【正文】 在設(shè)計(jì)過程中 分別用三種方 法原理結(jié)合 LABVIEW 強(qiáng)大的圖形化顯示界面在 LABVIEW 平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了相位差計(jì)的測量， 對虛擬儀器的認(rèn)識(shí)有了進(jìn)一步的加深，就虛擬測量儀器來講，傳統(tǒng)的檢測儀器的關(guān)鍵是硬件，功能由廠商定義，因此其擴(kuò)展性能較低，而虛擬儀器由于它是面向應(yīng)用的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，所以功能可由用戶定義，其關(guān)鍵是軟件。 我這次課題 的目的意義也正是通過以上相位差測量方法的研究，比較出各種方法的虛擬相位差測量仿真儀的優(yōu)缺點(diǎn)，從而確定在一定的場所選擇適當(dāng)?shù)臋z測方法，然而此設(shè)計(jì)最重要的是將各種方法在虛擬儀器（ LABVIEW）設(shè)計(jì)平第五章 相位差原理在 LABVIEW 中的應(yīng)用 34 臺(tái)上仿真實(shí)現(xiàn)。采用均值濾波法和線性插值檢測零點(diǎn)法以及多次雙向過零檢測求平均的算法，從而提高了系統(tǒng)的精度。軟件編程方便、簡潔、效率高，研發(fā)周期短，成本低，并且具有友好的用戶界面，操作簡單、實(shí)用。編程方法簡單易懂，設(shè)計(jì)出的相位計(jì)非常實(shí)用。在虛擬相位計(jì)的主程序中，確定一個(gè)周期內(nèi)的 N 個(gè)采樣值，這是減小測量誤差的基本保證。不同長第五章 相位差原理在 LABVIEW 中的應(yīng)用 33 度的窗函數(shù)泄漏情況也不同。用計(jì)算機(jī)進(jìn)行譜分析已有成熟的軟件，問題在于如何選取采樣間隔 Ts(或采樣頻率 )、采樣點(diǎn)數(shù) N 和截取長度，以保證 一定的精度。設(shè)計(jì)完成的部分框圖如圖（ 58）所示。 （圖 56）虛擬頻譜分析法測量相位差的前面板 在面板中需要放置的控件有： 1 個(gè)輸出顯示型數(shù)字控件，用來顯示相位差測量結(jié)果，單位為度； 3 個(gè)輸出波形顯示器，用于觀察兩個(gè)信號的信號波形； 3 個(gè)數(shù)字控件，用于設(shè)置采樣點(diǎn)數(shù)、采樣頻率、信號頻率 3 個(gè)參量； 4 個(gè)數(shù)字 控件，分別用于設(shè)置兩個(gè)正旋波的幅值和相位。程序流程如圖（ 57）所示。另外，需要說明的是，對于兩個(gè)非正旋周期信號，這里所說的相位差是指其基波的第五章 相位差原理在 LABVIEW 中的應(yīng)用 30 相位差。 （圖 54）利用 FFT 函數(shù)求相位差的前面板 （圖 55）利用 FFT 函數(shù)求相位差的程序框圖 由前面板可以看出，相頻譜是比較亂的，有一些不應(yīng)該出現(xiàn)的譜線混雜其中。輸出的 4 個(gè)簇可以直接送給 Graph 顯示，為了計(jì)算相位差，需要先從這些簇中提取出數(shù)組。兩個(gè)波形分別送到相同配置的 FFT Spectrum MagPhase 函數(shù)中，就得到了他們的幅頻和相頻特性。 對于兩個(gè)波形的互相關(guān)函數(shù)處理部分除了要將它們輸入到互相關(guān)函數(shù)處理器進(jìn)行處理外，還要根據(jù)相關(guān)法原理將他們進(jìn)行公式處理，這里用到了公式結(jié)點(diǎn)，先定義變量，再將要輸出的兩信號差進(jìn)而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的運(yùn)算，將相位差有弧度轉(zhuǎn)化為角度表示。 （圖 52）虛擬相關(guān)分析法相位差的前面板 注意： LABVIEW 中使用的自相關(guān)和互相關(guān)函數(shù)計(jì)算公式稍有不同，從 數(shù)組序列取出 R^x(0),R^y(0),R^xy(0)時(shí)，不是對應(yīng) k=0 處，例如：當(dāng)取樣點(diǎn)數(shù)為 101 時(shí)，對應(yīng)的R^x(0),R^y(0),R^xy(0) 的 點(diǎn) 應(yīng) 是R^x(100),R^y(100),R^xy(100)，在框圖中應(yīng)作相應(yīng)處理。