【正文】 2軟件結構化進程示意圖 儀器設備層。在 NI 公司出售的數據采集卡便可直接支持 LabVIEW。 測試程序層。 用戶應用層。 虛擬儀器的開發(fā)語言 虛擬儀器系統(tǒng)的開發(fā)語言有：標準 C,Visual C++,Visual Basic 等通用程序開發(fā)語言。除了要花大量時間進行測試系統(tǒng)面板設計外，還有編制大量的設備驅動程序和底層控制程序。除了通用程序開發(fā)語言以外，還有一些專用的虛擬儀器開發(fā)語言和軟件，其中有影響的開發(fā)軟件有： NI 公司的 LabVIEW,LabWindows/CVI。 LabWindows/CVI 是為了熟悉 C 語言開發(fā)人員準備的，是在 Windows 環(huán)境下的標準 ANSIC 開發(fā)環(huán)境。 雙定子旋轉超聲電機驅動試驗系統(tǒng) 5 2 雙定子旋轉超聲電機驅動試驗系統(tǒng)的總體方案設計 系統(tǒng)總體方案設計 通過對任務 書的認真閱讀、了解以及相關方面資料查閱分析，對本設計的總體設計方案如圖 21： 圖 21 雙定子旋轉超聲電機驅動試驗系統(tǒng)的總體方案 該系統(tǒng)的流程就是，通過軟件編程使計算機板卡的模擬輸出通道能輸出一路可調頻、調相位差、調幅值的正弦電壓，一路信號經過了濾波器、移相器后分成四路正弦電壓，經過功率放大器后驅動超聲電機轉動。 系統(tǒng)軟件的選擇 在給定計算機必要的儀器硬件之后，構成和使用虛擬儀器的關鍵在于軟件，軟件給為用戶提供了集成開發(fā)環(huán)境、高水平的儀器硬件接口和用戶接口。對于虛擬儀器應用軟件的編寫大致可以分為兩種方式： （ 1）通過編程軟件進行編寫。與 Visual 雙定子旋轉超聲電機驅動試驗系統(tǒng) 6 C++， Borland 公司的 Delphi， Sybase 公司的 Power Builder； （ 2）用專業(yè)化圖形 編程軟件進行開發(fā)。 LabVIEW 是 實驗 室虛 擬儀 器集 成環(huán) 境（ Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）的簡稱，是美國國家儀器公司（ NATIONAL INSTRUMENTS，簡稱 NI）的創(chuàng)新性產品，也是目前應用最廣、發(fā)展最快、功能最強的圖形化軟件集成環(huán)境，又稱 G 語言。 （ 2） 采用面向對象的方法和概念，有利于軟件開發(fā)和再利用。該函數庫包括數據采集、 GPIB串口控制、數據分析、數據顯示及數據存儲等。首先、 LabVIEW 中使用的基本節(jié)點和函數等就是一個小的模塊，可以直接使用：另外，由 LabVIEW 編寫的程序 —— 即虛擬儀器模塊，除 了作為獨立程序運行外，還可作為另一個虛擬儀器模塊的子模塊供其他模塊使用。 系統(tǒng)硬件的選擇 數據采集卡 數據采集卡，即實現數據采集（ DAQ）功能的計算機擴展卡，可以通過 USB、 PXI、PCI、 PCIEXPRESS、 23以太網、各種無線網絡等總線接入個人計算機。因此 LabVIEW 環(huán)境下數據采集模塊的設計也圍繞這四大功能來組織的，圖 22 為 LabVIEW 環(huán)境下數據采集應用結構。所以在選擇數據采集卡構成系統(tǒng)時，首先必須對數據采集卡的性能指標有所了解。 （ 2） 采樣方法 采集卡通常有幾個數據通道，如果所有的數據通道都輪流的使用同一個放大器和A/D 轉換器，要比每個通道單獨使用各自經濟得多，但這僅使用與對時間不是很重要的場合。 ADC 的位數越多，分辨率就越高，可區(qū)分的電壓就越小。