内容发布更新时间 : 2024/5/13 21:02:48星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

开题报告

基于LabVIEW的信号发生器的设计

1选题的背景、意义

随着测试技术及大规模集成电路技术的发展，传统的电子测试仪器已从模拟技术向数字技术发展；从单台仪器向多种功能仪器的组合及系统型发展；从完全由硬件实现仪器功能向软硬结合方向发展；从功能组合向以个人计算机为核心构成通用测试平台、功能模块及软件包形式的自动测试系统发展。同时，随着计算机技术的不断提高，现代自动测试系统正向仪器的自动化、智能化、小型化和综合化方向发展[1]。

虚拟仪器的出现给现代测试技术带来了一场革命，虚拟仪器技术是测试技术和计算机技术相结合的产物，是两门学科的最新技术的结晶，融合了测试理论、仪器原理和技术、计算机接口技术、高速总线技能化、多样化、模块化和网络化，体现出多功能、低成本、应用灵活、操作方便等优点，在很多领域大有取代传统仪器的趋势，成为当代仪器发展的一个重要方向，并受到各国企业界的高度重视

[2]

。

所谓虚拟仪器Virtual Instruments，就是在以通用计算机为核心的硬件平

台上，利用虚拟仪器软件开发平台在计算机的屏幕上虚拟出仪器 的面板以及相应的功能，人们通过鼠标或键盘操作虚拟仪器面板上的旋钮、开关和按键，去选用仪器功能，设置各种工作参数，启动或停止一台仪器的工作。在计算机软件控制下对输入的信号进行采集、分析、处理，测量结果和仪器工作状态都可从虚拟仪器面板上读出。用户在屏幕上通过虚拟仪器面板对仪器的操作如同在真实仪器上的操作一样直观、方便、灵活[3]。

虚拟仪器完成各种测试功能时，通过使用计算机显示器的显示功能来模仿传统仪器的控制面板，输出各种形式的测试结果，通过使用计算机强大的软件功能管理账户，分析和运算信号数据，并通过输入/输出口完成对数据的采集、测量和调整。其核心思想是利用计算机强大的资源使原有的硬件技术需求程序化，以最大限度降低系统的成本，并且加强系统的功能和灵活性。其实质是利用计算机强大的数据处理能力，加上专门设计的硬件仪器，以建立拥有友好界面和丰富功能的新设备。仅需要通过软件界面进行简单的计算机操作，操作人员便可轻松完成对测试对象数据的采集和分析、判断[4、5]。

虚拟仪器软件编程环境给用户提供了一个充分发挥自己才能和想象力的空间，可根据用户自己的设想及要求，通过编程来设计、组建自己的仪器系统。虚

拟仪器由用户自行设计、自行定义，彻底打破了传统仪器只能由生产厂家定义、用户无法改变的模式[6]。

LabVIEW是美国国家仪器公司（NI）的创新产品，是目前国际上进行虚拟仪器开发的一个最佳平台，是新一代测试系统的核心。LabVIEW使用一种功能齐全的图形化编程语言，LabVIEW 以其获得专利的数据流编程模式为我们摆脱了基于文本编程语言的顺序架构的桎梏。LabVIEW与其他计算机语言的显著区别是：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，LabVIEW使用的是图形化编程语言编写程序，产生的程序是框图的形式。与文本的顺序行所不同，节点间的数据流确定了LabVIEW的执行次序。用户可以轻松地创建可并行执行多种操作的程序框图。此外，LabVIEW 并行执行的本质令多任务和多线程的执行得以简化。使用 LabVIEW 的调试工具，用户可监控数据在程序中的移动并精确掌握数据通过线缆在函数间移动的情况。这种方式与基于文本的语言不同， 基于文本的语言要求用户监控每个函数用以跟踪程序的执行状况，而LabVIEW拥有所有的通用编程环境，如数据结构、循环结构和事件处理。LabVIEW有一个内置编译器，可在编辑时间编译所有代码。选择 LabVIEW开发测试和测量应用的一大决定性因素是其开发速度。通常，使用 LabVIEW开发应用系统的速度比使用其它编程语言快 4到 10 倍。其原因在于，图形化编程语言为用户提供了丰富的扩展函数库，这些扩展函数库主要面向数据采集、GPIB和数据分析、显示、存储，为用户节省了宝贵的开发时间。同时LabVIEW 还支持非常强大的网络处理功能，方便进行远程仪器开发。这样就可以通过网络来远程完成仪器开发和数据采集。LabVIEW还提供与其他编程语言的接口来完成更复杂的数值分析任务[7、8]。

