基于LABVIEW信号系统实验系设计毕业设计.doc

芜湖职业技术学院毕 业 论 文题 目：基于LABVIEW信号系统实验系设计 院系名称： 信息工程学院 专业班级： 11级计算机应用技术 学生姓名： 学 号： 110401127 指导教师： 2013年 11 月 25 日摘要随着计算机技术、大规模集成电路等技术的飞速发展，仪器系统与计算机软件技术紧密结合，使得传统仪器概念得以突破，出现了一种全新的仪器概念虚拟（VirtualInstrumentation，VI）。本文论述的是虚拟实验室的实验，用NI公司的虚拟仪器开发环境LABVIEW2010开发的多个不同的虚拟仪器。该系统平台集成了主界面和五个实验模块，分别模拟了信号的产生、数据的采集、信号数字滤波、信号相位测量、信号调幅检波和信号谐波分析。通过主界面对各个实验实施控制，在调出的实验模块前面板操作中能对信号的类型、频率、幅值、相位、占空比、采样频率、采样数等参数进行修改。各个实验的前面板都有相应的波形图显示，可以实时观察虚拟实验动态。本论文主要包括系统平台、五个实验各个流程图设计、程序框图设计和前面板设计。各个设计实验中分别简要的论述了程序的原理、功能和应用。关键词:虚拟仪器，数据采集，信号处理，LabVIEW。目录第一章 引言- 1 -1.1 LabVIEW简介- 1 -1.2 LabVIEW的发展- 1 -1.3 LabVIEW的未来- 1 -第二章 LabVIEW软件简介- 2 -2.1 VI 基本组成- 2 -2.2 LabVIEW 特点- 2 -2.3 LabVIEW的优势- 2 -第三章 毕业设计任务书- 3 -3.1基于labview的信号系统实验系统设计- 3 -3.2实验要求- 3 -3.3 实验目的- 3 -第四章 基于LABVIEW的实验内容- 4 -4.1系统平台的搭建- 4 -4.1.1系统平台流程图- 4 -4.1.2主界面设计- 5 -4.1.3系统程序设计主框图- 6 -4.2实验模块（分模块）- 6 -4.2.1虚拟数字滤波器设计- 6 -4.2.2虚拟信号函数发生器- 11 -4.2.3虚拟谐波分析仪- 15 -4.2.4虚拟仪器调幅系统- 19 -4.2.5相位差测量- 23 -第五章 结论- 27 -致谢- 28 -参考文献- 29 -第一章 引言1.1 LabVIEW简介LabVIEW是一种程序开发环境，由美国国家仪器（NI）公司研制开发的，类似于C和BASIC开发环境，但是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，而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。1.2 LabVIEW的发展从问世开始，LabVIEW就具备了这种与生俱来的、强大的I/O功能。所以用户们也就常常忽视了它的完整的编程功能。随着多核处理器的出现，他们与Intel的设计师们密切合作，关于LabVIEW如何在最新的PC平台上使用线程、内存和缓存来实现最大性能的问题进行优化。NI的工程师们还将LabVIEW Scheduler中这种固有的对称式多处理功能扩展到LabVIEW Real-Time环境中，为大型的物理学和先进的高性能计算研究打开了新的大门。1.3 LabVIEW的未来虚拟仪器研究的另一个问题是各种标准仪器的互连及与计算机的连接。未来的仪器也应当是网络化的。已发展了20余年的LabVIEW而言，现在正是属于“年少轻狂”的时代，通过对更多计算模型的整合，对软件工程的持续支持，对前沿技术的不断融合以及用户对LabVIEW的贡献，LabVIEW都在不断地发展与完善着；因此，作为工程师与科学家的编程语言，LabVIEW的未来愿景是值得我们去开创与期待的。第二章 LabVIEW软件简介2.1 VI 基本组成 1.程序前面板：交互式的用户界面2.框图程序：是程序源代码，用模块代替普通函数。3.