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1、 毕 业 论 文 （设 计）题目：基于LabVIEW虚拟频谱分析仪的设计学生姓名 学 号 专 业电子信息工程班 级 指导教师 学 部计算机科学与电气工程答辩日期2012年5月19日基于LABVIEW虚拟频谱分析仪的设计摘要 LABVIEW是一种有效的进行虚拟仪器设计和通信电路系统仿真的有效工具。本设计基于“硬件的软件化”思想，在对信号分析、虚拟仪器技术和声卡的实用性进行理论分析的基础上，利用虚拟仪器专用语言LabVIEW开发环境，设计了基于虚拟仪器技术的语音信号分析仪。用普通的计算机声卡代替数据采集卡，利用声卡和LABVIEW的多线程技术实现音频信号的数据采集，开发基于PC机声卡的虚拟音频信号
2、分析仪。该系统实现了数据采集、时域分析和频域分析等多种功能。其中时域分析包括实时显示波形，测量信号电压、频率、周期等参数；频域分析包括幅值谱、相位谱、功率谱和FFT变换等。实验表明：这类系统具有程序设计简单、通用性好、可移植性高、界面设计简单大方、易于操作等优点。关键词：LABVIEW；虚拟仪器；数据采集；信号分析 Design the Virtual Spectrum Analysis Instrument Based on LABVIEWAbstractLabVIEW is an effective tool in virtual electronic equipment design a
3、nd simulation of communication circuit system. This article designed a kind of voice analyzer by using LabVIEW based on the theoretical analysis of digital signal processing theories, virtual instrument technology and sound card application. Substitute commercial DAQ card with sound card, combined w
4、ith sound card and multithread technology of LABVIEW, the acquisition of volume was realized. This analyzer has realized signal functions such as data acquisition, time-domain analysis and frequency-domain analysis. The time-domain analysis includes the real-time display of the waveform, the signal
5、parameter measurements of voltage, frequency and period. The frequency-domain analysis contains amplitude spectrum, phase spectrum, power spectrum and FFT transform. The system experiments show that: this design proposal takes some advantage of easy programmer, high versatility, good transplantation
6、 and easily worked, and so on.Keywords: LABVIEW; Virtual Instrument; data acquisition; signal analysis -III-目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 研究背景11.2 虚拟仪器的特点和发展11.3 本设计的结构3第2章 虚拟仪器及LabVIEW介绍52.1 虚拟仪器的基本概念52.2 虚拟仪器的构成及分类62.3 LabVIEW简介8第3章 基于LabVIEW虚拟频谱分析仪设计与实现113.1abVIEW软件的应用方法113.2频谱分析函数的设计153.3 基于LabVIEW的
