利用虚拟仪器开发平台LabVIEW.doc

摘 要随着计算机技术与测量仪器技术的结合，促使了一种新的测量仪器虚拟仪器的出现。虚拟仪器是一种功能意义上的仪器，由个人计算机、仪器硬件及应用软件组成。其基本工作原理是:先通过仪器硬件采集信号，然后通过软件编程来实现数据的显示及测量等功能。随着网络通信技术的发展，网络化虚拟仪器也应运而生，它是将虚拟仪器技术与网络通信技术相结合，从而实现网络化测量。 本课题利用虚拟仪器开发平台lab view 和ni公司的数据采集卡设计了虚拟任意波形发生器和虚拟示波器。虚拟任意波形发生器能够实现任意波形载入、增益控制、直流偏置调节、滤波器状态设置等功能。虚拟示波器不但具有传统示波器的波形显示控制功能，而且还对传统示波器的功能进行了扩展，实现了参数自动测量显示、波形存储和频率响应分析等功能。 最后，本文总结并以实例说明了lab view 实现网络通信的几种方法:tcp或udp通信、data socket, web server及远程面板技术等。关键词:虚拟仪器，lab view，任意波形发生器，示波器，data socketabstractthe combination of computer technology and measure technology make a kind of new measure instrument-virtual instruments. virtual instruments is a kind of instruments of functional meaning, it is composed of personal computer, hardware and applied software. the basic principle is the hardware acquires singles, then using the software to realize data displaying and measurement. along with the development of communication and network technology, the networked virtual instruments appeared. networked virtual instruments implement networked measurement, which is the outcome of virtual instruments integrate with network communication technology. based on the software lab view of virtual instrument and data acquisition card of ni, the virtual arbitrary waveform generator and virtual oscilloscope are designed in this thesis. the virtual arbitrary waveform generator has such functions as arbitrary waveform loading, gain controlling, dc offset adjusting, filters setting up. the virtual oscilloscope not only has the functions achieved in traditional scope such as waveform display and control, but also achieves some expanded functions. for example, the parameters can be measured and displayed automatically, the waveform can be saved and the frequency response can be analyzed. ultimately, this thesis sums up several means of lab view to realize communication through network such as tcp or udp communication, data socket, web server and remote panels technology. keywords: virtual instruments, lab viev, arbitrary waveform generator, oscilloscope, data