【正文】 按鈕與頻率調(diào)節(jié)選鈕的的值作為輸入計算出頻率值并且得到頻率系數(shù)也頻段參數(shù)。之后把d的值送至一數(shù)值轉(zhuǎn)十進(jìn)制字符VI，等待打包發(fā)送。首先，由于三角，方波，正弦都是輸入控件，在程序框圖中相當(dāng)于普通編程語言的輸入?yún)?shù)，只有輸出端子，沒有輸入端子，且輸出值為布爾量，通過布爾轉(zhuǎn)（0，1）VI，可以把輸出值轉(zhuǎn)換為0 或1，分別送到一CIN節(jié)點，對其編程如圖三角輸入量設(shè)為 a； 方波輸入量設(shè)為 b； 正弦輸入量設(shè)為 c；輸出為d。 程序框圖下圖3－10即是LabVIEW部分的函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計程序，圖310 函數(shù)信號發(fā)生器的程序框圖 167。整個程序主要有以下幾個模塊： 波形類型模塊；頻率選擇模塊；頻段選擇模塊；幅值選擇模塊；串口發(fā)送模塊設(shè)計。整個程序框圖設(shè)置了一個While Loop 循環(huán)，使它持續(xù)工作下去。 函數(shù)信號發(fā)生器程序框圖的設(shè)計圖3－10是與圖3－5對應(yīng)的程序框圖。最后，調(diào)用VISA關(guān)閉VI，關(guān)閉串口[13]。 圖39 串口配置與發(fā)送設(shè)計圖首先要先調(diào)用一個VISA配置VI，此VI的功能是完成串口的配置，如波特率，數(shù)據(jù)位數(shù)，有無奇偶校驗等，在這里設(shè)置的是波特率為9600，一位起始位，八位數(shù)據(jù)位，一位停止位，無奇偶校驗，無握手協(xié)議。在此，串口采用的是LabVIEW自帶的串口發(fā)送模塊VISA，可以很方便的調(diào)用。CIN節(jié)點程序如下：if(a==1)d=0；elseif(b==1)d=1；elseif(c==1)d=2；167。CIN節(jié)點功能就是當(dāng)a=1時，輸出d＝0，表示信號發(fā)生器；當(dāng)b=1時，輸出d=1，表示頻率計；當(dāng)c=1時，輸出d=2，表示示波器。 器件選擇部分設(shè)計圖38 器件選擇設(shè)計圖器件選擇模塊的主要功能是得到器件參數(shù)，當(dāng)前面板中的信號發(fā)生器控件按下時，參數(shù)為0，頻率計控件按下時參數(shù)為1，示波器控件按下時參數(shù)為2。 程序框圖LabVIEW是圖象化的編程語言，它的軟件設(shè)計是以圖形連線的方式表示出來。整個程序主要有以下幾個模塊： 器件選擇模塊；串口發(fā)送模塊設(shè)計。整個程序框圖設(shè)置了一個While Loop 循環(huán)，使它持續(xù)工作下去[11]。圖3－7是與圖3－4對應(yīng)的程序框圖。 主VI程序框圖設(shè)計程序框圖提供VI 的圖形化源程序。把數(shù)值顯示控件調(diào)整至需要大小，在前面板上的12pt應(yīng)用程序字體中著到數(shù)碼管字體，并可以對字體設(shè)置顏色，大小，位置設(shè)置，還可以通過工具面板中的顏色筆調(diào)節(jié)字體背景為黑色。2．旋鈕設(shè)計：旋鈕的大小及顏色設(shè)置如按鈕設(shè)計，但還有一些如旋鈕的范圍，步進(jìn)需要在旋鈕屬性里設(shè)置。在前面板上用鼠標(biāo)右鍵單擊開關(guān)，在快捷菜單中選擇Mechanical Action 就可以看到這些可選的動作。這時拖到前面板上一個圓形按鈕后選中點擊鼠標(biāo)右鍵的高級自定義即可進(jìn)入控件修改面板，再調(diào)整好大小及顏色后保存，就可以在控件面板的選擇控件中調(diào)出自己的按鈕控件了。在本設(shè)計中用到的組件的設(shè)計方法為1．按鈕設(shè)計：在LabVIEW中雖然有圓形按鈕較符合條件，但顏色和大小均不符合條件，且還有幾種觸發(fā)方式選擇，不同的觸發(fā)方式有不同的效果。167?？梢杂?5種不同的幅值調(diào)節(jié)[9]。它們的存在使得面板的狀態(tài)一目了然。3．指示燈控件：LabVIEW中可以得到一些常見的指示燈與開關(guān)按鈕，這里選用了與圖片上最為接近的圓形指示燈。2．按鈕控件：其主要功能是可以產(chǎn)生一布爾量（true 或 false），當(dāng)按鈕按下是為真，彈起時為假。圖34 主VI的前面板 圖35 子VI函數(shù)信號發(fā)生器的前面板圖36 子VI頻率計的前面板167。167。