7、虚拟频谱分析仪信号发生器模块173.4 所用控件模块的设计183.5虚拟频谱仪前面板与程序框图22第四章 总结314.1 本设计小结314.2 存在的不足与展望31第4章 参考文献32第5章 致 谢33千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录” 基于LABVIEW虚拟频谱分析仪的设计第1章 绪论1.1 研究背景随着微电子技术、计算机技术、软件技术、网络技术和现代测量技术的迅速发展，一种新型的先进仪器虚拟仪器成为当前系统研究的热点。虚拟仪器通过软件开发平台将计算机硬件资源与仪器硬件有机的融为一体，把计算机强大的数据处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结
8、合在一起，通过软件实现对数据的现实、存储以及分析处理。在对大规模、集成化、智能化及数字电子仪器需求愈加迫切的形势下，计算机技术、仪器技术和通信技术相结合，产生了具有里程碑意义的新一代仪器虚拟仪器。虚拟仪器的出现开辟了仪器技术的新纪元，它是多门技术与计算机技术结合的产物，其基本思想逐步代替仪器完成某些功能，如数据的采集、分析、显示和存储等，最终达到取代传统电子仪器的目的。虚拟仪器是计算机硬件资源、仪器硬件、数据分析处理、软件、通信软件及图形用户界面的有效结合，具有传统仪器所具有的信号采集、信号分析处理、信号输出等功能。其基本构成包括计算机、虚拟仪器软件、硬件接口和测试仪器等。1.2 虚拟仪器的特
9、点和发展虚拟仪器作为一种新型的仪器种类，具有以下特点1：(1),不强调物理上的实现形式虚拟仪器通过软件功能来实现数据采集与控制、数据处理与分析及数据的显示这3部分的物理功能。其充分利用计算机系统强大的数据处理能力，在基本硬件的支持下，利用软件完成数据的采集、控制、数据分析和处理以及测试结果的显示等，通过软、硬件的配合来实现传统仪器的各种功能。(2),在系统内实现软硬件资源共享虚拟仪器的最大特点是将计算机资源与仪器硬件、DSP技术相结合，在系统内共享软硬件资源。它打破了以往由厂家定义仪器功能的模式，而变成了由用户自己定义器功能。使用相同的硬件系统，通过不同的软件编程，就可实现功能完全不同的测量仪
10、器。(3),图形化的软件面板虚拟仪器没有常规仪器的控制面板，而是利用计算机强大的图形环境，采用可视化的图形编程语言和平台，以在计算机屏幕上建立图形化的软面板来替代常规的传统仪器面板。软面板上具有与实际仪器相似的旋钮、开关、指示灯及其他控制部件。在操作时，用户通过鼠标或键盘操作软面板，来检验仪器的通信和操作。除上述特点之外，与传统仪器相比，虚拟仪器还有如下几个方面的优势。 a.虚拟仪器用户可以根据自己的需要灵活地定义仪器的功能，通过不同功能模块的组合可构成多种仪器，而不必受限于仪器厂商提供的特定功能。b.虚拟仪器将所有的仪器控制信息均集中在软件模块中，可以采用多种方式显示采集的数据、分析的结果和
11、控制过程。这种对关键部分的转移进一步增加了虚拟仪器的灵活性。c.由于虚拟仪器关键在于软件，硬件的局限性较小，因此与其他仪器设各连接比较容埸实现。而且虚拟仪器可以方便地与网络、外设及其他应用连接，还可利用网络进行多用户数据共享。d.虚拟仪器可实时、直接地对数据进行编辑，也可通过计算机总线将数据传输到存储器或打印机。这样做一方面解决了数据的传输问题，一方面充分利用了计算机的存储能力，从而使虚拟仪器具有几乎无限的数据记录容量。e.虚拟仪器利用计算机强大的图形用户界面（GUI）2计算机直接读数。根据工程的实际需要，使用人员可以通过软件编程或采用现有分析软件，实时、直接地对测试数据进行各种分析与处理。f
