虚拟仪器在信号处理和教学实验中的应用
摘要
本文介绍了LabVIEw 图形化软件设计的虚拟仪器在信号处理和电机性能测试中的应用。该仪器具有采集、数据处理分析、结果显示、网络化等功能，用于测试时，能马上给出测量系统特性曲线，还可将输出波形／数据加以保存以便查阅或打印。同时在实验过程中省去了繁杂的记录数据、输人数据等中间过程，仪器网络化的实现，不仅解决了高校仪器投资成本高的问题，而且提高了我们的积极性和实验的灵活性，充分体现了该虚拟仪器的优越性。针对测试技术课程实验教学设备不足、概念抽象、计算繁杂等困难，基于目前兴起的虚拟仪器技术，设计了信号处理计算机模拟实验系统。该系统应用于实验教学，效果显著。
关键词：虚拟仪器；数据处理；网络化；LabVIEW PCI一6013
目录
0 引言 (1)
1 虚拟仪器的概念 (2)
1．1 虚拟仪器的4大优势 (2)
1．2 什么是LabVIEW (3)
1．3 虚拟仪器技术的应用领域 (4)
1．4 小结 (4)
2 虚拟仪器用于信号处理 (5)
3 虚拟仪器用于电机测试 (7)
3．1 频率、功率因数及输入功率的计算 (7)
3．1．1 频率的计算 (7)
3．1．2 有功功率的计算 (7)
3．1．3 转差率计算 (8)
3．2 虚拟仪器面板设计 (8)
4 测试仪器的网络化 (11)
5 在实验教学中的应用 (13)
6 结论 (14)
参考文献 (15)
致谢 (16)
0 引言
测试技术、计算机技术、通信技术、网络技术的快速发展，使得测控仪器的性能更趋于向智能化、多功能化、多样化、灵活性强的方向发展，然而成本也是设计、购买仪器所必须考虑的一个问题，因此在充分保证仪器性能的前提下应将成本降到最低。
虚拟仪器技术的出现为解决这一问题提供了有利条件，虚拟仪器是具有虚拟仪器面板的个人计算机测试仪器，可由通用PC机，模块化功能硬件和控制软件组成，具有良好的直观性、较强的代码复用性，修改或增加功能灵活，易于实现网络化。操作人员通过显示屏上的虚拟仪器面板，完成对各种被测信号的采集与控制、分析与处理、显示与输出。
目前，高校学生人数大大增多，以往的实验仪器已经远远不能满足需求，而要增强学生的动手与实践能力，必须为学生提供良好的实验条件，但大量的设备投资成本又是面临的一大问题，而将虚拟仪器技术用于实验可增强学生的积极性、趣味性、实验的灵活性，同时大大降低成本，如今虚拟仪器技术用于数据采集和实验中已经成为一大趋势。NI公司的LabVIEw 及其技术在中国的推广为创建虚拟仪器提供了强有力的支持，它是一种图形化软件编程平台，把复杂、烦琐、费时的语言编程简化成用菜单或图标提示的方法选择功能，并用线条把各种功能图标连接起来的简单编程方式。LabVIEw 中集成了大量生成图形界面的模块，以及多种硬件设备驱动功能(包括RS 232，GPIB，VXI，数据采集板卡、网络等)，提供了功能强大的数学分析库，包括统计估计、回归分析、线性代数、信号生成
算法口等，可满足信号处理和电机试验中各种数值计算和分析的需要，使复杂的测试与测量任务变得简单易行。
1 虚拟仪器的概念
所谓虚拟仪器，就是在以计算机为核心的硬件平台上，配合相应的输入／输出接口，具有计算机显示器的虚拟面板，信号处理功能则由软件来实现的一种计算机仪器系统其突出特点是打破了传统仪器的封闭性，把仪器的绝大部分硬件变成计算机上的文件；用户可以自行定义、自行设计、自行组建自己需要的仪器，并可将组建的多种仪器存放在计算机的仪器库中，配以数据通信卡和传感器，构成功能、性能、外观和操作方式都和传统仪器相同或超过传统仪器功能的新概念仪器系统。虚拟仪器的实质就是利用计算机强大的软件功能实现信号调理及数据的运算、分析和处理，利用相应接口设备完成信号的采集、输入／输出，从而完成各种仪器功能。决定虚拟仪器超越传统仪器的根本原因，在于“虚拟仪器的关键是软件”。虚拟仪器的出现是仪器发展史上的一场革命，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，对科学技术的发展和工业生产将产生不可估量的影响