图标/连接器（子VI）：可被高级VI调用的VI 2.2 LabVIEW 特点尽可能采用了通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件。可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功能更强的仪器。用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。2.3 LabVIEW的优势1.提供了丰富的图形控件，采用了图形化的编程方法，把工程师从复杂苦涩的文件编程工作中解放出来。2.采用数据流模型，实现了自动的多线程，从而能充分利用处理器（尤其是多处理器）的处理能力。3.通过DLL、CIN节点、ActiveX、.NET、MATLAB脚本节点等技术，能够轻松的实现LabVIEW与其他编程语言的混合编程；4.内建有600多个分析函数用于数据分析和信号处理。第三章 毕业设计任务书3.1基于labview的信号系统实验系统设计1、调幅与检波仿真实验2、虚拟采样定理演示实验3、虚拟数字滤波器实验4、虚拟信号函数发生器实验5、虚拟谐波分析仪实验3.2实验要求1、用LABVIEW2010版本完成设计要求2、完成五个实验和一个平台的搭建3、能对设计基本的问题进行描述3.3 实验目的 1.培养学生的动手能力，激发了学生的学习兴趣，体会到这是纯理论教学所不可替代的。2.只有通过高质量的实验才能给予同学足够的感性认识，才能真正理解和掌握该学科的理论知识。3.提高动手实践能力，培养分析问题的能力，以便于提高自身综合能力。第四章 基于LABVIEW的实验内容4.1系统平台的搭建4.1.1系统平台流程图开始 基本事件触发NYY虚拟数字滤波器？调虚拟数字滤波子VINY虚拟信号函数发生器？调虚拟信号函数发生器子VINY虚拟谐波分析仪？调虚拟谐波分析仪子VINY虚拟仪器调幅系统？调虚拟仪器调幅系统子VINY相位差测量？调相位差测量VI YN退出？N退出运行并返回主界面图4-14.1.2主界面设计1.系统前面板设计图4-2在前面板中包括五个实验按键和一个退出按键，单击各按键调出相应实验。按退出键时，程序停止运行。4.1.3系统程序设计主框图图4-3 程序框图包括循环结构、事件结构、条件结构。在事件结构中包括：退出、虚拟数字滤波器、虚拟谐波分析仪、虚拟信号发生器、相位测量和虚拟仪器调幅系统六个事件，条件结构中是对应不同的结构事件。在运行中条件为真，则触发事件结构，程序运行。4.2实验模块（分模块）4.2.1虚拟数字滤波器设计（1）虚拟数字滤波器仿真设计流程图设计:开始S_pl=10.00,S_fzh=1.00,S_Fs1=1000,S_Fs2=1000;Z_fzh=1.0,Z_Fs1=1000,Z_Fs2=100;LB_cpl=1000.00,LB_jshu=2,LB_fh=0.45,LB_fl=200.00;F_x1=0,f_x2=0,f_x3=0;原始信号（f_x1）,均匀白噪声（f_x2）的波形原始信号与均匀白波形噪叠加f_x3=（f_x1+f_x2）输出叠加后的波形f_x3N滤波？Y开始滤波输出滤波后的信号N改变滤波参？数？Y开始滤波输出滤波后的信号N滤波停止？Y停止滤波结束图4-4（2）虚拟数字滤波器前面板设计：图4-5虚拟数字滤波前面板可以对信号类型 ，信号频率、幅值、相位、采样频率、采样数等参数进行设置产生不同类型和不同波形的信号，并在波形图上实时显示。可以更改滤波类型，包括低通滤波类型、高通滤波类型等四种。还可以对滤波的采样频率和阶数，高截止频率、低截止频率等参数值进行设置，并将滤波信号在波形图上显示。前面板中有两个按键分别是模拟信号生成按键和开始滤波按键。一个控制信号生成，一个控制是否滤波。（3）虚拟数字滤波器程序框图：图4-6程序框图中有while循环、条件、事件三个结构，在事件结构中有超时、前面板关闭、滤波信号生成、模拟信号生成四个标签，主要作用接收前面板或者主界面的事件触发信号。