LabVIEW的虚拟实验系统设计
LabVIEW的虚拟实验系统设计[20200121210042]
摘 要
信号是电气、电子、通信等领域中传递各种消息的工具，故而信号的生成、采集、处理和分析对于获取信息的应用或对于各相关领域学术的研究有着重要的价值。信号所蕴含的内容学习起来太过抽象化，给知识点的理解带来这样或那样的麻烦。对于这一普遍现象，实验教学必不可少。实验项目的完成往往需要众多传统仪器的相互配合，这造成了耗资巨大、占用空间、实验可重复操作性差等弊端，虚拟仪器的出现很好的解决了以上各个方面的问题。LabVIEW作为一项功能全面的虚拟仪器开发平台，在信号的生成、采集、处理与分析方面具备完整的体系，同时具有形象、简洁的图形式编程方法，在组建虚拟实验环境方面优势明显。
本虚拟实验系统的设计是利用LabVIEW软件作为虚拟仪器开发平台。通过LabVIEW软件自带的仿真信号实现信号发生、滤波、信号调制与解调、信号频谱分析模块的设计；在虚拟信号发生器产生仿真信号与数据采集卡采集实际信号的基础下设计了可以仿真显示和实际显示的虚拟示波器；同时在LabVIEW强大的数学节点支持下对信号基本运算、采样定理、信号卷积进行了数学建模和图像演示。
*查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:信号分析虚拟仪器LabVIEW实验系统
目录
第1章 绪论 ?? 1
1.1 本课题的研究背景 1
1.2 本课题的研究意义 1
1.3 国内外研究现状 2
1.4 论文研究结构 3
第2章 实验系统开发平台简介 4
2.1 虚拟仪器概述 4
2.2 实验系统开发平台LabVIEW简介 5
2.3 基于LabVIEW的数据采集系统构建 7
第3章 实验系统总体方案设计与硬件配置 10
3.1 实验系统总体设计 10
3.1.1 系统功能分析 10
3.1.2 系统总体构成 10
3.1.3 各模块功能实现分析 11
3.2 实验系统的硬件配置 12
3.2.1 数据采集卡的性能指标 12
3.3.2 NI ELVIS II数据采集卡概要 13
第4章 实验系统软件设计和功能分析 15
4.1 实验系统的总体构成 15
4.2 主程序功能的实现 15
4.3 信号发生器的设计 18
4.3.1 信号发生器的功能 18
4.3.2 信号发生器前面板设计 19
4.3.3 信号发生器程序框图设计 19
4.4 验证采样定理模块的设计 20
4.4.1 验证采样定理模块的功能 20
4.4.2 验证采样定理模块前面板设计 21
4.4.3 验证采样定理模块程序框图设计 22
4.5 示波器的设计 22
4.5.1 示波器的功能 23
4.5.2 示波器前面板设计 23
4.5.3 示波器程序框图设计 24
第5章 调试结果与分析 29
5.1 信号发生器的调试 29
5.2 验证采样定理模块的调试 29
5.3 示波器的调试 31
结语 34
参考文献 35
附录 36
致谢 42
第1章 绪论 ??
