虚拟仪器课程设计基于labview的虚拟示波器的设计.doc

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1、虚拟仪器课程设计题目： 基于labview的虚拟示波器的设计 院（系、部）： 电控学院 班 级： 测控06-1班 姓 名： 学 号： 指 导 教 师： 17课程设计任务书一、 设计题目基于labview的虚拟示波器的设计二、 设计任务1.要求在掌握labview软件的基础上，通过查阅资料，能够独立进行虚拟仪器的设计。2.通过本次设计，加深对示波器的认识，并对示波器的特性有一个更加全面的了解。设计计划课程设计共计1周内完成。具体的安排过程为：第一天：搜集资料，确定研究内容；第二天：方案分析、比较；第三天：编程设计；第五天：整理设计说明书；第七天：答辩。三、 设计要求设计一个虚拟仪器，按所设计系统

2、的原理、结构及功能等编写系统编写软件程序，撰写设计说明书。指 导 教师：王炎教研室主任：刘宏志时 间： 2009 年6 月8 日辽宁工程技术大学课 程 设 计 成 绩 评 定 表学 期2008-2009(2)姓 名李姣专 业测控技术与仪器班 级测控06-1课程名称虚拟仪器课程设计论文题目基于labview的虚拟示波器的设计评 定 指 标评定指标分值得分知识创新性20理论正确性20内容难易性15结合实际性10知识掌握程度15书写规范性10工作量10总成绩100评语：任课教师王雨虹时 间2009年6月8日备 注文 献 综 述在现代测量领域中，为了对电路功能进行检测，有许多的测量仪器可供使用。只要电

3、量不随时间变化，借助于仪器来掌握数值大小就足够了。但是，对于曲线形状、周期或频率以及最大值的附加数据都属于交流量的电路，由于交变量的曲线形状是多种多样的，以至于只有用图像才能充分加以描述。因此一般的电过程差不多都可以用图像语言来描述，且只有这样才便于理解。作为这类“电”图像的中介物，示波器在现代电子学中是不可缺少的。它经常代替一系列单个仪器：电压表、电流表、频率计、相位计等。由于传统的示波器加工工艺复杂，对制造水平要求高，生产突破有困难，因此价格非常昂贵，容易损坏，且开发和维护的费用高，功能单一，升级成本高，技术更新周期长，对于一般用户很不实用。随着计算机技术的发展，传统仪器开始向计算机化方向

4、发展。虚拟仪器是90年代提出的新概念。虚拟仪器技术的提出与发展，标志着二十一世纪测试与电子测量仪器领域技术发展的一个重要方向。所谓虚拟仪器,就是在通用的计算机平台上定义和设计仪器的测试功能，使用者操作这台计算机，就像是在使用一台专门设计的电子仪器。虚拟仪器是一种功能意义上的仪器，是一种具有仪器功能的软硬件组合。它充分利用计算机技术，在基本硬件支持下，通过调用相应的软件模块来完成数据采集、控制、分析、处理以及结果显示，从而实现各种传统仪器的功能。本设计便利用虚拟仪器设计一个虚拟示波器并实现它的虚拟频谱分析功能。摘 要虚拟仪器与传统仪器相比具有许多优点：对输入信号的处理和计算可以更加复杂，且处理速

5、度更快；测试结果的表达方式更加丰富多样；可方便地存储和交换测试数据；可通过多种现有的通信标准方便地同外设、网络及其它应用连接；价格低而且可重复利用；功能升级方便，技术更新快(周期12年)；将所有的程控仪器的控制信息集成在虚拟仪器的软件模块中，用户无需专门查阅、学习仪器的程控方法与程控指令就可对仪器进行操作；计算机强大的图形用户界面(GUI)增强了仪器的结果显示功能；具有几乎无限的数据记录容量；自动化的测试过程；用户可自定义分析方式和接口；可扩展的工程函数库；自动生成测试运行报告；高品质的打印功能等。另外，在工程应用和社会经济效益方面也具有突出优势。一方面，一些高档台式仪器如数字示波器、频谱分析

