基于LabVIEW的虚拟电子信息类实验教学系统的设计与研究

- 1 -基于 LabVIEW 的虚拟电子信息类实验教学系统的设计与研究摘要 传统仪器下的高校实验教学，己严重滞后于信息时代和工程实际的需要。滞后的实验设备无法满足现代测试技术所需要的速度快、实时性好、具有良好人机界面的要求:难以实现功能扩展和资源共享。 虚拟仪器是在计算机为核心的硬件平台上，通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有地融为一体，利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析、处理，形成既有传统仪器的基本功能，又有特殊功能的新型仪器。运用虚拟仪器代替传统仪器，不但能满足电子信息类实验教学的需要，大大提高设备利用率实现资源共享，降低实验室建设成本，用户还可以根据自己需要定义仪器的新功能。 虚拟仪器设计及实现的核心是软件的开发。本文采用模块化的设计思想，描述了基于 LabVIEW 开发平台设计虚拟示波器的过程，给出了虚拟信号频谱分析仪、虚拟滤波器、虚拟信号发生器、虑拟积分器和微分器等实验教学用虚拟仪器的一前面板图和程序流程图。这些虚拟仪器组成的系统，可用一于电路基础、电子技术基础、信号与系统、自动控制理论等电子信息类课程的实验教学。本文比较分析了当前流行的虚拟仪器体系结构和开发环境。叙述了虚拟仪器设计过程的方法和体会，对虚拟仪器的开发有一定的参考价值。关键词:LabVIEW，虚拟仪器，开发平台，实验教学系统- 2 -目录基于 LabVIEW 的虚拟电子信息类实验教学系统的设计与研究.- 1 -目录.- 2 -1 序言.- 3 -1.1 实验教学设备存在的问题.- 3 -1.2 虚拟仪器的基本概念、构成及其特点.- 3 -1.3 虚拟仪器在实验教学中的运用.- 5 -1.3.1 虚拟仪器技术在仪器设备使用实验教学中的运用.- 5 -1.3.2 虚拟仪器技术与 Interent 技术结合在远程教育中的运用.- 5 -2 虚拟仪器及 LabVIEW.- 6 -2.1 虚拟仪器概述.- 6 -2.1.1 虚拟仪器的硬件体系.- 6 -2.1.2 虚拟仪器的软件体系构成.- 8 -2.1.3 虚拟仪器系统的整体设计.- 8 -2. 2 虚拟仪器开发平台 LabVIEW.- 9 -2.2.1 LabVIEW 概述.- 9 -2.2.2 LabVIEW 的特点.- 9 -2.2.3 LabVIEW 的模板.- 10 -3 虚拟示波器的设计.- 12 -3.1 虚拟示波器的实现方案.- 12 -3.2 虚拟示波器的硬件体系.- 12 -3.2.1 硬件组成.- 12 -3.2.2 数据采集卡.- 12 -4 虚拟实验教学系统的设计与实现.- 14 -4.1 虚拟函数发生器.- 14 -4.1.1 虚拟函数发生器的功能.- 14 -4.1.2 前面板和流程图.- 14 -4.2 虚拟微分器和积分器.- 15 -4.2.1 仪器功能.- 15 -4.2.2 前面板和流程图.- 15 -4.3 虚拟数字滤波器.- 16 -4.3.1 虚拟数字滤波器的功能.- 16 -4.3.2 前面板和框图程序.- 17 -4.4 虚拟实验教学系统的实现.- 17 -5 结论.- 19 -参考文献.- 20 - 3 -1 序言 电子信息类的专业课程有两大特点，一是比较抽象，如信号与系统、数字信号处理、高频电子电路、通信原理、模拟和数字电子技术等课程，需要通过实验环节来帮助学生理解：有的则必须通过学生的实践才能掌握，如 EDA, FPGA, DSP 技术、网络技术、软件编程等课程，实验环节在电子信息实验教学中占有非常重要的地位，是提高学生动手能力、培养创造能力和综合素质的一个有效的手段。很多学科都是以实验课程为基础的，缺少了实验的支持，学科的教学和科研活动就无法进行。学生只有通过足够的验证型实验和一定数量的综合设计型实验才能加深理解和掌握所学的理论知识和应用技术，也只有通过实验，才一能将理论与实践很好地结合起来。二是电了信息技术作为新的支柱产业，发展非常迅速，技术更新快，导致高校的课程特别是实验课程往往落后于技术的进步，无法满足实验教学的需要。且国内高校传统的实验设备在实验教学中暴露出的无实验模拟功能、辅助实验教学功能等种种弊端。与时俱进地开发出虚拟仪器实验教学系统进行实验教学，达到培养学生的动手能力和创新意识的目标。