socket目 录第1章 绪论.11.1研究背景和课题的提出.11.2国内外研究现状综述.11.3课题的主要工作和本文的主要内容.2第2章 虚拟仪器及其开发平台lab view.32.1 虚拟仪器.32.1.1 虚拟仪器的概念.32.2.2 lab view的特点与应用.32.1.3 虚拟仪器的组成.42.1.4 虚拟仪器的分类、应用和发展方向.52.1.5 pxi模块化仪器平台.82.2 虚拟仪器开发平台lab view.92.2.1 lab view简介.92.2.2 lab view的特点与应用.92.2.3 lab view编程.11第3章 虚拟任意波形发生器的设计.133.1 虚拟任意波形发生器简介.133.2 虚拟任意波形发生器软件编程.133.2.1 虚拟任意波形发生器前面板设计.133.2.2 虚拟任意波形发生器程序框图设计.163.3 虚拟示波器简介.163.4 虚拟示波器的软件编程.173.4.1 虚拟示波器前面板设计.173.4.2 虚拟示波器的程序框图设计.18第4章 基于虚拟仪器的网络通信技术.204.1 网络化虚拟仪器.204.2 web server及远程面板技术.214.2.1 lab view中的web server设置.214.2.2 发布前面板对象.214.2.3 发布html文件.22结束语.25参考文献.26致谢.27 第一章 绪 论1.1 研究背景和课题的提出 20世纪80年代中期ni( national instruments，即美国国家仪器公司)首先提出了“软件就是仪器( the software is the instrument)这一基于计算机技术的虚拟仪器概念。虚拟仪器由于其性价比、开放性等优势迅速地占领了市场，成为测控仪器新的经济增长点和发展方向。同时随着网络技术的爆炸式发展，网络技术已渗透到各行各业。网络技术在虚拟仪器中的具体应用就包括网上教学实验、远程数据采集与控制、高档测量仪器设备资源的远程实时调用、远程测试等新兴技术和产业。网络化虚拟仪器己经成为21世纪虚拟仪器发展的重要方向，具有极大的市场潜力和应用前景。总的来说虚拟仪器代表了仪器仪表的发展方向，而网络化的虚拟仪器则代表了虚拟仪器的发展方向，所以研究虚拟仪器及其网络化技术具有非常广阔的前景。本课题在实验室的pxi模块化仪器平台下设计了虚拟任意波形发生器和虚拟示波器，并且在现有的网络资源基础上对虚拟仪器的网络通信技术进行了研究和应用。1.2 国内外研究现状综述 近年来,世界各国的虚拟仪器公司开发了不少虚拟仪器开发软件，以便使用者利用这些仪器公司提供的开发软件编制测试软件，并组建自己的虚拟仪器或测试系统。最早和最具影响的开发软件，是ni公司的lab view软件和lab windows/cvi开发软件。lab view采用图形化编程方案，是非常实用的开发软件。lab windows/cvi则是为熟悉c语言的开发人员准备的、在windows环境下的标准ansic开发环境。在虚拟仪器网络化技术方面，ni公司从软硬件两方面都提供了产品。在lab view和lab windows/cvi中均提供了网络开发工具，如lab view internet developers toolkit, lab windows internet developers toolkit等。利用它们可以较容易的实现各种网络通信功能，如:发送包含测控信息的电子邮件，将文件或数据传送到ftp服务器，利用浏览器浏览虚拟仪器，编写cgi程序实现服务器端操作等.这些开发工具包功能强大，能实现大部分的网络功能，当然它们也要求开发者具有较丰富的计算机网络知识和深厚的计算机网络开发功底。为了降低开发难度，ni公司开始在labview6.1中提供ni lab view remote panels(远程面板)技术，它可以通过具体的配置利用ie 来控制用lab view设计的虚拟仪器程序。当然远程面板技术也存在着速度慢，客户端连接能力有限等缺陷。lab view还提供另一种网络传输技术一一data socket技术,用户可以不用进行复杂的底层tcp编程，就可以通过计算机网络向多个用户终端同时广播现场的测试数据。国内虚拟仪器的研究起步于九十年代中期，至今已有多家科研院所、高校及公司从事虚拟仪器技术的研究与产品的开发。例如虚拟仪器技术及其网络化实现就是作为南京理工大学检测技术与自动化装置博士点211工程建设项目,本课题所进行的研究也是整个研究工作的延续。1.3 课题的主要工作和本文的主要内容 本课题以ni公司的gp模块化硬件平台为基础，选用了其中的ni pxi-5421和ni pxi-5122 两块板卡来设计功能完善的虚拟任意波形发生器和虚拟示波器，其次在教研室的网络条件基础上，对虚拟仪器的网络通信技术做了研究和应用。