12、.虚拟仪器价格低，而且其基于软件的体系结构还大大节省了开发和维护费用。上述虚拟仪器的特点不仅推进了仪器为基础的界面系统改造，同时也影响了以虚拟仪器为主的图形构造方法的进化。过去独立分散、互不相干的许多领域，虚拟仪器通过软件开发平台将计算机硬件资源与仪器硬件有机的融为一体，把计算机强大的数据处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，通过软件实现数据的显示、存储和分析处理。 虚拟仪器的出现时仪器发展史上的一场革命，代表着仪器发展的最新方向和潮流，是信息技术的一个重要领域，必将对科学技术的发展和工业生产产生不可估量的影响。电子仪器发展至今，大体可分为四代：模拟仪器、数字仪器、智能仪器和虚拟仪器。
13、第一代模拟仪器如指针式万用表、晶体管电压表等，他们的基本结构是电磁机械式的，借助指针来显示最终结果。第二代数字化仪器相当普及，如数字电压表等。这类仪器将模拟信号的测量转化为数字信号的测量，并以数字方式输出最终结果，实用于快速响应和较高准确度的测量。第三代智能仪器内置微处理器，既能进行自动测试，又具有一定的数据处理，可取代部分脑力劳动，习惯上称为智能仪器。它的功能块全部是以硬件的形式存在的，无论是开发还是应用，都缺乏灵活性。第四代虚拟仪器是现代计算机技术和测量技术相结合的产物，是传统仪器观念的一侧巨大的变革，是将来虚拟产业发展的一个重要方向。虚拟仪器的功能和性能已被不断地提高，如今在许多应用中它
14、已成为传统仪器的主要替代方式。随着PC、半导体和软件功能的进一步更新，未来虚拟仪器技术的发展将为测试系统的设计提供一个极佳的模式，并且在测量和控制方面都有无以伦比的强大功能和灵活性。可广泛应用于电子测量、振动分析、声学分析、故障诊断、航天航空、军事工程、电力工程、机械工程、建筑工程、铁路交通、地质勘探、生物医疗、教学及科研等诸多方面。从1988年开始，陆续有虚拟仪器产品面市。此后，虚拟仪器产品的陆续飞速增加。1.3 本设计的结构本设计的核心内容是采用PC技术、DSP技术和LabVIEW多线程技术，实现了对声卡采集的音频信号实时、高保真的采集与处理，同时也可完成对波形生成模块产生的模拟信号的时域
15、分析和频域分析。对于虚拟频谱分析仪我们必须从虚拟仪器讲起，使大家了解虚拟仪器的背景、发展情况及其应用领域，更深一步了解到虚拟仪器的广泛应用。然后提出虚拟仪器的特点，即虚拟频谱分析仪与传统频谱分析仪相比之下的明显优势，因此研究虚拟频谱分析仪就意义深刻了。讲到虚拟频谱分析仪就首先要了解图形化设计软件LabVIEW。本设计第三章着重讲到LabVIEW软件的用法以及基于LabVIEW的虚拟频谱分析仪器所用模块和分析函数的设计，因为在虚拟频谱分析仪的设计中全部应用的LabVIEW软件，对其的研究有相当大的潜力。第四章是对虚拟频谱分析仪器实现的功能和特性以及不足之处的描述，最后对本设计过程及设计内容做了总
16、结。第2章 虚拟仪器及LabVIEW介绍2.1 虚拟仪器的基本概念传统仪器一般是一台独立的装置，从外观上看，它是一般由操作面板、信号输入端口、检测结果输出这几个部分组成。操作面板上一般有一些开关、按钮、旋钮等。检测结果的输出方式有数字显示、指针式表头显示、图形显示及其打印输出等3。从功能方面分析，传统仪器可以分为信号的采集与控制、信号的分析与处理、结果的表达与输出这几部分。传统仪器的功能都是通过硬件电路或固化软件实现的，而且由仪器生产厂家给定，其功能和规模一般都是固定的，用户无法随意改变结构和功能。传统仪器大都是一个封闭的系统，与其它设备的连接受到限制。另外，传统仪器价格昂贵，技术更新慢、开发
17、费用高。随着计算机技术、微电子技术和大规模集成电路技术的发展，出现了数字化仪器和智能化仪器。尽管如此，传统仪器还是没有摆脱独立使用和受同操作的模式，在较为复杂的应用场合或测试参加较多的情况下，使用起来就不太方便了。这三方方面的原因，是传统仪器很难满足信息时代对仪器的要求。那么如何解决这个问题呢？可以设想，在必要的数据采集硬件和通用计算机支持下，通过软件来实现仪器的部分或全部的功能，这就是设计虚拟仪器的核心思想。所谓虚拟仪器，就是在通用计算机平台上定义和设计仪器的功能，用户操作计算机的同时就是在应用一台专门的电子仪器。虚拟仪器以计算机为核心，充分利用计算机强大的图形界面和数据处理能力，提供对测量
