【文章內(nèi)容簡介】 拖拉用戶界面編程器；用于快速樣機(jī)開發(fā)的代碼產(chǎn)生工具和內(nèi)部編譯器；用于 GPIB,VXI、串行、 DAQ, TCP 和用戶控制界面的集成庫；可用于 Win2021/XP、 Sun Solaris 。 基于虛擬儀器構(gòu)建的自動測試系統(tǒng)的優(yōu)點 根據(jù)以上對于虛擬儀器主要功能特點的介紹，不難看出基于虛擬儀器構(gòu)建的自動測試系統(tǒng)具備以下突出優(yōu)點 [20]： (1)采用虛擬儀器，計算機(jī)與硬件測試設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸非常方便、直接、快速。在傳統(tǒng)的測試儀器設(shè)備中，測試人員以手工的方式現(xiàn)場記錄測試數(shù)據(jù)，在測試數(shù) 據(jù)量比較大的情況下，這種數(shù)據(jù)記錄方式不能很好的按時完成記錄任務(wù)，測試過程也就變的復(fù)雜、緩慢，而且很容易引起測試誤差。對于有些常用的測試儀器，對于被測對象只能進(jìn)行定性分析，如果需要精確的物理數(shù)據(jù)，就需要有額外的輔助措施。在應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)的測試設(shè)備中，充分利用計算機(jī)的存儲能力，讓測試數(shù)據(jù)經(jīng)由計算機(jī)總線，傳輸至計算機(jī)內(nèi)存或硬盤，數(shù)據(jù)傳輸率可以滿足測試的實時性要求，也加快了測試過程，這樣就很好解決了數(shù)據(jù)的傳輸、保存問題[7]。 (2)在某些情況下，需要根據(jù)工程的實際需要實時、直接地對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行各種分 析與處理，如進(jìn)行 PID 控制、模糊邏輯控制、 FFT、 DFT 運算、數(shù)字信號處理，數(shù)學(xué)分析和數(shù)據(jù)庫聯(lián)接、統(tǒng)計分析參數(shù)調(diào)整、單位轉(zhuǎn)換等工作，這在傳統(tǒng)儀器中很難做到。在虛擬儀器中，開發(fā)人員可以使用現(xiàn)有的分析軟件包或通過自行編制相應(yīng)軟件來滿足這一功能要求。 (3)為了使測試過程直觀、明了，有時需要多種方式顯示測試數(shù)據(jù)、控制過程和分析結(jié)果，虛擬儀器中，就可以利用計算機(jī)的圖形用戶界面實現(xiàn)這一目標(biāo)。 本章小結(jié) 綜上所述，虛擬儀器技術(shù)有著許多傳統(tǒng)儀器所難以實現(xiàn)的優(yōu)勢，由虛擬儀器構(gòu)建的自動測試系統(tǒng)在實際應(yīng)用中將會有著巨大 的前景。本文將實現(xiàn)的遠(yuǎn)程信號 基于 LABVIEW 的虛擬函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計與研究 第 10 頁 共 34 頁 源自動校準(zhǔn)系統(tǒng)，是在現(xiàn)有硬件平臺的基礎(chǔ)上實現(xiàn)校準(zhǔn)的自動化，系統(tǒng)原有儀器都是具有 GPIB 接口的智能儀器，因而從成本和效率綜合考慮使用 GPIB 的儀器控制方案組建 GPIB 并行總線系統(tǒng)是一種切合實際的硬件構(gòu)成方案。而限于時間和工作量的關(guān)系，選用一門使用簡單方便，效率高的虛擬儀器實現(xiàn)軟件，是一個比較明智的選擇。而完全的圖形化編程環(huán)境 LabVIEW 自然是最理想的選擇。對于 LabVIEW 的特點和相關(guān)的編程技術(shù)，將在下一章中做詳細(xì)的介紹 [8]。 基于 LABVIEW 的虛擬函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計與研究 第 11 頁 共 34 頁 第 3 章 LabVIEW圖形化開發(fā)環(huán)境 LabVIEW 簡介 LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是實驗室虛擬儀器集成開發(fā)平臺的簡稱，它是目前國際上應(yīng)用最廣泛的虛擬儀器開發(fā)環(huán)境之一，它是主要用于開發(fā)數(shù)據(jù)檢測、數(shù)據(jù)測量采集系統(tǒng)、工業(yè)自動控制系統(tǒng)合數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)等領(lǐng)域的專用軟件開發(fā)平臺 [9]。 