本文的主要内容是:第一章:对本文的研究背景、课题的提出和本文的主要工作内容做简单介绍。 第二章:介绍了虚拟仪器及其软件开发平台lab view，并对本课题所使用的pxi模块化仪器平台及数据采集卡做了简单介绍。 第三章:叙述了能够产生八种标准波形和任意序列波形的虚拟任意波形发生器的设计过程。 叙述了虚拟示波器的设计过程。本课题所设计的示波器能够完成波形显示、触发控制、频谱/功率谱分析、波形存储、参数测量等多种功能。 第四章:研究并应用虚拟仪器的网络通信技术，主要包括tcp或udp通信、data socket技术、web server及远程面板技术。第二章 虚拟仪器及其开发平台lab view2.1 虚拟仪器2.1.1 虚拟仪器的概念 随着计算机技术、电子测量技术和通信技术的飞速发展，仪器技术领域发生着巨大的变化，各种创新的积累使得现代测量仪器的功能和作用发生了质的飞跃。尤其是以计算机为核心的设计思想以及仪器系统与计算机软件技术的紧密结合，导致了仪器的概念发生了突破性的变化，出现了一种全新的仪器概念虚拟仪器(virtual instruments) 。虚拟仪器是基于计算机的仪器，它是在通用计算机上通过软件将计算机资源与仪器硬件有机地融合为一体，从而把计算机强大的计算处理、控制能力和仪器硬件的测量能力结合在一起，使得使用者在操作这台计算机时，就像在操作一台由他自己设计的专用仪器一样。也就是说当仪器硬件平台v0接口设备与计算机连接好，再编制某种具有测量功能的软件后，计算机就成为具备这种功能的测试仪器。这时通过计算机软件就能实现对数据的显示、存储以及分析处理。总的来说，虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种侧试、测量和自动化应用的一种技术。而由计算机硬件资源、模块化仪器硬件和相应的测试软件组成的模块化仪器系统则称为虚拟仪器系统。2.1.2 虚拟仪器的主要特点和与传统仪器的比较虚拟仪器是对传统仪器概念的重大突破，具有以下特点: l 核心思想是软件。虚拟仪器的硬件确定后，它的功能主要是通过软件来实现。软件在虚拟仪器中具有关键的地位，是虚拟仪器的灵魂，并且软件的灵活性和复用性使得用户可以按照自己的需要来定义和设置测量功能，也就是说虚拟仪器使得用户能够自定义仪器功能。而传统仪器的核心是硬件，并且仪器的功能由生产厂家确定，用户不能自己更改仪器功能。l 具有良好的人机界面。在虚拟仪器中，测量结果是通过软件在计算机屏幕上生成，并且仪器的操作也是通过与传统仪器面板相似的图形界面软面板来实现。因此，用户可以根据自己的爱好，利用计算机强大的图形环境和在线帮助功能，通过编制软件来定义自己所喜爱的面板形式。 l 强大的数据处理功能。信号处理理论的不断完善以及计算机运算速度的不断提高，为虚拟仪器快速、准确处理数据提供了良好基础。 l 测量速度快。测量输入信号的多个特性(如电压、频率、上升时间)往往只需要一个数据模块，并且要测量的信号特性能被数据处理器快速计算出来，这种将多种测试集于一体的方法缩短了测试时间，从而提高了测试速度。l 有更好的测量准确度。在传统的自动测试系统中，必须把信号连接到每一台仪器上以完成对各种参数的测量。这样，测量往往受电缆长度、阻抗、仪器校准和修正因子差异等影响。而虚拟仪器受这些因素的影响较小，从而进一步提高了测量的准确度。 l 便于扩展。当测试系统需要增加新的测量功能或提高其性能时，用户只需要增加软件来执行新的功能;当需要重新组建测试系统时，可以通过增加或更换一个通用模块来实现，而不用购买一个全新的系统。 l 虚拟仪器具备和其他设备互联的能力。虚拟仪器不仅具备与vxi总线等其他总线的接口能力，还可以将虚拟仪器接入网络，如internet等，以实现对现场生产的监控和管理。传统仪器则只可以连接有限的设备。 l 集成和组合性能高。虚拟仪器技术从本质上来说是一个集成的软硬件概念。其各个功能模块都是清晰的模块化组合方式，选择不同的硬件、软件模块，进行不同的组合就可以组建不同的系统，达到不同的目的。 l 技术更新快。由于虚拟仪器技术是建立在当今世界最新的计算机技术、数据采集技术和通信技术基础上，因而技术更新速度快于传统仪器。 总的来说，与传统仪器相比，虚拟仪器在各方面都具有明显的优势，能够满足科技高速发展对电子测量技术提出的新要求，也必然会成为电子测量仪器发展的趋势。2.1.3 虚拟仪器的组成 虚拟仪器的组成主要包括硬件和软件两个基本要素，具体组成如图2.1所示。 1.软件组成 虚拟仪器系统的软件组成包括i/o接口软件、仪器驱动程序和应用软件开发环境三部分。 (1)i/0接口软件 i/o接口软件存在于仪器与计算机中的仪器驱动程序之间，是一个对仪器寄存器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。