1.1 实验教学设备存在的问题 目前国内高校电子信息类实验大多采用各门课程的实验箱和传统仪器搭建起来的实验平台，传统仪器和实验箱是功能固定且单一，通常只能作一些演示性和验证性实验，无法实现功能扩展和资源共享。电子信息类教学实验常用仪器仪表为:函数发生器、示波器、万用表及各种专用实验设备等。上述实验设备在实验教学中暴露出的主要弊端有： 1、功能弱。如无实验模拟功能、辅助实验教学功能，以及普通示波器无暂态信号、过渡过程的存储、重现功能。 2、适用面窄。上述实验设备难以用于诸如单片机原理与接口技术、传感器、自控系统等课程的实验、实习教学。 3、维护、使用、管理复杂。同一实验室往往集有多种类、多规格、多型号的传统实验设备，易损件备用量大，操作使用方法各异，难以采用统一的管理标准和规程。 4、无实验模拟功能，导致实验过程费时多、元器件损耗大。1.2 虚拟仪器的基本概念、构成及其特点 传统的测量仪器主要由三个功能模块组成:数据的采集与控制模块、数据的分析与处理模块、结果的表达与输出模块。由于这些功能模块基本上是由硬件或固化的软件形式存在，仪器只能由生产厂家来定义、制造，因此传统仪器设计复杂、灵活性差，在一些较为复杂和测试参数较多的场合下，使用起来很不方便。 虚拟仪器（Virtual Istrument 简称 VI） 是在以计算机为核心的硬件平- 4 -台上，通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机地融为一体，利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析、处理，从而完成各种测试功能的仪器系统。计算机在虚拟仪器中处于核心地位，计算机软件技术和测试系统更紧密地结合成了一个有机整体，仪器的结构概念和设计观点等都发生了突破性的变化。从构成上来说，虚拟仪器就是利用计算机，配上相应的硬件和专用软件，形成既有普通仪器的基本功能，又有一般仪器所没有的特殊功能的新型仪器。它将计算机采集测试分析引入到电子测量领域，用数字化和软件技术极大地提高了测试的灵活性和可扩充性。虚拟仪器系统的构成框图如图 1.1 所示。数据采集计算机功能软件显示系统统 图 1.1 虚拟仪器系统构成 虚拟仪器的基本构成包括计算机、虚拟仪器软件、硬件接口模块等。硬件仅仅是为了解决信号的输入输出，软件才是整个系统的关键。正由于软件是虚拟仪器的关键，所以当基本硬件确定以后，就可以通过不同的软（如用于数据分析、过程通讯及图形用户界而的软件)实现不同的功能。虚拟仪器应用软件集成了仪器的所有采集、控制、数据分析、结果输出和用户界面等功能，使传统仪器的某些硬件乃至整个仪器都被计算机软件所代替。用户可以根据自己的需要，设计自己的仪器系统，满足多种多样的应用要求。利用计算机丰富的软、硬件资源，可以大大突破传统仪器在数据的处理、表达、传递、储存等方面的限制，达到传统仪器无法比拟的效果。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。 虚拟仪器利用计算机强大的图形环境功能，建立界面友好的虚拟仪器面板（即软面板） ，用户通过鼠标和键盘操作虚拟仪器就象操作传统的电子测量仪器一样。完成对被测试量的采集、分析、判断、显示、存储及数据生成。与传统仪器相比，虚拟仪器的优势在于用户自定义仪器功能、结构等，且构建容易，转换灵活以及其开放性。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。其主要优点归纳如下： 1、打破了传统仪器的功能概念，由计算机完成信号的分析、显示、存储、打印等功能。由于充分利用计算机技术，完善了数据的传输、交换等性能，提高了系统使用的灵活性，可以满足综合性的要求。 2、强调“软件就是仪器” ，的新概念，软件在仪器中代替由硬件甚至整机实现的角色。由于减少了许多随时间可能漂移、需要定期校准的分立式模拟硬件，加上标准化总线的使用，使系统的测量精度、测量速度和可重复性都大大提高。 3、虚拟仪器的开放性和功能软件的模块化，使资源的可重复利用率提高，系统组建时间缩短，功能易于扩展，管理规范，使用简便，软/硬件生产、维护和开发的费用降低。虚拟仪器既可以作为单台测试仪器使用，又可以构成较为- 5 -复杂的测试系统，甚至通过高速计算机网络构成分布式测试系统，进行远程监控及故障诊断。 虚拟仪器与传统仪器的指标比较如表 1.1 所示。