虚拟仪器技术论文

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虚拟仪器技术论文范文第1篇

1.1实验室资源共享由于测控专业学生相对较少，所以大多高校都不愿花大量经费去建立测控专业的实验室，基本都采用共享其它专业实验室的方式，这也限制了测控专业的发展。我们学院也同样存在这个问题，目前针对测控技术与仪器专业开放的专业实验室有传感器实验室、自动控制实验室和计算机仿真实验室，没有专门的虚拟仪器实验室。之前学生只能在计算机仿真实验室里做些虚拟仪器课程的基础实验，无法做专业实验，在将物联网技术引入之后，我们摸索出了实验室资源共享的模式，也就是将不同实验室的资源共享使用，以此完成虚拟仪器课程的专业实验教学任务。其中传感器实验室拥有近20种传感器、30套ZigBee模块(WSN的一种)和30套GPRS模块(无线传输技术的一种)等设备；计算机仿真实验室拥有50台计算机和配套虚拟仪器软件，可以完成虚拟仪器课程的所有基础实验。在教学安排上只要将传感器技术和虚拟仪器课程分在两个学期，就可以实现两个实验室的资源共享，学生就可以借助于传感器实验室的资源完成虚拟仪器课程的大多数专业实验。

1.2科研成果转化虚拟仪器技术是利用高性能的模块化硬件，结合灵活高效的软件来完成各种自动测试、测量应用。将虚拟仪器技术和物联网技术结合起来，在自动测试测量、无线通信、故障诊断和远程测控等方面有着极大的应用价值和应用前景。目前，国内很多高校和科研机构积极致力于这两者结合模式的研究，如天津大学、华北电力大学等。我们学院在这方面也开展了很多研究，譬如开展了“基于LabVIEW和物联网的风光互补电站监控系统的研究”、“虚拟仪器与GPRS无线通信测试研究”等多项校厅级项目，并取得了一些成果。我们已经将项目涉及的无线传感器技术、GPRS无线数据传输技术应用到虚拟仪器课程当中，对整个虚拟仪器课程的教学起到了很大的推动作用。

2物联网技术的应用体现

物联网技术在虚拟仪器课程中的应用体现在实验教学环节，主要针对专业实验。因为基础实验仅依靠软件编程就可以实现，譬如学生编程练习数组函数、结构等知识。但对于专业实验，必须要有硬件配套才能完成，借助于传感器实验室的WSN和GPRS将传感器测量的信号传给计算机仿真实验室的上位机，再通过上位编程对各种参数进行分析处理，就实现了一套从数据采集、数据传输、数据分析、数据存储、远程监控的完整流程，让学生体会到虚拟仪器作为自动测试测量领域专业开发工具的优势所在，掌握到该领域的一些前沿技术，此类专业实验的实验流程如图1所示，只要改变传感器类型、ZigBee组网方式和数据中心程序，就可以完成不同的专业实验。在实验内容安排上，我们追求量少质高。开设了几个目前科研应用中比较常用的无线通信、远程测控和故障诊断方面的实验。譬如开设的“虚拟仪器与GPRS无线通信测试”实验，就是由校级精品实验项目转化而来，旨在通过借助虚拟仪器的实验平台，快速搭建一套GPRS无线通信系统，模拟实际工程中无线通信的全过程，通过LabVIEW编程，设计出友好的人机交互界面，将无线通信的原理和过程直观形象地展现出来，让学生充分理解无线通信的原理和设计思想，在实验室里就能接触到要在科研项目或企业里才能用到的新技术。同时在课堂教学上将实验中涉及到的物联网技术进行讲解，譬如ZigBee组网选择、ZigBee组网协议、用于GPRS通信的TCP/IP协议等，讲解时可结合项目实例进行，课堂上现场演示利用GPRS技术通过简单编程实现手机短信和彩信的收发，让学生能直观地感受到所学课程的实用性和前沿性，让学生从心底里产生要将这门课学好的冲动。

3教学效果

引入物联网技术之前，由于无法开展专业性的实验，使得很多理论无法得到实践运用和验证，学生只能通过编程练习数组函数、结构等基础实验，普遍感觉实验比较空洞、枯燥，积极性不高，学生感觉不到该课程的工程应用价值，也体会不到虚拟仪器作为自动测试、测量领域专业开发工具的优势所在。在将物联网技术引入之后，使这一问题得到很大改观。开设的实验项目涉及的内容是目前很流行的无线通信领域，而且GPRS通信中还可以实现手机短信的接收和发送，所以学生的积极性都很高。另外，在项目的实验过程当中，每组学生会对程序界面的设计和调试过程进行探讨，所以实验氛围也很好。另外该类项目要求学生要对所做内容有个清晰的思路和具体实现方案，要求学生具备一定的编程能力和程序调试能力，所以对学生实践能力的锻炼，创新意识的培养、探究性思维的启发都起到一定作用。

4结语

虚拟仪器技术论文范文第2篇

关键词：虚拟仪器，地磁场监测，分布式测量，电子邮件

 

1、前言

地磁场的异常波动是发生地震的重要征兆，对地磁场异常的监测可以为地震预报研究提供重要的数据资料 [1]。

虚拟仪器技术是利用编程软件，按照测量原理,采用适当的信号分析与处理技术,编制具有测量功能的程序就可以构成相应的测试仪器[2],降低了仪器的开发和维护费用,缩短了技术更新周期，显著提高了仪器的柔性和性价比[3]。

2、硬件结构

分布式地磁场异常监测系统总体结构如图1所示。磁场传感器通过RS232串口将计算出的地磁场方位值前期数据发送给电脑1，电脑1上的虚拟仪器软件完成对信号的读取、计算、分析、显示、存储等并通过电子邮件将相关数据传送给远端的电脑2。