包括模擬 I/O、數字 I/O 圖 23 NI PCI6221 數據采集卡 雙定子旋轉超聲電機驅動試驗系統(tǒng) 8 NI PCI6221 是 NI 公司的 M 系列多功能數據采集卡， 可以直接插在電路主機的卡槽里。 NI PCI6221 數據采集卡具有兩 個計數器也滿足本設計需求。雙定子旋轉超聲電機驅動試驗系統(tǒng) 9 3 labview DAQmx 數據采集編程 DAQ 基礎知識 數據采集設備的作用是將模擬的電信號轉換為數字信號送給計算機進行處理，或將計算機編輯好的數字信號轉換為模擬信號輸出。對于數據采集應用來說，我們使用的軟件主要分成三類： 。 LabVIEW， DAQmx 可以支持應用軟件，在使用應用軟件進行數據采集編程時可以調用 DAQmx 包含的函數。在安裝 DAQmx 軟件時都會自動附帶安裝 MAX。但是為了保證板卡能夠正常使用，并且了解板卡的引腳定義圖便于連線，在編程之前可以在 MAX 軟件里對板卡進行檢查并查詢板卡信息。連接在本臺電腦上的 NI 數據采集硬件設備都會羅列在這里并以“ Dev*”命名。 雙定子旋轉超聲電機驅動試驗系統(tǒng) 10 首先可以對產品進行自檢，通過自檢來說明板卡工作在正常狀態(tài)，如果板卡發(fā)生了硬件順壞， MAX 將報出自檢失敗的 信息。另外選擇“設備引腳”，將顯示硬件引腳定義圖，便于連線。方法是用鼠標右鍵點擊“ NIDAQmx 設備”，選擇創(chuàng)建 NIDAQmx 仿真設備，選擇指定型號，如圖 33 所示。 雙定子旋轉超聲電機驅動試驗系統(tǒng) 11 NI 采集卡的常用函數 與傳統(tǒng)的編程語言所使用的采集函數不同， LabVIEW 獨有的：“多態(tài)”特性可讓我們再一個多功能設備中使用同樣的函數進行編程（模擬輸入、模擬輸出、數字 I/O 和計數器）。 [2] DAQ 助手 DAQ 助手是一個對話框式的向導界面。一個 NIDAQmx 虛擬通道包括一個 DAQ 設備上物理通道和對這個物理通道的配置信息，如輸入輸出范圍、自定義縮放比例等等。如圖 34 所示，這就是 DAQ 助手和配置界面。該函數創(chuàng)建一個虛擬通道并且將它添加成一個任務。如果沒有指定一個任務，那么這個函數將創(chuàng)建一個任務。每種實例下又可以分為不同的類型選項。 圖 35 創(chuàng)建虛擬通道函數 定時函數 “ DAQmx 定時”函數如圖 36 所示，該函數用于配置硬件的定時數據采集操作，包括制定操作是否連續(xù)或有限，如果有限操作還應選擇采集或生產采樣數量，以及需要時創(chuàng)建一個緩沖區(qū)。 為了在數據采集應用程序中實現同步，如同觸發(fā)信號必須在一個設備的不同功能區(qū)域或多個設備之間傳遞一樣，定時信號也必須同樣方式傳遞。 圖 36 定時函數 開始觸發(fā)函數 “ DAQmx 開始觸發(fā)”函數如圖 37 所示，該函數用于配置一個觸發(fā) 器，并用它來完成一個特定動作。通過啟動觸發(fā)器初始化一個采集或生成任務，然后利用參考觸發(fā)器確定所采集的采樣集中的位置，在那之前前觸發(fā)器數據結束，而后觸發(fā)器數據開始。 許多數據采集應用程序需要實現一個設備的不同功能區(qū)域間的同步（如模擬輸出和計數器），有些則需要多個設備之間同步。 NIDAQmx 自動完成這種傳遞?！?NIDAQmx 開始觸發(fā)”函數單展開后可設置“開始”、“參考”、“更多”等觸發(fā)形式。 啟動任務函數 DAQmx 開始任務函數如圖 38 所示，該函數顯式地將一個任務轉換至運行狀態(tài)。如果沒有 DAQmx 啟動任務函數，那么在 DAQmx 讀取函數執(zhí)行時，一個任務可以隱式地轉換至運行狀態(tài)，或自動開始。 