表 1.1 虚拟仪器与传统仪器比较指标虚拟仪器传统仪器基本功能功能土要由软件决定，川户可白己定义功能由硬件决定，不易改变 数据分析处理功能存储、分析、处理能力强弱(或无)功能的扩展性易于扩展，容易升级不易扩展，很难升级易用性 数据显示多样化，交互好，能进行白适显示方式少，交互差(或无)，难以进行自适应测量和控制测试精度取决于不同的硬件模块 取决于仪器本身价格 单台价格高，适合绍建系统 单台价格低，组建系统成本高 随着计算机的发展，各种有关软件不断诞生，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。此外，用基于软件体系结构的虚拟仪器系统代替基于硬件体系结构的传统仪器，还可以大大节省仪器购买、维护费用。1.3 虚拟仪器在实验教学中的运用1.3.1 虚拟仪器技术在仪器设备使用实验教学中的运用 实验教学是许多专业必须进行的一项教学活动。掌握测量仪器和设备的正确操作方法是每个学生进行科学实验的基木前提。传统的教学方法是让学生在教师的指导下进行实验的操作，随之而来的问题是教师的工作量很大而很难对所有学生进行指导，既影响教学效果又容易造成仪器损坏。在一定程度上限制了教师和学生使用的积极性。如果用虚拟仪器组成虚拟实验室，让学生先在虚拟实验室通过对“虚拟仪器”的模拟操作使用，全面了解和掌握各种虚拟仪器的使用方法和操作要点，为实际使用虚拟仪器设备和传统的实验仪器设备打下较好的基础，既可降低教师的劳动强度，减少仪器设备的损坏，又可以提高实验教学质量与效果。1.3.2 虚拟仪器技术与 Interent 技术结合在远程教育中的运用 虚拟仪器技术与 Internet 技术结合可在远程教育中发挥作用。利用Internet 资源和技术，如 ASP （Active Server Pages，动态服务器主页） 、Socket（套接字）等，将 Internet 与虚拟仪器结合起来组成一个基于 Web 的虚拟实验室，从而在网络中建立一个虚拟的实验环境，这样能够使远程教育的实验教学远程化，远程教育的学习者不必担心缺乏实验条件，也不必为做实验到处奔波，通过网络中的基于虚拟仪器的虚拟实验环境观察实验现象和进行操作，甚至和异地的学习者合作进行实验。这对现代远程教育具有十分重要的意义。- 6 - 目前应用虚拟仪器来进行实验教学已实际启动，一些发达国家的高等学校已将虚拟仪器作为常规的实验仪器在学生实验中应用，在我国也己有部分院校的实验室引入了虚拟仪器系统，如复旦大学，南京理工大学，南京工程学院，江南大学，苏州工业园职业技术学院等。近一、两年来这些学校在原有的基础上，又开发了一批新的虚拟仪器系统用于教学和科研。- 7 -2 虚拟仪器及 LabVIEW 计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。粗略地说这种结合有两种方式，一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前己经出现含嵌入式系统的仪器。另一种方式是将仪器装入计算机。以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能。虚拟仪器主要是指这种方式。下面的框图反映了常见的虚拟仪器方案如图 2.1 所示被测系统信号调整数据采集卡数据处理虚拟仪器面板图 2.1 常见的虚拟仪器方案2.1 虚拟仪器概述 20 世纪 80 年代美国国家仪器公司（National Instruments Company，简称NI）首先提出了虚拟仪器的概念。1986 年，NI 公司推出了图形化的虚拟仪器编程环境 LabVIEW，标志着虚拟仪器设计软件平台基本成型，虚拟仪器从概念构思变为工程师可实现的具体对象。 虚拟仪器的基本构成包括计算机、虚拟仪器软件、硬件接口模块等。其中，硬件接口模块可以包括插入式数据采集卡（DAQ 卡） 、串/并口、IEEE488 接口(GPIB )卡、VXI 控制器以及其它接口卡。目前较为常用的虚拟仪器系统是 GPIB仪器控制系统、VXI 仪器系统、PXI 仪器系统、串行口仪器系统、数据采集卡系统、以及这五者之间的任意组合。2.1.1 虚拟仪器的硬件体系 虚拟仪器的硬件平台由计算机及其 I/O 接口设备两部分组成。I/O 接口设备主要执行信号的输入、数据采集、放大、模/数转换任务。根据 I/O 接口设备总线类型的不同，虚拟仪器的主流构成方案主要有 GPIB 虚拟仪器测试系统、VXI总线虚拟仪器测试系统、PXI 总线虚拟仪器测试系统、串行口或其它工业标准总线的系统和 PC-DAQ/PCI 插卡式虚拟仪器系统等五种，如图 2. 