18、数据的分析和显示功能。虚拟仪器技术给用户一个充分发挥自己的才能、想象力的空间。表2-1为传统仪器与虚拟仪器的比较一览表。表2-1 传统仪器与虚拟仪器的比较传统仪器虚拟仪器仪器厂商定义用户自己定义硬件是关键软件是关键仪器的功能、规模均已固定系统功能和规模可通过软件修改和增减封闭的系统，与其它设备连接限制基于计算机的开放系统，可方便的同外设、网络设备连接价格昂贵价格低，可重复利用技术更新慢技术更新快开发和维护费用高软件结构可大大节省开发和维护的费用多为实验室拥有个人可拥有的实验室2.2 虚拟仪器的构成及分类虚拟仪器可以由多种接口（如GPIB、VXI、PXI等）或具有这些接口的仪器，来连接构成被测控
19、对象和计算机。虚拟仪器的结构图如图2-1所示测控对象信号处理数据采集卡GPIB接口仪器VXI接口仪器图形采集仪器串行口仪器并行口仪器计算机工控机 图2-1 虚拟仪器结构虚拟仪器系统包括仪器硬件和应用软件两大部分。仪器硬件是计算机的外围电路，与计算机一起构成了虚拟仪器的硬件环境，是应用软件的基础；应用软件则是虚拟仪器的核心，在基本硬件确定以后，软件通过不同功能模块即软件模块的组合构成多种仪器，赋予系统特有的功能，以实现不同的测量功能。虚拟仪器的构成方式主要有5种类型4: 1,PC-DAQ系统 PC-DAQ系统是以数据采集卡、信号调理电路及计算机为仪器硬件平台组成的插卡式虚拟仪器系统。这种系统采用
20、计算机的PCI或工SA总线，数据采集卡直接插入计算机底板上的相应总线插槽.2,GPIB系统 GPB系统是以PB标准总线仪器与计算机为仪器平台组成的虚拟仪器测试系统。3,VXI系统 VX 6是以VXI标准总线仪器模块与计算机为仪器平台组成的虚拟仪器测试系统。4,PXI系统 PX工系统是以PXI标准总线仪器模块与计算机为仪器平台组成的虚拟仪器测试系统。 5,串口系统 串口系统是以Serial标准总线仪器与计算机为仪器平台组成的虚拟仪器测试系统。虚拟仪器硬件连接被测对象和计算机。根据不同的接口类型，虚拟仪器的硬件结构包括数据采集系统、GPIB仪器控制系统等不同部分，如图2-2所示。虚拟仪器开发环境应
21、用程序接口（Api） 设备驱动程序图2-2 虚拟软件体系结构虚拟仪器软件系统结构VISA(Virtual Instrumentation Software Architecture)主要包含两个层次：用户应用程序和设备驱动程序。如图1-2所示，设备驱动程序是联系用户应用程序与底层时间设备的基础。每一种设备驱动程序都是为曾加编程灵活性和提高数据吞吐量而设计的，每个设备驱动程序都具有一个共同的应用程序编程的接口（API）。因此，不管虚拟仪器使用什么计算机或操作系统，最终所编写的用户应用程序都是可以移植的。2.3 LabVIEW简介LabVIEW（Laboratory Virtual Instrum
22、ent Engineering Workbench）是一个完全的、开放式的虚拟仪器开发系统应用软件，利用它组建仪器测试系统和数据采集系统可以大大简化程序的设计。LabVIEW与Visual C+、Visual Basic、Lab Windows、CVI等编程语言不同，后者采用的是基于文本语言的程序代码（Code），而LabVIEW则是使用图形化程序设计语言G（Graphic），用框图代替了传统的程序代码。LabVIEW所运用的设备图标与科学家、工程师习惯的大部分图标基本一致，这使得编程过程和思维过程非常的相似56。如下图2-3所示为LabVIEW的初始界面。图2-3 LabVIEW 初始界面L
23、abVIEW包含有专门用于设计数据采集程序和仪器控制程序的函数库和开发工具库。LabVIEW的程序设计实质上就是设计一个个的“虚拟仪器”，即“VI”。在计算机显示屏 幕上利用函数库和开发工具库产生一个前面版（Front Panel）；在后台则是利用图形化的编程语言编制用于控制前面板的框图程序。程序的前面板具有与传统仪器相类似的界面，可接受用户的鼠标和键盘指令。一般来说，每一个VI都可以被其他VI调用，其功能类似于文本语言的子程序嵌套；而这种嵌套的层次，从理论上讲，是不受任何限制的7。 LabVIEW是带有可扩展函数库和子程序库的通用程序设计系统。它提供了用于GPIB设备控制、VXI总线控制、串