(2)仪器驱动程序 仪器驱动程序是完成对某一特定仪器的控制与通信的软件程序，是连接上层应用程序与底层i/o接口软件的纽带和桥梁。每个仪器模块均有自己的仪器驱动程序。例如在本课题设计中就需要用到ni-scope和ni-fgen这两个仪器驱动程序。仪器驱动程序的实质是为用户提供用于仪器操作的较抽象的操作函数集。其内容包括:操作接口、编程接口、功能库和子程序接口等。(3)应用软件开发环境 应用软件开发环境将计算机的数据分析和显示功能与仪器驱动器融合在一起，为用户开发虚拟仪器提供了必需的软件工具与环境。目前，可供开发人员选择的虚拟仪器系统应用软件开发环境主要包括两种:基于传统的文本语言式的平台，如ni公司的lab windows/cvi、microsoft公司的visual c+、borland公司的delphi等;基于图形化编程环境的平台，如ni公司的lab view和hp公司的hpvee等。软件是虚拟仪器技术中最重要的部份，在应用软件开发环境下，使用正确的软件工具并通过设计或调用特定的程序模块，就可以高效地创建自己的人机交互界面。2.硬件组成 虚拟仪器的硬件由两部分组成，一部分是计算机硬件，另一部分是仪器硬件。计算机用于管理虚拟仪器的硬件资源，是虚拟仪器的硬件基础和核心。仪器硬件则是与计算机硬件一起工作，用来采集数据、提供源信号和控制信号。2.1.4 虚拟仪器的分类、应用和发展方向1.虚拟仪器的分类 测试与测量的发展以测试总线的发展为标志。测试总线从gpib发展到vxi、pxi,测试仪器也由机架式发展到了插卡式。虽然虚拟仪器更多地强调软件在仪器中的应用，但虚拟仪器仍离不开硬件技术的支持，信息的获取仍需要通过硬件来实现。虚拟仪器的发展随着微机的发展以及采用的总线方式的不同，可以分为以下7种类型: (1)pc总线插卡型虚拟仪器 这种方式借助于插入pc中的数据采集卡和专用的软件(如lab view)相结合，完成具体的数据采集和处理的任务。它充分利用了pc的总线、机箱和电源等硬件资源及其丰富的软件资源。不过插卡式仪器价格比较昂贵，并且这类仪器受计算机机箱和总线的限制，还有电源功率不足、机箱内部噪声电平较高且无屏蔽、插槽尺寸较小且数量少等缺点。(2)gpib总线方式的虚拟仪器gpib总线是独立仪器上一种最通用的总线，计算机连接的仪器数目不超过15台,电缆总长度不超过20m,最高数据传输速率为8mbyte/s。 凡是符合gpib标准的仪器设备，不论出自何厂，均可用此标准总线连接起来构成自动测试系统。gpib系统的应用从最初的测试仪器控制迅速普及到自动控制、电视、导航、通信、核物理和工业控制等众多领域。目前各大公司生产的台式仪器中几乎都配有gpib接口，很多集成电路的制造商也生产了各种gpib的接口芯片。由于gpib仪器总线只是8位并行仪器总线，传输速率和传输距离有限，已经跟不上当今大规模测试系统的需求。但是gpib 总线仍然是实验室条件下，组建中等水平的自动测试系统所欢迎的总线。(3)并行口式虚拟仪器 并行口式虚拟仪器可以连接到计算机并行口。标准并口是采用25线的并行通讯总线，由于是用于计算机与打印机或者绘图仪的连接总线，因此，传输速率较高,传输距离较短(最长2m)。 (4)串行口式虚拟仪器 串行总线包括传统的rs232串行总线、usb通用串行总线和ieee 1394总线。rs232串行总线是早期采用的通用串行总线，技术成熟，许多测量仪器都带rs232串行总线接口。将带有rs232总线接口的仪器作为i/o接口设备，并通过rs232串行总线与计算机组成虚拟仪器系统仍然是目前虚拟仪器构成的方式之一。它支持长距离传输，抗干扰能力强，但数据传输率低，主要适用于速度较低的测试系统。当今pc机采用更多的是usb总线和ieee 1394总线。usb和ieee 1394总线传输速率高，可连接设备多，并且均具有即插即用的能力，使得外设的安装变得十分简单，既不必打开机箱插入插卡，又不必考虑资源分配。(5)vxi总线方式虚拟仪器 vxi总线，是一种高速计算机总线-vme总线在仪器领域的扩展。它具有稳定的电源，强有力的冷却能力和严格的rfi/emi屏蔽等特性，为虚拟仪器系统提供了一个更为广阔的发展空间。由于其标准开放、传输速率高、数据吞吐能力强、定时和同步精确、采用模块化设计、使用方便灵活、众多厂商支持等优点，已经越来越受到人们的重视。在近十年时间内，随着vxi总线规范的不断完善和发展，以及vxi即插即用系统联盟的不懈努力，vxi系统的组建和使用变得越来越方便。其应用面也越来越广，尤其是在组建中大规模自动测量测试系统，以及对速度、精度要求较高的场合，有着其他仪器系统无法比拟的优势。(6)pxi总线方式虚拟仪器 pxi(pci extensions for instrumentation)总线是ni公司在1997年9月推出的全新的开放性、模块化仪器总线规范。