3、软件设计

3.1、软件的总体功能

如图2所示，监测系统主要有数据采集模块、显示模块、磁场异常报警模块、数据处理模块、数据保存模块、电子邮件发送模块等组成。

3.2、软件前面板

前面板如图3所示,主要分为3个模块:通信参数设置模块、监测结果显示及保存模块、异常报警模块等。论文参考，电子邮件。论文参考，电子邮件。设置的通信参数主要有与传感器通信时的波特率、数据位、数据文件保存的位置、软件异常及地磁异常时发送电邮的收发件人电子信箱地址等。论文参考，电子邮件。论文参考，电子邮件。

图2 软件总体功能框图

图3 软件前面板

3.3、地磁场方位值的计算

地磁场方位值计算模块如图4所示，将VISA读取控件缓冲区中的字符串数组读出，截取其中第9和第10个元素，进行数制、进制转换得到地磁场方位值，接到前面板进行显示。论文参考，电子邮件。论文参考，电子邮件。

图4 方位值计算模块

3.4异常报警

将当前时刻的方位值与正常方位值相比较，如果相差5度，即认为是地磁场的异常波动，报警指示灯亮，发出报警音，同时启动邮件发送模块。

3.5 数据保存模块

调用日期/时间字符串控件，读取windows日期时间，和地磁场方位值一起写入指定目录的txt文件中。当地磁场异常时，触发磁场异常逻辑为真，写入文件控件将从此时刻开始5秒内的时间值、地磁场方位值写入txt文件中。

图5 邮件发送第一帧

图6 邮件发送第二帧

3.6 邮件发送

4.实验

如图7所示，实验方法为:将传感器与电脑1串口相连，通过虚拟仪器软件监测地磁场的异常情况，当地磁发生异常或接收传感器数据异常时，电脑1上的监测软件报警，并把异常数据记录到数据文件中，同时通过电子邮件模块向指定信箱发送指定格式邮件，监测者在电脑2上查看相关异常邮件。做法是转动传感器使其与地磁场磁北指向夹角为200°，用一块磁铁沿着与传感器指向垂直的方向自远及近靠近后又自近及远离开传感器，记录下整个过程磁铁与传感器距离、地磁场方位值、异常情况及邮件接收情况。实验结果如表1所示。

反复实验表明，监测软件准确地记录下了磁铁靠近传感器的过程中该处磁场的变化情况，且当地磁异常时电脑2及时地接收到了相关异常数据邮件。

表 1模拟干扰地磁场实验

虚拟仪器技术论文范文第3篇

【关键词】 振动信号 虚拟仪器 PXI总线 LabVIEW

一、测试系统总体方案设计

本课题设计的测试系统选择PXI总线作为整个系统的硬件采集平台和LabVIEW作为系统的开发软件。系统的构成方案如图1所示。

根据上述的系统设计方案，通过利用加速度传感器对振动信号的加速度信号进行采集，然后将调理过的信号输送给PXI数据采集卡实现数据的采集，使用LabVIEW虚拟仪器开发平台，根据设计的软件处理模块，可以实现对振动信号进行信号的预处理，包括信号采样、零均值化、消除趋势项、平滑处理；信号的时域分析；信号的频域分析；信号的积分这些分析与处理功能。

二、硬件设计

2.1 加速度传感器

传感器（Sensor）作为一种检测装置，它不但能感受到被测量的信息，还能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出 [1]。

由于本课题研究的是振动信号的测试，所以选取的是加速度传感器，它是利用了加速度传感器可以拾取设备的振动加速度信号，并且通过积分的方式，在一定的频率范围内，可以由加速度测得速度信号或位移信号[2]。

2.2 PXI的总线

PXI（PCI eXtensions for Instrument）总线是PCIfalse总线在仪器领域的扩展，它是在1997年，由NI公司推出的一种全新的开放式、模块化仪器总线规范，它将CompactPCI（坚固PCI）规范定义的PCI（Peripheral Component Interconnect，外部组件互联）总线技术扩展为适合于测量、试验以及数据采集场合的电气、机械和软件规范[3]。

要组建一个PXI的总线测试系统，需要根据测试系统的测试类型、测试环境、测试要求等去选择相应的数据采集卡、PXIe-PCIe转换卡、接线盒和机箱。

PXI硬件配置过程为，首先将选取的数据采集卡PXIe―6356和PXIe8361模块安装到NI PXIe-1073机箱相对应的插槽中，然后将PCIe8361模块安装到控制主计算机的对应插槽中，最后用高性能屏蔽电缆连接PXIe―6356和PCIe8361模块，构成PXI总线的硬件平台。

三、软件设计

LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，实验室虚拟仪器集成环境）作为一种图形化的编程语言（又称G语言），它是由美国NI公司推出的虚拟仪器开发平台，是现在发展速度最快、功能性最强、应用最广泛的图形化软件集成开发环境[5]。

LabVIEW作为一款虚拟仪器设计平台的软件，它的函数模块包括了所有传统仪器的测试内容。振动信号的处理，其实就是从实际测量的振动信号中提取、放大所需的信息，消弱干扰和过滤掉非必要的信息的过程。振动加速度信号处理的常用的方法是：通过数学方法，首先对振动信号进行预处理，滤除掉杂乱的振动趋势项，并进行平滑处理来去除毛刺；来获取振动加速度信号的时域、频域、相关性特征等；接下来对振动加速度信号进行滤波、加窗、积分处理，来获取振动速度信号；由于积分产生新的趋势项，对速度信号需要再次进行趋势项消除，继而可获取速度信号相关特征；然后对算得的速度信号再次进行积分，最终得到位移信号。