24、行口设备控制、以及数据分析、显示和存储的应用程序模块8。 传统的计算机语言（如C）中的顺序执行结构在LabVIEW中被并行机制所代替；从本质上讲，它是一种带有图形控制流结构的数据流模式（Data Flow Mode），这种方式确保了程序中的函数节点（Function Node）只有在获得它的全部数据后才能够被执行。也就是说，在这种数据流程序的概念中，程序的执行是数据驱动的，它不受操作系统、计算机等因素的影响。既然LabVIEW程序是数据流驱动的，数据流程序设计规定，一个目标只有当它的所有输入有效时才能够被执行；而目标的输出只有当它的功能完全时才是有效的。这样，LabVIEW中被连接的函数节点之
25、间的数据流控制着程序的执行次序，而不像文本程序受到行顺序执行的约束。从而，我们可以通过相互连接函数节点快速简洁的开发应用程序，甚至还可以有多个数据通道同步运行，即所谓的多线程（Multithreading）。 LabVIEW的核心是VI。VI有一个人机对话的用户界面前面板（Front Panel）和相当于源代码功能的框图程序（Diagram）。前面板接受来自框图程序的指令。在VI的前面板中，控件（Controls）模拟了仪器的输入装置并把数据提供给VI的框图程序；而指示器（Indicators）则是模拟了仪器的输出装置并显示由框图程序获得或产生的数据。当把一个控件或指示器放置到前面板上时，La
26、bVIEW便在框图程序中相应的产生了一个终端（Terminals），这个从属于控件或指示器的终端不能随意的被删除，只有删除它对应的控件或指示器时它才会随之一起被删除。 用LabVIEW编制框图程序时，不必受常规程序设计语法细节的限制。首先，从函数面板（Function Palette）中选择需要的函数节点（Function Node），将之置于框图上适当的位置；然后用连线（Wires）连接各函数节点在框图程序中的端口（Port），用来在函数节点之间传输数据。这些函数节点包括了简单的计算函数、高级的采集和分析VI以及用来存储和检索数据的文件输入输出函数和网络函数。 用LabVIEW编制出的图形化
27、VI是分层次和模块化的。我们可以将之用于顶层（Top Level）程序，也可用作其他程序或子程序的子程序。一个VI用在其它VI中，称之为suave， suave在调用它的程序中同样是以一个图标的形式出现的；为了区分各个suave，它们的图标是可编辑的9。LabVIEW依附并发展了模块化程序设计的概念。用户可以把一个应用任务分解成为一系列的子任务，每个子任务还可以分解成许多更低一级的子任务，直到把一个复杂的问题分解成为许多子任务的组合。首先设计suave完成每个子任务，然后将之逐步组合成为能够解决最终问题的VI。图形化的程序设计编程简单、直观、开发效率高。随着虚拟仪器技术的不断发展，图形化的编程
28、语言必将成为测试和控制领域内最有前途的发展方向。第3章 基于LabVIEW虚拟频谱分析仪设计与实现3.1abVIEW软件的应用方法一、创建新VI在启动窗口中选择“新建VI”或在已打开窗口的主菜单选择“文件-新建VI”，新建一个空白VI程序。此时，系统将自动显示LabVIEW的前面板工作界面，工具选板和控件选板出现在前面板工作界面中。在该面板中可以添加所需要的控件对象。一个VI程序，需要设计前面板、程序框图和图标/连接器这三部分。1).创建前面板在前面板窗口中，添加输入控件和显示控件。从控件选板中选择所需的输入和显示控件，按住鼠标不放，拖拽至合适位置后再松开鼠标，即可将所需控件置于前面板窗口工作
29、区。也可单击选择所需控件后，将光标移至工作区适当的位置再单击，同样可以将所需控件置于工作区。在已添加到前面板窗口工作区的控件上单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中选择项目可以对该控件的参数进行配置。2).创建程序框图创建前面板后，前面板窗口中的空间在程序框图窗口中对应为接线端。在前面板窗口的主菜单选择“窗口显示程序框图”（快捷键为），或者直接双击所添加的框图对象，即可将前面板的设计界面切换到程序框图窗口，即程序框图的创建界面。在该界面中将会自动显示函数选择面板，从该面板中可以选择或添加所需要的函数对象、变成对象等各种喝编程有关的函数对象。在程序框图窗口中创建于前面板对象相对应的程序框图时，需要在改