它是以compact pci为基础的，由具有开放性的pci总线面向仪器领域的扩展而来。pxi总线符合工业标准，在机械、电气和软件特性方面充分发挥了pci总线的全部优点。(7)lxi总线方式虚拟仪器 lxi(lan extensions for instrumentation)总线是2004年由vxi科技公司和agilent联合推出的一种基于工业以太网的新的总线规范，是继gpib、vxi、 pxi之后的新一代基于以太网络lan的自动测试系统模块化构架平台标准。它的推出被称为是“自1972年推出hp-ib总线以来的30多年里，测试和测控领域业界最大的新闻”。以太网的错误检测、故障定位、长距离互联以及树状拓扑结构都比现有的总线结构优越，网络速度也由最初的lomb/s发展到现在的logb/s。lxi很有可能成为今后的市场主流总线技术。2.虚拟仪器的应用 虚拟仪器的功能和性能已被不断地提高，如今在许多应用中它己成为传统仪器的主要替代方式。随着pc、半导体和软件功能的进一步更新，未来虚拟仪器技术的发展将为测试系统的设计提供一个极佳的模式，并且在测量和控制方面也有无以伦比的强大功能和灵活性。目前虚拟仪器可广泛应用于电子测量、振动分析、声学分析、故障诊断、航天航空、军事工程、电力工程、机械工程、建筑工程、铁路交通、地质勘探、生物医疗、教学及科研等诸多方面。 3.虚拟仪器的发展方向(1)硬件软件化 硬件软件化是通过软件编程的方法改变硬件模块的结构，以完成不同功能及性能指标，并且可以依靠硬件的柔性来增强其适应性和灵活性。例如fpga(field programmable gate array)和cpld (complex programmable logic device)等器件在虚拟仪器系统中的应用，使系统开发人员可在生产现场直接根据系统的要求和定义来修改逻辑功能，具有设计灵活、制作及上市快速的特点。(2)虚拟仪器的标准化 虚拟仪器的标准化主要包括硬件平台的标准化和软件模块的标准化。目前， vxi, pxi等硬件规范已基本实现了标准化，但在触发方式、同步、延时、不同通道的共用时基等方面还未实现标准化，这将影响其在不同平台上的互换性和移植性，也将影响虚拟仪器软件模块的标准化。软件模块的标准化则是将在一个标准化硬件平台上运行的软件按功能特点分成一系列的软件模块，这些软样模块也需要像硬件模块那样，由专门的虚拟仪器开发人员设计，并形成行业标准(如电压表模块、函数发生器模块、示波器模块等)，使用户可以像购买硬件模块那样购买软件模块。(3)虚拟仪器网络化 在计算机和网络时代，利用虚拟仪器技术实现网络测控己是大势所趋，也是本次设计中的内容之一。虚拟仪器对于分布式数据采集来说尤为有用。利用网络技术将分散在不同地方不同功能的测试设备联系在一起，并且将实时采集的数据传输到另一台处理分析机上进行处理分析，分析后的结果可被执行机构、测试人员查询使用，使得数据采集、传输、处理分析成为一体，便于实时采集监控。重要的数据还可以实行多机备份，提高了系统的可靠性。另外对于不适合人员操作的危险和环境恶劣的数据采集区域也可以实行远程采集，将采集的数据放在服务器中供用户使用。2.1.5 pxi模块化仪器平台 ni首先提出的专为测试任务设计的pxi模块化仪器平台，己经成为当今测试、测量和自动化应用的标准平台。它的开放式构架、灵活性和pc技术的成本优势为测量和自动化行业带来了一场翻天覆地的改革。pxi平台作为一种专为工业数据采集与自动化应用量身定制的模块化仪器平台，内建有高端的定时和触发总线，再配以各类模块化的确硬件和相应的测试测量开发软件，就可以建立完全自定义的测试测量解决方案。无论是面对简单的数据采集应用，还是高端的混合信号同步采集，借助pxi高性能的硬件平台，都能应付自如。这就是虚拟仪器技术带来的无可比拟的优势。pxi采用最先进的商业化的硬件和软件技术，以及自动测试系统的概念和技术，为高性能的测量提供了精确的定时和触发。通过采用商业化的pc和数字化技术，pxi能够以较低的成本为用户提供专用自动测试系统的高性能，而且pxi测试平台具有完整的硬件和软件相容规范，可以满足绝大多数测试系统的要求。开放的pxi规范使得不仅可以组成模块化的测试系统，而且可以很容易整合多个厂家的测试系统，同时pxi规范也能把不同平台的仪器轻易地集成到pxi的测试系统中。为节省空间，pxi模块化仪器系统将所有的仪器模块、固定件和pc机装入一个标准机箱内。本课题使用的就是型号为ni px i-1045的pxi机箱。该机箱内集成了多种模块化仪器板卡，本课题所设计的虚拟任意波形发生器和虚拟示波器就是选用其中的ni pxi-5421和ni pxi-5221 两块数据采集卡在lab view 开发平台下完成的。2.2 虚拟仪器开发平台lab view 2.2.1 lab view简介 虚拟仪器开发平台是开发虚拟仪器的工具和集成开发环境。