虚拟控件”39 基于LabVIEW的信号发生器的设计原理，建立信号变换的统一模型，奠定了这一新型仪器模式的理论基础，并在此基础上研制成功了虚拟仪器开发系统(VMIDS)，把虚拟仪器的设计理论与方法、资源开发积累的程度提到了一个全新的高度，使得开发成功的虚拟测试仪器最终产品已达数十种，而开发成功可直接用于组建仪器产品的“智能虚拟控件”更达数百上千种。秦树人认为,由于虚拟智能测试系统尚未建立统一的模型，功能软件的优势虽然能够大部分取代硬件部件，但仍未摆脱硬件仪器单机系统的制造和调用形式；软件的功能虽然提高了仪器的灵活性和开放性，但在制造上没有引入深度集成的原理和方法，还难以从根本上改变目前虚拟智能测试的模式，因此亟待创建一个全新的、具有更丰富内涵的测试功能系统。秦树人教授在前期大量有成效的研究基础上，提出了“岩石模型”理论。这一理论提出对全部机械测试类仪器建立“有界无限”的统一模型，所谓“有界无限”是指“机械测试”是一个“界”，而只要在这个“界”内，任何测试功能或仪器都将包含或可添加至这一系统(岩石模型)之中。基于这一理论，对测试功能和仪器进行多次、深度的集成制造便可演变成为一个“有界无限”、包含大量测试仪器并可供实际使用的复杂、大型测试仪器库。“岩石模型”在应用上将是一个取之不尽、用之不竭的大型机械测试仪器仓库，可为机械科学的研究和机械产品的制造提供全方位的在线和离线测试手段，具有广泛的产业应用前景[15]。3课题的研究内容及拟采取的研究方法（技术路线）、研究难点及预期达到的目标3.1研究内容：本虚拟函数信号发生器的开发,基于LabVIEW这个软件开发平台。根据LabVIEW的特点结合信号源的需求,确定总体设计思想：（1）可以产生10HZ到100MHZ的正弦波、方波、三角波、锯齿波；（2）信号频率、幅度可调可控；（3）可以根据需要，保存波形的分析参数到指定文件。3.2研究方法：根据上述总体设计思想,将该系统软件设计分成属性设置、信号产生、波形显示和数据存储四大模块,其软件结构框图如图1所示。在虚拟仪器的软件开发平台——LabVIEW上,根据设计要求,在VI程序的控制模板和函数模板上选择相应的控制件和显示件以及所涉及到的函数,利用所选定的目标项分别实现各子模块的功能,最终实现虚拟信号发生器。39 基于LabVIEW的信号发生器的设计图1虚拟信号发生器的原理框图3.3研究难点：1.可调频率范围大，在频率档位变化时采样频率需同时更新。2.由于第一次接触LabVIEW，虽然说这平台操作不是很复杂，自学起来也容易，但是一些小细节和小操作需要自己去寻找和发现。3.4预期达到的目的：3.4.1.能实现的功能：（1）可以产生10HZ到100MHZ的正弦波、方波、三角波、锯齿波；（2）信号频率、幅度可调可控；（3）可以根据需要，保存波形的分析参数到指定文件。3.4.2.待扩展的功能：任意函数波形的实现。4研究工作详细进度和安排2010年11月23日—2010年12月5日布置毕业设计任务，讲解毕业设计的方法和步骤，查找、分析相关文献资料；2010年12月6日—2011年1月10日初步拟定系统采取的研究方法、设计路线，完成文献综述、外文翻译的撰写；2011年1月11日—2011年3月5日整理相关资料，确定系统完成的主要功能，绘制系统的流程图。完成开题报告； 2011年3月5日—2011年4月8日进行详细的系统分析，完成电路的设计，每周汇总情况、问题和进度一次，随时可通过电话联系。开始撰写论文大纲及初稿； 2011年4月9日—2011年5月3日系统开发、代码设计、系统调试、修改及优化阶段。 2011年5月4日—2011年5月26日完成毕业论文并提交；2011年5月27日—2011年5月29日毕业论文答辩。 5参考文献39 基于LabVIEW的信号发生器的设计[1]屈尔庆.基于LabVIEW的信号发生器的设计[J].信号处理.106-107.[2]于洁,钟佩思.信号发生器在虚拟仪器界面中的设计与实现[J].山东理工大学学报(自然科学版).2005，19(2):106-110．[3]袁渊，古军.虚拟仪器基础教程［M］.西安：西安电子科技大学出版社，2002．[4]ShenXiaoyan,ZhangGuang,ZhenShuchun,theMissileInstituteoftheAir-forceEngineeringUniversitySanyuan,Shaanxi713800,China;AnalysisandDesignofMicrowaveVirtualTime-FrequencyAnalyzer[A];Proceedingsofthe5thInternationalSymposiumonTestandMeasurement(Volume1)[C];2003年.[5]LIZhili,XUEChangsheng,XUYihui9DepartmentofBeijingInstituteofSpecialE.&M.TechnologyBeijing,NO.1,Anwaibeiyuan,P.R.China;ApplicationoftheVirtualInstrumentTechnologyintheAutomaticTestingSystemofWeaponEquipment[A];第七届国际测试技术研讨会论文集[C];2007年.[6]李震,柯旭贵,汪云祥.虚拟仪器的发展历史、研究现状与展望[J].安徽工程科技学院学报,2005,18,(4):1-4.[7]朱治国，郑建荣，刘小平.虚拟仪器及其常用开发软件[J]，现代仪器，2004，1:15—16.[8]张毅刚.虚拟仪器技术介绍[J].国外电子测量技术,2006,25,(6):1-6.[9]李纪欣.虚拟仪器技术及其发展趋势[J].电子材料与电子技术，2005，(3)：41-46.[10]李震,柯旭贵,汪云祥.虚拟仪器的发展历史、研究现状与展望[J].安徽工程科技学院学报,2005,18,(4):1-4.[11]朱岩；余愚；虚拟仪器技术研究现状与展望[J].现代制造技术与装备，2008，(6)：12-15.[12]刘萍；曹慧；邱鹏；虚拟仪器的发展过程及应用[J].山东科学，2009，(1)：80-86.[14]“重庆大学虚拟仪器关键技术的研究课题验收”[N],科技日报,2006-12-19.[15]王松涛.我国虚拟仪器研究十年努力结出丰硕成果[N/OL].新华网重庆频道,2008-11-26.39