30、程序框图界面中添加节点对象和应用连线连接各对象。3).创建图标/连线板(1)创建图标创建VI图标就是使用图标编辑器对VI图标进行编辑。在VI图标上单击鼠标右键，从弹出的快捷菜单中选择“编辑图标”，进入图标编辑器窗口，即可使用图标编辑工具设计修改图标。第1步：可以选择保留LabVIEW自带的图标图形，在此基础上进行修改；也可以通过菜单选项“编辑清除”，清除所有图形，再在空白工作区编辑图标。第2步：在图标编辑工具中单击前景色或背景色，通过颜色宣办设置前景色或背景色。第3步：使用画笔、直线、填充、矩形、填充矩形或文本工具，在编辑区内添加前景颜色图案组成图标。选择画笔、直线等工具，在图形编辑区点击或拖
31、动可以添加前景颜色的图案，再次点击或拖动则可删除前景色。第4步：图标编辑完成后，单击图标编辑器右侧的“确定”按钮，保存几经编辑好的图标。(2)创建连线板在前面板窗口的VI图标上单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中选择“显示连线板”，切换到连线板状态。创建连线板包括选择连线板接线端模式、设置连线板接线端、将连线板中接线端分配至前面板控件。从连线板的右键快捷菜单选项“模式”中选择一个连线板接线端模式。如果与前面板中的控件不匹配，可以通过连线板的右键快捷菜单中的“添加/删除接线端”来设置接线端，直至前面板中的控件匹配。将接线端分配至前面板控件上输入控件和显示控件的具体操作为：选择连线工具（或使用自动选择
32、工具），将光标移至连线板接线端并单击左键，表示将分配完成。此时连线板中接线端的颜色和控件数据类型一致。二、编辑VI在前面板和程序框图窗口中。使用工具栏和工具板中的工具，可以对VI进行编辑。1).选择单个对象在工具选板中选择定位工具，将光标置于目标对象上并单击，如果对象周围出现流动虚线选框，则表示该对象已被选中。2).选择对个对象使用定位工具选择多个对象有两种方法。一种是：在需要的对象外的空白区域，按住鼠标左键并向右下方拖拽，画出一个虚线框。此时，虚线框中的多个对象被选中。这种方法也用于选择单个对象。另一种方法是：按住键不放，再用鼠标逐个单击要选择的对象，直至所有对象均被选中；若要去掉选择的某个
33、对象，只需再单击该对象一次。用这种方法选择时需要注意，在整个过程中，都要按住键不放，直到选择完毕。3).改变单个对象大小使用定位工具将光标置于目标对象上，目标对象两侧或四周出现小方框，哪个方向出现小方框就表示目标可以向那个方向改变大小。4).对齐和分布对象选中多个对象，再用工具栏中的对齐对象工具和分布对象工具来调整对象的对齐方式和分布方式。5).改变多个对象大小使用前面板工具栏中的调整对象大小的工具，可以调整对个对象的大小。6).组合、锁定对象使用排序工具中的“组合”选项可以将多个对象组合成为一个对象，以便于对这些对象进行同步操作。如果对象的所有操作均已执行完毕，使用“锁定”选项可以锁定对象，
34、以避免误操作。对被锁定的对象不能再进行任何操作；如果要进行修改，需要先使用“解锁”选项解除锁定状态，才能进行下一步操作。三、运行调试VI创建或编辑完一个VI对象后，需要通过调试来排除VI对象中的问题。完成调试后，可以通过运行来检查所编写VI的功能。1).运行VI在运行VI程序之前，必须要保证VI程序没有语法错误且处于可运行的状态。VI处于可运行状态时，工具栏中的运行按钮显示为。在创建程序框图连线时提到，如果VI程序中有断线，VI是不可执行的；要使VI能够运行，必须保证VI程序中的所有节点和前面板接线端都连接正确。在VI断开的情况下，单击按钮或选择主菜单“查看错误列表”，弹出“错误列表”对话框，
35、可以查找原因。在错误列表框对话框中单击“显示错误”或双击某个错误描述，可高亮显示程序框图或前面板中包含该错误的区域。导致VI断开的常见的原因有：（1）数据类型不匹配或存在没有连接的连线端，导致程序框图中含有断线。（2）必须连接的程序框图接线端没有连线。有些节点或子VI的一些输入或输出接线端必须连接，不能置空。（3）子VI处于断开状态，或在程序框图上放置子VI后有对子VI的连线板进行了修改而没有更新。除了VI程序断开问题外，运行中还有可能出现警告。如果VI中含有警告且错误列表窗口中的“显示警告”复选框被勾选，工具栏将包含警告按钮。警告并不妨碍VI运行，它仅帮助用户避免VI中可能存在的问题。2).