四、系统测试与结果分析

构建的测试平台包括提供振动源的电机电路，加速度传感器的工作电路，振动信号的调理电路；接线盒NI SCB-68A、数据采集卡NI PXLe-6356、机箱NI PXIe-1073、PXIe-PCIe8361转接模块和68针高性能屏蔽电缆；以及实验所需的测量仪器，如数字示波器、函数信号发生器、万用表、直流电源等，外加主控计算机。

现对课}中测试系统采集到的振动信号进行分析。测试系统的振动源是由电机来提供的，此电机的额定转速是3000转/分钟，则频率应该在50Hz左右。那么利用论文中设计的振动信号采集模块，采集到的振动加速度信号的时域和频域图如图2所示。

通过对比图2中的波形图分析可知：在振动加速度时域波 形图中无法直接得到信号的频率信息，而通过观察振动加速度频域波形图，可发现主频在48Hz左右。该测试结果在允许误差5%范围以内，则说明设计的测试模块准确性和数据处理方案的可行性。

现对振动信号积分处理，经处理后得到的积分后的速度和位移波形如图3所示。

五、结论

本课题的任务是基于PXI总线对振动信号测试系统研究与设计，通过设计加速度信号采集硬件系统，PXI数据采集系统，最后使用LabVIEW软件编写处理模块，最后得到振动信号分析的结果。这种设计方案具有良好的扩展性和较高的性价比，且易于开发和维护，更适合现代社会的机械化工业生产，提高了经济效益。

参 考 文 献

[1] 栾桂冬、张金铎、金欢阳.传感器及其应用（第二版） [M]. 西安：西安电子科技大学出版社，2012.

[2] 陈福森，高坤江.振动加速度信号处理探讨[J].城市建设理论研究：电子版，2013（36）：50-52.

[3] 张重雄.虚拟仪器技术分析与设计（第2版） [M].北京：电子工业出版社，2012.

虚拟仪器技术论文范文第4篇

1.1虚拟仪器

1.1.1虚拟仪器的概念

虚拟仪器的概念最早由美国N工公司于1895年提出n，其英文原称为VrulInstrument，简称vi。所谓虚拟仪器，就是在以计算机为核心的硬件平台上，其功能由用户设计和定义，具有虚拟面板，其测试功能由测试软件实现的一种计算机测试系统.虚拟仪器的实质是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出检测结果:利用计算机强大的软件功能来实现信号数据的运算、分析和处理:利用工/0接口设备完成信号的采集、测1t与调理，从而建立集各种测试功能为一体的计算机仪器系统。使用者通过鼠标和键盘操作虚拟面板，就如同使用一台专用测盆仪器一样。

虚拟仪器彻底打破了传统仪器只能由生产厂家定义，用户无法改变的局面，从而使得任何一个用户都可以方便灵活地用鼠标或按键在计算机显示屏幕上操作虚拟仪器软面板的各种“旋钮”进行测试工作，并可以根据不同的测试要求通过窗口切换不同的虚拟仪器，或通过修改软件来改变、增减虚拟仪器系统的功能与规模。虚拟仪器具有的这种“可开发性”和“可扩展性”等优越特点使虚拟仪器具有强大的生命力和竞争力。

1.1.2虚拟仪器的构成及其分类

虚拟仪器由通用仪器硬件平台(简称硬件平台)和应用软件两大部分构成。

（1）虚拟仪器的硬件平台

虚拟仪器的硬件平台由两部分组成:

(a)计算机一般为一台PC机或者工作站，其为硬件平台的核心。

(b)I/0接口设备I/0接口设备主要完成被测输入信号的采集、放大、A/D转换。不同的总线有其相应的I/0接口硬件设备，如利用PC机总线的数据采集板卡、GPIB总线、VXI总线仪器模块、PXI总线仪器模块、串行总线仪器等。

虚拟仪器的构成方式主要有5种类型:

.PC-DAQ系统

PC-DAQ系统是以数据采集卡、信号调理电路及计算机为仪器硬件平台组成的插卡式虚拟仪器系统。这种系统采用计算机的PCI或工SA总线，数据采集卡直接插入计算机底板上的相应总线插槽.

.GPIB系统GPB系统是以PB标准总线仪器与计算机为仪器平台组成的虚拟仪器测试系统。

.VXI系统VX6是以VXI标准总线仪器模块与计算机为仪器平台组成的虚拟仪器测试系统。

.PXI系统PX工系统是以PXI标准总线仪器模块与计算机为仪器平台组成的虚拟仪器测试系统。

.串口系统串口系统是以Serial标准总线仪器与计算机为仪器平台组成的虚拟仪器测试系统。

（2）虚拟仪器的软件

目前虚拟仪器软件开发工具有如下两类:

.文本式开发平台:如VisualC+,VisualBasic,LabWindows/CVI等，

.图形化开发平台:如LabVIEW,HPVE等。.

虚拟仪器软件由两部分组成，即应用程序和I/0接口仪器驱动程序.应用程序又包含实现虚拟面板功能的软件程序和定义测试功能的流程图软件程序.I/0接口仪器驱动程序完成对特定外部硬件设备的扩展、驱动与通信.

