1、基于labview的实验平台设计摘要实验教学在高校电子类教学中起着相当重要的作用，但是长期以来实验设备和实验教学方法的落后在很大程度上制约了实验教学质量的提高。本文的目的就是开发一个虚拟仪器实验教学系统，服务于工科实验教学，以提高实验教学水平和教学质量。开发这样的系统需要理解虚拟仪器的概念并拥有一个功能强大的开发平台，为此本文采用了目前比较流行的美国国家仪器公司的LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)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。虚拟仪器设计及实现的核心是软件的开发。本文采用
2、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，并给出了己实现的虚拟正弦波仿真信号发生器、自相关函数演示仪、相位法测量相位差仿真仪、虚拟正弦波频谱分析仪、钟摆模拟演示仪、线性代数计算器、惠斯通电桥仿真仪八种实验教学用虚拟仪器及一个实际应用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、自动控制理论登专业基础课程的实验教学。关键词：虚拟仪器，LabVIEW，实验教学系统Experimental Platform Based On LabviewABSTRACTIt is very important
3、for teaching in the whole process of electronic experiments, but in a long time, the backward equipments and methods has largely restricted the improvement of quality. The purpose of this thesis is to build a virtualteaching test system, which can be severed to high engineering courses, and upgrade
4、its level and improve its quality.To build this system, we must understand the idea of virtual instrument and have a powerful workbench.For this reason, I use LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) of National Instrument Company, which is prevalent, as my software workbench. S
5、o,I introduce many applications of virtual instrument and LabVIEW. The kernel in design and realization of virtual instrument is the software development.I use modular method and many papers to describe the whole building process,analyze and solve issues which come forth during the design and realiz
6、ation process.As the conclusion, I offer the theories, panels and diagrams of eight virtual instruments, such as virtual sine wave generator, autocorrelation function demonstrator, phase difference demonstrator based on phase method, virtual sine wave frequency spectrum analytical instrument, and a
7、example program which used in the practice.These virtual instruments form the teaching test system.Which can be used in experimental courses, for example, circuit theory, electronic technical basis, signal and system ,automation control theory and soon.KEYWORDS：Virtual instrument, LabVIEW, Experimen
8、ts teaching system第 I 页 共 II 页目 录1 引言 .111 课题背景 .11.1.1 实验教学的现状 .11.1.2 虚拟仪器在教学上的运用前景 .11.2 研究意义 .31.3 论文研究内容 .32 虚拟仪器 .52.1 虚拟仪器的概念和特点 .52.1.1 虚拟仪器的概念 .52.1.2 虚拟仪器的特点 .52.2 虚拟仪器的发展与演变 .62.2.1 虚拟仪器的发展 .62.2.2 虚拟仪器的发展趋势 .72.3 虚拟仪器的构件技术 .73 LabVIEW 开发平台的介绍 .93.1 LabVIEW 简介 .93.1.1 图形化编程语言 .93.1.2 VI 的