1.1 本课题的研究背景
实验教学在院校中必不可少，大部分实验项目需要通过数种仪器的相互配合来完成，在这仪器更新换代越来越快的时代,购置仪器设备对学校来说无疑耗资巨大，传统仪器在相互连接时也容易出现连接问题而致使出现测量故障。传统仪器在存储数据与读取数据的能力有所欠缺，对使用者分析与处理测量数据多有不便，另外传统仪器的维护也需要耗费大量的精力与金钱。近年来，仪器技术跟随着计算机技术的发展步伐而稳步前进，虚拟仪器在这样的前提下孕育而生。
在传统仪器渐渐难以满足用户需求的背景下，美国NI公司于1986年率先提出虚拟仪器(Virtual Instrument,简称VI)的概念。仪器技术和计算机技术的互联促成了虚拟仪器的诞生，这是未来仪器的发展走向。LabVIEW作为一项功能全面的虚拟仪器软件开发工具，在信号的生成、采集、处理与分析方面具备完整的体系，同时具有形象、简洁、直观的图形式编程方法，在组建虚拟实验环境方面优势明显。
现时代，传统仪器实验室下的高校实验教学，已经越来越无法满足信息时代的测试、测量需求，虚拟仪器与虚拟实验室的相继出现，逐渐改变着传统的仪器观。在大学尤其是工科院校中，要想紧跟时代与技术的进步就要不断的更新教学和实验设备，然而传统仪器的升级是硬伤，仪器设备的更新投资巨大。虚拟实验系统对于解决这一问题效果显著，“软件即硬件”是虚拟仪器的现代仪器观。随着虚拟仪器的稳步发展，其可慢慢实现传统仪器的性能并扩展。
1.2 本课题的研究意义
仪器技术与计算机技术相互配合与分工是未来仪器发展的主要走向，故而虚拟仪器在现在直至以后相当长的一段时间内会是测试、测量系统与数据采集系统的选择仪器。现在院校一般采用传统仪器组建实验室，但是现在仪器升级甚至更新换代相当之快，故而利用传统仪器组建实验室是耗资巨大的。通过计算机结合LabVIEW软件实现虚拟实验系统的构建，虽说在真实性上离传统实验系统还有不小的距离，但是随着虚拟仪器功能的完善，渐渐可以实现实验教学要求。虚拟仪器能实现自我定义仪器功能的需求，可以摆脱传统仪器由厂家定义仪器功能的状况。虚拟仪器与传统技术的比较见下表：
表1-1 传统仪器对比虚拟仪器系统
传统仪器 虚拟仪器
系统功能、标准 厂家定义 自定义
系统关键 硬件 软件
系统连接 连接受限 连接开放
价格 昂贵 便宜，可反复利用
更新、维护费用 高 低
技术更新周期 5?10年 1?2年
本设计以计算机结合多功能数据采集卡为硬件平台，以LabVIEW为虚拟仪器软件开发工具，设计了一个信号生成、采集、处理和分析的虚拟实验系统。借助虚拟仪器的仿真功能来代替传统仪器，利用LabVIEW在信号分析与处理方面强大的函数支持实现虚拟实验教学。缓解了传统实验室完成测试项目时所需很多仪器配置的需求，同时提高测量的准确性与效率性，适时记录实验所需数据及提高实验的可重复操作性，这具客观的现实意义。
1.3 国内外研究现状
虚拟实验系统的构建在计算机网络的支持下得以实现。当前基于计算机技术的虚拟实验教学在国外高校中屡见不鲜，近年来国外的虚拟实验室研究与建设发展迅速。国内的虚拟实验室研究与建设还处于萌芽状态，虚拟仪器技术正步入人们的视野，但是也有了许多研究范例。
虚拟实验室这个概念是由美国的威廉沃尔夫教授于1989年率先提出的。虚拟实验室环境的创造是在计算机网络化和信息化的前提下达成的，在虚拟实验环境下组建一个汇集网络、信息、仪器与实验工具的综合实验系统，使分布在世界各地的数据、信息、仪器设备等资源实现共享和有效利用。
虚拟仪器的诞生地美国在对虚拟实验室的发展高度重视，早已将虚拟实验室的创建列为科研发展的战略规划。