LabVIEW 的 最大 特色 是采 用編 譯型 圖形 化編 程語 言 ――G 語言(GraphProgramming)，它與 C,Pascal,Basic 等傳統(tǒng)語言有著相似之處，如：相似的數(shù)據(jù)類型、數(shù) 據(jù)流控制結(jié)構(gòu)、程序調(diào)試工具，以及模塊化的編程特點。但二者最大的區(qū)別在于：傳統(tǒng)編程語言用文本語言編程，程序的執(zhí)行依賴于文本所描述的指令 。而 LabVIEW 使用圖形語言 (即，各種圖標(biāo)、圖形符號、連線等 )以框圖的形式編寫程序。用 LabVIEW 編程無需具備太多編程經(jīng)驗，因為 LabVIEW 使用的都是測試工程師們熟悉的術(shù)語和圖標(biāo)，如各種按鈕、開關(guān)、波形圖等，界面非常直觀形象，因此， LabVIEW 對于沒有豐富編程經(jīng)驗的測試工程師們來說無疑是個極好的選擇。 LabVIEW 語言具有豐富的擴(kuò)展函數(shù)庫，集成了大量的生成圖形界面的模板，如各種表頭、旋鈕、開關(guān)、 LED 指示燈、圖表等，界面直觀、形象，相對于傳統(tǒng)的編程方式而言，它簡單易學(xué)而且執(zhí)行效率高。與傳統(tǒng)的編程方式相比，使用 LabVIEW 設(shè)計的虛擬儀器，可以提高效率 410 倍 [10]。 LabVIEW 的圖形環(huán)境內(nèi)置豐富的函數(shù)庫，提供了多種網(wǎng)絡(luò)的接口，支持先進(jìn)的流動數(shù)據(jù)傳輸?shù)认冗M(jìn)技術(shù)，使系統(tǒng)的開發(fā)更加方便，其中基于 TCP/IP 協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)實時數(shù)據(jù)交換編程技術(shù) ―― 數(shù)據(jù)套接字 (DataSocket)技術(shù)便是一特色。這種技術(shù)是一種開放的技術(shù)，與人們已習(xí)慣采用的 TCP/IP 編程接口、 DDE 等網(wǎng)絡(luò)環(huán) 境下的數(shù)據(jù)共享技術(shù)比較，使用起來更方便，開發(fā)效率更高，而且不需要大量的編程工作量。數(shù)據(jù)套接提供統(tǒng)一的 API 編程接口，從數(shù)據(jù)共享的角度，它是對 WinSock 的高級封裝，允許用戶與各種服務(wù)器進(jìn)行交互并在應(yīng)用之間交換信 基于 LABVIEW 的虛擬函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計與研究 第 12 頁 共 34 頁 息，比如 LabVIEW 以及一些不同的數(shù)據(jù)源或目標(biāo)，源和目標(biāo)包括其他的應(yīng)用、文件、 OPC (OLE For Process Control)服務(wù)器、 Web 服務(wù)器以及 FTP 服務(wù)器。使用 DataSocket 類和統(tǒng)一資源定位器 (Uniform Resource Locator，簡稱 URL)，就可建立數(shù)據(jù)套接 的源與目標(biāo)的連接，用戶可以像使用 LabVIEW 中的其他數(shù)據(jù)類型一樣用 DataSocket 讀寫數(shù)據(jù)，實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的實時共享 [11]。 LabVIEW 的優(yōu)點 LabVIEW 從被推出到現(xiàn)在， 20 年的實踐證明 LabVIEW 確實是一個使用方便卻又功能非常強(qiáng)大的開發(fā)平臺， LabVIEW 具有以下優(yōu)點： (1)使用 “所見即所得 ”的可視化技術(shù)建立人機(jī)界面，提供了大量儀器面板中的控制對象簡單的方案即使沒有多少編程經(jīng)驗，仍可以很方便的使用 LabVIEW。 (2)先進(jìn)的 ActiveX 技術(shù)融合了簡單的拖放編程方法，儀器控制和 數(shù)據(jù)采集變得非常簡單，使用戶非常容易地開發(fā)自己的系統(tǒng)，并將其立即投入使用。 (3)LabVIEW 完整地集成了與 GPIB,VXI,RS232,RS485 和內(nèi)插式數(shù)據(jù)采集卡等硬件的通訊，而且， LabVIEW 使得它們的驅(qū)動程序具有模塊化，可以重復(fù)使用，最大限度地減少軟件開發(fā)的工作量。 (3)LabVIEW 擁有豐富的分析模塊，可以滿足用戶從統(tǒng)計過程控制到數(shù)字信號處理 (DSP)等方面的要求 [12]。 (4)LabVIEW 也擁有大量 NI 公司或第三方公司提供的、非常實用的支持軟件，如， Application Builder(用于產(chǎn)生可執(zhí)行文件 )、 SQLToolkit(用于將 LabVIEW程序與本地或遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫相連 )等，這些特性為 LabVIEW 環(huán)境下應(yīng)用程序的開發(fā)提供了方便 (5)LabVIEW 提供了先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，如， TCP/IP 函數(shù)庫、數(shù)據(jù)套接字技術(shù)，可以很容易地實現(xiàn)測控網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)，并且提高了系統(tǒng)的開放性、穩(wěn)定性、可靠性。 (6)使用 LabVIEW 開發(fā)環(huán)境，用戶可以創(chuàng)建 32 位的編譯速度，從而為常規(guī)的數(shù)據(jù)采集、測試等任務(wù)提供了更快的執(zhí)行速度。 (7)LabVIEW 有真正的編譯器，用戶可以創(chuàng)建獨立的可執(zhí)行程序，能夠脫 離 開發(fā)環(huán)境而單獨運行。 另外，相對來說， LabVIEW 的功能可擴(kuò)展性較好，應(yīng)用起來比較靈活，操 基于 LABVIEW 的虛擬函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計與研究 第 13 頁 共 34 頁 作起來比較容易。所以基于以上各原因， LabVIEW 更容易為人們作為虛擬儀器開發(fā)平臺所接受 [13]。 LabVIEW 能夠充分利用和發(fā)揮現(xiàn)有計算機(jī)技術(shù)，使儀器的測試和測量及自動化工業(yè)的系統(tǒng)測試和監(jiān)控變得異常方便 和快捷 [14]。 LabVIEW 中的編程方式 一個完整的 LabVIEW 開發(fā)環(huán)境包括基本模塊和擴(kuò)展模塊兩部分，引擎部分是整個圖形化開發(fā)環(huán)境的核心，它包括編輯模塊、運行模塊和調(diào)試模塊。LabVIEW 環(huán)境下開發(fā) 的程序稱為虛擬儀器 VI，因為它的外形與操作方式可以模擬實際的儀器。實際上， VI 類似于傳統(tǒng)編程語言的函數(shù)或子程序。程序 VI 由一個前面板 (即用戶界面 )、程序流程圖 (圖標(biāo)代碼 )和一個接口板組成。接口面板用于上層的 VI 調(diào)用該 VI[15]。 前面板 (front panel)類似于儀器的面板，由控件和指示元件組成?？丶闪诵o、開關(guān)等用戶輸入控制對象，可以為程序輸入數(shù)據(jù)。指示元件類似儀器的輸出裝置可以顯示輸出值以及實現(xiàn)圖表和文字顯示。軟件前面板其實是自動化的拓展，它保持了傳統(tǒng)直觀的視覺和感覺效果，同時軟件前面板創(chuàng)建了 一個真正的接口，無論用戶使用什么類型的硬件，軟件前面板只包含了對于一個應(yīng)用場合很重要的參數(shù)，用戶很容易地從一個單一的前面板控制多臺儀器，并把整個系統(tǒng)作為一臺虛擬儀器看待 [16]。 流程圖使用圖標(biāo)連線方式的圖形， VI 用圖標(biāo)代碼和連線來完成算術(shù)和邏輯運算。圖標(biāo)代碼是對具體編程問題的圖形化解決方案。圖標(biāo)代碼即 VI 的源代碼。工作指令由 G 語言編制的圖標(biāo)式流程圖獲得，模塊的程序由連線把數(shù)據(jù)的輸入輸出端連接起來。由于流程圖與傳統(tǒng)程序設(shè)計語言的語法細(xì)節(jié)無關(guān)，構(gòu)建和測試程序就可以少費時間，使用方框圖方法可以實現(xiàn)內(nèi)部的自我復(fù)制 。 VI 具有層次結(jié)構(gòu)和模塊化的特點。它們可以作為頂層程序，也可以作為其它程序的子程序。 VI 代碼內(nèi)含的 VI 叫子程序 subVI。 VI 程序使用接口板來替代文本編程語言的函數(shù)參數(shù)表，每個輸入和輸出的參數(shù)都有自己的連接端口，其他的VIs 可以由此向 subVI 傳遞數(shù)據(jù)。 LabVIEW 有一個圖形編輯器來產(chǎn)生最優(yōu)化編輯代碼，虛擬儀器執(zhí)行他們相當(dāng)編譯 C 的速度。利用應(yīng)用程序生成器，用戶能夠產(chǎn)生虛擬儀器，就像獨立的可執(zhí)行程序一樣 [17]。 