與此同時，VISA讀RS232串口的信息，將讀出的信息進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換，最終在其前面板上面顯示出來。這四部分的調(diào)節(jié)直接影響到FPGA往RS232串口發(fā)送的信息。開始波形選擇頻率旋鈕頻段旋鈕波形參數(shù)頻系參數(shù)頻段參數(shù)數(shù)比較是否相同并連接VISA寫入NY幅度調(diào)節(jié)峰峰值參數(shù)圖32 LabVIEW軟件中函數(shù)信號發(fā)生器設(shè)計流程圖167。這四部分的調(diào)節(jié)直接影響波形信號的改變，在程序框圖中，每一種調(diào)節(jié)都對應(yīng)一種波形參數(shù)，當(dāng)前面板中相應(yīng)的控件值改變時，參數(shù)也隨之改變，并把這些調(diào)節(jié)參數(shù)連接起來通過串口發(fā)送出去[7]。開始函數(shù)信號發(fā)生器按鈕頻率計按鈕存儲示波器按鈕函數(shù)信號發(fā)生器系數(shù)頻率計系數(shù)存儲示波器系數(shù)比較是否相同并連接VISA寫入調(diào)用相應(yīng)子VINY圖31 LabVIEW軟件中主VI設(shè)計流程圖167。當(dāng)這三個按鈕任何一個按下時，將相應(yīng)的控制信息發(fā)送到RS232串口，同時調(diào)用相應(yīng)的子VI。167。其采用數(shù)據(jù)流編程方式，程序框圖中節(jié)點之間的數(shù)據(jù)流向決定了程序的執(zhí)行順序。第3章 上位機設(shè)計167。如發(fā)送數(shù)據(jù)為1234567七位數(shù)字，就表示要產(chǎn)生的波形為正弦波，頻率系數(shù)為234，頻段為5，峰峰值系數(shù)為67。而經(jīng)測量D/，可用0～84表示這85個不同值，占2位。表22 波形類型編碼表波形類型發(fā)送參數(shù)三角波0正弦波1方波2表23 頻段編碼表頻段發(fā)送參數(shù)2MHz0200KHz120KHz22KHz3200Hz420Hz52Hz6波形類型由于有三種波形，其參數(shù)為0～2（十進(jìn)制）占一位；頻率系數(shù)由于在200K～2Mhz頻段內(nèi)步進(jìn)為5Khz，因此可用0～359表示這頻段內(nèi)的360個不同頻率，占三位。表24 發(fā)送指令編碼表名稱發(fā)送參數(shù)頻率低8位010頻率高8位001占空比低8位110占空比高8位101167。如發(fā)送數(shù)據(jù)為010三位數(shù)字，就表示要接收頻率的低8位。 系統(tǒng)框圖FPGA函數(shù)信號發(fā)生器存儲示波器簡易頻率計函數(shù)信號發(fā)生器界面存儲示波器界面簡易頻率計界面RS232RS232PC控制模塊 圖26 總系統(tǒng)框圖 167。之后用FPGA設(shè)計一串口接收模塊，按照設(shè)定好的波特率及編碼方式解碼，得到控制命令，使相應(yīng)的器件工作。其具體的設(shè)計流程是把每種器件的參數(shù)都設(shè)定為不同的數(shù)字如表21（信號發(fā)生器用0表示，頻率計用1表示，示波器用2表示），將這一位數(shù)字按照一定的波特率發(fā)到串口，而且每當(dāng)這一位數(shù)字有變化時就把新的數(shù)據(jù)發(fā)送到串口。FPGA上面有數(shù)字信號發(fā)生器，頻率計，示波器，相應(yīng)的PC機上面有數(shù)字信號發(fā)生器界面，示波器的界面，頻率計的界面，本設(shè)計是通過PC機來控制FPGA。167。通過上述對兩個方案的比較及RS232串口傳輸最大速率（20Mbit/s）的限制，考慮到波形發(fā)生的實時性，本設(shè)計采用方案二。方案二發(fā)送的是波形指令，此方案不需要在 LabVIEW中采樣產(chǎn)生波形數(shù)據(jù)，是把波形數(shù)據(jù)直接作成ROM表的形式，當(dāng)把波形指令發(fā)送出來以后，F(xiàn)PGA根據(jù)波形參數(shù)通過DDS技術(shù)產(chǎn)生信號波形。人機交互界面控制波形指令DDS合成串口發(fā)送波形指令串口接收D/A轉(zhuǎn)換圖25 方案二流程圖方案一發(fā)送的是波形數(shù)據(jù)，根據(jù)設(shè)計要求生成的最高頻率為2Mhz，當(dāng)2Mhz時最少需要采樣四個點，每個點都是8Bit，因此需要最低的串口傳送速率為64Mbit/s。此方案通過串口發(fā)送的是波形指令。設(shè)計思想如圖 24。 