目前，各种虚拟仪器开发工具和平台产品多达几十种，其中最具代表性的是ni公司推出的一个图形化软件开发环境lab view (laboratory virtual instrument engineering workbench,即实验室虚拟仪器工程平台)。 lab view可以看作是一个通用的软件开发平台，它在一般的数据管理、科学计算等方面都可以开发出优秀的应用程序。但是lab view最大的优势还在于测控系统的开发，因为它不仅提供了几乎所有经典的信号处理函数和大量现代的高级信号分析工具，而且lab view程序还非常容易和各种数据采集硬件集成，可以和多种主流的工业现场总线通讯以及与大多数通用标准的实时数据库链接。使用lab view开发虚拟仪器比使用基于文本的语言不但开发效率可以提高1015倍，而且程序的执行速度也不会受多大影响。2.2.2 lab view的特点与应用lab view软件工具的特点可归纳如下: l lab view 是基于图形化的软件编程平台，不仅人机界面用“所见即所得”的可视化技术建立，而且程序代码也是图形化的代码，使编程过程更加接近人的思维，是应用于测控领域的专用软件开发工具。 l 采用数据流编程模式，能够同时运行多个程序。 l 提供了丰富的用于数据采集、分析、表达及数据存储的函数库。 l 不仅具备传统的程序调试手段，如设置断点、单步运行，还提供了独具特色的高亮执行和探针工具，能够使程序动画式运行，有利于设计者观察程序运行的细节，使程序的调试和开发更为便捷。 l 内置了pci,daq,gpib,pxi,vxi,rs-232和rs-485在内的各种仪器通信总线标准的所有功能函数，支持数据采集卡和gpib,串口设备、vxi仪器、plc、工业现场总线以及用户特殊的硬件板卡，免费提供世界各大厂商1000多种仪器的驱动，方便用户迅速组建自己的应用系统，使得不懂总线标准的开发者也能够驱动不同总线标准接口的设备与仪器。 l 具有强大的外部接口能力，可以实现lab view与外部的应用软件(如word, excel等 )、c语言、windows api,matlab等编程语言之间的通信. l 强大的internet功能，内置了便于应用tcp/ip,dde, active x等软件标准的库函数。支持常用网络协议，方便网络、远程测控仪器的开发。 l 支持多种操作系统平台，在任何一个平台上开发的lab view应用程序都可直接 移植到其他平台上。 lab view的应用: l 应用于生产检测。lab view已成为测试测量领域的工业标准化开发工具。结合ni test stand(系统测试软件)和该领域中最大的仪器驱动程序库，用户可以设计自动化模型或对建立的自动化测试系统进行组织、控制和执行。l 应用于研究和分析。lab view开发环境中集成了功能强大的高级分析库，可满足用户所有分析要求。科学家和研究人员一直在用lab view分析、计算生物医学、航空、能源开发和其他众多工业领域的真实结果. l 应用于过程控制和工业自动化。lab view一直被作为图形化程序开发环境应用于过程控制和工业自动化领域。对于基本的过程监控领域，lab view同其他谱如pid控制工具包、plc驱动程序等附加软件结寺在一起。可以实现高速、多通道的测量和控制。l 应用于机器监控。lab view可应用于要求实时控制、振动分析、视觉和图像分析以及运动控制的机器监控系统。2.2.3 lab view编程 在lab view环境下开发的应用程序被称作vi(virtual instruments)，并被冠以.vi后缀，以表示虚拟仪器的含义，一个由前面板和程序框图组成。(1)前面板简介： 前面扳是的交互式接口，与真实的物理仪器面板相似。前面板主要由各种控件组成，其中有些控件是用户用来向程序中输入数据的，这些控件叫控制控件；另一些则是程序向用户输出运行结果的，这些控件叫显示控件。控制件和显示件的数据流方向正好相反，但是它们在前面板上可以相互转换。 打开lab view的工作窗口，任意新建一个vi，都会弹出此的前面板，即lab view编程时控件的选用和设置工作窗口点击鼠标右键，便会在前面板上出现包含全部控件类别的控件模扳，如图22所示。其中每一个图标代表一类数据类型控件，例如第一个的numeric图标代表数据类型控件，第二个的boolean图标代表布尔类型控件。点击每一黄控件的代表图标便可以进入此类的所有于控件模板中，然后可以从中拖动任意一个控件置于前面板。在前面板右键单击每个控件可以选择properties来设置控件的属性。 在lab view里，存在着数字变量、布尔变量、字符变量、数组变量、簇变量等变量类型，所以相应的也存在着这些变量类型的控件。（2）程序框图简介： 从程序框图中接受指令，程序框图是一种解决编程问题的图形化方式，实际上就是的程序代码。