1 所示。下面对五种类型的虚拟仪器总线进行简要的分析比较，并确定适合于本虚拟仪器实验教学系统的硬件平台。- 8 -计算机VXI 仪器GPIB 仪器串行口仪器PXI 仪器DAQ 卡测试环境图 2.1 虚拟仪器的硬件体系结构 1、基于通用接口总线 GPIB 接口的虚拟仪器系统 GPIB(General Purpose Interface Bus)总线，即 IEEE488 通用接口总线，是 HP 公司在 70 年代推出的台式仪器接口总线。该标滩总线在仪器、仪表及测控技术领域得到广泛的应用。典型的 GPIB 系统由一台 PC 机、一块 GPIB 接口卡和若干台 GPIB 形式的仪器通过 GPIB 电缆连接而成。GPIB 技术用计算机实现对仪器的操作和控制，来替代传统的人工操作方式，从而促使电子测量向大规模自动测试系统方向迅速发展。GPIB 测试系统的结构和命令简单，造价较低，但是它与计算机相连需要专用接口以及 GPIB 仪器，结构复杂，传递速率较低，逐渐被其他形式的仪器所代替。由于 GPIB 拥有强大功能与广泛的使用者基础，因此 GPIB 在未来的许多年仍会继续存在。 2、利用 VXI 总线实现的虚拟仪器系统 VXI（VMEbus eXtension for Instrumentation）是一种高速计算机总线VME（Versa Module Eurocard）总线在仪器领域的扩展。它是继 IEEE488 总线之后，为适应测量仪器从分立的台式和机架式结构发展为更为紧凑的模块式结构的需要而推出的一种新的总线标准。它是一种完全开放的模块式仪器行业规范。VXI 总线集中了智能仪器、个人仪器和自动测试系统的很多优点，其性能全面优于 IEEE488 总线系统，而且使自动化测试系统的测试速度大大提高，满足目前自动测试系统向标准化、自动化、智能化、模块化及便携式方向发展的要求。经过十多年的发展，VXI 系统的组建和使用越来越方便，尤其是组建大、中规模自动测量系统以及对速度、精度要求高的场合。有其他仪器无法比拟的优势。然而，组建 VXI 总线要求有机箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造价比较高。 3、基于 PXI 总线的虚拟仪器系统 PXI （PCI eXtension for Instrumentation）总线是 PCI 总线在仪器领域的扩展，PXI 总线是以 PC 计算机局部总线（IEEE1014-1987 标准）为基础的模块仪器结构，目标是在 PCI 总线基础上提供一种技术优良的模块仪器标准。pXI总线是 PCI 总线的扩展与增强，具有高度的可扩展性。PXI 仪器的核心是高速的 PCI 计算机体系结构和 Microsoft Windows 软件，即当今主流 PC 计算机实际上的设计标准。PXI 将 PC 计算机的性能价格比优势与 PCI 总线面向仪器领域的必要扩展完美地结合起来，形成了一种主流的虚拟仪器测试平台。但成本比较高，硬件设计复杂。目前 PXI 的系统已广泛且成功地应用于汽车测试、半导体测试、功能性测试、航空设备测试以及军事等方面。- 9 -2.1.2 虚拟仪器的软件体系构成 构成一个虚拟仪器系统，基本硬件确定以后，就可通过不同的软件实现不同的功能。软件是虚拟仪器系统的关键。没有一个优秀的控制分析软件，很难构成一台理想的虚拟仪器系统。根据 VPP (VXI Plug & Pl ay)系统规范的定义，虚拟仪器系统的软件结构应包含三部分： 1、I/O 接口软件 I/O 接口软件存在于仪器（即 I/O 接口设备）与仪器驱动程序之间，是一个完成对仪器寄存器单元进行直接存取数据操作，并为仪器与仪器驱动程序提供信息传递的底层软件，是实现开放的、统一的虚拟仪器系统的基础与核心。在 UPP 系统规范中，详细规范了虚拟仪器的 I/O 接口软件的特点、组成、内部结构与实现规范，并将符合 VPP 规范的虚拟仪器 I/O 接口软件定义为 VISA 软件。 2、仪器驱动程序每个仪器模块均有自己的仪器驱动程序。仪器驱动程序的实质是为用户提供了用于仪器操作的操作函数集。应用程序对仪器的操作是通过仪器驱动程序来实现的。仪器驱动程序对于仪器的操作与管理，又是通过 I/O 软件所提供统一的函数库的调用来实现的。对于应用程序设计人员来说，有了仪器驱动程序，在不是很了解仪器内部操作过程的情况下，也可以进行虚拟仪器系统的设计工作。