【正文】 波形生成的設(shè)計(jì) .................................... 28 系統(tǒng)總程序框圖的設(shè)置及其仿真圖的生成 .......................... 31 信號(hào)生成過程需要注意的事項(xiàng) ............................................. 34 致 謝 ................................................................................................... 36 參考文獻(xiàn) ............................................................................................... 36 基于 LabVIEW 的仿真信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì) 1 1 緒論 研究背景及動(dòng)態(tài) 由于微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(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)域以及新的儀器結(jié)構(gòu)不斷出現(xiàn)，在許多方面已經(jīng)突破了傳統(tǒng)儀器的概念，電子測量儀器的功能和作用已經(jīng)發(fā)生了質(zhì)的變化，其中計(jì)算機(jī)處于核心地位，計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)和測試系統(tǒng)更緊密地結(jié)合成一個(gè)有機(jī)整體，導(dǎo)致儀器的結(jié)構(gòu)、概念和設(shè)計(jì)觀點(diǎn)等也發(fā)生了突破性的變化。 本設(shè)計(jì)是虛擬儀器模擬真實(shí)儀器的嘗試。 本設(shè)計(jì)采用 USB6211 數(shù)據(jù)采集卡，將虛擬儀器技術(shù)用于信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)?；?LabVIEW 的仿真信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì) I 基于 LabVIEW 的仿真信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì) 摘 要 本文首先概述了信號(hào)發(fā)生器及虛擬儀器技術(shù)在國內(nèi)外的發(fā)展及趨勢，然后介紹了信號(hào)發(fā)生器的相關(guān)理論，給出了信號(hào)發(fā)生器的基本原理框圖，并探討了虛擬儀器的總線及其標(biāo)準(zhǔn)、框架結(jié)構(gòu)、 LABVIEW 開發(fā)平臺(tái)。在分析本系統(tǒng)功能需求的基礎(chǔ)上，介紹了數(shù)據(jù)采集卡、 LABVIEW 的編程模式 等設(shè)計(jì)中所涉及到的硬件和技術(shù)。該系統(tǒng)具有生成正弦波、方波、三角波、鋸齒波的功能。實(shí) 踐證明虛擬儀器是一種優(yōu)秀的解決方案，能夠?qū)崿F(xiàn)各種硬件可以完成的任務(wù)。在這種背景下，美國 國家儀器公司（ National Instruments）在 20 世紀(jì) 80 年代最早提出虛擬儀器（ Virtual Instrument）的概念，同時(shí)推出了用于虛擬儀器開發(fā)的工程軟件包 LabVIEW。在這里，計(jì)算機(jī)是虛擬儀器的核心設(shè)備，該儀器的功能是通過軟件仿真實(shí)現(xiàn)的。這意味著只要按照測量原理，采用適當(dāng)?shù)男盘?hào)分析技術(shù)與處理技術(shù)，編制某種測量功能的軟件就可構(gòu)成該種功能的測量儀器。 虛擬儀器發(fā)展前景 虛擬儀器依靠其自身的優(yōu)勢使它在儀器市場的競爭力不斷增強(qiáng)。 1988 年國際上開始有虛擬儀器產(chǎn)品面市，當(dāng)時(shí)只有五家制造商推出的 30 種產(chǎn)品。 目前，我國正處于科學(xué)技術(shù)和教育事業(yè)蓬勃發(fā)展的新時(shí)期，對(duì)儀器設(shè)備的需求將基于 LabVIEW 的仿真信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì) 2 更加強(qiáng)勁。虛擬儀器作為傳統(tǒng)儀器的替代品，市場容量巨大。 據(jù)專家預(yù)測，到本世紀(jì)初我國將有 50%的儀器為虛擬儀器 [1]。但同時(shí)也應(yīng)認(rèn)識(shí)到，現(xiàn)在我國的科技水平還相對(duì)落后，每年需要花費(fèi)大量的外匯進(jìn)口電子儀器產(chǎn)品。 