1.2LabVIEW开发平台简介及G语言

LabVIEW是实验室虚拟仪器集成环境(LaboratoryVirtualInstrumentEniernokec)NTOANTUET'''',gnigWrbnh的缩写，是美国国家仪器公司(AINLISRMNS"简称NI)推出的基于G语言(GraphicsLanguage,图形化编程语言)的虚拟仪器软件开发平台，也是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件开发集成环境，全球仅次于C/C+十开发平台。

1.3目的与意义

用LABVIEW构建一个模拟电子技术虚拟实验系统——调制解调器。

从现实的意义上来说，在高等工程教育中采用虚拟实验室，可以从根本上解决实验与实习经费严重短缺问题。作为传统电子技术实验的补充，使学生初步掌握仿真软件技术，可使实验内容紧密联系课本内容，比较全面地概括和反映部分所学的知识点，将课堂内容具体化。

同时，利用虚拟仪器技术实现对仪器设备的远程、分布式控制，。一方面继承实物实验可操作性、参与性强的优点，另一方面又可利用计算机优势，发挥其直观、动态模拟、迅速准确、资源共享、资金投入量少等特点，从而建立一种新型的实验教学方式，进一步提高教学效率。

2工具LABVIEW

2.1LabVIEW开发平台简介

LabVIEW是一个完全的、开放式的虚拟仪器开发系统应用软件，利用它组建仪器测试系统和数据采集系统可以大大简化程序的设计。LabVIEW与VisualC++、VisualBasic、

LabWindows/CVI等编程语言不同，后者采用的是基于文本语言的程序代码（Code），而LabVIEW则是使用图形化程序设计语言G（Graphic），用框图代替了传统的程序代码。LabVIEW所运用的设备图标与科学家、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的相似。

LabVIEW包含有专门用于设计数据采集程序和仪器控制程序的函数库和开发工具库。

LabVIEW的程序设计实质上就是设计一个个的“虚拟仪器”，即“VIs”。在计算机显示屏幕上利用函数库和开发工具库产生一个前面版（FrontPanel）；在后台则是利用图形化的编程语言编制用于控制前面板的框图程序。程序的前面板具有与传统仪器相类似的界面，可接受用户的鼠标和键盘指令。一般来说，每一个VI都可以被其他VI调用，其功能类似于文本语言的子程序嵌套；而这种嵌套的层次，从理论上讲，是不受任何限制的。

LabVIEW是带有可扩展函数库和子程序库的通用程序设计系统。它提供了用于GPIB设备控制、VXI总线控制、串行口设备控制、以及数据分析、显示和存储的应用程序模块。

LabVIEW可方便的调用Windows动态链接库和用户自定义的动态链接库中的函数；LabVIEW还提供了CIN(CInterfaceNode)节点使得用户可以使用由C或C++语言，如ANSIC,编译的程序模块，使得LabVIEW成为一个开放的开发平台。LabVIEW还直接支持动态数据交换（DDE）、结构化查询语言（SQL）、TCP和UDP网络协议等。此外，LabVIEW还提供了专门用于程序开发的工具箱，使得用户能够很方便的设置断点，动态的执行程序来非常直观形象的观察数据的传输过程，以及进行方便的调试。

LabVIEW的运行机制就宏观上讲已经不再是传统上的冯·诺伊曼计算机体系结构的执行方式了。传统的计算机语言（如C）中的顺序执行结构在LabVIEW中被并行机制所代替；从本质上讲，它是一种带有图形控制流结构的数据流模式（DataFlowMode），这种方式确保了程序中的函数节点（FunctionNode）只有在获得它的全部数据后才能够被执行。

也就是说，在这种数据流程序的概念中，程序的执行是数据驱动的，它不受操作系统、计算机等因素的影响。

既然LabVIEW程序是数据流驱动的，数据流程序设计规定，一个目标只有当它的所有输入有效时才能够被执行；而目标的输出只有当它的功能完全时才是有效的。这样，LabVIEW中被连接的函数节点之间的数据流控制着程序的执行次序，而不像文本程序受到行顺序执行的约束。从而，我们可以通过相互连接函数节点快速简洁的开发应用程序，甚至还可以有多个数据通道同步运行，即所谓的多线程（Multithreading）。

LabVIEW的核心是VI。VI有一个人机对话的用户界面——前面板（FrontPanel）和相当于源代码功能的框图程序（Diagram）。前面板接受来自框图程序的指令。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的框图程序；而指示器（Indicators）则是模拟了仪器的输出装置并显示由框图程序获得或产生的数据。当把一个控件或指示器放置到前面板上时，LabVIEW便在框图程序中相应的产生了一个终端（Terminals），这个从属于控件或指示器的终端不能随意的被删除，只有删除它对应的控件或指示器时它才会随之一起被删除。

用LabVIEW编制框图程序时，不必受常规程序设计语法细节的限制。首先，从函数面板（FunctionPalette）中选择需要的函数节点（FunctionNode），将之置于框图上适当的位置；然后用连线（Wires）连接各函数节点在框图程序中的端口（Port），用来在函数节点之间传输数据。这些函数节点包括了简单的计算函数、高级的采集和分析VI以及用来存储和检索数据的文件输入输出函数和网络函数。

用LabVIEW编制出的图形化VI是分层次和模块化的。我们可以将之用于顶层（TopLevel）程序，也可用作其他程序或子程序的子程序。一个VI用在其它VI中，称之为subVI，subVI在调用它的程序中同样是以一个图标的形式出现的；为了区分各个subVI，它们的图标是可编辑的。LabVIEW依附并发展了模块化程序设计的概念。用户可以把一个应用任务分解成为一系列的子任务，每个子任务还可以分解成许多更低一级的子任务，直到把一个复杂的问题分解成为许多子任务的组合。首先设计subVI完成每个子任务，然后将之逐步组合成为能够解决最终问题的VI。

