基于LabVIEW的虚拟频谱仪的设计与实现

I摘要LabVIEW是一种有效的运用虚拟仪器设计技术来进行虚拟仪器开发的计算机应用软件，本设计是在计算机的平台上，把虚拟仪器技术、信号与系统分析和LabVIEW软件等相结合而设计出的虚拟频谱仪，其主要目的是对信号进行频谱分析。用LabVIEW软件自身产生的仿真信号模块发出信号，并通过LabVIEW软件内的其他模块来实现信号的采集、滤波、傅里叶变换和频谱分析。利用LabVIEW软件来设计虚拟仪器，可以利用其图形化的编程语言，灵活的编程思维，设计出不同功能的虚拟仪器。在工业生产中，虚拟仪器的应用为信号和数据的测量及控制提供了方便，它可以代替一些传统的测量仪器来实现对信号的分析与处理功能，在这种情况下，对节约成本、提高资源效率要求极高的社会来说，虚拟仪器的发展为人们带来了很大社会效益。关键词：LabVIEW；虚拟仪器；信号生成；信号采集；信号分析IIThedesignandimplementationofVirtualSpectrumInstrumentBasedonLABVIEWABSTRACTLabVIEWisakindofeffectiveusingvirtualinstrumentdesigntechnologyforvirtualinstrumentdevelopedofcomputerapplicationsoftware,thisdesignisintheplatformofcomputer,combiningwithvirtualinstrumenttechnology,signalandsystemanalysisandtheLabVIEWsoftwaretodesignavirtualfrequencyspectruminstrument,itsmainpurposeisthespectrumanalysisforthesignal.UsingtheLabVIEWapplicationsoftwaremodulesendsasignaltotheothermodules,andthroughtheLabVIEWsoftwareachievethesignalacquisition,filtering,Fouriertransformandspectrumanalysis.UsingLabVIEWsoftwaretodesignthevirtualinstrument,youcanalsousethegraphicalprogramminglanguage,theflexibleprogramthinking,todesignthedifferentfunctionofvirtualinstrument.Inindustrialproduction,theapplicationofvirtualinstrumentforthesignalandthedataofmeasurementandcontrolprovideaconvenient,itcanreplacesometraditionalmeasuringinstrumentstoachievethefunctionofsignalanalysisandprocessing,inthiscase,savingthecostsandimprovingtheefficiencyofresourcerequirementtothesociety,thedevelopmentofthevirtualinstrumentforthepeopleareallbringgreatsocialbenefittopeople.KEYWORDSLabVIEW;VirtualInstrument;signalgenerated;signalanalysisIII目录摘要...................................................IABSTRACT................................................II1绪论..................................................II1.1研究背景..........................................11.2虚拟仪器的特点及发展..............................11.3本设计的结构......................................22虚拟仪器及LabVIEW软件介绍............................42.1虚拟仪器的简介....................................42.2虚拟仪器的构成....................................52.3LabVIEW简介.......................................53虚拟频谱仪的功能介绍...................................83.1虚拟频谱仪的工作原理..............................83.2虚拟频谱仪的设计..................................84基于LabVIEW的虚拟频谱仪的设计与实现...错误!未定义书签。4.1虚拟频谱仪的整体设计..............错误!未定义书签。4.2软件部分设计......................错误!未定义书签。4.3仿真信号的频率分析17IV结论....................................................20参考文献................................................2211绪论1.1研究背景随着科学的发展，人们对电子科技的需求也越来越高，特别在研发生产中，人们要对各种产品的功能要有足够的了解才能得到灵活运用，尤其在产品的调试阶段，人们往往需要借助一些仪器工具来对产品进行测量控制，在工控、消费电子、智能家电的生产过程中，我们往往需要用仪器来帮助我们来完成产品的设计，甚至需要专门的测试仪器。