36、调试VI若在运行VI后得到了非预期数据，或希望更多的了解程序框图数据流可以利用调试技术了解程序运行的过程，以发现并纠正VI或程序框图数据流的问题。a,高亮显示执行过程单击程序框图工具栏中的高亮显示执行过程按钮，可以查看程序框图的动态执行过程。该工具通过沿连线移动的圆点显示数据在程序框图上从一个节点移动到另一个节点的过程。使用高亮显示执行过程的同时，结合单步执行，可以查看VI中的数据从一个节点移动到另一个节点的全过程。b,保存连线值单击程序框图工具栏中的保存连线值按钮，可以再程序运行时保存流过连线的数据流的值。c ,单步执行单步执行可以查看VI运行时程序框图上的每个执行步骤。单步执行按钮仅在单步
37、执行模式下影响VI或子VI的运行，在运行模式下不影响VI的运行。单击程序框图工具栏中的开始单步执行按钮和开始单步执行按钮按钮进入单步执行模式。将光标移至单步步入、单步步过活单步步出按钮上，可以看到一个提示框，提示框中描述了单击按钮后下一步的执行情况。d,探针使用探针工具可以查看流过连线的数据。在程序框图工具板中选择探针数据按钮，将光标放置在对象上，或右键单击连线从弹出的快捷菜单中选择“自定义探针通用探针”，即可使用通用探针。e ,断点使用工具板中的断点工具可以再程序框图上的VI、节点或连线上设置一个断点，使程序运行到断点时暂停执行。在连线上设置断点后，数据流过该连线后程序将暂停执行。在程序框图
38、上设置一个断点，是程序框图在所有节点执行后暂停执行。VI暂停于某个节点或连线上的断点时，程序框图窗口将作为当前窗口弹出，同时一个选取框将高亮显示含有断点的节点或连线。将光标移动到断点上时，断点工具光标的黑色区域变成白色4。3.2频谱分析函数的设计程序框图最外层是一个while循环，保证输出波形的连续性。波形进入后，首先进入一个选择结构，此结构内部是窗函数10，可以选则合适的窗函数，各种窗函数的性能各不相同，表3-1是五种窗口性能的比较。表3-1 五种窗口性能的比较窗口名称主瓣宽度第一旁瓣对主瓣的幅度设计滤波器阻带最小衰减矩形窗4/N-13db-21db汉宁窗8/N-31db-44db汉明窗8/
39、N-41db-53db布莱克曼窗10/N-57db-74db凯塞窗12/N-57db-80db对窗口的要求有：窗谱的主瓣宽度尽可能窄，是所设计的滤波器有较陡的过渡带。窗谱最大的旁瓣相对于主瓣尽可能的小，使所设计的滤波器的幅频特性中尖峰和振荡减少，阻带衰减增大。在选择窗时，尽可能按照上述要求。对随机信号用FFT算法求出傅里叶频谱，可以分别表示谱的实部和虚部，那么也可以得到信号幅度谱的表达式以及相位表达式11。 = (3-1)=arc tan (3-2)谐波分析重点在于测量周期信号波形的畸变情况。谐波分析需要测量的值包括总谐波失真THD、基波信号相对噪声或谐波信号的均方根比例。谐波失真THD是谐波
40、分量的幅值和基波幅值的相对量。假如基波的幅值是A1,而二次谐波的幅值是A2,三次谐波的幅值是A3.N次谐波的幅值是AN，总的谐波失真THD为： THD= (3-3)用百分数表示的谐波失真(%THD)为： %THD=100* (3-4)对于周期信号(t),因 (t)= (3-5)可得到 =+ (3-6)所以对周期信号可以用功率谱描述其功率特性。对于非周期功率信号，可以定义一个功率密度函数,即单位频率的信号功率。从而信号的总功率为 (3-7)若信号的频谱函数为，则由怕赛瓦尔定可知 (3-8)比较式(3-7)和式(3-8)有 (3-9)对于非周期功率信号可用功率谱密度函数描述其功率的频率特性，并称之