目前最具代表性的虚拟仪器系统是美国NI公司(National Instrumets)的图形化开发平台LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Work—bench)。
1．1 虚拟仪器的4大优势
一、性能高
虚拟仪器是在PC技术的基础上发展起来的，所以完全“继承”了以现成即用的PC技术为主导的最新商业技术的优点，包括功能超卓的处理器和文件I/O，使您在数据导入磁盘的同时就能实时地进行复杂的分析。随着数据传输到硬驱功能的不断加强，以及与PC总线的结合，高速数据记录已经较少依赖大容量的本地内存。以一台60G的示波器为例，在采用虚拟仪器技术的情况下，构建这样一台示波器是相当简单的，只要将一台基于PC的数字转换器放置在PC机中，就能以高达每秒100MB的速度将数据导入磁盘。
虚拟仪器技术的另一突出优势就是不断提高的网络带宽。因特网和越来越快的计算机网络时的数据分享进入了一个全新的阶段，将因特网和NI的软硬件产品相结合，您就能够轻松地与地球另一端的同事共享测量结果，分享“天
涯若比邻”的便捷。
二、扩展性强
NI的软硬件工具使得工程师和科学家们不再圈囿于当前的技术中。得益于NI 软件的灵活性，只需更新您的计算机或测量硬件，就能以最少的硬件投资和极少的、甚至无需软件上的升级即可改进您的整个系统。在利用最新科技的时候，您可以把它们集成到现有的测量设备，最终以较少的成本加速产品上市的时间。
三、开发时间少
在驱动和应用两个层面上，NI高效的软件构架能与计算机、仪器仪表和通讯方面的最新技术结合在一起。NI设计这一软件构架的初衷就是为了方便用户的操作，同时还提供了灵活性和强大的功能，使您轻松地配置、创建、部署、维护和修改高性能、低成本的测量和控制解决方案。
四、完美的集成
虚拟仪器技术从本质上说是一个集成的软硬件概念。随着产品在功能上不断地趋于复杂，工程师们通常需要集成多个测量设备来满足完整的测试需求，但是这些不同设备间的连接和集成总是耗费大量时间，不是轻易可以完成的。NI的虚拟仪器软件平台为所有的I/O设备提供了标准的接口，例如数据采集、视觉、运动河分布式I/O等等，帮助用户轻松地将多个测量设备集成到单个系统，减少了任务的复杂性。为了获得最高的性能、简单的开发过程和系统层面上的协调，这些不同的设备必须保持其独立性，同时还要紧密地集成在一起。NI的结构可以使开发者们快速创建测试系统，并随着要求的改变轻松地完成对系统的修改。得益于这一集成式的构架带来的好处，您的系统可以更具竞争性，因为您可以更高效地设计和测试高质量的产品，并将它们更快速地投入市场。1．2 什么是LabVIEW
LabVIEW是美国National Instrument Corporation公司研制的图形编程虚拟仪器系统。主要包括数据采集、控制、数据分、数据表示等功能，它提供一种新颖的编程方法，即以图形方式组装软件模块，生成专用仪器。LabVIEW由面板、流程方框图、图标/连接器组成，其中面板是用户界面，流程方框图是虚拟仪器源代码，图标/连接器是调用接口(Calling Interface)。流程方框图包括输入/
输出（I/O）部件、计算部件和子VI部件，它们用图标和数据流的连线表示；I/O部件直接与数据采集板、GPIB板、或其他外部物理仪器通信；计算部件完成数学或其他运算与操作；子VI部件调用其他虚拟仪器
1．3 虚拟仪器技术的应用领域
虚拟仪器不但可以完成几乎所有传统仪器的功能，而且其功能比传统仪器更为先进。如网络化仪器、一机多用、实时更换更新，在信号调理、数据分析、数据存储、数据显示等多个方面，都具有传统仪器无法相比的优越性。虚拟仪器有广泛的应用范围，其中最典型的是信号测试及信号处理领域。
探讨虚拟仪器应用于教学的方式，可弥补有关教学、实验环节的相关不足，使虚拟仪器的强大功能在在教学领域进一步获得应用
1．4 小结
虚拟仪器是当前国内外刚刚起步的研究领域，许多高技术公司和研究所都看好这一市场应用前景，纷纷投入大量的人力、物力和财力，加紧开发与研究。虚拟仪器是多媒体计算机的一个重要应用领域，是多学科交叉、渗透的产物，其中浓缩了许多高、精、尖的科学技术。虚拟仪器不是仪器却高于仪器，它大大缩短了新型仪器的开发周期，节省了仪器开发的费用，它不仅是开发仪器的工具，而且也是进行科学研究的有力手段。虚拟仪器是仪器计算机化的产物，是集成化仪器的基础，是仪器行业的一场革命，它的研制与开发具有深远