例如我们常见的示波器、滤波器、频谱仪、模拟信号发生器等都可以帮助我们实时的掌握被测控对象的运行信息，但他们都是传统的仪器，传统仪器往往会受到功能单一、价格昂贵的限制，所以市场上这类电子产品的需求并不高，人们需要一种成本低，功能强的仪器来代替传统仪器，所以虚拟仪器技术就在这个背景下被发展起来了。虚拟仪器是通过LabVIEW软件(可安装在计算机上的应用软件)开发平台将计算机的硬件资源与传统电子仪器仪表的设计理念整合起来，在计算机硬件平台的支持下，通过软件来实现信号的产生、分析和处理，并能在软件窗口内显示结果，达到方便人们测试产品、实时掌握被控对象的效果。虚拟仪器的出现开辟了仪器测量技术的新理念，虚拟频谱仪的设计就是在这个理念下产生的，它可以替代传统的虚拟频谱仪器来实现信号的测量，频谱分析处理和输出显示结果等功能，大大降低了生产成本，为人们实时掌握信号变化提供了方便。1.2虚拟仪器的特点及发展1.2.1虚拟仪器的特点虚拟仪器是利用计算机的软硬件资源平台和应用软件的兼容性[1]，通过软件编程来实现信号或者数据的采集及处理。虚拟仪器是在LabVIEW的软件窗口内，采用可视化编程语言和控制，用软件窗口的控制面板来取代传统的控制面板的仪器仪表。软件窗口控制面板上不仅设置了传统仪器控制面板相似的按键、旋钮等2控件，而且还具有类似于我们C语言中的for循环、while循环、条件选择等编程语言结构控件。在操作时，用户可通过鼠标或者键盘来操作软件窗口，来完成用户想要的虚拟仪器软件设计。1.2.2虚拟仪器相比于传统仪器的优势虚拟仪器相比与传统仪器还有如下几个方面的优势：1,与传统仪器的功能是由生产厂家定义而受限于生产厂家相比虚拟仪器的功能是用户自己来定义的。2,虚拟仪器技术关键在于软件编程的多样性和合理性，受硬件的局限性很小，因此虚拟仪器可以方便的与其他设备建立连接，还可以通过网络进行多个用户的信息共享。3,虚拟仪器可以直接对数据进行编辑，利用计算机足够的数据存取容量把数据通过计算机总线传输给存储器或者打印机，能够对数据进行实时传输和存储。4,具有一个完美的仪器控制模块的虚拟仪器，具有很大的灵活性，可以使用多种方法显示，并进行数据采集，控制过程分析。5,虚拟仪器是基于软件开发的仪器测试技术，设备材料利用率低，降低了开发及维护的成本。1.2.3虚拟仪器的发展虚拟仪器和相对于传统仪器而体现的优点不仅促进了虚拟仪器的发展，同时也充分发挥了计算机操作系统的兼容性和数据处理能力，用软件使其发挥更多功能的作用，推进仪器测量技术的的飞速发展。不论是在国内还是国外，虚拟仪器的便捷性和灵活性受到了工程师们的欢迎，在这种大背景下，虚拟仪器正朝着高速、高效、高可靠性和高精度的方向发展。1.3本设计的结构本设计的核心任务是利用LabVIEW软件来设计虚拟频谱仪，来实现测试信号的产生、采集、滤波、傅里叶变换和频谱分析。本设计首先介绍了虚拟仪器的研究背景和应用，然后介绍了虚拟仪器的特点、优势和发展情况；本文第2节详细介绍了虚拟仪器的概念和LabVIEW软件的应用介绍；第3节介绍了本次毕业设计虚拟频谱仪的功能原理和功能分析方法；第4节介绍了虚拟频谱仪的设计生成过3程及具体步骤；并在结论中为整编论文做了总结。42虚拟仪器及LabVIEW软件介绍2.1虚拟仪器的简介传统的仪器主要由控制面板，信号的输入和输出端口和显示屏等几个部分组成。操作面板有开关、旋钮、刻度值、选择按键等。检测结果一般会通过数字、图形显示在屏幕上，也可以通过打印输出。由于传统仪器的软件和硬件电子电路都固化在仪器实现控制功能，功能单一，用户的灵活程度低，并且传统仪器的功能更新慢，开发成本高，随着技术的提高，人们就又发明了智能化的仪器，但是智能化仪器仍然没有摆脱单一功能的限制。由于这些原因，传统仪器仪表已经难以满足人们的需求，开发人员要解决这个问题，就希望只是在必要的硬件支持下，可以通过软件来做成测试仪器，于是就产生了虚拟仪器的设计理念。虚拟仪器就是由用户自己定义虚拟仪器的功能，相当于一套专门为用户定制的仪器。人们在利用虚拟仪器设计软件在计算机上运行时也就是在操作一台具有特定作用的测量控制仪表仪器。表2-1为传统仪器与虚拟仪器的比较一览表，见下页。表2-1传统仪器与虚拟仪器的比较传统仪器虚拟仪器硬件是关键软件是关键仪器的功能出厂即固定仪器的功能用户可自定义系统是封闭的，与其他设备连接有局限性开放系统，可方便同网络设备及外设连接价格昂贵，功能单一价格低，功能多技术更新速度慢技术更新速度快开发和维护成本高开发和维护成本低多为专业实验室拥有个人实验室2.2虚拟仪器的构成虚拟仪器包括硬件资源(计算机硬件接口设备)和软件资源(设备驱动软件5和虚拟控制面板)两部分组成。硬件资源是虚拟仪器软件资源的基础。应用软件资源则是虚拟仪器的核心内容，软件资源里面包含丰富的函数库和功能模块，通过不同的功能模块组合成具有不同功能的仪器，以实现不同的测量和控制功能。虚拟仪器软件具有相对直观化的用户应用程序和接近底层驱动的设备驱动程序两部分。如图2-1所示，设备驱动程序是连接应用程序与底层设备的基础。通过接口api来实现设备驱动程序和开发环境的连接，从而实现硬件设备的控制。图2-1虚拟软件体系结构2.3LabVIEW简介2.3.1LabVIEW知识简介LabVIEW(LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench)是由美国国家仪器（NI）公司编写开发的。它与VisualBasic语言、C语言、Java语言等的编程风格不同，后者是运用文本语言编写的程序代码，而LabVIEW则是运用图形化的编程语言来编写的,它是用图形控件来代替了文本程序代码。而且La