41、为功率谱函数。3.3 基于LabVIEW的虚拟频谱分析仪信号发生器模块虚拟频谱分析仪器的总体设计方案如图3-1，虚拟频谱分析仪是由数据采集卡12、计算机和在其上运行的LabVIEW开发应用软件组成，如图所示。被测网络数据采集卡用LabVIEW开发的应用软件计算机被测信号激励信号图3-1 虚拟频谱分析仪器的总体设计方案虚拟频谱分析仪利用数据采集卡的模拟输入和模拟输出两个功能，用模拟输出功能产生所需的激励信号，并将其加到被测网络上，再用两个模拟输入通道将激励信号和网络输出端的响应信号同时采集到计算机中，经处理后，构成幅频和相片特性曲线，并显示在计算机屏幕上，最后对模拟生成的信号进行分析，在计算机屏
42、幕上输出模拟信号的幅频/相频特性。本设计的虚拟频谱分析仪由周期性信号发生器、音频信号采集、信号幅频/相频特性、频谱分析结果四个子模块组成。信号发生器子模块生成两路模拟输入信号，一路是可调频率、相位和振幅的正弦信号，另一路是指可调频率、相位和振幅的余弦信号，最后利用信号合成器把两路信号混合起来作为生成的2路模拟信号；音频信号的采集是通过话筒来传输外界声音信号，再利用PC机上的声卡采集该声音信号并将其转换成计算机可以识别的数字信号；频谱分析和滤波器子模块利用LabVIEW强大的数字信号处理功能，对这组数据进行滤波、加窗、FFT运算处理，得到信号的实部谱和虚部谱，最重要的是得到信号的幅频特性曲线和相
43、频特性曲线；在频谱分析的结果子模块中，对生成信号的频谱进行分析，并将均方根值、一个周期内的信号均值等参数在系统退出时保存到文本文件中。其中，在滤波设置中可以控制滤波的通过方式以及截止频率，最后显示出频谱分析结果，系统退出时提示保存当前数据到文本文件。3.4 所用控件模块的设计(1) 波形生成子模块要进行频谱分析，首先得生成模拟信号，采取系统的两个子模块：Sine waveform. VI和Squarewaveform.VI生成2路模拟输入信号，为了实现模拟信号的频率、相位和幅度的调节增加的几个控制输入，如图3-2和3-3所示。图3-2 正弦波发生模块 图3-3 方波发生模块输入引脚和输出引脚完
44、全相同，offset是指波形的偏移量，一般不进行设置；reset signal是一个布尔型的输入控制，若加载为True时则可以复位波形，若为False则不对波形进行复位；frequency是指生成信号的频率；amplitude是指想要生成信号的振幅；phase是指生成信号的相位；error in和error out是指当程序有异常发生时的输入和输出；sampling info是指要生成信号的采样率，缺省设定为1000，即一秒采样1000个点；Duty Cycle即占空比，是指一串理想的脉冲序列中(如方波)，正脉冲的持续时间与脉冲总周期的比值。(2) 音频信号采集音频信号的采集是通过话筒来传输外
45、界声音信号，再利用PC机上的声卡采集该声音信号并将其转换成计算机可以识别的数字信号13。本设计采用系统的音频采集子模块，如图。该模块有6个输入引脚和2个输出引脚。6个输入引脚分别如下：Sample rate引脚表示采样率；Lasting time引脚表示持续采样的时间；error in(no error)引脚是对在执行到这个VI之前若是发生错误条件的描述；Bits per sample引脚表示分辨率；Device引脚表示设备号；Number of channels引脚表示通道数量。2个输出引脚如下：error out引脚指子VI执行错误时的输出信息；Data output引脚是指数据的输出。(3) 波形分析子模块 LabVIEW提供了丰富的波形频谱分析工具，最典型的就是Amplitude and Level Measurement.VI，它的参数对话框中共分为4个区域，分别是要求进行的幅值特征值求取的项目(Amplitude Measurements)、当前信号幅值求取的结果(Results)、输入信号预览窗口(Input Signal)和加窗后信号预览窗口(Result Signal)，其中最重要的是幅值特征值求取项目的设置，需要求取哪个特征值，就在它前面划勾，Amplitude and Level Measurement.VI自动在其图标中添加这一输出端口14。频谱分析Amp