基于LabVIEW的虚拟实验系统设计

陈昌鑫，马英卓，代月松，董力科，孙正席

(中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原030051)

实验对于培养学生的实际操作能力和解决分析问题的能力至关重要。而对于多数工科课程，实验需要配置多套仪器设备，而且投资巨大，这对于经费紧张的普通院校难以满足，因此造成仪器设备缺乏和陈旧等现象，严重影响实验教学［1］。随着计算机和网络技术的发展，由美国NI公司推行的虚拟仪器技术得到了广泛的应用，虚拟仪器逐渐取代传统测试仪器已成趋势。信号与系统是通信、仪器仪表和电子信息类专业的基础课，重点研究确定性信号经线性时不变系统传输与处理的基本概念和基本分析方法［2］。在实践性较强的信号与系统课程中运用虚拟仪器技术，以计算机为硬件系统，构建集成化信号与系统虚拟实验系统，代替传统仪器仪表，利用其强大的信号分析与处理功能和友好的用户界面不仅可节省仪器设备的经费投入，也有助于提高实验教学水平［3］。

1 虚拟仪器技术及LabVIEW简介

虚拟仪器技术由美国国家仪器公司NI(Nation Instruments)提出，其核心思想是“软件即是仪器”，就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件完成各种测试、测量和自动化的应用。结合计算机硬件、软件开发系统、接口硬件构成虚拟测试系统，与传统仪器相比，具有充分利用计算机资源，开发和维护成本低、开发效率高、易于实现自动化、智能化和网络化等优点［4］。

美国NI公司推出的LabVIEW(Laboratory Virtual Instrumention Engineering Workbench)是一种图形化编程语言的开发环境，被广泛地应用与工业、学术和实验室，被视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW使用的是图形化编辑语言C语言编写程序，产生的程序是框图的形式［7］。

2 虚拟实验系统设计

以计算机为硬件平台，以LabVIEW8.6为软件平台，开发一个“信号与系统”的虚拟实验系统。

2.1 结构框图

虚拟实验系统能够完成信号产生、滤波、频谱分析、调制解题、卷积和抽样等，即包括3个大模块:(1)典型信号产生。(2)信号时域分析。(3)信号频域分析［5］。其结构框图如图1所示。

设计的虚拟实验系统主要包括8个实验，点击对应的布尔控件即可进入实验子模块，同时实验系统主界面还包括登录框、系统简介、帮助、退出系统控件，以及运行指示、登录状态的指示灯。虚拟实验系统的主界面如图2所示。

2.2 程序设计

本次设计的虚拟实验系统包括8个实验模块，现在主要介绍4个实验模块。

2.2.1 虚拟信号发生器

信号发生器是指产生所需参数的电测试信号的仪器，本设计的虚拟信号发生器包括周期信号和非周期信号，其中周期信号包括正弦波、三角波、锯齿波、方波，而且其幅值、频率、相位、方波的占空比可调;非周期信号包括斜坡信号、冲激信号、Sinc信号、脉冲信号，幅值等参数可调，而且公式信号可以根据输入波形公式产生任意波形;另外，设置了是否添加噪声的布尔控件，噪声幅值可调，而且设置了均匀白噪声、高斯白噪声、泊松噪声、周期性随机噪声等，通过下拉列表可以选择添加噪声类型。该虚拟示波器可以可以用于信号发生器的认识、信号及信号类型的认识等教学实验，操作方便、能够直观地观察到各种波形［6］。虚拟信号发生器的前面板如图3所示。

图3 虚拟信号发生器的前面板

2.2.2 信号调制与解调

在通信系统中，信号从发射端传输到接收端，为实现信号的传输，往往需要进行调制与解调。载波信号的幅值、频率、相位可以随信号成比例的改变，因而对应就有振幅调制、频率调制、相位调制。本实验模块是振幅调制，面板如图4所示。

图4 信号调制与解调的前面板

2.2.3 验证采样定理

在进行模拟/数字信号的转换过程中，当采样频率fs·max≥信号中最高频率fmax的2倍时，采样后的数字信号能够完整地保留了原始信号中的信息，一般实际应用中保证采样频率为信号最高频率的5～10倍，这就是采样定理，又称奈奎斯特定理。设计的验证采样定理模块一方面直观地再现了模拟信号到数字信号的转换过程，即经过了抽样信号离散化;另一方面验证了抽样定理，即设定固定的模拟信号幅值和频率，更改采样频率，当采样频率fs和信号频率f满足fs≥f时，才能得到正确的离散信号。验证抽样定理模块的前面板如图5所示。

图5 验证抽样定理模块的前面板

2.2.4 滤波器

巴特沃斯滤波器是滤波器的一种，其采用的是巴特沃斯传递函数，有低通、高通、带通、带阻等多种滤波器类型。设计的滤波器是巴特沃斯滤波器，根据下拉列表可以选择低通、高通、带通、带阻等滤波器类型。使用了LabVIEW自带的仿真信号源，添加噪声后得到仿真信号，然后选定滤波器类型，并且设置低截止频率、高截止频率，得到滤波后的信号的波形。滤波器模块的前面板如图6所示。

图6 滤波器的前面板

2.3 生成应用程序

为了开发的虚拟实验系统脱离LabVIEW开发环境，方便安装使用，将labVIEW文件生成应用程序。即保存labVIEW文件，新建项目，导入文件;右键点击生成应用程序规范，在源文件栏将文件加入，并且将子VI，dll等文件都一起导入，点击生成应用程序。

3 结束语

利用计算机硬件和LabVIEW8.6软件，设计了“信号与系统”的虚拟实验系统，该虚拟实验系统可以用于课程的实验教学，实现学生对信号的认识以及了解信号处理的方法。该虚拟实验系统利用虚拟仪器技术，充分利用计算机资源，将虚拟仪器技术用于实验教学，一方面降低了实验成本，另一方面生动直观的实验操作也将提高教学水平。

［1］ 王怀兴．基于LabVIEW的信号与系统仿真实验系统设计［J］．湖北第二师范学院学报，2009，26(2):76－78．

［2］ 郑君里，应启珩，杨为理．信号与系统:上册［M］．2版．北京:高等教育出版社，2000．

［3］ 李香萍．虚拟仪器在实验教学中的应用［J］．实验室科学，2009(5):128－129．

［4］ 王小玲．基于PC的虚拟仪器在信号与系统实验中的应用［J］．西南民族大学学报:自然科学版，2004，30(6):848－852．

［5］ 罗文秋，赵四化．基于LabVIEW的“信号与系统”实验系统设计［J］．北京印刷学院学报，2010，18(6):51－54．

［6］ 王丽君，刘悦，黄永亮，等．基于LabVIEW的虚拟信号发生器及示波器的设计［J］．华北水利水电学院学报，2010，31(3):56－59．

［7］ 陈锡辉，张银鸿．LabVIEW8．20程序设计从入门到精通［M］．北京:清华大学出版社，2007．