在设计中为了能够观察方便和达到仿真信号更接近实际情况，在仿真中加入了噪波。在波的叠加时为了能减小内存空间，提高内存利用率使用了元素同址。（4）虚拟数字滤波器程序运行结果：图4-7在程序运行中，观察运行结果，并分别对前面板中的各类参数进行修改观察可以得到不同类型的波，和不同的波形。滤波后的波形基本能够准确反应原始信号的基本信息，仿真达到理论要求。（5）虚拟数字滤波器的原理、功能、应用数字滤波器的原理如图所示，它的核心是数字信号处理器。如下图：处理后的模拟信号数模转换处理后的数字信号数字信号处理器待处理的数字信号模数转换待处理的模拟信号数字滤波器是一个离散时间系统转换为所要求的输出离散时间信号的特定功能装置。应用数字滤波器处理模拟信号（对应模拟频率）时，首先须对输入模拟信号进行限带、抽样和模数转换。数字滤波器输入信号的数字频率（2*f/fs,f为模拟信号的频率，fs为采样频率，注意区别于模拟频率),按照奈奎斯特抽样定理，要使抽样信号的频谱不产生重叠，应小于折叠频率（ws/2=)，其频率响应具有以2为间隔的周期重复特性，且以折叠频率即=点对称。为得到模拟信号，数字滤波器处理的输出数字信号须经数模转换、平滑。数字滤波器具有高精度、高可靠性、可程控改变特性或复用、便于集成等优点。数字滤波器在语言信号处理、图像信号处理、医学生物信号处理以及其他应用领域都得到了广泛应用。4.2.2虚拟信号函数发生器(1) 虚拟信号函数发生器流程图设计：开始S_pl=10.00,S_fzh=1.00,S_py=0.00;S_Fs1=1000,S_Fs2=1000,S_xw=0.00,S_zhkb=50;Z_fzh=0.1,Z_Fs1=1000,Z_Fs2=1000,Z_zhz=-1;F_x1=0,f_x2=0,f_x3=0;N输出基本函数发生器波形（F_x1）信号叠加？（F_x1+F_x2）Y输出叠加信号波F_x3（F_x3=F_x1+F_x2）结束图4-8(2) 虚拟信号函数发生器前面板设计：图4-9虚拟信号发生器前面板由基本信号波形图显示波形和混合信号波形图显示波形。在前面板中可以对基本信号和噪波信号的幅值、频率、波的类型等参数进行修改。设计了两个按键，分别用来控制信号的生成和停止，还加入了是否信号叠加选项，这样设计使实验操作更灵活，兼顾了各种情况的比较可能。(3)虚拟信号函数发生器程序框图设计：图4-10程序框图中包括while循环、条件、事件三个结构。事件结构包括前面板关闭、信号生成、停止生成三个事件。条件框主要用来判断是否信号叠加。信号发生器同样采用了基本函数发生器与均匀白噪信号的叠加后产生的信号作为本实验的仿真信号，这种方案使得仿真效果更好，更接近实际应用时的真实情况。（4）虚拟信号函数发生器程序运行结果：图4-11运行中对前面板中的各个参数进行修改得到各种类型和各种不同的波形图，由篇幅所限不一一截图再次展示参数改变后的不同波形。运行实现了设计所要求的功能。(5) 虚拟信号发生器的原理、功能、应用虚拟信号发生器驱动与通信接口及开发环境相联系，是虚拟信号发生器的核心，可帮助用户完成对信号发生器硬件的控制。应用软件通过信号发生器驱动器实现与外围硬件模块的通信连接。应用软件指实现信号发生器功能和软面板的软件程序。利用计算机强大的计算能力和虚拟信号发生器开发软件功能强大的函数库极大地提高了虚拟仪器的数据分析处理能力。4.2.3虚拟谐波分析仪(1)虚拟谐波分析仪流程图设计：开始S_pl=10.00,S_fzh=1.00,S_py=0.00;S_Fs1=1000,S_Fs2=1000,S_xw=0.00,S_zhkb=50;X_zgxb=15,X_jspl=2,X_1=5;均匀白噪声信号与进本信号发生器信号叠加输出原始信号波形N滤波？开始滤波Y输出频谱信号、时域信号结束图4-12(2)虚拟谐波分析仪前面板设计：图4-13前面板有三个波形图分别显示原始信号、频谱信号、时域信号。可以对基本信号的参数值进行修改，和输出信号的导出类型进行选择。