图形化的程序设计编程简单、直观、开发效率高。随着虚拟仪器技术的不断发展，图形化的编程语言必将成为测试和控制领域内最有前途的发展方向。

2.2LabVIEW的优势

我们以前在实验室做模电实验的时候面对的是各种各样的真实的仪器，但是这种传统的实物实验模式有一些固有的缺陷，例如：

（1）学生不熟悉线路连接，在连接仪器时极易出错。

（2）线路连接错误，易造成电子元器件及测试仪器的损坏。学生不熟悉仪器操作也是造成仪器容易损坏的原因。

（3）学生不能根据自己的学习进度安排实验时间，更不能像做家庭作业一样在课余时间进行练习。有限的教学时数与学生技能的提高矛盾突出。

（4）实验的元器件离散性大，环境变化引起的温漂、干扰等因素会造成实验数据的偏差。

（5）传统的电子技术实验是以实物为主的，设备易磨损老化，需要定期更新；教学实验室的设备配置与教学大纲的教学要求相对应，随着教学要求的提高及电子技术的飞速发展，实验设备的技术水平也不断提高，数量也要有所增加，这要消耗我们有限的教学经费。

而使用LABVIEW恰好能够弥补实验的不足。它的优点是：

（1）在计算机上即可完成和实现实验的线路连接，例如，显示检测点的电压电流波形及对电路进行直流分析、交流分析、瞬态分析、傅立叶分析等多种分析，及时获得实验结果。

（2）评估元器件参数变化（包括故障）对电路造成的影响。分析一些较难测量的电路特性，如进行噪声（Noise）、频谱（Fourier）、器件灵敏度（Sensitivity）、温度特性（Temperature）分析等。

（3）可以在短暂的实验时间里快速完成较复杂的线路连接、测试工作。

（4）可以很容易地实现对学生的量化评估。

2.3LabVIEW应用解决方案

LabVIEW自1986年正式推出，至今已发展到以最新版本LabVIEW7.0Express为核心，包括控制与仿真、高级数字信号处理、统计过程控制、模糊控制和PID控制等众多软件包，可运行于现今所有Windows系统、Linux,Macintosh,Sun和HP-UX等多种平台的工业标准软件开发环境〔，们。其已被广泛应用于包括航空航天、工业自动化、通信、汽车、半导体和生物医学等世界范围内的众多领域，其概括如下:

（1）.LabV工EW应用于测试与测量

LabVIEW已成为测试与测量领域的工业标准，通过GPIB,VXI,PLC、串行设备和插卡式数据采集板卡可以构成实际的数据采集系统。它提供了工业界最大的仪器驱动程序库，同时还支持通过Internet,ActiveX,DE、和SQL等交互式通信方式实现数据共享，它提供的众多开发工具使复杂的测试测量任务变得简单易行.

（2）.LabV工EW应用于过程控制和工业自动化

LabVIEW强大的硬件驱动、图形显示能力和便捷的快速程序设计为过程控制和工业自动化提供了优秀的解决方案.同时由于NI公司提供有全系列的基于PC的多功能板卡，其与LabVIEW在底层即实现了软、硬件的无逢连接，节约了系统的构建时间并增强了系统可靠性。

（3）.LabVIEW应用于实验室研究与自动化

LabVIEW为科学家和工程师提供了功能强大的高技数学分析库，包括统计、估计、回归分析、线性代数、信号生成算法、时域和频域分析等众多科学领域。在联合时域分析、小波和数字滤波器等高级或特殊分析场合，LabV工EW提供有专门的附加软件包。

3方案论证

3.1可行性研究

在虚拟仪器系统中，信号的获取与采集是由以计算机为核心的硬件平台来完成的。在此硬件平台基础上，调用测试软件来完成某种功能的测试任务，便可构成该种功能的虚拟测量仪器。在同一硬件平台上，调用不同的测试软件的可构成不同功能的虚拟仪器。因此，出现了‘软件就是仪器’的概念。如对采集的数据通过测试软件进行标定和数据点的显示就构成了一台数字示波器；如对采集的数据利用软件进行FFT变换，则构成了一台频谱分析仪……信号分析与处理要求取的特征值，如峰值，真有效值，均值，均方值，方差，标准差，以及频谱，相关函数，概率密度函数等，如用硬件电路来获取，其电路是复杂的，昂贵的，甚至是不易实现的，然而用软件编程来获取是很容易实现的。这是虚拟仪器比传统仪器具有的绝对优势所在。

LabVIEW提供了各种常用的包括信号时域分析，相关分析，曲线拟合，微分，积分等信号分析、处理所需的图标。这些图标各自对应一段软件子程序，可在流程图编辑窗口中的‘function’功能模板上的‘signalprocessing’子模板上方便的调出，供用户编辑流程图使用。

3.2系统的功能作用

3.2.1辅助课堂教学

传统的模电技术教学往往是理论教学和实验部分分开进行。教师在教室内用粉笔、黑板传授抽象的理论知识，在黑板上画电路图，给学生分析电路特性，分析电路随着某一元件的变化而变化的情况。教师讲得辛苦，却得不到理想的效果；学生听课吃力，往往不得要领，很难对有关理论留下深刻的印象。进行实验，其主要目的就是为了检验课堂上传授的理论知识，加深对理论的理解和记忆。但是我们很难将一个实验搬到课堂中来，倘若有虚拟实验室，便可以很方便地利用其在课堂上进行演示，让抽象的理论及时得到检验，给予学生感官上的认识，达到从感性认识到理性认识的有机过渡。

