基于labview的虚拟网络实验室的设计

基于labview的虚拟网络实验室的设计内容摘要：

语、图标和概念，因此，LabVIEW是一个面向最终用户的工具，它可以增强用户构建自己的工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径，使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。 LabVIEW是通过图形符号来描述程序的行为，它消除了令人烦恼的语法规则，减轻了用户编程的负担，提高了效率，LabVIEW的特点如下。 编程简单，不需要记忆编程语言，只要通过交互式图形前面板进行系统控制和结果显示，再通过程序框图进行功能模块的组合操作来指定各种功能，即可完成软件编程。 开发周期短，只需通过交互式图形前面板进行系统控制和结果显示，可省去硬件面板的制作。 高效性，这主要是以软件作保证。 以功能强大的LabVIEW作为软件开发平台，诸如数据采集、数据分析、文件处理、波形处理、数学运算等，都能轻而易举地解决。 开放性，可根据实际情况进行更新拓展，发展迅速。 自定义性，工程师们可以在非常广泛的测量和控制应用中自定义芯片级硬件功能。 性价比高，能一机多用。 ，无须编写任何代码，它不仅包含有丰富的数据采集、分析及存储的库函数，还提供了PCI，GPIB，PXI，VXI，RS232C，USB等通信总线标准的功能函数，可以驱动不同总线接口的设备和仪器。 ，支持常用的网络协议，可以方便地设计、开发网络测控仪器，并有多种程序调试手段，如断电设置、单步调试等。 使用LabVIEW开发平台编制的程序称为虚拟仪器，简称VI。 VI由以下3部分构成。 前面板：即用户界面。 程序框图：包含用于定义VI功能的图形化源代码。 图标和连线板：用以识别VI的接口，以便在创建VI时调用另一个VI。 当一个VI应用在其它VI中，则称为子VI。 子VI相当于文本编程语言中的子程序。 前面板是VI的用户界面。 创建VI时，通常应先设计前面板，然后设计程序框图在前面板上创建的输入/输出任务。 前面板上有用户输入控制和输出显示两类对象，用于模拟真实仪表的前面板。 控制和显示对象以各种各样的图形形式出现在前面板上，具体表现为旋钮、按钮、图形、指示灯，以及其他的控制和显示对象等，这使得用户界面更加直观易懂。 在前面板的编辑界面上，正上方是窗口弹出式菜单，包括文件(File )，编辑(Edit )，操作(Operate )，工具(Tools )，工程(Project，窗口Windows)和帮助(Help )。 在前面板编辑界面上还有两个常用的操纵模板，它们是工具(Tools)模板和控制(Controls )模板，如图21和图22: 图 21 工具模板 图22 控制模板工具模板为编程者提供了各种用于创建、修改和调试VI程序工具。 该图从左到右，从上到下分别为:操作工具、选择工具、标签工具、连线工具、对象弹出菜单工具、漫游工具、断点工具、探针工具、颜色提取工具和颜色工具。 控制面板可以给前面板添加输入控制和输出显示。 每一个图标代表一个子模板。 只有当打开前面板窗口是才调用控制面板。 该图从左到右从上到下依次为:数值子模板、布尔值子模板、字符串子模板、列表和环子模板、数组和群子模板、图形子模板、路径和参考子模板、控件容器库子模板、对话框子模板、修饰子模板还有用户自定义的控制和显示，调用存储在文件中的控制和显示接口。 每个前面板都配有一个对应的方块图程序，方块图程序也叫做框图程序。 程序框图可以把它理解成传统程序的源代码，框图中的部件可以看成程序节点，如循环控制，事件控制和算术功能等，这些部件都用连线连接，以定义方块图内数据流动的方向。 当进行程序框图编程时，完全无需考虑传统程序设计中许多语法的细节，用户只需从功能工具箱中选用不同的图标，然后再以线条相互连接，数据将按从左至右的顺序由一个方块传递至下一个方块。 LabVIEW程序为模块化结构，因此每一个LabVIEW程序都可以单独执行，或者被其他程序当成于程序来调用。 甚至可以为每个子程序设计不同的图标，如此便可以设计出一组可供修改，交换或与其他LabVIEW程序相链接的子程序库，以符合用户不同的需求。 此外，LabVIEW还是唯一具有编辑器(Compiler)的图形程序语言，它可以将程序结构最优化。 另外，若使用Application Builder工具软件。 图23 功能模板在程序框图编辑面板中点击右键可以弹出功能模板(Functions)如图23所示。 功能模板是创建框图程序的工具。 该模板上的每一个顶层图标都表示一个子模板。 