虚拟仪器论文
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班级：应用电子技术（1） 姓名：** 学号 ：1160720**
用虚拟仪器LabVIEWE实现谐波测量分析
虚拟仪器的定义及组成：
虚拟仪器（Virtural Instrument, VI）的概念是由美国国家仪器公司提出来的，虚拟仪器本质上是虚拟现实一个方面的应用结果。也就是说虚拟仪器是一种功能意义上的仪器，它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，大大的突破了传统仪器在数据处理、显示、传送、存储等方面的限制，使用户可以方便地对仪器进行维护、扩展和升级。
虚拟仪器是基于计算机的仪器，计算机和仪器的紧密结合是目前仪器发展的一个重要方向，虚拟仪器就是在通过计算机上加一组软件和硬件，使得使用者在操作这台计算机时，就像是在操作一台自己设计使用的专用的传统电子仪器。
在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是为了实现信号的输入、输出，软件才是整个仪器系统的关键。任何一个使用者都可以通过修改软件的方法，很方便的改变、增减仪器系统的功能与规模，所以有“软件就是仪器”之说。
虚拟仪器的基本构成包括计算机、虚拟仪器软件、硬件接口模块等，其中，硬件接口模块可以包括插入式数据采集卡（DAQ）、串/并口、IEEE488接口（GPIB）卡、VXI控制器以及其他接口卡。目前较为常用的虚拟仪器系统是数据采集卡系统、GPIB仪器控制系统、VXI仪器系统以及这三者之间的任意组合。
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，打破了以往由厂家定义仪器功能的模式，由用户自己定义仪器功能。在虚拟仪器中，使用相同的硬件系统，通过不同的软件编程，就可以实现功能完全不同的测量仪器。传统仪器与虚拟仪器系统的比较如下表所示。
传统仪器与虚拟仪器系统的比较：
传统仪器 虚拟仪器系统
系统标准 仪器厂商定义 用户自定义
系统关键 硬件 软件
系统更改 仪器功能，规模固定 系统功能，规模可通过软件修改，增减
系统连接 系统封闭，与其他设备连接受限 开放的系统，可方便的与外设，网络及其他应用连接
价格 昂贵 低，可重复使用
技术更新周期 5~10年 1~2年
开发，维护费用 高 低
由此可见，虚拟仪器尽可能采用通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件，同时能充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功能更强的特性仪器。 2
LabVIEW的运行机制就宏观上讲已经不再是传统上的冯·诺伊曼计算机体系结构的执行方式了。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。
LabVIEW是一个通用编程系统, 不但能够完成一般的数学运算与逻辑运算和输入输出功能, 它还带有专门的用于数据采集和仪器控制的库函数和开发工具,
尤其还附带专业的数学分析程序包, 基本上可以满足复杂的工程计算和分析要求。LabVIEW环境下开发的程序称之为虚拟仪器VI (Virtual Instruments) , 因为它的外型与操作方式可以模拟实际的仪器。实际上, Vis 类似于传统编程语言的函数或子程序。LabVIEW的核心是VI。VI 具有良好的人机交互界面—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, 控件模拟了仪器的输入装置并把数据提供给VI
的框图程序; 而LabVIEW的指示器则模拟了仪器的输出装置并显示由框图程序产生的数据。当一个控件或指示器放到前面板上, LabVIEW便在框图程序中相应的产生一个终端( Terminals) , 这个从属于控件或指示器的终端不能随意被删除,
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。
利用LabVIEW编制框图程序时, 无须拘于传统程序设计语法细节的限制。首先, 从函数面板中选择需要的函数节点(Function Node) , 将之置于框图上适当位置; 然后用连线(Wires) 连接各函数节点在框图程序中的端(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。