總之，采用前面板、流程圖和圖標(biāo)等，用戶就對整個系統(tǒng)實現(xiàn)圖形化描述， 基于 LABVIEW 的虛擬函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計與研究 第 14 頁 共 34 頁 同時，用戶也可以隨時改變虛 擬儀器來滿足自己的需要 。 LabVIEW 程序的設(shè)計模式 設(shè)計模式所代表的技術(shù)都是經(jīng)過實踐檢驗的、具有很強(qiáng)實用價值的程序設(shè)計方式 [23]。它們一般都經(jīng)過了開發(fā)者的不懈的改進(jìn)和調(diào)整才形成，使用簡單并具有較高的可維護(hù)性、可讀性等特點。同時，隨著某種設(shè)計模式被廣泛使用，有助于其他的開發(fā)人員理解和改變原開發(fā)者的程序代碼。 LabVIEW 應(yīng)用程序的設(shè)計也可以利用這些設(shè)計模式的優(yōu)勢 [18]。 LabVIEW 中的設(shè)計模式主要有：狀態(tài)機(jī)模式、主從模式、生產(chǎn)／消費模式和消息隊列處理機(jī)模式。 本章小結(jié) 本章首先對本文 采用的編程軟件 La 合實例對 LabVIEW中具體的編程方式、設(shè)計模式以及 bVIEW 的特征進(jìn)行簡單介紹，這也是本文選用該軟件作為主要軟件開發(fā)環(huán)境的原因。然后結(jié) 多線程技術(shù)、同步控制等在我們開發(fā)實際中運用到的技術(shù)做一一的研究和介紹。 基于 LABVIEW 的虛擬函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計與研究 第 15 頁 共 34 頁 第 4 章 虛擬函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計 本章主要介紹了基于 LabVIEW 的虛擬函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計思路及其流程和仿真圖。主要分為以下 9 個模塊：模塊 基本函數(shù)波形產(chǎn)生模塊 、 多頻信號產(chǎn)生模塊 、 任意公式波形產(chǎn)生模塊 、 噪聲信號產(chǎn)生模塊 、 正弦波仿真信號發(fā)生器模塊 、自相關(guān)函數(shù)演示模塊 、 虛擬正弦波頻 譜分析儀模塊 、 虛擬積分器與微分器模塊 以及 虛擬函數(shù)信號發(fā)生器的總體設(shè)計 [19]。各個模塊均給出了相應(yīng)的流程圖和前面板波形圖。 基本函數(shù)波形產(chǎn)生模塊 該模塊后面板框圖程序如圖 所示。這一模塊是應(yīng)用波形產(chǎn)生子模板中的Basic Function (基本函數(shù)發(fā)生器 )節(jié)點來產(chǎn)生正弦波、三角波、方波、鋸齒波等四種信號。在波形產(chǎn)生子模板中的所有模塊不僅輸出包含指定波形圖形的數(shù)字型數(shù)組 ,而且包含時間參數(shù) ,這種數(shù)據(jù)類型在 LabVIEW 中稱作波形數(shù)據(jù)。波形數(shù)據(jù)以簇的形式給出 ,包括起始時間 t0、采樣時間間隔 dt 和一個由采樣數(shù)據(jù)構(gòu)成的數(shù)組。示波器顯示波形的周期數(shù)目 =時間長度 /信號周期。 圖 基本函數(shù)波形產(chǎn)生模塊框圖程序 基于 LABVIEW 的虛擬函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計與研究 第 16 頁 共 34 頁 圖 基本函數(shù)波形產(chǎn)生模塊前面板 多頻信號產(chǎn)生模塊 多頻信號產(chǎn)生模塊框圖程序和前面板分別如圖 和圖 所示。 圖 多頻信號產(chǎn)生模塊框圖程序 基于 LABVIEW 的虛擬函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計與研究 第 17 頁 共 34 頁 圖 多頻信號產(chǎn)生模塊前面板 多頻信號是指一個離散頻率的正弦波集合 ,其模擬信號數(shù)學(xué)表達(dá)式為 :x(t)=∑Aisin(hiω1t+θi)式中 ,Ai 是第 i 個正弦波的幅值 。ω1是基波角頻率 。 hi 是第i 個正弦波的角頻倍數(shù) 。θi 是第 i 個正弦波的初相角。多頻信號在現(xiàn)代測量技術(shù)中應(yīng)用很多。該模塊后面板框圖程序如圖 3 所示。通過調(diào)用 Multitone (多頻