3.2.2仿真

辅助实验教学的开展，为学习者提供一个检验模电技术理论和知识的环境。充分利用计算机快速准确将繁琐的计算公式通过编制程序计算出结果，画出精确仿真图线，帮助学生理解和分析复杂的电路。学生可以独立使用自己计算机中构建的虚拟实验室，主动设疑、实验，不断地得到实验结果；并且可以修改参数，在不必担心损坏仪器的情况下，迅速进行实验仿真，检验自己对所学知识的掌握情况，这对提高学生的学习积极性，提高教学水平是有益处的。

3.2.3便于学生发挥创造性思维

教育的目的在于提高学生的分析能力、判断能力及创新能力，提高学生的综合素质。我们知道用实物设计制作复杂一点的电路，在连线上是十分复杂的，光连线就要花费不少功夫；接好电路后，为了使电路处于满意的工作状态，不断的调整参数也是十分费时费工的。学生要运用自己学到的知识设计制作一个模电电路是一件很困难的事。现在，虚拟实验室给学生创造一个优良环境，学生可以充分发挥他们的智慧，展现他们的才华。

3.2.4完善电子线路的远程教学

实验虚拟化，把实验室搬到了网络，更加完善了模电技术这门课的远程教学

4LabVIEW模块

4.1函数簇bundle

4.2波形图

4.3正弦波形发生器简介

1sinewave.vi图标调用路径

sinewave.vi图标的调用路径是functions>>analyze>>signalprocessing>>signalgeneration>>sinewave.vi

2sinewave.vi图标与输入，输出端口参数

图1sinewave.vi图标

图2sinewave.vi图标与端口图

函数图标左侧一列为输入端口，即该函数调用钱的参数设置端口。

Samples：生成波形的总点数N

Amplitude：生成波形的幅值。

F：生成信号的数字频率。

Phasein：生成波形的初始相位。

Resetphase：默认生成值为true。当为ture时，函数以Phasein的值作为初始相位，如果该值为false，则函数以上一次调用后的Phaseout输出值为此次波形的初始相位，显然，此时产生的信号波形是连续光滑的。

函数图标的右侧一列为输出端口，其各自的含义如下。

Sinewave：数组名，该数组内存放所生成的波形数据。

Phaseout：当Resetphase为ture时，该参数无效。当Resetphase为false时，该参数作为下一次生成正弦波的初始相位。

Error：错误代码。若有错误，则输出错误代码。根据错误代码，查找LabVIEW帮助文件，可以找到与错误代码对应的错误含义

4.4巴特沃斯低通滤波器

（1）幅频特性的一般表达式

巴特沃斯低通滤波器是一种用所谓最平通带特性去逼近理想低通特性的滤波器。其幅频特性为|H(ω)|=1/[1+(ω/ωc)2n]式中，n=1,2,3…为滤波器的阶次。

（2）一阶巴特沃斯低通滤波器

传递函数为：

H(s)=Kb0/(b1s+b0)=K/(τs+1)

式中。τ=b1/b0,s=σ+jω.若令σ=0得到频率特性如下：

H(jω)=H(ω)=k/(τjω+1)

幅频特征：

A(ω)=|H(jω)|=k/[1+(ω/ωc)2]

式中ω=1/τ为转折频率，与式相比它就是n=1时的式

相频特性为：

θ(jω)=θ(ω)=-arctgωτ=-arctg(ω/ωc)

（3）butterwoethfilter.vi图标的调用

butterwoethfilter.vi图标的调用路径

执行functions>>analyze>>signalprocessing>>filter>>butterwoethfilter.vi操作。

其图标为

butterwoethfilter.vi图标

butterwoethfilter.vi图标的参数设置

butterwoethfilter.vi图标及其窗口

图中左侧为输入端口参数，右侧为输出端口参数。

输入端口参数如下：

X欲处理数据

Sanplingfeq;fs：采样频率，通常就是输入数据X的采样频率，默认为1.0，此值必须大于0。

Highcutofffreq：fh：滤波器的低截止频率，对低通和高通滤波器，这个参数被忽略。

Lowcutoddfreq：fl：滤波器的低截止频率，此频率必须满足采样定律，fl的取值范围为：

0〈f1〈fs/2,其中，fs为采样频率。默认值为0.125。

order：滤波器的阶次，其值必须是大于0的整数。

Filtertype滤波器的类型，0表示lowpass（低通）1表示highpass（高通）2表示bandpass（带通），3表示bandstop（带阻）。

输出端口如下：

filteredX：滤波后的数据。

Error：错误代码值，返回值模块执行中的错误代码。

5程序设计

5.1虚拟正弦波仿真信号发生器

(1)功能描述

该正弦波仿真信号发生器可产生正弦信号指标如下

频率范围0.1Hz~~10kHz可选

初始相位0~~180可选

幅值0.1V~~5.0V可选

生成波的总点数N=8~~512可选

(2)设计步骤

前面板设计

（a）五个输入型数字控件

五个输入型数字控件供使用者键入生成正弦波的频率fx，初始相位，幅值，总采样点数N和采样频率fs操作controls>>numeric>>numericcontrol五次，得到五个输入型数字控件，分别标记为‘信号频率’‘采样频率’‘采样点数’‘信号幅值’和‘初始相位’

(b)一个输入显示图型控件

输出显示型图形控件用来显示所产生的正弦波波形

执行controls>>graph>>wavegraph操作，调入图形控件graph。其横轴为时间轴。应考虑到生成的信号频率跨度大，在0.1Hz~~10kHz范围内，其周期跨度也大，在10s~~0.1ms范围内，纵轴为电压轴，生成信号幅值的范围应充满整个显示画面，故选用‘graph’显示器。

注意，控件参数设置应考虑到采样频率fs，数字频率f，一个周期采样点数n与总点数N=samples的关系：fs=nfx，故fs的最大值应是被测信号频率fx最大值的n倍，且N>=n