由于數(shù)據(jù)采集子 VI 與具體的采集板（卡）有關(guān)，在此用 LABVIEW自帶的信號發(fā)生器模擬采集到的信號，信號發(fā)生器的節(jié)點(diǎn)位置在： FunctionSignalProcessionSignal GenerationSine ，這里也可以用任意信號波形發(fā)生器來代替。 （圖 51）相關(guān)法計(jì)測量相位差的主流程圖 LABVIEW平臺(tái)下軟件的實(shí)現(xiàn) 虛擬相位差計(jì)有軟件控制信號的采集，并進(jìn)行處理和結(jié)果顯示。顯示控件包括事后記錄波形控件(WaveForm Graph)、實(shí)時(shí)趨勢圖控件 (WaveForm Chart)、 XY波形記錄控件（ XY Graph）、密度圖形顯示控件 (Intensity Graph)、密度趨勢控件 (Intensity Chart)等 XY 波形記錄控制器（ XY Graph）是一次完成波形顯示刷新， XY 波形記錄控件在波形顯示的同時(shí)還反映測量點(diǎn) X、 Y第五章 相位差原理在 LABVIEW 中的應(yīng)用 27 值的變化，所以它的輸入數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是由兩個(gè)數(shù)組打包構(gòu)成的簇，簇的每一對數(shù)據(jù)都對應(yīng)一個(gè)顯示數(shù)據(jù)點(diǎn)的 X、 Y 坐標(biāo)。結(jié)于事后記錄圖 Graph 方式來說，它的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為數(shù)組，也就是就 Graph 顯示是將構(gòu)成數(shù)組的全部測量數(shù)據(jù)一次顯示完成；而實(shí)時(shí)趨勢圖Chart 方式是實(shí)時(shí)顯示一個(gè)或幾個(gè)測量數(shù)據(jù)，而且新接收數(shù)據(jù)點(diǎn)要接在原有波形的后面連續(xù)顯示。因此能夠?qū)⒋罅繙y量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為意義明確的顯示曲線或三維圖形的控件是設(shè)計(jì)虛擬儀器所必需的。傳統(tǒng)的儀器儀表中，除了最簡單的數(shù)碼顯示外，能夠顯示測量信號波形和儀器工作狀態(tài)的 CRT 熒光屏第五章 相位差原理在 LABVIEW 中的應(yīng)用 26 正在廣泛應(yīng)用，包括數(shù)字示波器、頻譜分析儀和邏輯分析儀等，這些高級的儀器都必需具備實(shí)時(shí)圖形顯示能力。 LABVIEW 還提供一種可以根據(jù)元素的名字來捆綁或分解簇的方法，稍后介紹。 分解（ Unbundle）簇 Unbundle 功能是 Bundle 的逆過程，它將一個(gè)簇分解為若干分離的元件。最終簇的序是取決于被捆綁 的輸入的順序。 捆綁 （ Bundle）數(shù)據(jù) Bundle功能將分散的元件集合為一個(gè)新的簇，或允許你重置一個(gè)已有的簇中的元素。 第五章 相位差原理在 LABVIEW 中的應(yīng)用 25 （２）使用簇與子 VI 傳遞數(shù)據(jù) 一個(gè) VI 的連接窗口最大有 28 個(gè)端子，如果你不希望使用全部 28 個(gè)端子傳遞數(shù)據(jù)，這既煩瑣又易出錯(cuò)。如果你想將一個(gè)簇與另一個(gè)簇連接，這兩個(gè)簇的序和類型必須同一。簇內(nèi)第一個(gè)元素的序?yàn)?0，第二個(gè)是 1，等等。也可以在流程圖上用類似的方法創(chuàng)建簇常 數(shù)。如果需要可以使用工具重置簇的大小。一個(gè)簇中的對象必須全部是 Control，或全是Indicator，不能在同一個(gè)簇中組合 Control 與 Indicator，因?yàn)榇乇旧淼膶傩员仨毷瞧渲兄?。