德国汉诺威大学研发了一款模拟自动化工作台的虚拟系统；远程虚拟教学实验室在意大利帕瓦多大学得到组建；新加坡国立大学为示波器远程显示进行了研发并获得成功。
北大计算机学院创建了网络虚拟实验室适用于交互式和计算量大的实验，是网络虚拟实验室的通用框架。
中国科学技术大学为大学物理实验创建了虚拟实验室，在实验教学和演示上的到实现，这是我国首套虚拟实验教学软件。
天津大学利用虚拟仪器技术开发了虚拟校园，实现异地欣赏校园环境与风光 。
南京大学建立了分析化学的虚拟实验室系统，实现在虚拟实验室中对实验仪器的虚拟操作。
由此可见随着虚拟仪器技术的快速发展，虚拟实验系统的创建在未来会部分或整个代替传统仪器构建的实验系统。
摘 要
信号是电气、电子、通信等领域中传递各种消息的工具，故而信号的生成、采集、处理和分析对于获取信息的应用或对于各相关领域学术的研究有着重要的价值。信号所蕴含的内容学习起来太过抽象化，给知识点的理解带来这样或那样的麻烦。对于这一普遍现象，实验教学必不可少。实验项目的完成往往需要众多传统仪器的相互配合，这造成了耗资巨大、占用空间、实验可重复操作性差等弊端，虚拟仪器的出现很好的解决了以上各个方面的问题。LabVIEW作为一项功能全面的虚拟仪器开发平台，在信号的生成、采集、处理与分析方面具备完整的体系，同时具有形象、简洁的图形式编程方法，在组建虚拟实验环境方面优势明显。
本虚拟实验系统的设计是利用LabVIEW软件作为虚拟仪器开发平台。通过LabVIEW软件自带的仿真信号实现信号发生、滤波、信号调制与解调、信号频谱分析模块的设计；在虚拟信号发生器产生仿真信号与数据采集卡采集实际信号的基础下设计了可以仿真显示和实际显示的虚拟示波器；同时在LabVIEW强大的数学节点支持下对信号基本运算、采样定理、信号卷积进行了数学建模和图像演示。
*查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:信号分析虚拟仪器LabVIEW实验系统
目录
第1章 绪论 ?? 1
1.1 本课题的研究背景 1
1.2 本课题的研究意义 1
1.3 国内外研究现状 2
1.4 论文研究结构 3
第2章 实验系统开发平台简介 4
2.1 虚拟仪器概述 4
2.2 实验系统开发平台LabVIEW简介 5
2.3 基于LabVIEW的数据采集系统构建 7
第3章 实验系统总体方案设计与硬件配置 10
3.1 实验系统总体设计 10
3.1.1 系统功能分析 10
3.1.2 系统总体构成 10
3.1.3 各模块功能实现分析 11
3.2 实验系统的硬件配置 12
3.2.1 数据采集卡的性能指标 12
3.3.2 NI ELVIS II数据采集卡概要 13
第4章 实验系统软件设计和功能分析 15
4.1 实验系统的总体构成 15
4.2 主程序功能的实现 15
4.3 信号发生器的设计 18
4.3.1 信号发生器的功能 18
4.3.2 信号发生器前面板设计 19
4.3.3 信号发生器程序框图设计 19
4.4 验证采样定理模块的设计 20
4.4.1 验证采样定理模块的功能 20
4.4.2 验证采样定理模块前面板设计 21
4.4.3 验证采样定理模块程序框图设计 22
4.5 示波器的设计 22
4.5.1 示波器的功能 23
4.5.2 示波器前面板设计 23
4.5.3 示波器程序框图设计 24
第5章 调试结果与分析 29
5.1 信号发生器的调试 29
5.2 验证采样定理模块的调试 29
5.3 示波器的调试 31
结语 34
参考文献 35
附录 36
致谢 42
第1章 绪论 ??