圖 38 啟動任務函數 雙定子旋轉超聲電機驅動試驗系統(tǒng) 14 寫入函數 DAQmx 寫入函數如圖 39 所示，該函數將特定的采樣值寫入生成任務中。 圖 39 讀取函數 讀取函數 DAQmx 讀取函數，如圖 310 所示，該函數從設定的采集任務中讀取采樣值。根據定時函數所設定的采樣方式，讀取函數有不同的讀取方法。連續(xù)采集時，將每通道采樣數指定為 1，會使得這個函數在執(zhí)行的時候，讀取所有現在保存在緩沖中可得的采樣。如果任務現在正在 運行，那么這個函數首先終止任務然后釋放掉所有資源。 本章介紹了數據采集前必要準備工作和數據采集的一些基礎知識，重點介紹了 NI采集卡的常用函數。 雙定子旋轉超聲電機驅動試驗系統(tǒng) 15 4 系統(tǒng)軟件程序設計 一路可調電壓輸出 接線方法 在進行模擬輸出編程時，首先確定從板卡的哪一個端口輸出電壓，圖 41 為PCI6221 板卡的端口定義圖。 AO0 的地端為 54， AO1 的地端為 55。板卡輸出電壓作為濾波器的輸入電壓，在接線時，將 AO0 接到運算放大器的輸入端， AO GND 接到運算放大器的公共端。 圖 41 PCI6221 板卡的端口定義圖 模擬輸出的流程圖 模擬輸出（ AO）電壓的幅值 取決于板卡輸出電壓范圍， PCI6221 板卡的輸出電壓雙定子旋轉超聲電機驅動試驗系統(tǒng) 16 范圍是 10V~+10V?？梢杂靡韵碌仁絹碛嬎愕仁接嬎?AO 電壓的頻率： = ??信 號 頻 率 周 期 數 更 新 率 緩 沖 中 的 點 數 例如，一個 1000 點的緩沖放置了一個周期的波形，如果以 1KHz 的更新率來產生信號，那么， 1 周期乘以一千個點更新率除以總共一千個點的緩沖點數等于 1HZ。那么，一個周期乘以，每秒二千個點更新率除以總共一千個點的緩沖點數得到 2HZ 的輸出。也就是可以通過增加更新率或者緩沖中的周期數來提高輸出信號的頻率。 圖 42 模擬信號連續(xù)產生流程圖 上圖中，定時函數將一個周期正弦波定時采樣成一個離散數據數組，由寫入函數將數組寫入模擬輸出通道的緩沖區(qū)，再由模擬輸出通道按照采樣時間間隔進行數模轉換。為了使板卡能夠正常的輸出電壓，必須同時滿足一下兩個條件： 第一、 板卡數據輸出更新率必須小于板卡最大更新率； maxS daq daqf f f?? 第二、 輸出波形頻率和采樣頻率必須滿足香濃采樣定理，即采樣頻率 Sf 至 雙定子旋轉超聲電機驅動試驗系統(tǒng) 17 少是采樣波形最高頻率 maxf 的兩倍。 程序編寫 如圖 43 和 44 所示，分別為 單 通道電壓輸出的程序框圖和前面板 。如圖 45 所示可以再前面板上設置這些值。設置電壓輸出的范圍是 10~+10V。定時函數的采樣時鐘，使得虛擬函數發(fā)生器的數據定時由寫入函數寫進緩沖區(qū)。通過啟動任務函數開始向板卡模擬輸出通道寫出采樣值。 程序中有兩個虛擬函數發(fā)生器，它們的數據分別給兩個模擬輸出通道提供采樣值。 在前面板上可以設置這些信息。 雙定子旋轉超聲電機驅動試驗系統(tǒng) 19 圖 49 虛擬函數發(fā)生器設置 程序的調試 程序編寫完成就可以進行調試和完善了。在低頻情況下，是可以正常輸出，但是在高頻情況下，就會出現如圖 410 所示的錯誤提示。在高頻時會出錯的原因就是采樣率已經超過板卡的最大更新率。 雙定子旋轉超聲電機驅動試驗系統(tǒng) 20 5 系統(tǒng)硬件電路設計 四階巴特沃斯濾波器設計 濾波器是對信號的頻率具有選擇性的電路，它的功能是使特定頻率范圍內的信號通過。 [7] [11] RC 有源濾波器是模擬濾波器中最實用、應用最廣泛的濾波器。因為不適用電感、特別是大型電感，也因為運放性能的飛速提高的同時價格卻一降再降，所以在成本方面有源濾波器已經變得比無源濾波器還有優(yōu)勢。 巴特沃