虛擬函數(shù)信號發(fā)生器的方案方案一：用LabVIEW軟件為開發(fā)平臺，在LabVIEW程序中進(jìn)行各個波形數(shù)據(jù)的采集并把數(shù)據(jù)發(fā)送到串口上，F(xiàn)PGA通過RS232接受波形數(shù)據(jù)，串行數(shù)據(jù)在FPGA中處理后經(jīng)過一D/A轉(zhuǎn)換后在示波器上顯示結(jié)果。其工作流程一目了然。信號D\A串口發(fā)送串口接收數(shù)據(jù)處理顯示圖23 虛擬存儲示波器流程圖 此方案的優(yōu)點是：FPGA往RS232串口發(fā)送的是信號采集完的數(shù)據(jù)，大大降低了串口發(fā)送的數(shù)據(jù)量，提高了串口的發(fā)送速度。 虛擬存儲示波器的方案首先在FPGA上面對信號進(jìn)行采樣，之后將采樣后得到的數(shù)據(jù)通過RS232串口發(fā)送給PC,在LabVIEW軟件編程中，首先對RS232串口進(jìn)行讀操作，將讀到的結(jié)果經(jīng)過一A\D轉(zhuǎn)換成波形數(shù)據(jù)，并將其在前面板上面顯示出來。此方案的設(shè)計思想如圖22。此方案的優(yōu)點是：人機交互界面與FPGA之間進(jìn)行通信時所需發(fā)送數(shù)據(jù)量少，減輕了串口的負(fù)擔(dān)。 方案論證167。本設(shè)計就是運用DDS技術(shù)做的函數(shù)信號發(fā)生器。時鐘信號Fclk頻率控制字Kn位相位累加器Rom查找表D/A轉(zhuǎn)換LPF低通濾波器輸出F 圖21 DDS的基本結(jié)構(gòu)圖DDS 的基本結(jié)構(gòu)如圖所示，主要由相位累加器、波形ROM、DAC 以及低通濾波器等組成。合成時，通過改變相位累加器的頻率控制字，來改變相位增量，而相位增量的不同將導(dǎo)致一個周期內(nèi)取樣點的不同，從而改變頻率[5]。167。對于FPGA上面的其中一個模塊為頻率計，其首先接收的LabVIEW編寫的人機交互界面發(fā)出的控制信號，將其轉(zhuǎn)換，判斷控制信號，并將某一控制信號控制的信息發(fā)送給LabVIEW的編寫的人機交互界面，將其結(jié)果進(jìn)行顯示。在本設(shè)計中，通過在PC上操作LabVIEW的編寫的人機交互界面，發(fā)送控制指令控制FPGA，作為上位機。兩機如何通訊，一般取決于下位機。上下位機都需要編程，都有專門的開發(fā)系統(tǒng)。下位機不時讀取設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)（一般模擬量），轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號反饋給上位機。下位機是直接控制設(shè)備獲取設(shè)備狀況的的計算機，一般是PLC/單片機之類的。第2章 系統(tǒng)的構(gòu)想與方案設(shè)計167。7. LabVIEW內(nèi)建了600多個分析函數(shù)，用于數(shù)據(jù)分析和信號處理。5. 通過應(yīng)用程序生成器可以輕松地發(fā)布EXE、動態(tài)鏈接庫或安裝包。3. 由于采用數(shù)據(jù)流模型，它實現(xiàn)了自動的多線程，從而能充分利用處理器尤其是多處理器的處理能力。2. 內(nèi)建的編譯器在用戶編寫程序的同時就在后臺自動完成了編譯。這一驚人速度背后的原因在于LabVIEW易用易學(xué)，它所提供的工具使創(chuàng)建測試和測量應(yīng)用變得更為輕松。 選擇LabVIEW的原因選擇LabVIEW開發(fā)測試和測量應(yīng)用程序的一大決定性因素是其開發(fā)速度。它們的出現(xiàn)開創(chuàng)了虛擬儀器的儀器研究新方法。1986年，美國國家儀器公司（National Instruments）開發(fā)研制出它是基于蘋果公司的Macintosh微機的最早版本。LabVIEW是“實驗室虛擬儀器工程平臺（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）”的縮寫，用于LabVIEW設(shè)計的虛擬儀器可脫離LabVIEW開發(fā)環(huán)境，用戶最終看見的是和實際硬件儀器相似的操作面板。 開發(fā)環(huán)境LabVIEW孤立的計算機硬件和I/O接口設(shè)備均無法完成測試任務(wù)，軟件技術(shù)在自動測試系統(tǒng)的研制與開發(fā)中正在起著越來越重要的作用。167。