虚拟仪器驱动程序是连接上层应用程序与底层 I/O 接口软件的纽带和桥梁。2.1.3 虚拟仪器系统的整体设计 在科学研究与工程实验室里，有各种各样的仪器与设备。如何提高它们的综合使用效率？如何对它们进行更有效的管理？是用户值得考虑的问题。目前，最有效的方法是采用虚拟仪器技术。即充分利用计算机强大的管理与处理能力，将实验室相关设备搭配起来，构成一种全新的实验环境。实验室中的仪器与设备一般都是具有特定功能的单台设备，如果它们具有某种总线接口，就有可能进行虚拟仪器系统的整体构造。步骤如下：1、确定所用仪器或设备的接口形式 如果仪器设备具有 RS-232 串行总线接口，则不用进行处理，直接用连线将仪器设备与计算机的 RS-232 串行接口连接即可，由于计算机的 RS-232 串行接口有限，若仪器设备比较多，必要时必须扩展计算机的 RS-232 接口；如果是GPIB 接口，则需要额外配备一块 GPIB488 接口板，将接口板插入计算机的ISA 插槽，建立起计算机与仪器设备之间的通一讯渠道；如果使用计算机来控制 VXI 总线设备，也需要配备一块 GPIB 接口卡，通过 GPIB 总线与 VXI 主机箱零槽模块通信，零槽模块的 GPIB-VXI 翻译器将 GPIB 的命令翻译成 VXI 命令并把各模块返回的数据以一定的格式传回主控计算机。2、确定所选择的接口卡是否具有设备驱动程序 接口卡的设备驱动程序是控制各种硬件接口的驱动程序，是连接主控计算机与仪器设备的纽带；如果有设备驱动程序，它适合于何种操作系统？如果没有，或者所带的设备驱动程序不符合用户所用的操作系统，用户就有必要针对- 10 -所用接口卡，编写设备驱动程序。3、确定应用管理程序的编程语言 用户可以采用通用编程语一进行编程，如 Visual C+, VisualBasic。也可以采用专业的图形化编程软件进行编程，如 LabVIEW 软件。应用软件开发环境的选择，可因开发人员的喜好不同而不同，但最终都必须提供给用户一个界面友好、功能强大的应用程序。2. 2 虚拟仪器开发平台 LabVIEW 在构建虚拟仪器系统所需要的硬件平台确定之后，就需要通过软件来实现需要达到的各种功能。软件是虚拟仪器的关键，NI 公司提出“软件就是仪器”的概念直接导致虚拟仪器的产生，充分体现了这一点。虚拟仪器技术的发展和应用就是源于 NI 公司的虚拟仪器开发环境 LabVIEW。NI 公司开发的软件平台己经成为了虚拟仪器软件技术事实上的标准。2.2.1 LabVIEW 概述 LabVIEW 是虚拟仪器集成环境的简称，是目前应用最广、发展最快、功能最强大的图形化软件开发集成环境。LabVIEW 本身是功能较完整的软件开发环境，它是作为替代常规的 Basic 或 C 语言而设计的。用方框图代替了传统的程序代码。作为编写应用程序的语言，除了编程方式不同外，LabVIEW 具备编程语言的所有特征，因此被称为 G (Graphical)语言。LabVIEW 所运用的设备图标与工程师们习惯的大部分图标基本一致，这使得编程过程和思维过程非常相似。用 LabVIEW设计的虚拟仪器可以脱离 LabVIEW 开发环境，最终呈现在用户面前的是和实际的硬件仪器相似的操作面板。 LabVIEW 包含有专门用于设计数据采集程序和仪器控制程序的功能库和开发工具库。LabVIEW 的程序设计实质上就是设计单个的虚拟仪器，即“VIS” 。在计算机显示屏幕上利用功能库和开发工具库产生一个前面板（front panel） ；在后台则利用图形化编程语言编制用于控制前面板的程序。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 的核心是 VI。VI 有一个人机交互界面一前面板（front panel）和类似于源代码功能的方框图（diagram） 。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 的方框图；而指示器（indicators）则模拟了仪器的输出装置并显示由方框图获得或产生的数据。一个 VI 可以由底层的多个 VI 组成，就像真实仪器由印刷电路板组成，而印刷电路板又由 IC、分立元件组成一样。底层的 VI 代表了最基本的计算，I/O 操作与界面设计功能，各层 VI 都有相同的结构形式。虚拟仪器模型、图形界而和结构化数据流程图编程是 LabVIEW 三大核心技术。