基于LabVIEW的虛擬實驗系統設計

陳昌鑫，馬英卓，代月松，董力科，孫正席

(中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，山西太原030051)

實驗對于培養學生的實際操作能力和解決分析問題的能力至關重要。而對于多數工科課程，實驗需要配置多套儀器設備，而且投資巨大，這對于經費緊張的普通院校難以滿足，因此造成儀器設備缺乏和陳舊等現象，嚴重影響實驗教學［1］。隨著計算機和網絡技術的發展，由美國NI公司推行的虛擬儀器技術得到了廣泛的應用，虛擬儀器逐漸取代傳統測試儀器已成趨勢。信號與系統是通信、儀器儀表和電子信息類專業的基礎課，重點研究確定性信號經線性時不變系統傳輸與處理的基本概念和基本分析方法［2］。在實踐性較強的信號與系統課程中運用虛擬儀器技術，以計算機為硬件系統，構建集成化信號與系統虛擬實驗系統，代替傳統儀器儀表，利用其強大的信號分析與處理功能和友好的用戶界面不僅可節省儀器設備的經費投入，也有助于提高實驗教學水平［3］。

1 虛擬儀器技術及LabVIEW簡介

虛擬儀器技術由美國國家儀器公司NI(Nation Instruments)提出，其核心思想是“軟件即是儀器”，就是利用高性能的模塊化硬件，結合高效靈活的軟件完成各種測試、測量和自動化的應用。結合計算機硬件、軟件開發系統、接口硬件構成虛擬測試系統，與傳統儀器相比，具有充分利用計算機資源，開發和維護成本低、開發效率高、易于實現自動化、智能化和網絡化等優點［4］。

美國NI公司推出的LabVIEW(Laboratory Virtual Instrumention Engineering Workbench)是一種圖形化編程語言的開發環境，被廣泛地應用與工業、學術和實驗室，被視為一個標準的數據采集和儀器控制軟件。LabVIEW使用的是圖形化編輯語言C語言編寫程序，產生的程序是框圖的形式［7］。

2 虛擬實驗系統設計

以計算機為硬件平臺，以LabVIEW8.6為軟件平臺，開發一個“信號與系統”的虛擬實驗系統。

2.1 結構框圖

虛擬實驗系統能夠完成信號產生、濾波、頻譜分析、調制解題、卷積和抽樣等，即包括3個大模塊:(1)典型信號產生。(2)信號時域分析。(3)信號頻域分析［5］。其結構框圖如圖1所示。

設計的虛擬實驗系統主要包括8個實驗，點擊對應的布爾控件即可進入實驗子模塊，同時實驗系統主界面還包括登錄框、系統簡介、幫助、退出系統控件，以及運行指示、登錄狀態的指示燈。虛擬實驗系統的主界面如圖2所示。

2.2 程序設計

本次設計的虛擬實驗系統包括8個實驗模塊，現在主要介紹4個實驗模塊。

2.2.1 虛擬信號發生器

信號發生器是指產生所需參數的電測試信號的儀器，本設計的虛擬信號發生器包括周期信號和非周期信號，其中周期信號包括正弦波、三角波、鋸齒波、方波，而且其幅值、頻率、相位、方波的占空比可調;非周期信號包括斜坡信號、沖激信號、Sinc信號、脈沖信號，幅值等參數可調，而且公式信號可以根據輸入波形公式產生任意波形;另外，設置了是否添加噪聲的布爾控件，噪聲幅值可調，而且設置了均勻白噪聲、高斯白噪聲、泊松噪聲、周期性隨機噪聲等，通過下拉列表可以選擇添加噪聲類型。該虛擬示波器可以可以用于信號發生器的認識、信號及信號類型的認識等教學實驗，操作方便、能夠直觀地觀察到各種波形［6］。虛擬信號發生器的前面板如圖3所示。

圖3 虛擬信號發生器的前面板

2.2.2 信號調制與解調

在通信系統中，信號從發射端傳輸到接收端，為實現信號的傳輸，往往需要進行調制與解調。載波信號的幅值、頻率、相位可以隨信號成比例的改變，因而對應就有振幅調制、頻率調制、相位調制。本實驗模塊是振幅調制，面板如圖4所示。

圖4 信號調制與解調的前面板

2.2.3 驗證采樣定理

在進行模擬/數字信號的轉換過程中，當采樣頻率fs·max≥信號中最高頻率fmax的2倍時，采樣后的數字信號能夠完整地保留了原始信號中的信息，一般實際應用中保證采樣頻率為信號最高頻率的5～10倍，這就是采樣定理，又稱奈奎斯特定理。設計的驗證采樣定理模塊一方面直觀地再現了模擬信號到數字信號的轉換過程，即經過了抽樣信號離散化;另一方面驗證了抽樣定理，即設定固定的模擬信號幅值和頻率，更改采樣頻率，當采樣頻率fs和信號頻率f滿足fs≥f時，才能得到正確的離散信號。驗證抽樣定理模塊的前面板如圖5所示。

圖5 驗證抽樣定理模塊的前面板

2.2.4 濾波器

巴特沃斯濾波器是濾波器的一種，其采用的是巴特沃斯傳遞函數，有低通、高通、帶通、帶阻等多種濾波器類型。設計的濾波器是巴特沃斯濾波器，根據下拉列表可以選擇低通、高通、帶通、帶阻等濾波器類型。使用了LabVIEW自帶的仿真信號源，添加噪聲后得到仿真信號，然后選定濾波器類型，并且設置低截止頻率、高截止頻率，得到濾波后的信號的波形。濾波器模塊的前面板如圖6所示。

圖6 濾波器的前面板

2.3 生成應用程序

為了開發的虛擬實驗系統脫離LabVIEW開發環境，方便安裝使用，將labVIEW文件生成應用程序。即保存labVIEW文件，新建項目，導入文件;右鍵點擊生成應用程序規范，在源文件欄將文件加入，并且將子VI，dll等文件都一起導入，點擊生成應用程序。

3 結束語

利用計算機硬件和LabVIEW8.6軟件，設計了“信號與系統”的虛擬實驗系統，該虛擬實驗系統可以用于課程的實驗教學，實現學生對信號的認識以及了解信號處理的方法。該虛擬實驗系統利用虛擬儀器技術，充分利用計算機資源，將虛擬儀器技術用于實驗教學，一方面降低了實驗成本，另一方面生動直觀的實驗操作也將提高教學水平。

［1］ 王懷興．基于LabVIEW的信號與系統仿真實驗系統設計［J］．湖北第二師范學院學報，2009，26(2):76－78．

［2］ 鄭君里，應啟珩，楊為理．信號與系統:上冊［M］．2版．北京:高等教育出版社，2000．

［3］ 李香萍．虛擬儀器在實驗教學中的應用［J］．實驗室科學，2009(5):128－129．

［4］ 王小玲．基于PC的虛擬儀器在信號與系統實驗中的應用［J］．西南民族大學學報:自然科學版，2004，30(6):848－852．

［5］ 羅文秋，趙四化．基于LabVIEW的“信號與系統”實驗系統設計［J］．北京印刷學院學報，2010，18(6):51－54．

［6］ 王麗君，劉悅，黃永亮，等．基于LabVIEW的虛擬信號發生器及示波器的設計［J］．華北水利水電學院學報，2010，31(3):56－59．

［7］ 陳錫輝，張銀鴻．LabVIEW8．20程序設計從入門到精通［M］．北京:清華大學出版社，2007．