选择前面板的菜单栏中的windows一栏，再点击show block diagram或者用鼠标双击前面板的控件即可进入到程序框图中。lab view的核心是结构化的数据流框图程序，它决定了程序的数据走向和执行方式。前面板只是用来给用户选择所需要的控件类型和数量，并不能实现用户所定义的功能，程序框图才是编程的关键。它用来控制数据流的走向，是实现程序功能的关键部分，是整个程序的灵魂。因此，编程任务的绝大部分工作都将在程序框图里面来完成。在程序框图编辑窗口里，点击右键可以打开函数模板，如图2.3所示在函数模板里每一个图标也代表一类函数模扳。例如第一个国标structures代表结构函数模板，第二个国标numeric代表数字函数模板。打开每一粪函数模板的代表图标，我们可以从函数模板里选择各类不同功能和作用的函数子模板。每一个函数子模板都有其对应的功能和作用。程序框图的对象主要有：l 节点。节点是承载数据流的载体，lab view里有函数节点、结构节点、属性节点、调用库函数节点、包含节点、sub vi节点。每一类节点都有其各自不同的作用和功能，倒如结构节点主要用来控制程序的执行结构方式。l 端口。lab view是一种数据流控制的程序开发环境，数据从一个端螭口流向另一个端口。lab view里有控件端口、节点端口，结构端口和常数端口共四类端口。端口是连线的出发点或结束点，即端口之间是通过连线来控制数据的流向。l 连线。连线是编写lab view程序的一项主要工作。任何一个错误的连线都将导致程序的无法执行。第三章 虚拟任意波形发生器和虚拟示波器的设计3.1 虚拟任意波形发生器简介 现在越来越多的现代测试系统中都不可避免地使用到任意波形发生器。它不仅可以用作多功能信号源，而且能使对小故障源和实时信号的模拟与仿真变得便利。市场的需求也带动了awg(arbitrary waveform generator)技术研究的热潮。各种函数、波形发生器的研究成果不断涌现。任意波形发生器主要包括两类，一类是传统的专用仪器。它的开法难度大、周期长、成本商，因此，高性能的传统任意波形发生器一般都价格昂贵，而且大多为进口仪器。另一类则属于虚拟仪器。它是以专用的模块化硬件板卡为基础，再利用lab view等软件方便地编程，就能编写用户需要的波形发生器程序，开发出成本较低且实用的虚拟任意波形发生器。本课题开发的虚拟任意波形发生器就属于这种类型。 目前市场上商品化的任意波形发生器也有一部分使用了类似虚拟仪器的技术。例如：awg的著名制造商美国时agilent、fluke等公司的产品很多部是使用lab view开发软件，然后由专门的硬件集成的。从某种意义上来说这也属于虚拟仪器的范畴，同时也反映了虚拟仪器技术在开发新型高性能awg方面有很大的技术优势。由目前所掌握的相关资料以及产品信息可以看出，awg的技术已经日趋成熟。市场上的产品已经不仅能实现正弦、方波、三角波等标准信号的生成，还能产生各种噪声、指数上升/下降、心率波、微波、射频等专用的信号。在信号的种类不断丰富的同时，信号的品质也在逐步增强。带宽一般在几hz到几十mhz的范围内，波形纯度高，失真度低。另外。很虚拟awg也支持用户通过友好的图形化仪器操作界面来自己编辑波形，并且这种编辑工作往往非常方便，编辑好后，下载到仪器内存中，就可得到自定义的波形。本课题所设计的虚拟任意波形发生器就能够让用户自己编辑波形，从而实现真正意义上的任意波形发生器功能。3.2 虚拟任意波形发生器软件编程 虚拟任意波形发生器的软件编程，主要是结合ni-fgen驱动函数在lab view开发平台下实现，最终能够产生八种标准波形和这八种标准波形任意组合的序列波形。下面分别从前面板和程序框图两部分来介绍设计过程。3.2.1 虚拟任意波形发生器前面板设计 前面板程序是用来提供用户与任意波形发生器的接口，它产生一个友好的界面，一方面用于显示和处理结果；另一方面，用户也可以通过控制面板上的开关和按钮，模拟传统的仪器操作，通过键盘和鼠标实现对任意波形发生器的控制。根据所要实现的功能，本课题设计的任意波形发生器前面板如图3.3所示。 仪器前面板中控件主要分为三部分：前面板左边为任意标准波形发生器(为了与仪器名字区分，并根据产生波形特点，特将任意波形输出模式下的发生器命名为任意标准波形发生器)，主要用来产生八种标准波形：前面板右边为任意序列波形发生器，主要用来产生由八种标准波形以任意周期、顺序组台的序列波形；前面板中间为公共控件部分，主要是一些公共按钮和仪器设置参数。下面飙这三部分来分别介绍前面板控件属性和功能。(1) 任意标准波形发生器l 波形显示控件：波形显示控件主要是对产生的波形进行预览，尤其需要注意的是预览窗口中显示的是未加增益和直流偏置的最初波形图。