- 11 -2.2.2 LabVIEW 的特点 与传统程序语言不同，LabVIEW 采用强大的图形化语言（G 语言）编程，面向测试工程师而非专业程序员，编程非常方便，人机交互界面直观友好，具有强大的数据可视化分析和仪器控制能力等特点。LabVIEW 的强大功能归因于它的层次化结构，用户可以把创建的 VI 程序当作子程序调用，以创建更复杂的程序，而这种调用的层次是没有限制的。LabVIEW 这种创建和调用的子程序的方法，使创建的程序结构模块化，更易于调试、理解和维护。LabVIEW 具有以下几个主要特点： 1、提供大量的仪器面板中的控制对象，如各种开关、表头、旋钮、图表、刻度杆、指示灯等，而且用户可以方便地设计库中没有的仪器。 2、使用图标表示功能模块，使用连线表示各模块间的数据传递，使用数据流程图式的语言书写程序源代码，这样使得编程过程与思维过程非常相近。 3、提供程序调试功能。可以在源代码中设置断点，单步执行源代码，连线上设置探针，观察程序运行过程中数据流的变化，可以直观地对程序进行动态调试并实时地记录调试结果。 4、采用编译方式运行 32 位应用程序，运行速度快。应用程序生成器可以将 LabVIEW 编写的文件转化为可在 Windows 下独立执行的软件包，保护应用程序不被修改，也增强了程序运行的灵活性。 5、提供动态链接库接口和外部代码接口节点，使用户能在它的平台上使用其它软件平台编译的模块。能调用 C，BASIC 语言程序。支持 ActiveX 技术，可以直接使用 VB，VC 生成的控件，可以在控件和程序之间交换数据。 6、支持 TCP/ /IP 协议，可以通过 INTERNET 调用远程机上的 LabVIEW 程序。使用 LabVIEW 的 VI Server 可以实现远程网络监控。2.2.3 LabVIEW 的模板 在虚拟仪器的开发过程中，设计者主要用到 LabVIEW 提供的三个模板进行程序开发。这三个模板是：工具模板（tool palette） ，控制模板（controls palette）和功能模板（function palette） 。1、工具模板 工具模板提供了用于操作、编辑前面板和流程图上对象的各种工具，若想使用某操作工具，只需用鼠标点击该工具即可。工具模板如图 2.2 所示。 - 12 -图 2.2 LabVIEW 工具模板 2、控制模板 控制模板提供了用于虚拟仪器前面板设计的各种控件。虚拟仪器的前面板(软面板)是通过软件实现的，也就是 LabVIEW 将传统仪器的物理面板(硬面板)上的各种旋钮、开关、显示屏等所有可能涉及到的操作部件，都做成外形相似的“控件” ，分类存放在控制面板上，设计者在设计虚拟仪器前面板时，只需根据需要选择合适的“控件” ，并放置在前面板的相应位置即可。 3、功能模板 功能模板是创建程序框图的工具，只是在程序框图作为当前页面显示时才出现。该模板上的每一个顶层图标都表示一个子模板。通过这些功能子模板可以找到创建程序所需的程序框图工具，比如运算符号、各种类型的常数等，通过连线把在前面板中创建的对象连成一个完整的程序流程。LabVIEW 将传统仪器上的各种测试功能、信号分析、文件操作、I/O 接口设备驱动做成可供直接调用的库函数。并将各个库函数做成图标的形式存放在相应功能的子模板上，设计者在设计流程图时，只需根据欲实现的功能与操作，从子模板上选择相应的“图标”,并放在流程图编辑窗口中相应的位置上即可。- 13 -3 虚拟示波器的设计 数字示波器是科研和实验室中经常使用的一种通用台式仪器，用于各类简单信号、复杂信号、单次信号和周期信号波形的测量、记录、存储、分析。目前这类仪器加工复杂、价格昂贵。用虚拟仪器技术只需配置必要的通用数据采集硬件，应用图形化编程语言 LabVIEW 的虚拟编程环境，采用模块化设计方法，可以实现虚拟示波器。3.1 虚拟示波器的实现方案 虚拟示波器是由信号调理器、数据采集卡组成的外部采集系统和软件构成的分析处理系统组成。被测信号送到信号调理电路，进行隔离、放大、滤波整流后送数据采集卡进行 A/D 转换，最后由控制软件对测试信号进行数据处理，完成波形显示，参数测量、频谱分析等功能。虚拟示波器的结构框图如图 5.1所示传感器信号调整数据采集卡控制系统输出图 3.1 虚拟示波器的结构框图3.2 虚拟示波器的硬件体系3.2.1 硬件组成 硬件部分主要包括传感器、信号调理电路及数据采集卡。而传感器和信号调理电路针对不同的测试对象有不同的选择和设计。数据采集是硬件部分的核心，主要完成数据采集的控制，数据的读取及数据的转换。