若功能模板不出现，则可以用Windows菜单下的Show Functions Palette功能打开它，也可以在框图程序窗口的空白处点击鼠标右键以弹出功能模板。 (注:只有打开了框图程序窗口，才能出现功能模板。 )功能模板包含以下子模板:结构子模板:包括程序控制结构命令，例如循环控制等，以及全局变量。 数值运算子模板:包括各种常用的数值运算符，如+、等。 以及常见的数值运算式，如比值运算。 还包括数制转换、三角函数、对数、复数等运算，以及各种数值常数。 布尔逻辑子模板:包括各种逻辑运算符以及布尔常数。 字符串运算子模板:包含各种字符串操作函数、数值与字符串之间的转换函数，以及字符(串)常数等。 数组子模板:包括数组运算函数、数组转换函数，以及常数数组等。 群子模板:包括群的处理函数，以及群常数等。 比较子模板:包括各种比较运算函数，如大于、小于、等于。 时间和对话框子模板:包括对话框窗口、时间和出错处理函数等。 文件输入/输出于模板:包括处理文件输入/输出的程序和函数。 图标/连接端口可以把VI变成一个对象(SubVI，即VI子程序)，然后像子程序一样在其他VI中调用。 图标作为SubVI的直观标记，在被其他VI调用时，代表SubVI中的所有框图程序。 连接端口表示该SubVI与调用它的VI之间进行数据交换的输入输出口，就像传统编程语言子程序的参数端口，与S11bVI中前面板上的控制和指示对应。 LabVIEW的强大功能归因于它的层次化结构，用户可以把创建的VI程序当作SubVI来调用以创建更加复杂的VI，并且这种调用的递阶次数是无限制的。 本章简要地介绍了计算机语言的发展历程，列举了目前国际上虚拟仪器常用的图形化开发语言。 并详细介绍了LabVIEW的特点及主要组成部分，并列举了各个模块的组成和作用，在此基础上总结出LabVIEW的优势，使读者对虚拟仪器的开发工具有一个初步的认识。 第三章 虚拟网络实验室的软件设计章节另器一页本论文设计的实验平台由8个VI程序构成，包括了七个虚拟仪器实验界面和一个实验系统的主程序界面，每一台仪器作为SubVI集成在基于LabVIEW的虚拟仪器实验教学系统下，构成一个虚拟仪器实验教学系统，系统界面如图31所示。 图31 虚拟仪器实验系统前面板本设计中的七个实验仪器分别包括虚拟函数信号发生器，对信号的相关分析，时域分析，频域分析等，他们共同构成一个实验系统。 本章主要介绍个各虚拟仪器所实现的功能，前面板图，程序框图等。 虚拟信号发生器当现实生活中的信号无法使用时，用户可以使用LabVIEW生产信号用于测试和其他目的。 当需要准确控制信号的特性(比如幅度、频率和周期信号的相位等)时，用户可以方便地使用虚拟信号发生器生成信号而不必从现实世界中采集信号。 仪器原理与功能虚拟信号发生器可以提供各种波形的周期信号函数，函数值为离散序列值。 该离散值通过数模转换后，可以模拟电压的形式输出，输出波形呈现台阶状。 使用本虚拟信号发生器完全可以替代目前实验室广泛使用的传统信号发生器。 前面板和程序框图的设计本虚拟信号发生器前面板如图32所示。 “波形图”窗：用来显示信号波形。 “波形选择”键：用来选择待输出的机内周期信号的波形。 点击上下选择键可以选择产生正弦波，三角波，方波，锯齿波等信号波形。 所需信号的参数可通过“信号频率”、“采样频率”、“信号幅值”、“相位”、“采样点数”等输入控制窗设定。 其中，频率输入要满足采样定理，欲使信号能够无失真地恢复原始信号的条件是：采样频率要大于或等于信号的最高频率分量。 “叠加噪声”键：用来选择是否叠加噪声。 “停止”键：使程序退出While循环，停止运行。 图32 信号发生器前面板虚拟信号发生器的框图程序如图33所示。 典型信号的产生采用了目前普遍使用的典型信号生成模块。 采用四个Case结构用来分别生成正弦波、方波、三角波、锯齿波等四种不同的波形，并用来选择是否叠加白噪声，case结构类似于C语言中的Switch结构，是一个多分支选择结构，它根据输入值决定程序进入不同的分支流。 当在前面板上点击波形选择按键选择不同的波形并运行程序时，程序会根据选择自动调出相应的Case结构通过波形图显示波形。 通过两个这样的结构来使两种信号进行叠加，并可以决定是否叠加噪声。 再利用一个While循环，用“停止”按钮来控制，使程序反复执行，就可以连续输出所需波形，直到按下“停止”键，程序停止运行。 图33给出了case结构下三角波程序流程图。 图33信号发生器程序框图程序说明：“归一化频率”问题:LabVIEW中的所有仿真信号都是用函数生成的离散时间序列，其输入参数频率匀为数字频率，本设计中所使用的几个VI（ Sine Wave, Square Wave, Sawtooth Wave, Triangle Wave）在调用时都必须使用归一化单位指定的频率，因此就不可避免地遇到了归一化频率的问题。 