但是由于數(shù)據(jù)采集卡價格昂貴，且教學(xué)實驗波形精確度要求不高，也可采用基于NiosⅡ與LabVIEW的函數(shù)波形發(fā)生器設(shè)計，即采用FPGA結(jié)合微處理器的形式。在虛擬儀器的硬件構(gòu)成中，數(shù)據(jù)采集卡的性能是最重要的。LabVIEW作為一種模塊化、圖形化程序設(shè)計工具具有圖形化程序設(shè)計編程簡單、直觀、開發(fā)效率高、測試系統(tǒng)開發(fā)完整等優(yōu)點。目前，我國部分高校還正在開展虛擬儀器的研究工作，重點在于研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)的虛擬儀器軟件平臺，并開發(fā)響應(yīng)的虛擬儀器設(shè)備。 國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r早在八十年代，隨著NI旗航產(chǎn)品LabVIEW的誕生，NI就提出“軟件就是儀器的口號”，開辟了“虛擬儀器技術(shù)”的嶄新測量概念。由此可見，就課程的開設(shè)和學(xué)生的實際情況來講虛擬儀器教學(xué)是可行的，虛擬儀器平臺的設(shè)計對于我們?nèi)蘸蠼虒W(xué)是有一定的意義的。教師在教學(xué)過程中不需要在一臺真實的儀器前操作，只需在電腦上即可完成儀器的演示。由于此儀器平臺具有多臺儀器的功能，實驗所需儀器的占地面積被減小，相應(yīng)的實驗準(zhǔn)備過程被大大的簡化。利用虛擬儀器開設(shè)綜合性、創(chuàng)新型實驗，使理論教學(xué)與實踐更好的緊密結(jié)合，教學(xué)更生動、更形象，全面提高學(xué)生工程素質(zhì)。測量和分析結(jié)果可以從虛擬儀器面板上讀出。而采用虛擬儀器教學(xué)實驗系統(tǒng)，首先，儀器使用軟件實現(xiàn)，我們可以把以上所說的幾種儀器集成在一個系統(tǒng)中，運用不同切換過程，可以同時實現(xiàn)教學(xué)的目的。更由于電子設(shè)備更新快， 時間一久，進(jìn)行正常的實驗對于好多院校都是一個困難。目前，在大多數(shù)院校的實驗教學(xué)中，常用的仍然是功能固定的臺式儀器，主要有存儲示波器、函數(shù)信號發(fā)生器、頻率計、實驗箱、電源等。虛擬儀器的研究中涉及的基礎(chǔ)理論主要有計算機數(shù)據(jù)采集和數(shù)字信號處理。計算機和儀器的密切結(jié)合是目前儀器發(fā)展的一個重要方向。 本課題研究的意義167。其中影響最大的要數(shù)LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，實驗室虛擬儀器工程平臺)語言，被稱為“儀器儀表界面”，是專為數(shù)據(jù)采集與儀器控制、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)表達(dá)而設(shè)計的開發(fā)軟件[1]。代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器，改變了傳統(tǒng)儀器的使用方式，提高儀器的功能和使用效率，同時大大降低了儀器的價格，使用戶可以根據(jù)自己的需要定義儀器的功能。虛擬儀器就是利用現(xiàn)有的計算機加上特殊設(shè)計的儀器硬件和專用軟件，形成既有普通儀器的基本功能，又有一般儀器沒有的特殊功能的高檔、低價的新型儀器。 虛擬儀器技術(shù)由于電子技術(shù)、計算機技術(shù)、軟件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高度發(fā)展及其在電子測量技術(shù)與儀器上的應(yīng)用，新的測試?yán)碚?、新的測試方法、新的測試領(lǐng)域及新的儀器結(jié)構(gòu)不斷出現(xiàn)，許多方面已經(jīng)突破傳統(tǒng)的儀器概念，電子測量儀器的功能和結(jié)構(gòu)己經(jīng)發(fā)生了質(zhì)的變化。使用數(shù)字系統(tǒng)處理模擬信號時，需要先將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，即模數(shù)轉(zhuǎn)化(A/D)，然后用數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行處理，得到一個處理后的數(shù)字信號，再經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)化(D/A)，得到所需的模擬信號。信號的處理包括對信號的監(jiān)測、