然后你可以將前面板上的任何對象放在簇中。?shù)組可以是任意維的，當(dāng)數(shù)組中有多個(gè)元素同為最大值或最小值時(shí)，第五章 相位差原理在 LABVIEW 中的應(yīng)用 24 節(jié)點(diǎn)只返回第一個(gè)最大值或最少值所在的位置。 (6). Array Max amp。 (5). Build Array 建立一個(gè)新數(shù)組。節(jié)點(diǎn)的輸入輸出端口與數(shù)組的定義有關(guān)。如把一個(gè)一維數(shù)組轉(zhuǎn)換成二維數(shù)組。當(dāng)輸入數(shù)組是 n 維數(shù)組時(shí)，索引端口（ Index Terminals）的個(gè)數(shù)必需與數(shù)組的維數(shù)相對應(yīng) (3).Reshape Array 改變數(shù)組的維數(shù)。 (2)． Index Array 返回輸入數(shù)組中由輸入索引指定的元素。下面介紹一下常用的功能： (1). Array Size 返回輸入數(shù)組的長度。 對于一個(gè)數(shù)組進(jìn)行操作，無非是求數(shù)組的長度、對數(shù)、對數(shù)據(jù)排序、取出數(shù)組中的元素、替換數(shù)組中的元素或初始化數(shù)組等各種運(yùn)算。數(shù)組由三部份組成：數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)索引和數(shù)據(jù)。數(shù)組常由 LOOP 循環(huán)來創(chuàng)建，其中，其中 For 循環(huán)是最佳的 ，因?yàn)樵谘h(huán)開始時(shí)它已經(jīng)分配好了內(nèi)存。 當(dāng)有一串?dāng)?shù)據(jù)需要處理時(shí)，它們很可能是一個(gè)數(shù)組，大多數(shù)的數(shù)組是一維數(shù)組，少數(shù)是二維數(shù)組，極少數(shù)為三維數(shù)組。 Cluster 子模板中創(chuàng)建。第五章 相位差原理在 LABVIEW 中的應(yīng)用 22 字符串的比較是按照字符在 ASCII 表中的等價(jià)數(shù)字進(jìn)行比較的。比較節(jié)點(diǎn)在比較兩個(gè)數(shù)字值時(shí)，會(huì)先將其轉(zhuǎn)換為同要類型的數(shù)字。 比較運(yùn)算 比較運(yùn)算就是通常所說的關(guān)系運(yùn)算，比較運(yùn)算節(jié)點(diǎn)包含在 Comparison 子模板中。該模板 包括了大部份常用三角函節(jié)點(diǎn)，如 sinx、 cosx、 tanx、 arcsinx、 arctanx等。 模板中的 Trigonometric 子模板可實(shí)現(xiàn)各種三角函數(shù)運(yùn)算，該模板中的節(jié)點(diǎn)均心為弧度為單位。但與一般編程語言提供的運(yùn)算符相比， LABVIEW 的數(shù)學(xué)運(yùn)算節(jié)點(diǎn)功能更強(qiáng)，使用更靈活，它不僅支持單一的數(shù)值量輸入，還可以支持處理同類型的復(fù)合型數(shù)值量，比如由數(shù)值量構(gòu)成的數(shù)組、簇和簇?cái)?shù)組等。 基本數(shù)學(xué)運(yùn) 算節(jié)點(diǎn)不僅實(shí)現(xiàn)加、減、乘、除等基本運(yùn)算，還可以實(shí)現(xiàn)求整、開方、求冪、數(shù)組求和、求積和復(fù)合運(yùn)算等功能。 數(shù)學(xué)運(yùn)算 LABVIEW 的數(shù)學(xué)運(yùn)算功能主要由功能模板 Numeric 子模板中的節(jié)點(diǎn)完成。對于一個(gè)框架通道，一個(gè)子框架中如果沒有連接數(shù)據(jù)，那么在根據(jù)控制執(zhí)行到這個(gè)子框架時(shí)，框架通道便沒有向外輸出數(shù) 據(jù)來源程序就會(huì)出錯(cuò)。