(c)两个开关控件

执行controls>>button>>verticalswitch操作，调入开关按钮控件，标记为‘复位相位’

执行controls>>button>>textbutton操作，调入开关按钮控件，标记为‘OFF’

如上设计的前面板如图所示

流程图设计

在流程图中执行functions>>structures>>whileloop操作，调入while循环结构

执行functions>>numeric四次，可以分别放置一个除法器，一个倒数器，及两个常数在流程图中执行functions>>analyze>>signalprocessing>>signalgeneration>>sinewave.vi操作，可调入sinewave.vi图标

在流程图中执行functions>>cluster>>bundle操作，调入bundle图标

在流程图中执行functions>>time&dialog>>wait操作，调入时钟图标

在流程图中执行functions>>Boolean>>not操作，调入not图标

连线形成的虚拟正弦波发生器的流程图如图所示

图虚拟正弦波发生器前面板

注所需的数字频率由除法器的输出提供，该除法器完成信号频率与采样频率之比的运算，同时将采样频率取倒数转换为采样间隔，给出正弦波形的采样间隔，便于显示。

运行检验

设置正弦信号f=0.2Hz，初相位=0，幅值=1.0V，采样频率=10Hz复位相位选为TRUE，采样点数为100，生成的正弦波如图所示

图虚拟正弦波发生器流程图

5.2设计举例虚拟调制解调器

（1）功能要求

用该调幅波解调器可观察调幅波，以及经过巴特沃斯滤波器后的解调信号波形。

（2）调制解调原理

（a）调幅波的数字表达式及其特性

u(t)=Emz(t)sinω0t

式中。Em——常量w——高频载波角频率。z(t)——低频缓变信号，其上限角频率为Ω

上式就是调幅波的一般数字表达式，它反映了低频缓变信号z(t)对一高频ω振荡信号sinω0t的控制。通常一般将控制高频信号的缓变信号称为调制信号，载送缓变信号的高频ω0振荡信号sinω0t称为载波。利用信号z(t)来控制或改变高频振荡的幅值称为调制过程。

(b)调幅波的解调

调幅波u(t)的幅值反映调制信号数值的变化，在调制器之后加解调器，可将被测的调制信号z(t)与调幅波u(t)分离，并最后提取出来。解调器由乘法器和低通滤波器组成，其原理框图如图所示

图解调器原理框图

解调器中的乘法器有两个输入信号，一个是待解调的调幅波u(t)

u(t)=Ez(t)*sinω0t

式中。E——比例常数乘法器的另一个输入信号u(t)称为参考信号，它应是与载波频率ω0相同频率的高频信号，考虑到实际情况中，载波信号sinω0t会有一个相位差θ，则u(t)为：

u(t)=Ur*sin(ω0t+θ)

于是，乘法器的输出y(t)为

y(t)=u(t)*sin(ω0t+θ)=Ez(t)*sinω0t*U*sin(ω0t+θ)

令A=EUr,并根据三角函数关系，上式可写为

y(t)=Az(t)sinω0t*sin(ω0t+θ)

=0.5Az(t)[cosθ-cos(2ω0t+θ)]

=0.5Az(t)cosθ-0.5Az(t)cos(2ω0t+θ)

当乘法器后接的低通滤波器的截止频率远远小于频率2ω0，并大于信号z(t)的最高频率Ω时，上式中的频率分量cos(2ω0t+θ)项将被低通滤波器大大衰减，而只有差频信号项0.5Az(t)cosθ输出，于是解调器的输出为f(t)为：

f(t)=0.5Az(t)cosθ=kz(t)

式中，k=0.5Acosθ为比例常量，可由实际标定得到

设计步骤

前面板设计

在上例虚拟正弦信号发生器发的基础上再增加一个正弦波发生器，为两个正弦波发生器一个做载波，一个做调制信号。

前面板设计同上例。需添加参数输入型数字控件，用以设置低通滤波器的低截止频率。增加三个输出显示型控件，分别用以显示载波，调制波，解调波的波形，设计完毕的前面板如图所示

图虚拟调幅波解调器前面板

流程图设计

在设计举例虚拟正弦信号发生器的流程图基础上再增加一个正弦波发生器图标，另外执行functions>>analyze>>signalprocessing>>filter>>butterwoethfilter.vi操作，调入巴特沃斯滤波器图标

设计完毕的流程图如图所示

运行检验

设置低频调制信号的频率为1Hz,幅值为1V,初始相位0,设置载波高频信号的频率为10Hz,幅值为1V,初始相位为0,设置巴特沃斯滤波器的低截止频率为2Hz,设置对调制和载波信号的采样频率均为50Hz,采样点数均为200点。运行结果如图所示

图虚拟调幅波解调器前面板

6结论：

事实证明将虚拟仪器技术引入到教学实验中是行之有效的解决方案。应用虚拟仪器技术，使我们能够在计算机上按照自己的需求来设计实验与仪器，方便灵活而且开发周期短。它可以提高实验效率、降低实验成本、增强学生学习的积极性，取得较好的教学效果，其具有传统实验所无可比拟的优势。本文设计的调制解调器正是实现了模电实验的仿真。

参考文献

[1][美]RobertHBishop，LabVIEW7实用教程，电子工业出版社，2005

[2]王海宝LabVIEW虚拟仪器程序设计与应用西南交通大学出版社，2005

[3杨乐平,李海涛,杨磊，LabVIEW程序设计与应用，电子工业出版社，2005]