2 虚拟仪器用于信号处理
信号处理是测试的一个重要环节，只有通过这个环节才能获取反映被测对象状态和特征的明确信息，这也是能充分体现虚拟仪器在测试中巨大优势的一个环节嘲，其系统图如图1所示。
图1 信号处理系统图
信号发生器可为以后的各个实验提供一个信号源,LabvIEw 中的Serial Generation．vi模板中有一组vI可产生各种常见波形信号，可方便快捷地构造一台多通道信号发生器，但使用时，设置的输人数字频率，应满足f=fa/updaterate 其中fa 是输入信号的模拟频率。频率响应函数是描述测试系统动态特性的重要参数，它是系统输出与输入的傅立叶变换之比，用LabvI 的Transfer Function．vi可以计算频率响应函数。它返回两个参数，一个是频率响应函数的模(frequency response Mag)，即被测系统的幅频特性；另一个是频率响应函数的幅角(frequency response phase)，即被测系统的相频特性。LabvIEIW 开发环境内有大量的数字滤波vI，在实验中常选比较有典型意义的巴特沃斯(Butterworth)和切比雪夫(Chebyshev)滤波器。根据选频要求分别将它们设置为低通、高通、带通和带阻型滤波器。
实验时用冲激函数Impulse Pattern．vi作为系统激励信号，它具有无限宽广的频谱，用各种数字滤波器作为测试系统。这样既掌握了频率响应函数的测试方法，又了解了各种数字滤波器的频率响应特性。进行相关函数实验时，信号发生器将正弦波信号与白噪声信号迭加在一起送出，实验系统利用数字滤波器的选频作用得到各种典型信号，然后进行自相关分析。进行互相关函数实验时信号发生器由两个信道送出正弦波信号，在程序运行中调整它们的频率和相
位，测试出相关函数，并验证同频相关、不同频不相关和正弦与余弦不相关等相关理论。
这部分实验的大多内容也可脱离硬件来进行模拟实验，方法是由信号发生器程序产生信号，在软件内部将数据传递给数字信号处理系统，这样将大大降低实验成本。
3 虚拟仪器用于电机测试
测试系统结构如图2所示，将被测电机的三相电压、三相电流通过电量传感器输入到A／D，另外，转矩信号和转速信号也通过传感器接到A／D。A／D采用PCI一6013卡，它提供16位精度，16路单端或8路差分模拟输入，提供8路数字I／O，2个24位计数器／定时器，2路16位模拟输出。PCI一6013卡有1 000 GQ的输入电阻，保证干扰电流不会影响流人信号，大大提高了数据精确度。另外，它附带的DAQ驱动软件提供支持LabVIEW 和其他多种应用程序的强大编程接口
图2 测试程序结构图
3．1 频率、功率因数及输入功率的计算
通过现场采集的三相电压及对应的三相电流信号波形计算出电源的实际频率、电动机的功率因数和输人功率。
3．1．1 频率的计算
根据现场采样的电压信号进行峰峰检测，得到两个峰值之间的采样数据长度，然后由采样数据长度除以A／D的实际采样率得到实际的电源频率。根据现场采集的电压、电流信号，应用LabVIEW 中提供的数学计算及信号处理工具即可计算出三相异步电动机的功率因数。这种测量方法的明显优点是所计算的电压、电流相位差与A／D的测量数据长度和采样速率的关系不大，(在满足奈奎斯特采样定理的前提下)提高了测量的精度。
3．1．2 有功功率的计算
根据采样电压、电流信号的数据，检索电压及电流的幅值。根据幅值计算
出电压、电流的有效值，将电压、电流有效值的乘积再乘以功率因数得到有功功率，该功率即为被测电机的输入功率。
3．1．3 转差率计算
根据采样电压波形信号计算出电源实时频率。由实测电源频率计算出电动机的实际同步转速，并通过测量的被测电机的转速信号计算出转差率，这样，可防止和减小由于电源频率波动而引起的转差率的测量误差。
3．2 虚拟仪器面板设计