當(dāng)外部數(shù)據(jù)連接到選擇框架上供其內(nèi)部節(jié)點(diǎn)使用時(shí)，選擇結(jié)構(gòu)的每一個(gè)子框架都能從該通道中獲得輸入的外部數(shù)據(jù)；當(dāng)選擇結(jié)構(gòu)內(nèi)部的數(shù)據(jù)需通過框架通道送至外部時(shí)，必需在每一個(gè)子框架中都連接一個(gè)同數(shù)據(jù)類型的數(shù)據(jù)到同一個(gè)框架通道上。為與選擇框架外交換數(shù)據(jù)，選擇結(jié)構(gòu)也有框架通道。 在選擇結(jié)構(gòu)中，選擇端口相當(dāng)于上述 C 語言 Switch 語句第五章 相位差原理在 LABVIEW 中的應(yīng)用 20 中的“表達(dá)式”，框圖表示符相當(dāng)于“表達(dá)式 n”。 CASE 選擇結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于 C 語言中的 switch 語句： switch(表達(dá)式 ) {case 常量表達(dá)式 1：語句 1； case 常量表達(dá)式 2：語句 2； case 常量表達(dá)式 n：語句 n； default ：語句 n+1； } 在某種意義上還相當(dāng)于 C 語言的 if 語句： if(條件判斷表達(dá)式 ) { } else { } 語句選擇結(jié)構(gòu)可從框圖程序中的功能模板 Function Structure 中創(chuàng)建。其重復(fù)第五章 相位差原理在 LABVIEW 中的應(yīng)用 19 端口相當(dāng)于 C 語言 For 中的 I，初始值為 0，每次循環(huán)遞增步長為 1。用連線工具將數(shù)據(jù)連線從循環(huán)框架內(nèi)直接拖至循環(huán)框架外， LABVIEW 會(huì)自動(dòng)生成一個(gè)框架通道?？蚣芡ǖ朗?For 循環(huán)與循環(huán)外部數(shù)據(jù)交 換的數(shù)據(jù)通道，其功能是在 For 循環(huán)開始運(yùn)行前，將循環(huán)外其他節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)送至循環(huán)內(nèi)，供循環(huán)框架內(nèi)的節(jié)點(diǎn)使用。移位寄存器的功能是將第 i1, i2, i3? 次循環(huán)的計(jì)算結(jié)果保存在 FOR 循環(huán)的緩沖區(qū)內(nèi)，并在第 i 次循環(huán)時(shí)將這些數(shù)據(jù)從循環(huán)框架左側(cè)的移位寄存器中送出，供循環(huán)框架內(nèi)的節(jié)點(diǎn)使用。這是因?yàn)?LABVIEW 已經(jīng)知道了元素的個(gè)數(shù)，而且自動(dòng)變址功能會(huì)為用戶自動(dòng)處理迭代：用戶所要做的所有事情是將數(shù)組裝入循環(huán)，迭代次數(shù)會(huì)與數(shù)組中的元素的個(gè)數(shù)相等。 i ++ ) { 第五章 相位差原理在 LABVIEW 中的應(yīng)用 18 } LABVIEW 中的 For 循環(huán)可從框圖功能模板 Function Structure 子模板中創(chuàng)建。 結(jié)構(gòu) For 循環(huán)是 LABVIEW 最基本的結(jié)構(gòu)之一，它執(zhí)行指定次數(shù)的循環(huán)，相當(dāng)于Ｃ語言中的 For 循環(huán)： For (i=0。采用布爾按鈕可以設(shè)計(jì)出逼真的虛擬儀器前面板。布爾型前面板對象包含在控制模板 Boolean 子模板中。LABVIEW 的子模板包括多種不同形式的控制和指示，它們的外觀各不相同，人數(shù)字量、滾動(dòng)條、水箱、溫度計(jì)、旋鈕、表頭、刻度盤以及顏色框等，但本質(zhì)是完全相同的，都是數(shù)字型，只是外觀不同而已。 LABVIEW 中的數(shù)據(jù)類型包括數(shù)字型 (Numeric)、布爾型 (即邏輯型，Boolean)和字符串型 (String)；構(gòu)造數(shù)據(jù)類型第五章 相位差原理在 LABVIEW 中的應(yīng)用 17 包