LabVIEW编制出的图形化VI 具有层次结构和模块化的特点。开发者可将之用于顶层(Top Level) 程序, 也可用作其他程序或子程序的子程序。VI 代码内含的VI 称为subVI。为了区分各个subVI , 它们的图标是可编辑的。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简单的子任务, 为每一个子任务创建一个VI ,再把它们装配到另一个图标代码中完成一个复杂的任务。最后, 完成整个应用程序的创建。
总之, LabVIEW是一种易于理解和掌握的非常理想的虚拟仪器开发工具, 它提供了一个理想的编程环境, 采用LabVIEW编程可大大节省开发时间, 而运行速度却几乎不受影响。
LabVIEW平台设计谐波测量分析系统：
测试的目的在于获取被测对象的性能、状态或特征，所以信号采集只是测试工作的第一步。信号的分析和数据处理是构成测试系统的重要组成部分，常用的分析方法可以分为数学分析和数字信号处理两大类。LabVIEW提供了内容丰富、3
功能强大的分析节点，配合出色的数据显示工具，可以完成复杂的信号分析和数据处理工作。LabVIEW的数字信号处理模板包括5个功能：信号产生、时域分析、频域分析、滤波器和窗函数。我在做“谐波测量分析系统设计”这个课题时，首先想到的就是运用虚拟仪器中的LabVIEW来进行该课题的研究。
谐波测量分析系统的总体结构图：
谐波测量分析.vi
Connector Pane
2.3.1前面板程序（Front Panel）
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框图程序（Block Diagram）
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流程图：
开始参数设置结束？结束是高斯噪声与正弦信号叠加否谐波失真分析是否加噪声是正弦信号否输出各次谐波电流，计算得出THD创建波形，输出频谱图，由THD计算得出thd程序流程图
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谐波测量分析系统的总体结构图
谐波测量分析系统的工作原理及功能：
由上面所示的框图程序可以分析得出：
整个框图程序的上部分由一个整个的While循环构成。循环里面，左边是一个通道的正弦信号发生器以模拟实际电流生成波形，可以达到这样的要求：
1、频率范围：0.001Hz～100KHz；
2、幅值：0～200A，可选；
3、直流偏置：0～100V，可选； 谐波测量分析系统 正弦信号
噪声信号 模拟加入噪声后的电流 谐波失真分析
基本平均直流均方根 基波频率
THD
各次谐波
Thd 7
4、可调整幅值、相位、频率；调整后无须重新启动；
5、在产生的信号中可以加入高斯噪声。
中间以及右边部分模拟测量低压配电系统的基波电流，基波频率，总畸变率THD、thd，2－31次各次谐波电流含有率、直流含量等参数。并且可以对产生的正弦信号进行频谱分析，得到相关的频谱图，所有测量分析的参数都可以系统前面板中进行显示，所产生的正弦信号及其频谱图要求分别进行波形显示。
框图程序的下面一小部分是使用Control控件的局部变量来达到控制它的显示时间的连续性的目的
。
总结：
通过此次课程设计的学习,我对于现代仪器科学与技术的发展又有了更加进一步的了解,感受到了对于现代仪器科学与技术的迅猛进步,明白了VI技术对于加速发展我国自己的电子仪器工业具有很大的作用。在提高了自己的查阅资料的能力和运用知识的能力的同时为我对于虚拟仪器系统的组成部分有了充分的认识与了解，知道了它是由界面控件库、数据输入、输出数据处理方法库、数据表示库、数据存储与管理、任意信号发生、图形界面编程环境组成的。
课程设计需要自己不断的修改所设计的程序，需要及时根据错误提示来调整，一方面提高了自己专业英语的水平，另一方面也让我更深的掌握了虚拟仪器LabVIEW图形化软件设计方法与调试技巧。在整个课程设计中我明白了科学的严谨性，稍有不慎就会出错，我们应该要具备正确的设计思想和严谨的科学作风。同学之间的互相帮助也是必不可少的，在设计过程中遇到了困难通过和同学的交流就能相对较容易的解决，同时彼此还可以学习学习对方的经验„„
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。我将在以后的学习中利用更多的时间来学习LabVIEW知识，努力提高自己的水平！
参考文献
[1] LabVIEW程序设计与虚拟仪器.西安：西安电子科技大学出版社，2009
[2] 基于图形化编程语言LabVIEW的虚拟仪器开发. 《机床与液压》2004. No.18
[3] LabVIEW入门与虚拟仪器.北京：电子工业出版社，2004
[4] LabVIEW虚拟仪器工程设计与开发.北京：国防工业出版社，2004
[5]LabVIEW基础教程.北京：电子工业出版社，2007