数据显示板如图3所示。虚拟仪器前面板的界面类似于实际仪表的操作面板，通过虚拟仪表可以对各个采样点及计算数据进行实时跟踪显示，可通过虚拟示波器实时跟踪显示电压、电流波形在线显示各条拟合特性曲线；也可以通过面板上的控制开关选择不同的试验项目和控制打印输出试验结果。
如果要观察电机空载情况下的特性，可以通过选中图3中的空载特性，然后点击采样开始按钮，便会弹出相应子程序的显示面板来显示空载试验结果和空载特性曲线，如图4所示。同样，如果要了解其他情况下电机的特性，操作方法类同。
图3 虚拟数据显示板
图4 电机的空载特性
把用传统计算方法计算出的结果与图4中显示的结果相比较，证实了用I abVIEw 应用程序组成的电机测试系统得到的计算结果是可信的。而且该系统具有直观、易懂、易操作、实用性强等特点，可准确地对采集数据进行快速的计算处理，并能够自动打印报告，绘制曲线。虚拟仪器不仅可以用于电机性能测试，还可以用于电机故障测试。实验时用虚拟频谱析仪捕捉电机座的振动速所得的功率谱如图5所示。
图5 虚拟频谱分析仪测得的电机座振动谱图
从图5中可以看出，虚拟频谱分析仪给出了原始的时域波形图，并很好地显示出了电机座的振动速度功率谱，数据可进行保存、打印等，实验时可以看
着频谱图对各频率段的谱进行分析，这对教学实验的讲解起到了良好的效果，大大提高了学生的接受能力。
用虚拟仪器完成有关电机测试实验，效率大为提高。主要体现在2个方面，一是用虚拟仪器作实验，可以分成每组2人或1人同时做。而用台式仪器，由于是专业性实验，只有一两套测试设备，每次只能每组多人，并要轮流实验。另一方面，用虚拟仪器作实验，操作简单，用台式仪器作实验，操作复杂。以时域信号的谱分析为例，调用虚拟仪器生成的频谱分析仪后，只需要一次设定好设备号和通道字符即可运行，其他参数可在显示中设定。而台式的动态信号分析仪则不然，需要经过测量方式、选择测量、窗口、平均、频率范围、量程、显示方式、坐标等lO多个子菜单的正确设定后，才能启动谱分析功能。另外，用台式仪器作实验，按lO年寿命估算，一个学时的实验要消耗上百元。而用虚拟仪器作实验，成本低廉的多，维修量也很低，不像昂贵的台式仪器那样，生怕出问题，维修费也十分昂贵，这就为实验教学提供了很大方便。
4 测试仪器的网络化
虚拟仪器的关键技术是软件设计，因此可用先进的LabVIEW 开发平台设计一个分布式PCI仪器网络测量系统，其系统框图如图6所示。
图6 测量系统的网络化框图
为了节省实验成本，同时又能做到学生一人一台位，所以实现实验设备的网络化是有必要的。该系统充分利用LabVIEw 提供的VISA、TCP／IP、SCPI 等强大功能，设计了PCI网络测量模型以及传输报文格式，允许多组学生从不同操作终端上控制PCI仪器并返回测量结果。系统软件还支持冲突、出错管理、进程显示等功能。软件设计既要满足学生测试、教师控制的需要，又要配合硬件对各种测试做出快速反应。网络模型采用客户机／N务器(c／s)网络模式]，该模式具有先进性、运行效率高、数据可靠完整、数据传输量大、开放性强、兼容性强等特点。
服务器处于系统结构的核心，负责测试仪器管理、测试服务管理，必须具有支持冲突、出错管理、进程显示等多种功能，是软件设计的重点。服务器的一个主要功能就是管理仪器资源，根据客户机的不同服务请求把仪器资源合理分配给客户机，本文用资源状态表来实现该功能。在I abVIEw 中采用Cluster 结构来建立资源状态表，用于存储仪器名称、地址及其使用状态等信息。
资源状态表的具体用法是：当一个客户机需要使用一个仪器时，向测试服
务器发送服务请求，服务器收到该请求后，首先检查资源状态表，判断仪器状态，若仪器空闲则分配给该客户机使用，否则返回“忙”信息，客户机继续等待，直到其他客户机使用完该仪器后，才能得到该仪器的使用权。
服务器除了完成仪器资源管理外，还需完成统一管理功能，如身份注册、认证、控制某一时间一个用户操作一个远程控制实验或不同用户通时操作不同实验以及限制相应的实验时间等。
客户机主要是利用LabVIEw 提供的TCP／IP、UDP、ActiveX、DataSocket 等功能进行网络连接和通讯口，编程时摆脱了传统语言中繁琐的底层命令函数，只需从功能模板中选用有关的函数图标，进行连线即可。主要用到以下4个模块：
