基于LabVIEW的虚拟实验平台的设计

基于LabVIEW的虚拟实验平台的设计

陈春朝 赵敏 张亚超 邱颖豪

河南理工大学 河南焦作 454000

摘 要：根据现实教学条件，本文采用LabVIEW软件设计一台虚拟实验平台，为学生们提供了一些脱离实验室的仿真实验，同时也为教师多媒体教学提供了素材，实践证明该实验平台具有较强的实用性和扩展性。关键词：LabVIEW 虚拟仪器 教学实验 相关分析 频谱分析

收稿日期：2009-07-15

作者简介：陈春朝，硕士，讲师。

本文基于LabVIEW设计的虚拟实验平台是通过以“软”代“硬”的方式，充分利用LabVIEW丰富的软件资源和计算机的硬件资源，利用LabVIEW编程效率高，易于修改的特性进行设计。应用于课堂教学和演示实验，加深学生对课本知识的理解，提高上课效率，改善教学效果。减少了对硬件仪器的依赖，节省了教学经费，同时可直接应用于多媒体教学中，将演示实验、验证性实验搬上课堂，把对学生思考能力、动手能力和创新能力的培养融合到课堂教学中。本文将通过几个实验分析虚拟实验平台设计实用性。

一、虚拟仪器及Labview 8.2

虚拟仪器的概念是美国N I 公司(N a t i o n a l Instrument)在20世纪80年代中期提出来的。所谓虚拟仪器就是以计算机作为仪器统一的硬件平台，充分利用计算机的运算、存储、回放、调用、显示及文件管理等智能化功能，同时把传统仪器的专业化功能和面板控件软件化，使之与计算机结合构成一台从外观到功能都完全与传统硬件仪器相同，同时又充分享用了计算机智能资源的全新仪器系统。与传统仪器相比，虚拟仪器有许多优点：对测试量的处理和计算可更复杂且处理速度更快，测试结果的表达方式更加丰富多样，可以方便地存储和交换测

试数据，价格低，技术更新快。它的最大特点就是把由仪器生产厂家定义仪器功能的方式转变为由用户自己定义仪器功能，满足多种多样的应用需求。由于虚拟仪器的测试功能、面板控件都实现了软件化，任何使用者都可通过修改虚拟仪器的软件来改变它的功能和规模，这充分体现了软件就是仪器的设计思想。

虚拟仪器的技术基础是计算机技术，核心是计算机软件技术。其中最有代表性的图形化编程软件是美国NI公司推出的LabVIEW(laboratory virtual instrument engineering workbench，即实验室虚拟仪器工作平台)。它是世界上第一个采用图形化编程技术的面向仪器的32位编译型程序开发系统，它的目标就是简化程序的开发工作，提高编程效率，让科学家和工程技术人员充分利用计算机的资源和强大功能，快速简捷地完成自己的工作任务，它被称为科学家与工程师的语言。

二、基于L a b V I E W的虚拟实验平台设计

LabVIEW软件设计包括前面板控件的布置和框图程序的设计。前面板的设计主要是根据用户的需要和操作的方便性进行输入输出控件空间的排布，前面板是虚拟仪器与用户进行信息交互的界面。用户可将信号通过输入控件(C o n t r o l)输入到虚拟仪器内，程序运行的结果由输出控件(I n d i c a t o r)来完成，显示到显示器或显示控件内。框图是完成程序

功能的图形化源代码，通过它对信号数据的输入和输出进行指定，完成对信号采集及分析处理功能的控制。

1.主程序设计

LabVIEW编程的最大好处是图形化编程和模块化编程，这使得编程更加直观和更加容易。为了使编程更简洁且容易修改，本文将各实验进行模块化设计，然后利用事件结构(Event Structure)实现各实验子程序的调用。在前面板上设计几个菜单式按钮，点击相应的按钮可以弹出相应实验项目的运行界面。主程序的程序前面板和框图程序如图1所示。用户可以单击说明按钮，了解试验平台的使用方法，以及各实验项目的实验方法和实验步骤。该实验平台包括自相关分析、互相关分析、频谱分析、滤波分析等实验模块，学生可以通过该实验平台学习各个实验内容，同时教师也可以将该虚拟实验平台应用于课堂教学中，帮助学生理解关于测试技术里面抽象的概念。

a.程序前面板

b.程序框图

图1 主程序前面板和程序框图

2.实验原理及相应子程序设计

(1)自相关分析：

①自相关函数的概念和性质：

x(t)是各态历经随机过程的一个样本函数，x(t+τ)是x(t)时移τ后的样本，把x(t)与x(t+τ) 相关程度可通过相关系数表示，即：

若用Rx(τ)表示自相关函数，其定义为:

正弦函数的自相关函数是一个余弦函数，在τ=0时具有最大值。它保留了幅值信息和频率信息，但丢失了原正弦函数中的初始相位信息。根据自相关的这一特点，可以实现自相关滤波，检测信号是否含有周期信号。以上理论的实现可以通过设计如图2所示的自相关函数实验模块帮助学生理解公式的含义。

图2 自相关函数实验模块

②点击主程序前面板中的“实验一”按钮即可进入“自相关函数实验”模块，调整前面板右边的“噪声幅值”即可调整噪声幅值，还可以调整信号幅值、信号频率。当滤波器打开的时候，可以选择滤波方式对叠加有噪声信号的正弦信号进行滤波，然后做自相关。混噪正弦信号也可以不经过滤波，