基于 LabVIEW 的仿真信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì) 3 2 LabVIEW設(shè)計(jì)的總體概述 LabVIEW的介紹 LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument EngineeringWorkbench，實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器集成環(huán)境 )是一種圖形化的編程語言，簡稱 G語言，它是由美國 NI公司推出的虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)應(yīng)用 LabVIEW 開發(fā)平臺(tái)編制的程序稱為虛擬儀器，其核心概念就是“軟件即是儀器” LabVIEW 提供了測控儀器圖形化編程環(huán)境，在這個(gè)環(huán)境中提供了一種像數(shù)據(jù)流一樣的編程模式，用戶只需連接各個(gè)邏輯框即可構(gòu)成程序。本文介紹一種自行開發(fā)的基于 LabVIEW 的虛擬函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，該儀器界面設(shè)計(jì)友好，功能強(qiáng)大，操作方便。虛擬儀器是指 ： 利用現(xiàn)有的 PC機(jī)。形成既有普通儀器的基本功能，又有一般儀器所沒有的特殊功能的新型儀器。虛擬儀器以軟件為核心，其軟件又以美國 NI公司的LabVIEW虛擬儀器軟件開發(fā)平臺(tái)最為常用。目前，該開發(fā)軟件在國際測試、測控行業(yè)比較流行，在國內(nèi)的測控領(lǐng)域也得到廣泛應(yīng)用。 虛擬儀器具有傳統(tǒng)獨(dú)立儀器無法比擬的優(yōu)勢。在中低檔測試領(lǐng)域，虛擬儀器可取代一部分獨(dú)立儀器的工作 ，但完成復(fù)雜環(huán)境下的自動(dòng)化測試是虛擬儀器的強(qiáng)項(xiàng)，這是傳統(tǒng)的獨(dú)立儀器難以勝任的。由此導(dǎo)致許多識(shí)讀和操作錯(cuò)誤。這樣，在每個(gè)分面板上就可以實(shí)現(xiàn)功能操作的單純化和面板布基于 LabVIEW 的仿真信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì) 4 置的簡潔化，從而提高操作的正確性和便捷性。 (2) 在通用硬 件平臺(tái)確定后，軟件取代傳統(tǒng)儀器中由硬件完成的儀器功能。 (4) 儀器性能的改進(jìn)和功能擴(kuò)展只需更新相關(guān)軟件設(shè)計(jì)，不需購買新儀器。 (6) 由于其以 PC 為核心，使得許多數(shù)據(jù)處理的過程不必像過去那樣由測試儀器本身來完成，而是在軟件的支持下，利用 PC 機(jī) CPU 的強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能來完成，使得基于虛擬儀器的測試系統(tǒng)的測試精度、速度大為提高，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化、多任務(wù)測 量。 (8) 虛擬儀器在高性價(jià)比的條件下，降低了系統(tǒng)開發(fā)和維護(hù)費(fèi)用，縮短技術(shù)更新周期。這是一種新型的基于Web 技術(shù)的虛擬儀器，使得虛擬儀器測試系統(tǒng)成為 Inter 的一部分，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場監(jiān)控和管理 [3]。 LabVIEW 是一種功能強(qiáng)大的 虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)，在 LabVIEW 環(huán)境下可以隨時(shí)對(duì)比設(shè)計(jì)要求調(diào)整參數(shù)，本課題的目的就是利用 labVIEW 軟件進(jìn)行虛擬信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)。 本儀器功能主要包括四類函數(shù)信號(hào) — 正弦波、方波、三角波、鋸齒波的輸出，頻率的倍乘與微調(diào)相結(jié)合，以及實(shí)現(xiàn)輸出波形的直流偏置、電 壓幅度的控制等功能。 LabVIEW 的圖形化程序設(shè)計(jì)是基于現(xiàn)代軟件的面向?qū)ο蠹夹g(shù)和數(shù)據(jù)流技術(shù)而發(fā)展起來的。這樣的話，互相在對(duì)象間的數(shù)據(jù)流控制執(zhí)行順序，執(zhí)行順序不局限于來自文本式程序設(shè)計(jì)的線性順序，它可以不受其限制。 與傳統(tǒng)的文本式程序設(shè)計(jì)一樣， LabVIEW 也有控制流程圖 功能執(zhí)行的部分，它們包括 Sequence Case Statement， For Loop， While Loop，它們被圖形化地描述成邊界結(jié)構(gòu)，像在傳統(tǒng)的線形化程序設(shè)計(jì)中可以插入代碼段一樣，可以把圖標(biāo)放在 LabVIEW圖形結(jié)構(gòu)的界限內(nèi)部。利用應(yīng)用程序生成器，用戶能夠產(chǎn)生虛擬儀器，就像獨(dú)立的執(zhí)行程序一樣 [4]。 (1) 建立方案：選用 LabVIEW 軟件，可以構(gòu)建虛擬儀器而不是編寫程序。為了實(shí)現(xiàn)具體的功能，用戶利用向?qū)О蚜鞒虉D結(jié)合在一起?？刂颇０迳系膶?duì)象包括數(shù)字顯示、表頭、壓力計(jì)、熱敏計(jì)外殼、表、圖片等。 (3) 構(gòu)建圖形化的流程圖： 對(duì)虛擬儀器進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，你不必?fù)?dān)心很多傳統(tǒng)設(shè)計(jì)所需的 語法細(xì)節(jié)，而可自己構(gòu)建流程圖。