在硬件平台确立之后，是由软件而不是硬件来决定仪器的功能，虚拟仪器可通过改变软件的方法来适应不同的需求，它的功能灵活、开放，容易与其他外设、网络相连，构成更大的系统，技术更新周期短，可随着计算机技术的发展和用户的需求进行仪器与系统的升级，在性能维护和灵活组态等多个方面都有着传统仪器无法比拟的优点，且投入少，收效大[9]。

信号发生器主要用来产生幅度不同，频率各异的各种激励信号，是电工电子实验室、自动控制系统和科学研究领域经常用的一种测量仪器。普通台式信号发生器价格昂贵，而且仪器功能固定单一，不具备用户对仪器进行定义及编程的功能。所以采用虚拟仪器技术设计函数信号发生器，可以降低成本，缩短开发周期，并且能够和其它虚拟仪器构成一个完整的实验系统，也可以增加一些数字信号处理功能，极大地方便用户。所以，虚拟函数信号发生器的设计在电子测量领域中将会发挥极大的作用[10、11]。

2相关研究的最新成果及动态

国外虚拟仪器技术自上世纪80年代由美国NI 公司提出以来，一直成为发达国家自动测控领域的研究热点和应用前沿，是现代仪器仪表发展的重要方向。近年来，世界各国的许多大型自动测控和仪器公司均相继研制了为数不少的虚拟仪器开发平台，但最早和最具影响力的还是NI公司的图形化开发平台LabVIEW。虚拟仪器在国外已发展成为一种新的产业。美国是虚拟仪器的诞生地，目前也是全球最大的虚拟仪器制造国[12]。

阿尔卡特美国公司是全球领先的世界上电信设备制造商领导者之一。位于加州佩塔卢马的接入部，开发Litespan接入平台一种光纤数字环路载波（DLC）。DLC能够将电话公司中心机房普通铜线上的电话业务传递到更远的地方。通过LabVIEW，在相对短的时间内开发了一个全面测试方案。同时测试对每个信道单元的16个ANSI要求的环路和4条ISDN线路的一个信道单元进行测试时，每项测试所花费的时间为12分钟。由于一些信道单元需要测试某个温度范围内的状况，因而整个测试需要几天的时间。阿尔卡特公司Litespan硬件质量部的一位工程师，在程序中增加了一项功能，使得测试可以全天进行，甚至在周末也行。这项功能极大地扩展丰富了测试平台，提高了测试效率[13]。

国内虚拟仪器最早的研究也是从引进消化NI的产品开始。国家自然科学基金委员会也曾将虚拟仪器研究作为现代机械工程科学前沿学科之一,列入过为 “十五”期间优先资助领域。目前有些研究已取得可喜成绩，如由重庆大学测试中心秦树人教授承担的国家863 项目“虚拟仪器关键技术的研究及其产业化”，所研发的“一体化虚拟仪器”就是一种不同于欧美虚拟仪器的新技术。这项成果表明我国在虚拟式仪器方面走出一条与欧美技术线路完全不同的自主创新路子,并成为国际上嵌入式一体化虚拟仪器研发的先行者[14]。

1999年重庆大学机械工程学院秦树人教授提出“智能虚拟控件”概念以来，由他率领的研究团队先后取得了“智能控件化虚拟仪器”、“虚拟仪器拼搭场”、“智能虚拟控件和控件化虚拟仪器”和“岩石模型”等一系列研究成果，专家认为，这一系列成果标志着我国在虚拟仪器研究方面凭借自己原创技术跻身世界先进行列。

从上个世纪80年代中期美国推出虚拟仪器(VI)以来，至今已产生了LabVIEW、HPVEE等国际上流行的开发系统，在虚拟智能测试方面积累了丰富资源。在落后欧美水平十几年的条件下，秦树人提出一种全新的虚拟仪器模式--“智能虚拟控件”原理，建立信号变换的统一模型，奠定了这一新型仪器模式的理论基础，并在此基础上研制成功了虚拟仪器开发系统(VMIDS)，把虚拟仪器的设计理论与方法、资源开发积累的程度提到了一个全新的高度，使得开发成功的