直接做自相关，通过自相关函数分析出正弦信号的频率和幅值。教师可以在授课的时候进行显示，使学生体会自相关的作用及其特点。学生在课下做试验过程中，可以按照“说明”的内容完成相应的步骤，记录数据，明晰实验原理，最后总结，撰写实验报告。通过该实验模块设计，学生可以较全面掌握自相分析这一知识点。

(2)互相关分析

①互相关函数的概念和性质：

对于各态历经随机过程，两个随机信号x(t)和y(t)的互相关函数Rxy(τ)定义为：

时移为τ的两信号x(t)和y(t)的互相关系数为：

在测试技术中互相关技术得到了广泛地应用，如测量系统的延时、识别、提取混淆在噪声中的信号等。学生通过学习互相关分析，可以掌握互相测量的基本方法。本实验模块将会互相关分析变得更

加直观。

图3 互相关函数实验模块

②点击前面板中的“实验二”即可打开“互相关函数实验”。学生可以在面板改变两个正弦信号的频率和相位，学生能更直观了解两个信号的相关性与互相关函数和互相关系数的关联性，进而对课本知识中的自相关和互相关有个比较清晰的理解。

(3)频谱分析

①信号及信号频谱分析的概念。信号可以从时域和频域两个方面来描述，日常工程信号通常是可测量、记录、处理的物理量，都是时间的函数。而有些信号在时域表现很复杂，转换到频域可能会很简单，比如说混合了几个不同频率的正弦信号的叠加信号，在时域里其波形特征不是很明显，转换到频域里就是简单的几根谱线，特征很明显。

频域分析是把被测信号从时域转换到频域，对信号的频率成分和幅值强度进行分析。离散傅里叶变换(D F T)是实现频谱分析的数学工具，利用LabVIEW可以很方便地实现对离散信号的频谱分析。

离散傅里叶变换公式：

离散逆傅里叶变换公式：

信号频谱分析主要是对动态信号的分析，通过基于D F T的快速傅里叶变换(F F T)把时域信号转换为频域信号，以得到信号的频率成分。

频谱分析模块设计主要是借助L a b V I E W强大的数字信号处理功能，把实际的正弦波、三角波、方波、锯齿波等信号或叠加信号进行处理，将书中的理论应用于LabVIEW虚拟实验平台中，形象、直观以助于教学。下面对程序各部分进行设计。

②前面板的设计。前面板是人机操作界面。该面板由4个波形显示器、信号选择、信号采样、调试、帮助等部分组成。在前面板的设计中，充分发挥了LabVIEW的特长。

本程序将几种常用信号的快速傅里叶变换(F F T)集成在一个应用程序中，显示出原始信号、单双边F F T变换、功率谱，以便进行简单的调试，分析。设计中采用了装饰框，使整个虚拟面板变得简洁美观，更方便教师进行课堂教学，此程序的前面板如图4(a)所示。

a.前面板

b.程序框图

图4 频谱分析模块前面板和程序框图

③程序面板的设计。程序框图与其前面板相对应，用图形编程语言G语言编写，叠加信号频谱分析的程序框图如图4(b)所示。以While Loop控制程序运行的停止时间，其内部用一个C a s e结构，便于选择不同幅值、频率的信号叠加而成新的波形信号，再通过快速傅里叶变换(F F T)得到相应的单双边F F T变换及功率谱。

④叠加信号频谱分析：当幅值1或幅值2为0时(例如其中一个幅值设置为2，频率为50H z)，通过程序运行的结果如图5(a)所示，和理式计算结果一致。当幅值1和幅值2都取值时(例如其中一个幅值设置为1，频率为100H z，另一个幅值设置为2，频率为50H z)，通过程序运行的结果如图5(b)所示，和理式计算结果一致。

a.单一信号频谱分析

b. 叠加信号频谱分析

图5 信号频谱分析

因此，通过该实验模块可以让学生深刻理解F F T 变化公式含义以及信号叠加后的频率不变性，同时了解频谱分析的作用及其特点，为以后解决工程实际问题打下基础。

三、结束语

本文利用LabVIEW提供了多种强有力的工具箱和函数库，并结合测试技术相关理论建立起虚拟实验平台。该平台的建设不仅可用于学生的实验，同时也适用于教师的多媒体教学，方便、快捷。LabVIEW 支持多种操作系统平台，在任何一个平台上开发的LabVIEW应用程序可直接移植到其他计算机上。所以每位同学可以在任意时间和地点通过一个计算机完成实验。另外，该实验平台比较容易实现网络化，且容易扩展实验，具有较强的适用性和较宽广的应用空间。

参考文献

[1]Jeffrey Travis，Jim Kring著.乔瑞萍等译 LabVIEW大学实用教程(第三版)[M].北京:电子工业出版社，2008

[2]江建军,刘继光.L a b V I E W程序设计教程[M].北京:电子工业出版社，2008

[3]李杨，郑莹娜，朱铮涛.图形化编程语言L a b V I E W环境及其开放性[J].计算机工程，1999，(25)4：63～65

[4]吕秋霞.基于LabVIEW的过程控制仿真系统的设计[J].仪表技术，2008,10