设计中设计两个按键和谐波分析选择项以及谐波分析输出的相应的电平值、THD的值等。(3) 虚拟谐波分析仪程序框图设计：图4-14程序框图包括：while循环、条件、事件三个结构体。事件结构体是由：前面板关闭、信号生成、信号生成停止组成。设计中同样用到了元素同址，以减小运行时所占内存。同时运用了噪波叠加，已达到仿真信号更接近实际应用中的信号。条件结构主要目的判断是否停止信号的谐波分析。输出限号的同时提取信号的单频信息在频谱图和时域图中显示波形。(4) 虚拟谐波分析仪程序运行结果：图4-15运行后改变各参数值，得到不同的波形和不同谐波分析后的不同的结果，可以选择是否进行谐波分析。(5) 虚拟谐波分析仪的原理、功能、应用在电力系统中，电压和电流波形理论上应是工频下的正弦波，但实际的波形总有不同的非正弦畸变。从数学的角度分析，任何周期波形都可以被展开为傅里叶级数，因此，对于周期T=2/的非正弦电压(t)或电流i(t)，在满足狄里赫利条件下可以展开成如下形式的傅里叶级数，即：式中：c1sin(t+1)为基波分量；cnsin(nt+n)为第n次谐波分量。可以看出，所谓谐波就是一个周期电气量的正弦分量，其频率为基波频率的整数倍，这也是国际上公认的谐波定义。由于谐波的频率是基波频率的整数倍，因此通常又被称为高次谐波。虽然在实际的电网中还存在一些频率小于基波频率整数倍的正弦分量，但主要研究的还是电网中存在的整数次谐波。谐波分析被广泛运用在各种大型的电力设备中，人们在生产中往往需要对谐波信号进行分析处理，用尽多种方法和先进的谐波分析设备以减少对电力设备的破坏，减少电力设备在生产中因谐波带来各种故障。4.2.4虚拟仪器调幅系统（1）虚拟仪器调幅系统流程图设计：S_pl=10.00,S_fzh1=1.00,Z_fzh1=0.2,S_py=0.00;S_Fs1=1000,S_Fs2=1000,S_xw=0.00,S_zhkb=50;TH_fzh=0,TH_xw=0;开始均匀白噪声信号与进本信号发生器信号叠加N输出叠加后的信号Y均匀白噪幅值改变？输出新的叠加后的信号N改变信号幅值？输出新的叠加后的信号Y单频信息处理解捆绑处理输出频谱波形图输出时域波形图结束图4-16(2) 虚拟仪器调幅系统前面板设计：图4-17前面板有三个波形图分别显示原始信号、频谱信号、时域信号。可以对基本信号的参数值进行修改，和输出信号的导出类型进行选择。设计中设计两个按键，分别控制信号的生成和信号停止生成。(3)虚拟仪器调幅系统程序框图设计：图4-18程序框图包括：while循环、事件两个结构体。事件结构体是由：前面板关闭、信号生成、信号生成停止组成。设计中同样用到了元素同址，以减小运行时所占内存。同时运用了噪波叠加，已达到仿真信号更接近实际应用中的信号。输出信号的同时提取信号的单频信息在频谱图和时域图中显示波形。(4)虚拟仪器调幅系统程序运行结果：图4-19运行时改变各参数值改变各参数值，得到不同的波形和不同检波分析后的不同的结果。实验达到了检波调幅的目的。 (5)虚拟仪器调幅系统的原理、功能、应用图4-20虚拟检波器，是检出波动信号中某种有用信息的装置。用于识别波、振荡或信号存在或变化的器件。检波器通常用来提取所携带的信息。检波器分为包络检波器和同步检波器。前者的输出信号与输入信号包络成对应关系，主要用于标准调幅信号的解调。后者实际上是一个模拟相乘器，为了得到解调作用，需要另外加入一个与输入信号的载波完全一致的振荡信号（相干信号）。同步检波器主要用于单边带调幅信号的解调或残留边带调幅信号的解调。检波器的作用是从高频调幅波中取出单向包络信号，然后用滤波电路滤除高频载波分量，使低频有用信号纯净，所以检波电路通常包含非线性元器件和滤波器两部分；检波要使用非线性元器件，常用的有二极管和三极管。