“TCP Open Connection．vi”用于打开客户与服务器的连接，但必须指定服务器的地址和端口；(2)实验参数由“TCP Write．vi”写入已经连接的TCP 套接口；(3)等待接收数据由“TCP Read．vi”完成，当接收相应次数的原始采集数据并处理后对其波形、结果进行显示，根据学生的要求可随时进行存盘、停止和退出；(4)“TCP CloseConnection．vi”关闭与服务器的连接。当教师运行实验测试服务器程序，采集被测对象的信号传输到计算机网络以后，学生只在自己的计算机上运行测试客户端程序，并准确填写教师机的IP地址或网络标识名，就可以象自己的机器采集数据一样完成测试实验。该系统的实现，有效地解决了大学测试类实验室多组学生同时使用一个仪器资源的矛盾。
5 在实验教学中的应用
在实验教学中，对于仪器设备功能单一、价格又比较昂贵的实验设备，均可运用虚拟仪器系统实现。如实现信号调幅(调频等)的教学过程，教学中往往只能进行理论分析教学，因为电子技术实验室一般只具备有关单元电路原理的实验设备或电路单元模块，一些多功能仪器往往也并不顾及调制之类的功能，用虚拟仪器来实现包括调幅、调频等电子技术、电路原理相关的演示教学与实验教学，有其自身的特点和优势。
另外，虚拟仪器系统是可以完成实际仪器系统功能的，而运用仿真技术、虚拟现实技术进行的演示教学，则只能是演示而已，并不能实现系统的实际功能。这也是虚拟仪器系统应用于教学时与仿真和虚拟现实技术的最大不同之处。
6 结论
在高校中进行专业实验的多套配置，用于实验教学是不可能的，用VI取代功能固定价格昂贵的台式仪器，完成众多内容的专业教学实验，是最佳选择，建立VI实验后，可解决投资超常，学生只能观看演示或轮流做实验的问题。不仅可以完成电工、电子学、电气测量等基础课程的实验，而且为专业教学提供了良好的平台，真正体现了VI“软件即仪器”，“一台计算机就是一个实验室”的优势。将来实现网络教学后，计算机技术的飞速发展，数据通信、网络工程和信息管理等系统性能的巨大改进，出现了将自动测试技术、计算机技术和通信技术结合起来的时机。测试系统正朝着计算机化、标准化和网络化三大趋势发展，涌现了一些诸如“网络就是仪器”等先进的测试理念，以网络为基础的自动测试系统逐步成熟并应用到工业生产实践中，已经取得了巨大的效益在数据传输、资源共享、信息下载和远程教学各方面，就会提供更大方便。
参考文献
[1] 卜雄洙，朱明武．虚拟仪器在自动测试中的应用[J]．南京理工大学学报：自然科学版，2000，24(2)：109—1 12．
[2] 扬乐平，李海涛，等．LabVIEW 高级程序设计[M]．北京：清华大学出版丰十，2004．
[3] 虚拟仪器在高等工程教育中的应用[EB／Ol ]．http：／／www．ni．corn ／customer solutions／．
[4] 王娟，胡文军．虚拟仪器下电网波动电压及闪变的测量[J]．湖州职业技术学院学报，2005，3(1)：92—94．
[5] 段晓波．高压电网新型谐波测量系统及试验方法[J]．华北电力技术，2005(5)：33—35．
[6] 刘念聪，李宏穆，孙未．网络化虚拟仪器及其关键技术研究[J]．机床与液压，2005(5)：109—111．
[7] 钟亮，王琪．基于虚拟仪器实时测控系统的构建[J]．计算机与现代化，2005(6)：100—102．
[8] 徐杨梅，许宝杰，徐小力．基于PXI总线的远程测控系统设计[J]．仪表技术与传感器，2005(1)：20—22．[-10~ 用NI虚拟仪器提升电工实验教学水平[EB ／OI ]．http l l w．ni．corn／customer solutions／．
致谢
在论文完成之际，我要特别感谢我的指导老师董艳艳老师的热情关怀和悉心指导。在我撰写论文的过程中，董老师倾注了大量的心血和汗水，无论是在论文的选题、构思和资料的收集方面，还是在论文的研究方法以及成文定稿方面，我都得到了董老师悉心细致的教诲和无私的帮助，特别是他广博的学识、深厚的学术素养、严谨的治学精神和一丝不苟的工作作风使我终生受益，在此表示真诚地感谢和深深的谢意。