6、仪、逻辑分析仪等由于加工工艺复杂，对制造水平要求高，生产突破有困难，采用虚拟仪器技术可以通过只采购必要的通用数据采集硬件来设计自己的仪器系统；另一方面，用户可以将一些先进的数字信号处理算法应用于虚拟仪器设计，提供传统台式仪器不具备的功能，而且完全可以通过软件配置实现多功能集成的仪器设计。本课题利用虚拟仪器开发平台 labview设计了一种虚拟示波器以及它的虚拟频谱分析功能。关键词：虚拟仪器 示波器 频谱分析 1 虚拟仪器的概述虚拟仪器是现代技术与计算机技术结合的产物。随着计算机技术特别是计算机的快速发展，CPU处理能力的增强，总线吞吐能力的提高以及显示器技术的进步，人们逐渐认识到，可以把仪器的

7、信号分析和处理、结果的表达与输出功能转移给计算机来完成。这样，可以利用计算机的高速计算能力和宽大的显示屏更好地完成原来的功能。如果在计算机内插上一块数据采集卡，就可以把传统仪器的所有功能模块都集中在一台计算机中了，而软件就成了虚拟仪器的关键，任何一个使用者都可以通过修改虚拟仪器的软件来改变它的功能，这就是美国NI公司“软件就是仪器”一说的来历1。所谓虚拟仪器，就是在通用的计算机平台上定义和设计仪器的功能，用户操作计算机的同时就是在使用一台专门的电子仪器。虚拟仪器以计算机为核心，充分利用计算机强大的图形界面和数据处理能力，提供对测量数据的分析和显示功能。虚拟仪器的最大特点是其灵活性，用户在使用过

8、程中，可以根据需要添加或删除仪器功能，以满足各种需求和各种环境，并且突破了传统仪器在数据处理、表达、传送以及存储方面的限制。虚拟仪器的组成与传统仪器一样，由数据采集与控制、数据分析与处理、结果显示三部分组成。对于传统仪器，三部分几乎均由硬件完成，对于虚拟仪器，后两部分主要由软件来实现。与传统仪器相比，虚拟仪器设计日趋模块化、标准化，设计的工作量和复杂性都大大减小。2 虚拟示波器与其频谱功能的实现2.1 软件开发工具介绍本设计主要是采用labview编程方法，因为它是图形化的编程语言，界面形象直观，有很多按钮、控件可以直接用来表示实际的仪器。虚拟仪器系统的软件主要包括仪器驱动程序、应用程序和软面

9、板程序。仪器驱动程序主要用来初始化虚拟仪器，设定特定的参数和工作方式，使虚拟仪器保持正常的工作状态。应用程序主要对采集来的数据信号进行分析处理，用户可以根据编制应用程序来定义虚拟仪器的功能。软面板程序用来提供与虚拟仪器的接口，它可以在计算机屏幕上生成一个和传统仪器相似的图形界面，用于显示测量和处理的结果；另一方面，用户也可以通过控制软面板上的开关和按钮，模拟传统仪器的操作，通过键盘和鼠标，实现对虚拟仪器系统的控制。2.2 频谱功能的实现数字示波器是实验、教学、科研中常用的电子仪器，可以采集信号并进行分析，但传统仪器都具有设备更新慢、功能单一、价格贵等缺点。本设计主要是实现虚拟示波器的功能：从外

10、界采样模拟信号，转化为相应的数字信号，在计算机上实现波形的显示，并能够进行简单的波形处理，比如说，可以延时采样，可以显示波形的最大值、最小值，并能够根据需要放大波形的倍数，在采样的任何时期可以结束采样。另外，还利用快速傅立叶变换实现了简单的频谱分析功能的实现。功能结构框图如下：通道控制数据采集数据处理波形显示触发控制参数测量时基控制频谱分析但由于仪器原因，不能实现采样部分，在本设计中用随机正弦波代替外界采样模拟信号。3 虚拟示波器的具体实现3.1图形化的编程语言labviewlabview主要用于仪器控制、数据采集、数据分析等领域，它是一种基于图形编程语言（G语言）的开发环境，主要是以框图形式

11、编写程序。它与C等传统编程语言有着诸多相似之处，如：相似的数据类型、数据流控制结构、程序调制工具，以及层次化、模块化的编程特点。但二者最大的区别在于：传统编程语言用文本语言编程；而labview使用图形语言（即：各种图标、图形符号、连线等），以框图的形式编写程序。用labview编程无须太多的编程经验，因为labview使用的都是测试工程师熟悉的术语和图标，如各种旋钮，开关，波形图等，界面直观形象。 labview是一个功能强大的集成开发环境，labview还具有内置程序库，提供了大量的连接机制。labview是真正的编译器，用户可以创建独立的可执行程序，能够脱离开发环境而单独运行2。 一个l