4.2.5相位差测量(1) 相位差测量流程图设计开始S_pl1=S_pl2=10,S_fzh1=S_fzh2=1,S_fsA_1=S_fsB_1=1000,S_fsA_2=S_fsB_2=1000;S_xw_A=90,S_xw_B=45;S_jce_A=0,S_jce_B=0,S_xw_cha=0;均匀白噪波与基本函数发生器A叠加均匀白噪波与基本函数发生器B叠加提取单频信息A提取单频信息B输出AB波形，在同一波形图输出A相位输出B相位作差运算(S_xw_cha= S_jce_BS_jce_A)输出相位差（S_xw_cha）结束图4-21（2）相位差测量程序前面板设计图4-22前面板设计一个波形图显示产生的波形，在波形图显示中有两条波形同时显示，在程序运行中可以对各个参数值进行修改得到不同的波形图，在数据显示控件分别显示两条波的相位和相位差值。设计了两个按键分别是测试和停止测试按键，用于控制实验进程。（3）相位差测量程序框图设计图4-23程序框图设计由while循环、条件框、事件三个结构组成。程序中使用了元素同址，减小了程序运行时所占空间，提高了程序运行的效率。通过单频处理提取出单频信息，并输出相应的相位值，然后通过作差运算得到相位差。（4）相位差测量程序运行结果：图4-24在程序运行中改变参数值，波形图也相应改变，并得到不同相位值和相位差值。实验完成了相位差测量任务，在同一波形图中显示波形有利于比较两个波形相位的关系，观察更直观。第五章 结论实验基本完成指导老师的任务要求，完成了平台的搭建和个实验功能的实现。在整个实验的过程中，我们阅读了大量的文献，或来自网上或来自图书馆的资料书。刚接到毕设任务书时，我们无从下手，毕竟三年还是第一次这么完整的做出一个系统，平时上课也是一知半解，对很多控件不甚熟悉，压力很大。在从老师那里获得相关资料后，我们反复的研究，查书，一个模块一个模块的去思考去实验，然后大家一起讨论完善，就这样从未知到有知，一步步走过来。万事开头难，在我们成功的完成了第一个实验的时候，心里还是很开心，但我清楚的知道离老师要求的还有很大距离，但对我个人还有我们组来说是莫大的鼓舞。我们终于迈出了坚实的一步，接下来的四个实验也是相当的难度，但有了第一次成功的自信和经验，接下来的实验还算顺利。我们把做好的实验交给了老师审阅，老师给予了好的评价，也提出了要求。搭建一个平台，就是把各实验整合成一个，这个难度是很大的，我们完成了各分实验已经使出了浑身解数，还要搭建平台。既然老师要求，我们就得努力的完成，在经过一番努力后最终圆满的完成了指导老师的要求。致谢在本次论文设计过程中，感谢我的学校，给了我学习的机会，在学习中，感谢我的老师，给了我深深地感动。老师从选题指导、论文框架到细节修改，都给予了细致的指导，提出了很多宝贵的意见与建议，老师以其严谨求实的治学态度、高度的敬业精神、兢兢业业、孜孜以求的工作作风和大胆创新的进取精神对我产生重要影响。他渊博的知识、开阔的视野和敏锐的思维给了我深深的启迪。这篇论文是在老师的精心指导和大力支持下才完成的。感谢所有授我以业的老师，没有这些年知识的积淀，我没有这么大的动力和信心完成这篇论文。感恩之余，诚恳地请各位老师对我的论文多加批评指正，使我及时完善论文的不足之处。还要感谢一下我的小伙伴们，谢谢你们的支持与鼓励，谢谢你们的肯定和信赖，祝我们大家都能顺利毕业，一帆风顺。谨以此致谢最后，我要向百忙之中抽时间对本文进行审阅的各位老师表示衷心的感谢。参考文献1李艳.基于LabVIEW的虚拟仪器的设计与应用D.南京理工大学学位论文，2006.112张陈荣.基于LabVIEW的虚拟实验仪器的研究与开发【D.合肥工业大学学位论文，2007.13张子刚.基于LabVIEW的虚拟实验仪器设计研究D.长春理工大学学位论文，2007.54张国华，主如松.虚拟仪器技术对改革实验教学的作用【J.四川职业技术学院学报，2006(5):104-1055习周文委，王涌，金燕.虚拟仪器技术及其教学应用J.浙江工业大学学报,2007(2):69-716侯国屏，王砷，叶齐鑫.LabVIEW7.1编程与虚拟仪器设计【M.北京:北京清华大学出版社，2005.27杨乐平，李海涛，杨磊等.LabVIEW程序设计与应用(第2版)M.北京:电子工业出版社，2005.5