9、概念 .103.2 LabVIEW 软件的特点 .103.3 LabVIEW 程序设计的一般过程 .103.4 小结 .114 基于 LabVIEW 的实验平台设计 .134.1 实验登录界面 .134.2 线性代数计算器 .144.3 相关法测相位差仿真仪 .194.4 虚拟正弦波频谱分析仪 .234.5 惠斯通电桥仿真实验箱 .25第 II 页 共 II页5 结论 .315.1 本文设计过程总结 .315.2 设计的优势和特点 .31参考文献 .32致谢 .34第 1 页 共 34 页1 引言 11 课题背景本文所开发的虚拟仪器实验教学系统是在计算机技术、电子测量技术、信号处理技术、自动控
10、制技术高速发展，而传统仪器下的高校实验教学已严重滞后于信息时代和工程实际需要的背景下，利用美国NI公司的虚拟仪器开发平台LabVIEW自行设计开发的虚拟仪器实验教学系统。它具有信号的采集、分析、存储和读取等多种功能，可用于电工、电子、自动控制、计算机等课程的实验教学。本文的课题背景知识包括:数字信号处理技术、工程测试技术、虚拟仪器技术、LabVlEW软件开发平台。1.1.1 实验教学的现状目前大多数工科院校仍然用着传统的实验教学方法，主要表现在以下几个方面：（1）实验内容和实验设备依附于理论课程进行划分，各实验室和实验内容没有形成一个有机的整体,缺乏系统的观念。（2）实验设备重复建设,沉积较多
11、。（3）实验设备层次不齐，大部分设备落后于课程建设的需要。（4）实验的内容侧重于理论的验证和模仿训练，每个学生的实验内容千篇一律，将学生的思维限定在一个狭窄的范围内,缺乏对学生创新意识的培养和综合能力的提高。（5）滞后的实验设备和死板的实验模式难以调动学生的主动性和创造性，实验教学处于应试教育。这些在很大程度上制约了实验教学的发展和人才培养质量的提高。探究其原因，不能不说在科技迅猛发展的今天，以教育有限的投入无法满足实验设备价格昂贵、更新速度快的要求，是其最根本的原因。这就要求从事实验教学研究的工作者开发能够满足现代实验教学要求、物美价廉的实验教学仪器，以提高实验教学水平，培养高素质的适应时代
12、要求的合格人才。本文正是在这种背景下进行的。1.1.2 虚拟仪器在教学上的运用前景随着低成本高性能的计算机资源普及运用，数字化测量平台逐渐成为测量仪器的基础。在20世纪80年代末美国研制成功虚拟仪器，代表了仪器发展的一种新方向。虚第 2 页 共 34 页拟仪器是计算机技术与电子仪器相结合而产生的一种新的仪器模式，它通常是由个人计算机、模块化的功能硬件与用于数据分析、过程通信及图形用户界面的应用软件有机结合构成，使计算机成为一个具有各种测量功能的数字化测量平台。它利用软件在屏幕上生成各种仪器面板，完成对数据的处理、表达、传送、储存、显示等功能。我国的高等学校特别是理工科学校，教学、科研需要大量的
13、测量分析仪器设备，特别是电子类实验教学，每种仪器都必须配置多套，而且有的仪器设备价格昂贵，因此仪器设备所需投资巨大，一般学校很难满足，造成许多学校仪器设备缺乏和过时陈旧等现象，严重影响教学科研。如果运用虚拟仪器系统，情况就大不一样了。使用虚拟仪器不但可以节约大量仪器设备的经费投入，而且能够提高教学科研的质量与效率【1】 。电子类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操作使用方法是每个学生进行科学实验的基本前提。传统的教学方法是让学生在教师的指导下进行实际的操作使用，随之而来的问题是教师的工作量很大而且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。如果用虚拟仪
14、器开发平台如LabVIEW、LabWindows开发各种不带相关功能硬件的“虚拟仪器”（真正的虚拟仪器是由计算机、软件、功能硬件组成的。为了与之区分，故用引号），不但简单易行，且交互性、可操作性和真实感与实际的虚拟仪器基本相同。由它们组成一个个虚拟实验室，让学生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。以仪器的学习与使用的实验教学为例，根据实际使用的虚拟仪器设备，将各种虚拟仪器及工作原理、操作使用方法设计成独立的教
15、学模块，共同组建一个基于虚拟仪器的虚拟实验室 【2】 。另外，虚拟仪器技术与Internet技术结合可在远程教育中发挥作用 【3】 。利用Internet资源和技术，将其与虚拟仪器结合起来，可以为远程教育中实验教学这一公认的难题提供一种全新的解决方案。一是将Internet与上述的虚拟仿真实验室组成一个基本Web的虚拟实验室，使远端的学员可以不受地域、时间的限制，通过Internet利用浏览器在自己的计算机上进行各种虚拟实验，学习掌握各种虚拟仪器的工作原理及第 3 页 共 34 页操作使用方法。二是将实际的虚拟仪器与Internet结合组成远程虚拟仪器系统，将中心实验室的虚拟仪器和远端学员计算
16、机上的“虚拟仪器”通过Internet联系起来，建成网络实验系统。这种方式由于只需要传送小量的数据与文本，完全能在现有的网络条件下进行，从而为远程教育如电大、网校解决实验教学难的问题提供一种全新的解决方案。1.2 研究意义传统仪器下的高校实验教学，已严重滞后于信息时代和工程实际的需要。其根本原因在于实验教学内容依附于课程设立，基本处于割裂状态，仪器设备不可能实现资源共享，在科学技术快速发展的今天，高校不可能支付巨额的仪器设备更新资金。而且，现代化生产要求电子仪器品种多、功能强、精度高、自动化程度高，而且要求测试速度快、实时性好、具有良好的人机界面 【4】 。虚拟仪器正可以实现这些要求。与传统仪