数字频率等于一个周期内采样点数的倒数，它是仿真信号频率与采样频率之比，即，即归一化频率=仿真信号频率/采样频率。 模拟频率通常以Hz(或每秒周期数)为单位进行测量，而采样频率的单位为每秒采样数，则归一化频率单位为周期数/采样。 与模拟信号相比，利用软件的方法产生的波形数字序列虽然存在着一定的误差，只要一个周期内选的点数足够的多，就可以使误差降到最低，对结果的影响最小。 但利用软件产生波形的一个最大的优点是使仪器的成本大大降低，而且使仪器小型化、智能化。 虚拟相关分析仪相关分析实验是高等学校理科实验的重要组成部分，传统的相关函数分析实验是通过相关测量仪进行实体测量并得出实验结果的，实体相关测量仪价格较高，且在功能上缺乏拓展性。 通过运用LabVIEW开发设计出一种虚拟相关分析仪，其功能和实际实验仪器基本相同，而且这种虚拟的相关测量平台借助十网络可以实现远程实验，是对实验教学的一种有效的补充。 仪器原理相关是指两个变量之间的线性关系。 相关分析是分析两个信号或一个信号在一定时移前后之间关系的重要工具。 在世纪工程领域，相关测速、相关滤波和利用相关原理探测管道破裂点、识别信号类别成分等得到广泛应用。 相关函数可以用相关分析仪测量。 相关分析仪有模拟式和数字式两种。 本文中使用LabVIEW提供的函数构建了一台简单易用的数字式相关分析仪。 两模拟信号和作数字化处理以后，它们的相关函数表达形式应为:式中，N——沿时间轴的总采样数； i——沿时间轴的采样序数； r——间断时移值。 作为有限长采样的相关函数估计为：用这一公式做离散相关的步骤是：取，将所有对应采样点的和相乘；将所有乘机相加；以总采样点数做平均，得到相关函数的一个值；取，将所有对应采样点的和相乘，然后相加、平均，得到。 依次取，按以上步骤重复计算得到相关函数的各个值。 在和两离散序列长度相等时，计算可以用全部计算长度数据来计算，而下一步计算时因作一步时移，使可提供计算的序列长度由变为。 且随时移增大，可提供计算的序列长度越来越短，所以互相关函数的估值应为:与此类似，自相关函数的估值为：LabVIEW在信号处理的信号运算函数子模版中提供了求互相关函数的Cross Correlation，它所用的算法为：求自相关函数的Auto Correlation所用的算法为：相关分析实验的实现为方便起见，以虚拟信号发生器产生的仿真正弦波为例来阐述相关分析仪的实现。 LabVIEW中，相关分析的功能由时域分析模板提供。 利用这两个函数构建相关分析的虚拟仪器。 1．互相关函数先介绍相关函数及用途。 包括公式构建互相关函数实验程序前面板如图34所示。 将前面板中时域信号图形显示件的时间轴设置为0100,幅值轴设置为Auto scale。 互相关函数图形显示件的时移轴设置为100100 ,幅值轴设置为Auto scale。 图34 互相关函数实验前面板通过输入控件来调节两通道的频率和相位，从而产生出不同的正弦波形，得到不同的相关函数的波形。 互相关函数实验的程序框图如图35所示，图35 互相关函数实验前面板通过“信号生成”里的“正弦波”来产生两个通道的正弦波，让它们在同一个波形显示控件里显示，这时要用到一个函数是“创建数组”。 然后将两路波形连接到互相关函数的输入端，输出连接到显示控件。 运行程序，两个通道选择不同的信号频率，在实验前面板上观察相关函数波形，验证不同频不相关。 将两个正弦信号频率都设为100Hz，观察相关函数波形，验证同频相关，相关函数。 互相关函数在工程中有重要的作用，它是在噪声背景下提取有用信息的一个非常有效地手段。 2．自相关函数信号中含有周期成分，其自相关函数在很大时都不衰减，并具有明显的周期成分。 不含周期成分的随机信号，当稍大时自相关函数将趋近于零。 所以，通过自相关函数可检测随机信号中是否混有周期成分。 设信号由一个正弦波和均匀白噪声叠加而成，信号和噪声的幅值及信号频率可自行设定，设计自相关函数实验程序的程序前面板和流程图如图36, 37所示，前面板中时域信号图形显示件的时间轴设置为0100,幅值轴设置为Auto scale。 自相关函数图形显示件的时移轴设置为100100,幅值轴设置为Auto scale。 运行程序，即可根据运行结果中的自相关函数图形判断合成信号中是否有周期成分。 运行结果见图，很明显，自相关函数在很大时都不衰减，具有明显的周期性。 所以，可以确定信号中含有周期成分。 图36 自相关函数实验前面板图37 自相关函数实验程序框图本实验比较简单，。