12、abview程序包含三个主要部分：前面板、框图程序、图标/连接端口。前面板是labview程序的交互式图形化用户界面，用于设置用户输入和显示程序输出，目的是仿真真实仪器的前面板。框图程序则是利用图形语言对前面板上的控制量和指示量进行控制。图标/连接端口用于把labview程序定义成一个子程序，以便在其他程序中加以调用，这使labview得以实现层次化，模块化编程。3.2 虚拟示波器的界面实现图3-1 (a)是虚拟示波器的主界面：上半部分是波形显示部分，用于显示采集的波形，下半部分是对波形的频谱分析；(b)是虚拟示波器程序框图界面。(a)示波器主界面的实现(b)示波器程序框图界面图3-1 主设计

13、面板正弦信号首先要在图3-1(a)的波形实时显示部分进行显示，即图3-2。图3-2 波形实时显示界面如图3-2的面板是实时波形显示窗口，可以显示实时采样波形。右上侧可以直接得到采样数据的最大值、最小值。右下侧包含了放大倍数、采样延迟时间两个旋钮。通过这两个旋钮，可以调整实时波形在屏幕上的显示效果。另外，面板上还有采样停止按钮，用于结束采样。波形实时显示面板下面是一个工具面板：用X和Y按钮可以改变X、Y轴的比例。如果想让绘制的图形自动适应变化的坐标比例，可以单击每个按钮左边的锁定开关，使其自动锁定。第二列的两个是设置X、Y轴刻度值数字表示方式的快捷方式，单击后可以对精度等特性进行设置。其右侧第二

14、个是波形缩放工具，当用赋值工具单击它时，可弹出波形缩放方式的选择项，如图3-3所示：各功能如下：第一个按钮是矩形缩放。选择该项后，在显示区上，按住鼠标左键可以拉出一个方框，方框内的波形将被放大。横着第二个是水平缩放按钮：波形只在水平方向上被放大，垂直方向上保持不变。第三个是垂直缩放按钮：波形只在垂直方向上被放大，水平方向上保持不变。第二行第一个是取消缩放：取消最近的一次缩放操作。接下来的两个是连续缩放按钮。选中该项后，在显示区内按住鼠标左键，波形将以鼠标指针停留位置为中心进行连续缩放。图3-3 工具面板的演示图3-4 实时波形的框图程序图3-4的框图中，左侧是一个while循环，图框中正弦信号

15、与面板上的放大倍数旋钮对应的图标相乘，然后输入到实时波形屏幕中，接着信号流向图框外，并变成数组型数据。框图下方，设置采样延迟时间，由面板上的旋钮控制。 右侧循环框外是对数组信号进行处理。可以得到数据的最大值、最小值。 3.3 快速傅立叶变换(FFT)和labview分析库中的FFT VI采样信号是时域信号，这种信号给出了采样时刻信号的幅度，但是很多情况下，更想了解的是频率成分，而不是幅度值。频域表示法就表示了单个频率成分，这种表示法可以给出更多关于信号和系统的信息。从时域的采样数据变为频域的算法，称为离散傅立叶变换（DFT）。DFT将采样信号的时域跟频域联系起来。DFT广泛应用于谱分析、应用力

16、学、光学、医学图像、数据分析、仪器及远程通信等方面3。假设获得N个采样信号，对这N个样本进行DFT变换，结果仍将为N个样本，但它却是频域表示法。时域的N个样本与频域的N个样本之间的关系如下：假设信号采样率为fs，采样间隔为t，有t=1/fs，采样信号表示为Xi，0iN-1（即有N个样本），对这N个样本进行傅立叶变换，公式如下： n=0,N-1 （3-1）对N个采样数据进行DFT是个非常耗时的过程，大约需要n的平方次复数运算；但如果N是2的幂，假设N=2m,对N进行DFT就只需要m*N/2次操作，大大提高了速度，这种算法叫做快速傅立叶变换（FFT），它其实就是当采样N是2的幂时，进行DFT的一种

