基于LabVIEW的信号发生器的设计开题报告

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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VirtualInstruments，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，使得开发成功的虚拟测试仪器最终产品已达数十种，而开发成功可直接用于组建仪器产品的“智能虚拟控件”更达数百上千种。秦树人认为,由于虚拟智能测试系统尚未建立统一的模型，功能软件的优势虽然能够大部分取代硬件部件，但仍未摆脱硬件仪器单机系统的制造和调用形式；软件的功能虽然提高了仪器的灵活性和开放性，但在制造上没有引入深度集成的原理和方法，还难以从根本上改变目前虚拟智能测试的模式，因此亟待创建一个全新的、具有更丰富内涵的测试功能系统。秦树人教授在前期大量有成效的研究基础上，提出了“岩石模型”理论。这一理论提出对全部机械测试类仪器建立“有界无限”的统一模型，所谓“有界无限”是指“机械测试”是一个“界”，而只要在这个“界”内，任何测试功能或仪器都将包含或可添加至这一系统(岩石模型)之中。基于这一理论，对测试功能和仪器进行多次、深度的集成制造便可演变成为一个“有界无限”、包含大量测试仪器并可供实际使用的复杂、大型测试仪器库。“岩石模型”在应用上将是一个取之不尽、用之不竭的大型机械测试仪器仓库，可为机械科学的研究和机械产品的制造提供全方位的在线和离线测试手段，具有广泛的产业应用前景[15]。3课题的研究内容及拟采取的研究方法（技术路线）、研究难点及预期达到的目标3.1研究内容：本虚拟函数信号发生器的开发,基于LabVIEW这个软件开发平台。根据LabVIEW的特点结合信号源的需求,确定总体设计思想：（1）可以产生10HZ到100MHZ的正弦波、方波、三角波、锯齿波；（2）信号频率、幅度可调可控；（3）可以根据需要，保存波形的分析参数到指定文件。3.2研究方法：根据上述总体设计思想,将该系统软件设计分成属性设置、信号产生、波形显示和数据存储四大模块,其软件结构框图如图1所示。在虚拟仪器的软件开发平台——LabVIEW上,根据设计要求,在VI程序的控制模板和函数模板上选择相应的控制件和显示件以及所涉及到的函数,利用所选定的目标项分别实现各子模块的功能,最终实现虚拟信号发生器。 图1虚拟信号发生器的原理框图3.3研究难点：1.可调频率范围大，在频率档位变化时采样频率需同时更新。2.由于第一次接触LabVIEW，虽然说这平台操作不是很复杂，自学起来也容易，但是一些小细节和小操作需要自己去寻找和发现。3.4预期达到的目的：3.4.1.能实现的功能：（1）可以产生10HZ到100MHZ的正弦波、方波、三角波、锯齿波；（2）信号频率、幅度可调可控；（3）可以根据需要，保存波形的分析参数到指定文件。3.4.2.待扩展的功能：任意函数波形的实现。4研究工作详细进度和安排2010年11月23日—2010年12月5日布置毕业设计任务，讲解毕业设计的方法和步骤，查找、分析相关文献资料；2010年12月6日—2011年1月10日初步拟定系统采取的研究方法、设计路线，完成文献综述、外文翻译的撰写；2011年1月11日—2011年3月5日整理相关资料，确定系统完成的主要功能，绘制系统的流程图。完成开题报告； 2011年3月5日—2011年4月8日进行详细的系统分析，完成电路的设计，每周汇总情况、问题和进度一次，随时可通过电话联系。开始撰写论文大纲及初稿； 2011年4月9日—2011年5月3日系统开发、代码设计、系统调试、修改及优化阶段。 2011年5月4日—2011年5月26日完成毕业论文并提交；2011年5月27日—2011年5月29日毕业论文答辩。 5参考文献 [1]屈尔庆.基于LabVIEW的信号发生器的设计[J].信号处理.106-107.[2]于洁,钟佩思.信号发生器在虚拟仪器界面中的设计与实现[J].山东理工大学学报(自然科学版).2005，19(2):106-110．[3]袁渊，古军.虚拟仪器基础教程［M］.西安：西安电子科技大学出版社，2002．[4]ShenXiaoyan,ZhangGuang,ZhenShuchun,theMissileInstituteoftheAir-forceEngineeringUniversitySanyuan,Shaanxi713800,China;AnalysisandDesignofMicrowaveVirtualTime-FrequencyAnalyzer[A];Proceedingsofthe5thInternationalSymposiumonTestandMeasurement(Volume1)[C];2003年.[5]LIZhili,XUEChangsheng,XUYihui9DepartmentofBeijingInstituteofSpecialE.&M.TechnologyBeijing,NO.1,Anwaibeiyuan,P.R.China;ApplicationoftheVirtualInstrumentTechnologyintheAutomaticTestingSystemofWeaponEquipment[A];第七届国际测试技术研讨会论文集[C];2007年.[6]李震,柯旭贵,汪云祥.虚拟仪器的发展历史、研究现状与展望[J].安徽工程科技学院学报,2005,18,(4):1-4.[7]朱治国，郑建荣，刘小平.虚拟仪器及其常用开发软件[J]，现代仪器，2004，1:15—16.[8]张毅刚.虚拟仪器技术介绍[J].国外电子测量技术,2006,25,(6):1-6.[9]李纪欣.虚拟仪器技术及其发展趋势[J].电子材料与电子技术，2005，(3)：41-46.[10]李震,柯旭贵,汪云祥.虚拟仪器的发展历史、研究现状与展望[J].安徽工程科技学院学报,2005,18,(4):1-4.[11]朱岩；余愚；虚拟仪器技术研究现状与展望[J].现代制造技术与装备，2008，(6)：12-15.[12]刘萍；曹慧；邱鹏；虚拟仪器的发展过程及应用[J].山东科学，2009，(1)：80-86.[14]“重庆大学虚拟仪器关键技术的研究课题验收”[N],科技日报,2006-12-19.[15]王松涛.我国虚拟仪器研究十年努力结出丰硕成果[N/OL].新华网重庆频道,2008-11-26.