虛擬儀器在信號處理和教學(xué)實驗中的應(yīng)用摘要本文介紹了LabVIEw圖形化軟件設(shè)計的虛擬儀器在信號處理和電機性能測試中的應(yīng)用。該儀器具有采集、數(shù)據(jù)處理分析、結(jié)果顯示、網(wǎng)絡(luò)化等功能，用于測試時，能馬上給出測量系統(tǒng)特性曲線，還可將輸出波形數(shù)據(jù)加以保存以便查閱或打印。同時在實驗過程中省去了繁雜的記錄數(shù)據(jù)、輸人數(shù)據(jù)等中間過程，儀器網(wǎng)絡(luò)化的實現(xiàn)，不僅解決了高校儀器投資成本高的問題，而且提高了我們的積極性和實驗的靈活性，充分體現(xiàn)了該虛擬儀器的優(yōu)越性。針對測試技術(shù)課程實驗教學(xué)設(shè)備不足、概念抽象、計算繁雜等困難，基于目前興起的虛擬儀器技術(shù)，設(shè)計了信號處理計算機模擬實驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)應(yīng)用于實驗教學(xué)，效果顯著。關(guān)鍵詞：虛擬儀器；數(shù)據(jù)處理；網(wǎng)絡(luò)化；LabVIEWPCI一6013目錄0引言.11虛擬儀器的概念.211虛擬儀器的4大優(yōu)勢.212什么是LabVIEW.313虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域.414小結(jié).42虛擬儀器用于信號處理.53虛擬儀器用于電機測試.731頻率、功率因數(shù)及輸入功率的計算.7311頻率的計算.7312有功功率的計算.7313轉(zhuǎn)差率計算.832虛擬儀器面板設(shè)計.84測試儀器的網(wǎng)絡(luò)化.115在實驗教學(xué)中的應(yīng)用.136結(jié)論.14參考文獻(xiàn).15致謝.16虛擬儀器在信號處理和教學(xué)中的應(yīng)用10引言測試技術(shù)、計算機技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，使得測控儀器的性能更趨于向智能化、多功能化、多樣化、靈活性強的方向發(fā)展，然而成本也是設(shè)計、購買儀器所必須考慮的一個問題，因此在充分保證儀器性能的前提下應(yīng)將成本降到最低。虛擬儀器技術(shù)的出現(xiàn)為解決這一問題提供了有利條件，虛擬儀器是具有虛擬儀器面板的個人計算機測試儀器，可由通用PC機，模塊化功能硬件和控制軟件組成，具有良好的直觀性、較強的代碼復(fù)用性，修改或增加功能靈活，易于實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化。操作人員通過顯示屏上的虛擬儀器面板，完成對各種被測信號的采集與控制、分析與處理、顯示與輸出。目前，高校學(xué)生人數(shù)大大增多，以往的實驗儀器已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需求，而要增強學(xué)生的動手與實踐能力，必須為學(xué)生提供良好的實驗條件，但大量的設(shè)備投資成本又是面臨的一大問題，而將虛擬儀器技術(shù)用于實驗可增強學(xué)生的積極性、趣味性、實驗的靈活性，同時大大降低成本，如今虛擬儀器技術(shù)用于數(shù)據(jù)采集和實驗中已經(jīng)成為一大趨勢。NI公司的LabVIEw及其技術(shù)在中國的推廣為創(chuàng)建虛擬儀器提供了強有力的支持，它是一種圖形化軟件編程平臺，把復(fù)雜、煩瑣、費時的語言編程簡化成用菜單或圖標(biāo)提示的方法選擇功能，并用線條把各種功能圖標(biāo)連接起來的簡單編程方式。LabVIEw中集成了大量生成圖形界面的模塊，以及多種硬件設(shè)備驅(qū)動功能(包括RS232，GPIB，VXI，數(shù)據(jù)采集板卡、網(wǎng)絡(luò)等)，提供了功能強大的數(shù)學(xué)分析庫，包括統(tǒng)計估計、回歸分析、線性代數(shù)、信號生成算法口等，可滿足信號處理和電機試驗中各種數(shù)值計算和分析的需要，使復(fù)雜的測試與測量任務(wù)變得簡單易行。虛擬儀器在信號處理和教學(xué)中的應(yīng)用21虛擬儀器的概念所謂虛擬儀器，就是在以計算機為核心的硬件平臺上，配合相應(yīng)的輸入輸出接口，具有計算機顯示器的虛擬面板，信號處理功能則由軟件來實現(xiàn)的一種計算機儀器系統(tǒng)其突出特點是打破了傳統(tǒng)儀器的封閉性，把儀器的絕大部分硬件變成計算機上的文件；用戶可以自行定義、自行設(shè)計、自行組建自己需要的儀器，并可將組建的多種儀器存放在計算機的儀器庫中，配以數(shù)據(jù)通信卡和傳感器，構(gòu)成功能、性能、外觀和操作方式都和傳統(tǒng)儀器相同或超過傳統(tǒng)儀器功能的新概念儀器系統(tǒng)。