基于LabVIEW的信号发生器的设计文献综述

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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]。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（Graphics Language,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。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。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]。4参考文献 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