[4]侯国屏,王珅,叶齐鑫，LabVIEW7.1编程与虚拟仪器设计，清华大学出版社，2005

[5]张凯,周陬,郭栋，LabVIEW虚拟仪器工程设计与开发，国防工业出版社，2004

虚拟仪器技术论文范文第5篇

论文关键词：检测仪器,智能,模块,网络

一、前言

近年来，电子技术、计算机技术、通信技术和自动化技术的高速发展，对检测仪器检测速度、准确度以及检测功能等整个性能方面提出了更高要求。而这些技术的发展也推动了电子测量技术的快速发展。同时也给测量仪器提供了巨大的市场，大量的新型产品都需要通过仪器的测量才能投放市场，所以这就对仪器的功能及测量能力有一个新的要求，以帮助工程技术人员在生产中适应众多的工业标准和有效的处理各种问题。除以上技术外，现代监测和传感技术，显示技术、数字信号处理技术和系统理论研究，也为检测过程的数字化、智能化创造了条件。总体来看，检测仪器的发展到目前已经经历了三个阶段：第一代是模拟仪器；第二代是数字式仪器，它是以数字电路进行信息的数字化处理，然后数字显示，这种仪器比模拟仪器的测量精度要高，响应速度快；第三代仪器是智能化仪器，它内部含有单片机，无论数字采集和处理都是由单片机控制。

二、智能仪器

在智能仪器中，它们结构与计算所相同而能完成仪器的有关功能，是因为智能仪器中利用单片机的算术逻辑处理能力和以软件取代过去的电子线路和硬件功能，软件的灵活性使得智能仪器可以用各种软件和处理方法进行信息的采集、处理和存储，而无需专用的电子线路，从而大大简化了智能仪器的控制结构。对于智能仪器而言，其硬件是数据采集技术及输入输出技术，包括单片机、接口和输入输出设备；而软件实现数据处理包括采样、滤波、处理，把输入信息进行加工后产生所需的输出信号送到输出电路去显示或传送。

为了提高仪器的精确度，在智能仪器中有的还设置了自动校正、自选量程等功能。例如青岛艾诺智能仪器有限公司生产的9601型耐电压测试仪的输出电压，就采用分段软件补偿，消除变压器、电感等器件的不一致性带来的细小偏差，使0~5KV全量程电压相对误差精度保持在3%以内。部分仪器为了扩展自身功能，在智能仪器中设置了多种物理测量功能，如：量制变换功能、间接结果计算功能、自动控制功能、打印功能、停电保存功能、自诊断和自测试等一些传统仪器无法实现的功能，所以智能仪器不再是一种功能单一的仪器，而是一台多功能仪器。

智能仪器和传统仪器无论在结构上或技术上都有很大区别，现代化的绝大多数测量仪器都基于微处理器化的智能式设计原理，所以智能仪器具有以下特点：

1、检测与操作的自动化

2、信息传输与交换

3、小型化和多功能化

4、提高了检测结果的可靠性

5、缩短了仪器的设计和研制周期

三、检测仪器的模块化

在测试系统中除了至今仍广泛采用GPIB系统外，近年来出现VXI总线及检测系统，它是以计算机为中心，配接一些功能模块而构成的模块化测试系统。VXI系统具有使用灵敏方便、开放性强、标准化程度高、扩展性好、数据传输速度快、体积小、模块重复使用等优点，便于充分发挥计算机能力。同时VXI总线系统结构还允许不同厂家生产的各种仪器、接口插板或计算所以模块共存于同一VXI总线主机箱中，所以VXI总线系统具有非常好的开放性和灵活性。

另外，还由于模块化测试系统具有通用的硬件平台，如果配以不同的测试模块，就可以将不同的测试功能有效地组合在一起，缩短了系统的组建时间。模块化测试系统还有利于测试系统本身的扩展，如果需要，就可以方便地加入一个测试模块或更换一个测试模块，而不用重新购买一个完全新的系统，具有极强的灵活性。

四、检测仪器的网络化

现代的信息工业是以测量为主的信息采集，以通信为主的信息传输和以计算机技术为主的信息分析处理为其主要的基本环节。测量与通信及计算机技术的结合，形成了相互配合，共同提高的态势。就测量和仪器而言，虽然微处理器的应用已改变了它们的面貌，但传统测量至今大多仍使用孤立或局部控制的仪器或测试系统，来取得单一的测试数据。面三种技术的结合，能使测量成为信息采集、传输和处理闭合环路中不可分割的组成部分。随着计算机网络技术、现代通信技术、数据库技术的高速发展，测试系统与计算机网和通信网的结合正在为一种趋势。

另外，在现代化工业生产中为了保证产品的100%合格率，就必须在整个生产过程中实时跟踪每一个环节，并及时反馈测试信息，岗位操作人员根据所获得的信息资料随时进行处理，可以说由单件仪器向网络测试系统的转变是一种必然的发展趋势。

五、虚拟仪器

随着现代计算机技术的高速发展，计算机硬件价格的不断下降，通用硬件平台和虚拟仪器也正在成为一种新的趋势，通用硬件平台主要包括用于数据采集、信号分析处理和信号输出显示等带有共性的硬件，例如微型计算机、A/D和D/A变换器、显示器等，有了这些通用硬件平台，根据不同仪器的具体技术要求，开发出相应的软件，就可以产生不同的测试功能的输出多种测试信号。虚拟仪器充分利用了微型计算机强大的软硬件技术，可以设计出风格不同的人机操作界面，并且易于随着计算机软、硬件的升级而升级。虚拟仪器允许用户在通用硬件平台上根据自己的需要构造仪器，充分发挥计算机或数字信号处理器的作用，对仪器功能进行变换组合，因而比实物仪器更具有灵活性。