l waveform array数组控件：设置用户所需标准波形的种类，包括正弦渡、余弦波、方波、三角被、锯齿被、上升/下降斜坡波形、直流电平八种波形，可以任意选择，同时可以设置波形初始幅值(scaling)和采样点数(#of points)。需要注意的是波形初始幅值的设定范置为-1.00列1.00，用户可以通过设置增益大小来改变波形幅值的输出范围。l dc offset(arb wav)数值输入控件：设置波形直流偏置的大小。l gain (arb wav)数值输入控件：设置波形振幅的增益太小。l stop按钮：任意标准准波发生器停止工作按钮。l update按钮：当程序运行时如需改变前面板的任何参数设置均可按该按钮来下载，并进行更新设置。l actual sample rate数值显示控件：最终产生信号的实际采样率。(2) 公共控件属性与设置l awgasg按钮：控制对任意标准波形发生器和任意序列波形发生器的选择。l instrument descriptor 数值输入控件：设置运行程序的硬件板卡编号，nipnxi-5421在本系统中硬件板卡编号为pxlslot4。l clock mode字符串输入控件：选择设备的内部时钟模式。l sample rate字符串输入控件：设置采样率。l update clock source字符串输入控件：选择时钟源。l analog filter按钮：控制是否对信号进行模拟滤波。l digital filter按钮：控制是否对信号进行数字滤波。 (3) 任意序列波形发生器l send sw trigger按钮：控制是否发送软件触发信号(软件触发方式下有效)。l trigger mode：字符串输控件：选择触发模式。l trigger source：字符串输入控阵选择触发源。l waveform dam簇：选择组成序列波形的波形信息，根据数组提供的索引，暂时可以选择四种波形来组成一个序列波形，如果用户需要更波形连接组成序列，可以通过增加波形名称数组元素的方法实现。簇中可以选择组成序列波形的波形片段命名、波形类型、初始幅值和采样点数。l sequence：设定波形序列，利用数组索引的顺序确定各波形片段连接顺序及每种波形重复周期数。l resulting sequence 数组：最后产生的序刊披形韵详细信息，包含各波形片段名称和循环次数。l dc offset数值输入控件：设置任意序列波形直流偏置大小。l gain数值输入控件：设置任意序列波形振幅的增益大小。l re-sequence按钮：更新波形序列。l load按钮：在运行阶段重新导入新的序列被形。l stop按钮控件：任意序列波形发生器停止工作按钮。3.2.2 虚拟任意波形发生器程序框图设计 任意波形发生器的框图程序主要包括任意标准波形发生器和任意序列波形发生器两部分，通过一个简单的选择结构可以实现两者的选择(前面板中的awgasg即为选择结构的控制按钮)。下面仅介绍任意标准波形发生器的框图程序设计。1） 设置波形数组，将创建的8种标准波形下载到内容，并进行图形示波显示2） 设置波形直流偏置和波形振幅的增益大小。3） 设置时钟源。4） 设置波形采样率3.3虚拟示波器简介示波器是生产实践和科学研究中应用十分广泛的电子测量仪器。目前常用的模拟示波器，外型笨重，功能单一;数字示波器虽然有一定的功能扩展，但价格昂贵，维护升级成本高，短时间内难以普及应用。随着虚拟仪器技术的发展，基于虚拟仪器的虚拟示波器也应运而生。虚拟示波器充分利用计算机的信息处理能力，实现对多路输入信号的实时采集和存储，并进行离线分析和处理。虚拟示波器既有最先进的技术特点，顺应了当代测试仪器的发展趋势，也有较优良的性能价格比。与传统示波器比较，其优点主要表现在:l 捕捉的波形可以保存在磁盘中或从打印机打印出来备份。l 采用自动测量或光标测量，能减少输入放大器的示波管线性度的影响，可以获得较高的准确度。l 波形均匀、稳定、无闪烁，同时还能跟随观察窗口的大小变化而变化，为用户作细的观测提供了方便。l 通过用户编程，可扩充用户需要的各种数据处理和分析能力，因此虚拟示波器更适合对系统进行性能测试和故障诊断。l 多窗口显示模式:虚拟示波器可将多个通道的实测波形图、频谱分析图、功率谱分析图等同时显示在屏幕的不同窗口中，这一功能使虚拟示波器可以同时对控制系统多个工作部位运行状况进行监视。l 可以实现远程控制功能。3.4 虚拟示波器的软件编程3.4.1. 虚拟示波器前面板设计前面板用来提供用户与虚拟示波器的接口，通过一个友好的图形界面，模拟传统仪器操作，实现对虚拟示波器的控制，并且显示数据处理结果。本课题设计的虚拟示波器前面板如图43所示。根据仪器的功能，在虚拟示波器前面板上设置实时图形显示窗口(包括波形图、频谱图、功率谱图、波形暂停截图)、数据采集配置菜单(包括初始化配置、水平通道配置、垂直通道配置、触发参数配