虛擬儀器的實質(zhì)就是利用計算機強大的軟件功能實現(xiàn)信號調(diào)理及數(shù)據(jù)的運算、分析和處理，利用相應(yīng)接口設(shè)備完成信號的采集、輸入輸出，從而完成各種儀器功能。決定虛擬儀器超越傳統(tǒng)儀器的根本原因，在于“虛擬儀器的關(guān)鍵是軟件”。虛擬儀器的出現(xiàn)是儀器發(fā)展史上的一場革命，表著儀器發(fā)展的最新方向和潮流，是信息技術(shù)的一個重要領(lǐng)域，對科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)將產(chǎn)生不可估量的影響目前最具代表性的虛擬儀器系統(tǒng)是美國NI公司(NationalInstrumets)的圖形化開發(fā)平臺LabVIEW(LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench)。11虛擬儀器的4大優(yōu)勢一、性能高虛擬儀器是在PC技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，所以完全“繼承”了以現(xiàn)成即用的PC技術(shù)為主導(dǎo)的最新商業(yè)技術(shù)的優(yōu)點，包括功能超卓的處理器和文件I/O，使您在數(shù)據(jù)導(dǎo)入磁盤的同時就能實時地進(jìn)行復(fù)雜的分析。隨著數(shù)據(jù)傳輸?shù)接豺?qū)功能的不斷加強，以及與PC總線的結(jié)合，高速數(shù)據(jù)記錄已經(jīng)較少依賴大容量的本地內(nèi)存。以一臺60G的示波器為例，在采用虛擬儀器技術(shù)的情況下，構(gòu)建這樣一臺示波器是相當(dāng)簡單的，只要將一臺基于PC的數(shù)字轉(zhuǎn)換器放置在PC機中，就能以高達(dá)每秒100MB的速度將數(shù)據(jù)導(dǎo)入磁盤。虛擬儀器技術(shù)的另一突出優(yōu)勢就是不斷提高的網(wǎng)絡(luò)帶寬。因特網(wǎng)和越來越快的計算機網(wǎng)絡(luò)時的數(shù)據(jù)分享進(jìn)入了一個全新的階段，將因特網(wǎng)和NI的軟硬件產(chǎn)品相結(jié)合，您就能夠輕松地與地球另一端的同事共享測量結(jié)果，分享“天虛擬儀器在信號處理和教學(xué)中的應(yīng)用3涯若比鄰”的便捷。二、擴展性強NI的軟硬件工具使得工程師和科學(xué)家們不再圈囿于當(dāng)前的技術(shù)中。得益于NI軟件的靈活性，只需更新您的計算機或測量硬件，就能以最少的硬件投資和極少的、甚至無需軟件上的升級即可改進(jìn)您的整個系統(tǒng)。在利用最新科技的時候，您可以把它們集成到現(xiàn)有的測量設(shè)備，最終以較少的成本加速產(chǎn)品上市的時間。三、開發(fā)時間少在驅(qū)動和應(yīng)用兩個層面上，NI高效的軟件構(gòu)架能與計算機、儀器儀表和通訊方面的最新技術(shù)結(jié)合在一起。NI設(shè)計這一軟件構(gòu)架的初衷就是為了方便用戶的操作，同時還提供了靈活性和強大的功能，使您輕松地配置、創(chuàng)建、部署、維護和修改高性能、低成本的測量和控制解決方案。四、完美的集成虛擬儀器技術(shù)從本質(zhì)上說是一個集成的軟硬件概念。隨著產(chǎn)品在功能上不斷地趨于復(fù)雜，工程師們通常需要集成多個測量設(shè)備來滿足完整的測試需求，但是這些不同設(shè)備間的連接和集成總是耗費大量時間，不是輕易可以完成的。NI的虛擬儀器軟件平臺為所有的I/O設(shè)備提供了標(biāo)準(zhǔn)的接口，例如數(shù)據(jù)采集、視覺、運動河分布式I/O等等，幫助用戶輕松地將多個測量設(shè)備集成到單個系統(tǒng)，減少了任務(wù)的復(fù)雜性。為了獲得最高的性能、簡單的開發(fā)過程和系統(tǒng)層面上的協(xié)調(diào)，這些不同的設(shè)備必須保持其獨立性，同時還要緊密地集成在一起。NI的結(jié)構(gòu)可以使開發(fā)者們快速創(chuàng)建測試系統(tǒng)，并隨著要求的改變輕松地完成對系統(tǒng)的修改。