它的性能直接影响数据采集的速度和精度。另外，LabVIEW 可对 NI 公司的数据采集卡进行驱动和配置，可充分利用采集卡的性能。3.2.2 数据采集卡 数据采集模块采用 NI 公司的数据采集卡 PCI6024E，它支持 DMA 方式和双缓冲区模式，保证了实时信号不间断采集与存储。这种数据采集卡支持单极性和双极性模拟信号输入，采样速率可达 200kb/s，信号输入范围分别为-5+5V 和-10+l0V。提供 16 路单端/8 路差动模拟输入通道、2 路独立的 D/A 输出通道、8 位 24 线的,TTL 型数字 I/O，2 个 24 位 20MHz 的定时计数器，4 个模拟输入范围等多种功能。被测对象- 14 - 数据采集卡通过多路开关、A/D 转换新片和数据缓存的几个部件将多通道的模拟信号转换成数字信号并贮存在其缓存中，而计算机通过 LabVIEW 中的数据采集 VI 对数据采集卡中的儿个部件的运作进行控制，数据采集卡和计算机之间通过计算机总线含通信，交换数据和控制信息。一个多通道波形数据采集的过程一般包括以下几个步骤： 1、数据采集卡有关的采样参数（频率、次数、通道、数据缓存的大小） 。 2、采样开始，多路开关对采样通道进行一次扫描，每个通道采样一个点。 3、A/D 转换。 4、数字信号存到数据缓存。 5、重复 2-4，直到采集到了所需的采样次数，全部数据顺序存储到缓存中。 6、从数据采集卡的缓存中读取数据到计算机的内存中。- 15 -4 虚拟实验教学系统的设计与实现 虚拟电子信息类的实验教学系统应包含函数发生器、信号滤波器和信号调理电路等虚拟仪器，才能满足电子信息类实验教学的需要。这些仪器的设计思想和步骤同虚拟示波器，这里直接给出。4.1 虚拟函数发生器 函数发生器产生测量所需的信号源，其波形有正弦波、方波、三角波、锯齿波、正负脉冲、调幅调频和随机信号等不同种类，信号的频率和幅值等参数可按需要进行调节。 本虚拟函数发生器可产生仿真信号，用于测试系统模型分析或信号性质研究。具有如下特征：（1）能产生常用信号和任意信号波形。常用信号有正弦波、方波、三角波和锯齿波；任意信号波形由公式和含噪多谐波形特征值设定；（2）可设置波形的频率、幅度、相位、直流偏移量、占空比等参数；（3）能储存和再现波形。4.1.1 虚拟函数发生器的功能 LabVIEW 将测量中常用的信号函数做成了可以生成各种仿真信号波形序列的功能模块，供编程者方便地调用，除此之外，还可以利用公式波形节点，生成指定的任意函数波形。4.1.2 前面板和流程图虚拟函数发生器前面板如图 4.1 所示。- 16 -图 4.1 虚拟函数发生器前面板该信号源能够产生正弦波、方波、三角波和锯齿波等波形，可方便地对其频率、幅度、初相位、采样参数等进行调节，生成的波形在图形显示控件上形象地显示出来，对方波可进行占空比的调节。图 4.2 为虚拟函数发生器流程图图 4.2 虚拟函数发生器框图程序 在这种由计算机直接产生信号的数字系统中，注意信号频率与采样频率之间的关系必须满足采样定理，即采样频率大于 2 倍的最高信号频率。在奎耐斯特以下的频率可以被正常采样，而高于奎耐斯特的频率将出现频率混叠。在采用传统授课模式时，对于数字系统所特有的这种频率混叠现象，学生感到抽象，理解困难，而现在只需简单的调节虚拟函数发生器的信号频率参数和采样频率，即可显现。这种教学效果是纯理论教学难以达到的。利用软件生成的各种虚拟信号可对虚拟仪器的后续软件处理部分进行调试和功能检验，还可以设计各种虚拟仪器，实现各种理论分析及功能演示，为形象直观教学提供了极大的方便。4.2 虚拟微分器和积分器4.2.1 仪器功能 由软件生成各种典型的输入信号（如正弦波信号的幅值、频率、相位） ，并在面板上显示信号微分和积分前后的波形。4.2.2 前面板和流程图虚拟微分器和积分器前面板和流程图分别如图 4.3 和图 4.4 所示- 17 -图 4.3 虚拟函数发生器前面板图 4.4 虚拟函数发生器框图程序4.3 虚拟数字滤波器4.3.1 虚拟数字滤波器的功能 数字滤波器的基本原理是将信号数字化后，通过一定的算法，应用程序滤波功能。与模拟滤波器相比，数字滤波器具有以下优点：可以用软件编程，稳定性高，可预测，不会因温度、湿度的变化而影响测量误差。应用 LabVIEW 软件的数据分析工具包，该包中提供了丰富的信号分析处理相关程序，包括波形测量、信号调理、信号监测、波形发生和信号处理等，并提供了多种常用的滤波器，使用时只需输入相应的指标参数即可。