17、器相比，虚拟仪器具有以下优点 【5】 ：（1）在通用硬件平台确定后，由软件取代传统仪器中的硬件来完成仪器的功能。（2）仪器的功能是用户根据需要由软件来定义的，而不是事先由生产厂家定义好的。（3）仪器性能的改进和功能的扩展只需进行相关软件的设计更新，而不需要购买新的仪器。（4）研制周期较传统仪器大为缩短，且成本低廉。（5）虚拟仪器具有开放性和灵活性，可与计算机同步发展，与网络及其它周边设备互联。目前，我国正处于科学技术蓬勃发展的新时期，对仪器设备的需求将更加强劲。虚拟仪器赖以生存的PC计算机近几年正以迅猛的势头席卷全国，这为虚拟仪器的发展奠定了基础 【6】 。虚拟仪器作为传统仪器的替代品，市场容
18、量巨大，据专家预测，在本世纪初我国将有50的仪器为虚拟仪器。发达国家虽然在此领域比我国起步较早，但差距并不是很大，我们也当充分把握时机，取长补短，学习国外先进经验，将我国的虚拟仪器产业水平逐渐向先进国家靠拢 【7】 。1.3 论文研究内容本文主要阐述如何在LabVIEW环境下开发虚拟实验教学系统中的虚拟仪器，如相关第 4 页 共 34 页法测相位差仿真仪，惠斯通电桥仿真实验箱等。第二章叙述了近年来在仪器测试领域内出现的新型仪器虚拟仪器的概念、特点、发展现状及构建技术。第三章介绍了虚拟仪器开发的集成软件包LabVIEW的特点、语言和基本结构。第四章详细叙述了基于LabVIEW实验平台的开发过程。
19、该实验平台由虚拟正弦波仿真信号的发生器、自相关函数演示仪、相关法测量相位差仿真仪、虚拟正弦波频谱分析仪、线性代数计算器、归一化频率仿真仪、钟摆运动模拟仿真仪、惠斯通电桥仿真实验箱构成，介绍了各个仪器的主要功能及软件功能模块的设计与实现。这些仪器构成了一个实验教学系统，可用于电路基础、电子技术基础、线性代数等专业基础课程的实验教学。第五章，总结设计过程和系统的优缺点以及需要改进的地方。第 5 页 共 34 页2 虚拟仪器2.1 虚拟仪器的概念和特点2.1.1 虚拟仪器的概念 【8】1982年出现了一种与PC配合使用的模块式仪器，自动测试系统结构也从传统的机架层叠式结构发展成为模块化式结构。与传统
20、仪器不同的是，模块化仪器本身不带仪器面板，因此必须借助于PC强大的图形环境和在线帮助功能，建立图形化的“虚拟的”仪器面板，完成对仪器的控制、数据分析与显示。这种与PC结合构成的、包含实际仪器使用与操作信息软件的仪器，被称为“虚拟仪器”。 虚拟仪器(VI)通过应用程序将通用计算机与仪器硬件结合起来,用户可以通过图形界面(通常叫做虚拟前面板)操作这台计算机,就像在操作自己定义、自己设计的一台传统仪器一样。VI以透明的方式把计算机资源(如微处理器、内存、显示器等)和仪器硬件(如A/D、D/A、数字I/O、定时器、信号调理等)的测量功能、控制能力结合在一起，通过软件实现对数据的分析处理、表达以及图形化
21、用户接口。应用程序将可选硬件(如GPIB、VXI、RS-232、DAQ板)和重复使用源码库函数等软件结合在一起,实现了模块间的通信、定时与触发。源码库函数为用户构造自己的VI系统提供了基本的软件模块。由于VI的模块化、开放性和灵活性以及软件化是关键的特点，当用户的测试要求变化时，可以方便地由用户自己来增减硬、软件模块或重新配置现有系统，以满足新的测试要求。这样，当用户从一个项目转向另一个项目时，就能简单地构造出新的VI系统而不丢弃已有的硬件和软件资源。第 6 页 共 34 页简而言之，虚拟仪器就是在通用计算机平台上定义和设计仪器的功能，用户操作和使用计算机的同时就是在使用一台专门的电子仪器。虚
22、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。2.1.2 虚拟仪器的特点 【9】虚拟仪器与传统仪器相比，有以下六个特点：（1）传统仪器的面板只有一个，其上布置着种类繁多的显示与操作元件，易于导致许多识别与操作错误。虚拟仪器与之不同，它可以通过在几个分面板上的操作来实现比较复杂的功能。这样，在每个分面板上就可以实现功能操作的单纯化与面板的简洁化，从而提高操作的正确性与便捷性。同时，虚拟仪器面板上显示元件和操作元件的种类与形式不受“标准件”和“加工工艺”的限制，它们是由编程来实现的，设计者可以根据用户的认知和操作要求，设计仪器面板。（2）在通用硬
23、件平台确定后，由软件取代传统仪器中的硬件来完成仪器的功能。（3）仪器的功能是用户根据需要由软件来定义的，而不是事先由厂家定义好的。（4）仪器性能的改进和功能扩展只需要更新相关软件设计，而不需购买新的仪器。（5）研制周期较传统仪器大为缩短。（6）虚拟仪器开发灵活，可与计算机同步发展，与网络及其他周边设备互连。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”。虚拟仪器在工程应用和社会经济效益方面具有突出的优势。目前，我国高档台式仪器，如数字示波器、频谱分析仪、逻辑分析仪等还主要依赖进口，因为这些仪器加工工艺复杂，对制造水平要求高，生产突破有困难，而采用虚拟仪器技术后，就可以通过只采购必要的通用仪器硬件来设计自己的高性能价格比的仪器系统。2.2 虚拟仪器的发展与演变2.2.1 虚拟仪器的发展1）计算机的发展是动力 【10】 。电子测量仪器经历了由模拟仪器、带IEEE488接口智能仪器到全部可编程VI的发展历程。其中每一次飞跃无不以高性能计算机的发展为动力。近年来，计算机的处理能力一直按指数率提高，发展之快已把传统仪器远远抛在了后面。