17、快速算法。FFT的优点在于速度快，且节省内存，这是因为当VI操作FFT时，无需额外的存储缓冲区，但它要求输入序列N必须是2的幂。而DFT速度比FFT慢得多，这是由于它需要额外的缓冲区来存储中间的结果，但是DFT对任一个序列都适用。FFT中为了使采样次数N等于2的幂，可以在输入序列末尾加0。例如：若N=10，可以在输入序列末尾加6个0，使得采样次数的总数为16（2的4次方）。分析库中有两种VI用来计算信号的FFT，即Real FFT VI和Complex FFT VI。两者的区别在于，Real FFT对实信号进行FFT，Complex FFT对复信号进行FFT，值得注意的是，两者的输出均为复数。

18、由于大多数信号都是实数值，因此可以用 Real FFT VI，当然也可以用Complex FFT VI，只是将虚数部分置为0。由于远程通信中的信号一般都为复数信号（实部、虚部均不为0），此时应该使用Complex FFT VI,对复电位进行调制将产生复信号。3.4 虚拟频谱分析功能和方框图的实现图35中，按界面上的运行按钮，在显示界面上分别会显示时域波形和经过FFT以后的频域波形。图3-5 虚拟频谱分析功能面板图3-6 虚拟频谱分析功能框图图3-6中： Arbitrary Wave用于产生一个随机的波形，Real FFT对输入的采样数据进行FFT，Complex To Polar将FFT的复数

19、输出分为实、虚两部分（幅值和相位），相位部分以弧度为单位，但屏幕上只显示FFT的幅值。4设计结果分析1.用信号发生器产生正弦波，并在设计的虚拟示波器上显示。图4-1即为显示波形：在图4-1中放大倍数悬钮可以通过鼠标进行选择，此时，放大倍数是2，所以波形显示是实际波形的2倍，而且最大值、最小值都会有相应的数字显示。由于鼠标选择不是很精确，所以最大值和最小值显示都不是确数2，而是有一定的误差。图4-1 放大倍数显示波形2.如上所述，放大倍数可以任意进行选择，若是4，那么波形对相同的采集信号也会有相应的变化，如图4-2。4-2 放大倍数显示波形3.图4-3是波形的时域显示，更多情况下我们需要的是波形

20、的频域显示。利用快速傅立叶变换，可得到频域显示波形，若选择波形的频率为0.03，则时域、频域显示波形如下:图4-3 时域波形和FFT变换后的频域波形结 论在这篇论文中主要是通过labview这种图形化的编程语言实现了虚拟示波器的界面设计，包括波形的简单处理，例如波形的放大等功能以及基于FFT的频谱分析功能，由于时间比较仓促，我的设计还存在很多不足之处，还有一些比较复杂的功能没有实现。随着网络技术和基于计算机的虚拟仪器技术的发展，远程测控技术也在迅速发展，我认为还可以把虚拟示波器应用在远程测控技术上。尤其是labview等专业测控软件的推出，用户可以组建一个性能优越的现场测控技术。但是，现场测控

21、系统必须有人干预，在许多条件恶劣、有毒、危险以及过于偏僻的环境中无法很好的解决测控问题。在这方面急需一种更好的方法来实施测量和控制。随着网络技术的兴起与发展，使用特定的协议，操作者可以在远端通过网络来监控现场的情况，接受测量数据和进行实时控制。考虑是不是可以利用局域网技术，结合labview实现的虚拟示波器，开发性能优越而体系开放的远程测控系统。心得与体会通过本次设计我更加加深了对虚拟仪器知识的学习和编程的方法，在设计中我认真的翻阅了虚拟仪器课本，并在网络上查找各种资料。掌握了一些虚拟仪器系统软件(labview等)的设计方法，在一定程度上提高计算机技术综合应用的能力。同时理解了利用虚拟仪器知

22、识编写示波器的原理，在一定程度上提高了我对各种知识的认识和掌握。由于缺少采样系统，并且为了视图的简明，所以本设计采用的正弦信号发生器代替现实采样进行示波器功能的实现，除此之外，还可用其他波形或随机数作为采样数据进行实验，同样可达到理想的效果，本设计中没有一一列举。在本设计中，我学到了很多课堂上学不到的知识。增强了自己的动手实践能力同时也发现了自己的不足，对自己今后的学习提供了很好的方向。参考文献1杨乐平,李海涛.labview程序设计与应用.电子工业出版社 2李刚,林玲.labview易学易用的计算机图形化编程语言.北京航天航空大学出版社3田广,唐力伟.基于labview的新型虚拟频谱分析仪.现代电子技术.2004