滤波器位于 Functions 模版Analyze 子模板SignalProcessing 子模板Filters 子模板中。- 18 -4.3.2 前面板和框图程序虚拟数字滤波器的前面板和框图程序如图 4.5 和 4.6 所示。图 4.5 虚拟数字滤波器前面板图 4.6 虚拟数字滤波器框图程序4.4 虚拟实验教学系统的实现 在虚拟信号频谱分析仪、虚拟数字滤波器、虚拟示波器、虚拟函数发生器、- 19 -虚拟积分器和微分器等实验教学用虚拟仪器设计与实现的基础上，如果将每一台仪器作为 SubVI 集成在虚拟仪器实验教学系统用户界面下，可以方便地进行电子信息类实验的教学。虚拟实验教学系统如图 4.7 所示。电子信息类虚拟实验教学系统电子信息类虚拟实验教学系统虚拟信号发生器虚拟频谱分析仪虚拟滤波器虚拟示波器虚拟微分积分器 图 4.7 虚拟实验教学系统- 20 -5 结论 数字信号处理技术和工程测试技术是本文理论知识的基础，而虚拟仪器的基本思想和 LabVIEW 开发平台则是程序开发设计过程中有力的工具。如果缺乏基础性的理论知识，就无法很好地运用开发工具，无法解决在开发过程中所遇到的问题，也就无法开发出具有实用价值虚拟仪器；如果缺乏功能强大的开发平台，再扎实的理论知识也难以转化为有效的、实用的工具。 该虚拟仪器实验教学系统采用模块化设计方法，设计并实现了虚拟信号频谱分析仪、虚拟滤波器、虚拟示波器、虚拟函数发生器、虚拟积分器和微分器等实验教学用虚拟仪器，并将每一台仪器作为 SubVI 集成在虚拟仪器实验教学系统用户界面下，使用者可以很方便地利用这些仪器进行电路基础、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。 虚拟仪器实验教学系统的开发对改善和提高理工科实验教学质量是有所补益的。更重要的是，由于该系统采用模块化设计，而且 LabVIEW 提供了极其强大的功能函数库（Functions Palette） ，学生在使用本系统，熟悉 LabVIEW 开发平台后，可以充分发挥发挥其想象力和创造性，调用 Functions Palett 中的函数替代本系统中的部分函数或模块开发出许多新的虚拟仪器。学生在完成新仪器开发学习到许多新知识的同时完成实验内容，将理论与实践完美结合，使其具有成功感，提高其学习实验课程的兴趣。作者认为虚拟仪器引入实验教学必将翻开实验教学新的一页。 由于时间的关系，LabVIEW 所具有的强大功能还有许多是作者未曾开发和加以很好利用。在课题研究和撰写论文过程中，本人遇到了一系列困难，主要有从哪得到 LabVIEW 开发环境，谁提供数据采集卡或帮助实测检验虚拟仪器，如何进行流程图的优化，以及很多开发技术方面的难题，在老师的指导和同事的帮助下，以上困难都得到了克服，最终完成了课题研究。- 21 -参考文献1黄小红，胡正涛，丘海明.探讨虚拟仪器与传统仪器的关系J.电气电子教学学报，2000.2陈卫东，陈列尊.虚拟仪器及技术在学校教育中的运用前景。http：/ 4贾功贤，刘成康.基于 PC 的虚拟仪器的发展趋势J.电子技术应用，1999。5蒋德清，李雄.虚拟仪器技术在测控系统中的发展趋向J.成都纺织高等专科学校学报，2000.6刘君华，贾惠芹等编著.虚拟仪器图形化编程语言 LabVIEW.西安:西安电子科技大学出版社，2001.87李贵山.PC I 局部总线及其应用M。西安:西安电子科技大学出版社，2003.28刀何瑛，宋利，张伟等.基于 LabVIEW 的数采卡(DAQ)驱动程序设计J.电子测量与仪表，2000.37 (4): 35-379李惊.虚拟仪器软件结构 VISA 的研究M.测控技术，2000.910张健，基于 LabVIEIY 虚拟仪器实验教学系统的设计与实现J.河北工业大学学报，2002, No.5:12-2511陈大庞.NI 虚拟仪器技术紧随时代，不断创新0L. http:/12李明利.虚拟模拟电子线路实验的研究与实现0L .p13 -2413丁玉美，高西全编著.数字信号处理M.西安:西安电子科技大学出版社，200114徐天成，钱冬宁，张胜付编著.信号与系统M).哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社，200015赵柏树.数字式频率特性测试仪的设计0L. http:/16杨乐平，吕英军.虚拟数字示波器的设计与实现J.电子技术与应用，2000 (7):28-3017虚拟示波器0L.电子开发网，http:/