1.1 本课题的研究背景
实验教学在院校中必不可少，大部分实验项目需要通过数种仪器的相互配合来完成，在这仪器更新换代越来越快的时代,购置仪器设备对学校来说无疑耗资巨大，传统仪器在相互连接时也容易出现连接问题而致使出现测量故障。传统仪器在存储数据与读取数据的能力有所欠缺，对使用者分析与处理测量数据多有不便，另外传统仪器的维护也需要耗费大量的精力与金钱。近年来，仪器技术跟随着计算机技术的发展步伐而稳步前进，虚拟仪器在这样的前提下孕育而生。
在传统仪器渐渐难以满足用户需求的背景下，美国NI公司于1986年率先提出虚拟仪器(Virtual Instrument,简称VI)的概念。仪器技术和计算机技术的互联促成了虚拟仪器的诞生，这是未来仪器的发展走向。LabVIEW作为一项功能全面的虚拟仪器软件开发工具，在信号的生成、采集、处理与分析方面具备完整的体系，同时具有形象、简洁、直观的图形式编程方法，在组建虚拟实验环境方面优势明显。
现时代，传统仪器实验室下的高校实验教学，已经越来越无法满足信息时代的测试、测量需求，虚拟仪器与虚拟实验室的相继出现，逐渐改变着传统的仪器观。在大学尤其是工科院校中，要想紧跟时代与技术的进步就要不断的更新教学和实验设备，然而传统仪器的升级是硬伤，仪器设备的更新投资巨大。虚拟实验系统对于解决这一问题效果显著，“软件即硬件”是虚拟仪器的现代仪器观。随着虚拟仪器的稳步发展，其可慢慢实现传统仪器的性能并扩展。
1.2 本课题的研究意义
仪器技术与计算机技术相互配合与分工是未来仪器发展的主要走向，故而虚拟仪器在现在直至以后相当长的一段时间内会是测试、测量系统与数据采集系统的选择仪器。现在院校一般采用传统仪器组建实验室，但是现在仪器升级甚至更新换代相当之快，故而利用传统仪器组建实验室是耗资巨大的。通过计算机结合LabVIEW软件实现虚拟实验系统的构建，虽说在真实性上离传统实验系统还有不小的距离，但是随着虚拟仪器功能的完善，渐渐可以实现实验教学要求。虚拟仪器能实现自我定义仪器功能的需求，可以摆脱传统仪器由厂家定义仪器功能的状况。虚拟仪器与传统技术的比较见下表：
表1-1 传统仪器对比虚拟仪器系统
传统仪器 虚拟仪器
系统功能、标准 厂家定义 自定义
系统关键 硬件 软件
系统连接 连接受限 连接开放
价格 昂贵 便宜，可反复利用
更新、维护费用 高 低
技术更新周期 5?10年 1?2年
本设计以计算机结合多功能数据采集卡为硬件平台，以LabVIEW为虚拟仪器软件开发工具，设计了一个信号生成、采集、处理和分析的虚拟实验系统。借助虚拟仪器的仿真功能来代替传统仪器，利用LabVIEW在信号分析与处理方面强大的函数支持实现虚拟实验教学。缓解了传统实验室完成测试项目时所需很多仪器配置的需求，同时提高测量的准确性与效率性，适时记录实验所需数据及提高实验的可重复操作性，这具客观的现实意义。
1.3 国内外研究现状
虚拟实验系统的构建在计算机网络的支持下得以实现。当前基于计算机技术的虚拟实验教学在国外高校中屡见不鲜，近年来国外的虚拟实验室研究与建设发展迅速。国内的虚拟实验室研究与建设还处于萌芽状态，虚拟仪器技术正步入人们的视野，但是也有了许多研究范例。
虚拟实验室这个概念是由美国的威廉沃尔夫教授于1989年率先提出的。虚拟实验室环境的创造是在计算机网络化和信息化的前提下达成的，在虚拟实验环境下组建一个汇集网络、信息、仪器与实验工具的综合实验系统，使分布在世界各地的数据、信息、仪器设备等资源实现共享和有效利用。
虚拟仪器的诞生地美国在对虚拟实验室的发展高度重视，早已将虚拟实验室的创建列为科研发展的战略规划。
德国汉诺威大学研发了一款模拟自动化工作台的虚拟系统；远程虚拟教学实验室在意大利帕瓦多大学得到组建；新加坡国立大学为示波器远程显示进行了研发并获得成功。
北大计算机学院创建了网络虚拟实验室适用于交互式和计算量大的实验，是网络虚拟实验室的通用框架。
中国科学技术大学为大学物理实验创建了虚拟实验室，在实验教学和演示上的到实现，这是我国首套虚拟实验教学软件。
天津大学利用虚拟仪器技术开发了虚拟校园，实现异地欣赏校园环境与风光 。
南京大学建立了分析化学的虚拟实验室系统，实现在虚拟实验室中对实验仪器的虚拟操作。
由此可见随着虚拟仪器技术的快速发展，虚拟实验系统的创建在未来会部分或整个代替传统仪器构建的实验系统。
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