得益于這一集成式的構(gòu)架帶來的好處，您的系統(tǒng)可以更具競爭性，因為您可以更高效地設(shè)計和測試高質(zhì)量的產(chǎn)品，并將它們更快速地投入市場。12什么是LabVIEWLabVIEW是美國NationalInstrumentCorporation公司研制的圖形編程虛擬儀器系統(tǒng)。主要包括數(shù)據(jù)采集、控制、數(shù)據(jù)分、數(shù)據(jù)表示等功能，它提供一種新穎的編程方法，即以圖形方式組裝軟件模塊，生成專用儀器。LabVIEW由面板、流程方框圖、圖標(biāo)/連接器組成，其中面板是用戶界面，流程方框圖是虛擬儀器源代碼，圖標(biāo)/連接器是調(diào)用接口(CallingInterface)。流程方框圖包括輸入/虛擬儀器在信號處理和教學(xué)中的應(yīng)用4輸出（I/O）部件、計算部件和子VI部件，它們用圖標(biāo)和數(shù)據(jù)流的連線表示；I/O部件直接與數(shù)據(jù)采集板、GPIB板、或其他外部物理儀器通信；計算部件完成數(shù)學(xué)或其他運算與操作；子VI部件調(diào)用其他虛擬儀器13虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域虛擬儀器不但可以完成幾乎所有傳統(tǒng)儀器的功能，而且其功能比傳統(tǒng)儀器更為先進(jìn)。如網(wǎng)絡(luò)化儀器、一機多用、實時更換更新，在信號調(diào)理、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)顯示等多個方面，都具有傳統(tǒng)儀器無法相比的優(yōu)越性。虛擬儀器有廣泛的應(yīng)用范圍，其中最典型的是信號測試及信號處理領(lǐng)域。探討虛擬儀器應(yīng)用于教學(xué)的方式，可彌補有關(guān)教學(xué)、實驗環(huán)節(jié)的相關(guān)不足，使虛擬儀器的強大功能在在教學(xué)領(lǐng)域進(jìn)一步獲得應(yīng)用14小結(jié)虛擬儀器是當(dāng)前國內(nèi)外剛剛起步的研究領(lǐng)域，許多高技術(shù)公司和研究所都看好這一市場應(yīng)用前景，紛紛投入大量的人力、物力和財力，加緊開發(fā)與研究。虛擬儀器是多媒體計算機的一個重要應(yīng)用領(lǐng)域，是多學(xué)科交叉、滲透的產(chǎn)物，其中濃縮了許多高、精、尖的科學(xué)技術(shù)。虛擬儀器不是儀器卻高于儀器，它大大縮短了新型儀器的開發(fā)周期，節(jié)省了儀器開發(fā)的費用，它不僅是開發(fā)儀器的工具，而且也是進(jìn)行科學(xué)研究的有力手段。虛擬儀器是儀器計算機化的產(chǎn)物，是集成化儀器的基礎(chǔ)，是儀器行業(yè)的一場革命，它的研制與開發(fā)具有深遠(yuǎn)虛擬儀器在信號處理和教學(xué)中的應(yīng)用52虛擬儀器用于信號處理信號處理是測試的一個重要環(huán)節(jié)，只有通過這個環(huán)節(jié)才能獲取反映被測對象狀態(tài)和特征的明確信息，這也是能充分體現(xiàn)虛擬儀器在測試中巨大優(yōu)勢的一個環(huán)節(jié)嘲，其系統(tǒng)圖如圖1所示。圖1信號處理系統(tǒng)圖信號發(fā)生器可為以后的各個實驗提供一個信號源,LabvIEw中的SerialGenerationvi模板中有一組vI可產(chǎn)生各種常見波形信號，可方便快捷地構(gòu)造一臺多通道信號發(fā)生器，但使用時，設(shè)置的輸人數(shù)字頻率，應(yīng)滿足f=fa/updaterate其中fa是輸入信號的模擬頻率。頻率響應(yīng)函數(shù)是描述測試系統(tǒng)動態(tài)特性的重要參數(shù)，它是系統(tǒng)輸出與輸入的傅立葉變換之比，用LabvI的TransferFunctionvi可以計算頻率響應(yīng)函數(shù)。它返回兩個參數(shù)，一個是頻率響應(yīng)函數(shù)的模(frequencyresponseMag)，即被測系統(tǒng)的幅頻特性；另一個是頻率響應(yīng)函數(shù)的幅角(frequencyresponsephase)，即被測系統(tǒng)的相頻特性。LabvIEIW開發(fā)環(huán)境內(nèi)有大量的數(shù)字濾波vI，在實驗中常選比較有典型意義的巴特沃斯(Butterworth)和切比雪夫(Chebyshev)濾波器。根據(jù)選頻要求分別將它們設(shè)置為低通、高通、帶通和帶阻型濾