功能模塊上的對(duì)象包括簡單的數(shù)學(xué)運(yùn)算、高級(jí)數(shù)據(jù)采集和分析方法、以及網(wǎng)絡(luò)和文件輸入輸出操作。因?yàn)樵?LabVIEW 軟件中程序的執(zhí)行順序由各方塊中的數(shù)據(jù)流決定。 LabVIEW 軟件是一個(gè)多任務(wù)系統(tǒng) —— 具有多線程功能并運(yùn)行多個(gè)虛擬儀器。甚至可以創(chuàng)建自己的虛擬儀器圖標(biāo)，因而可以設(shè)計(jì)由虛擬儀器構(gòu)成的多層系統(tǒng)，并可以改變它，同其他虛擬儀器交換和連接以滿足不斷變化的應(yīng)用需要。 LabVIEW 軟件是唯一的帶有編輯器的圖形化編程環(huán)境，可以產(chǎn)生最優(yōu)化的代碼，其運(yùn)行速度與編譯 C 的速度相當(dāng)。因而，不會(huì)因?yàn)閳D形化編程降低了效率。 信 號(hào) 調(diào) 理 數(shù) 據(jù) 采 集 卡 數(shù) 據(jù) 處 理 虛 擬 儀 器 面 板 被 測 對(duì) 象 圖 21 常見虛擬儀器應(yīng)用方案 基于 LabVIEW 的仿真信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì) 7 3 數(shù)據(jù)采集的介紹與應(yīng)用 數(shù)據(jù)采集的系統(tǒng)構(gòu)成 在計(jì)算機(jī)廣泛應(yīng)用的今天，計(jì)算機(jī)為 “智能處理核心部件”的檢測、控制系統(tǒng)在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著越 來越重要的作用。 對(duì)于一個(gè)具體的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其硬件部分的設(shè)計(jì)內(nèi)容包括模擬信號(hào)輸入 /輸出通道的設(shè)置和數(shù)字信號(hào)輸入 /輸出通道的設(shè)置。 一個(gè)完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通常由原始信號(hào)、信號(hào)調(diào)理設(shè)備、數(shù)據(jù)采集設(shè)備和計(jì)算機(jī)四個(gè)部分組成。加入信號(hào)調(diào)理設(shè)備是因?yàn)槟承┹斎氲碾娦盘?hào)并不便于直接 進(jìn) 行測量，因此需要信號(hào)調(diào)理設(shè)備對(duì)它 進(jìn) 行諸如放大、濾波、隔離等處理，使得數(shù)據(jù)采集設(shè)備更便于對(duì)該信號(hào) 進(jìn) 行精確的測量。計(jì)算機(jī)上安裝了驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用軟件，方便我們與硬件交互，完成采集任務(wù)，并對(duì)采集到的數(shù)據(jù) 進(jìn) 行后續(xù)分析和處理 [5]。一個(gè) DAQ 系統(tǒng)通常具有一套用于獲取、處理原始數(shù)據(jù)，分析串崗其 和轉(zhuǎn)換器，信號(hào)調(diào)節(jié)及其顯示，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的軟件。在數(shù)據(jù)采集之前，程序?qū)?duì) DAQ 板初始化，板卡上和內(nèi)存中的 Buffer 是數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)的中間環(huán)節(jié)。為了更精確地測量信號(hào)信號(hào)調(diào)理部分能放大低電壓信號(hào)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行隔離和濾波。 DAQ 系統(tǒng)由軟件控制來 獲取數(shù)據(jù)行、分析數(shù)據(jù)并得到結(jié) 論 [6]。所以在選擇A/DLDLKKKKJDD Buffer(FIFO) ( ) 驅(qū)動(dòng)程序 Labview 程序 硬件 內(nèi)存 Buffer 顯示 外觸發(fā) 發(fā) 基于 LabVIEW 的仿真信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì) 9 數(shù)據(jù)采集卡構(gòu)成系統(tǒng)時(shí)，首先必須對(duì)數(shù)據(jù)采集卡的性能指標(biāo)有所了解。根據(jù)奈奎斯特理論采樣頻率至少是原信號(hào)的兩倍，但實(shí)際中，一般都需要 5～ 10 倍。如果采樣系統(tǒng)對(duì)時(shí)間要求嚴(yán)格，則必須同時(shí)采集，這就需要每個(gè)通道都有自己的放大和 A/D 轉(zhuǎn)換器。 (3) 分辨率 ADC 的位數(shù)越多，分辨率就越高，可區(qū)分的電壓就越小。一般最好能夠使進(jìn)入采集卡的電壓范圍剛好與其符合，以便利用其可靠的分辨率范圍。 數(shù)據(jù)采集卡的組成 (1) 多路開關(guān)。 (2) 放大器。通常的放大器都是增益可調(diào)的，使用者可根據(jù)需要來選擇不同的增益倍數(shù)。把采集到的信號(hào)瞬間值保持在 A/D 轉(zhuǎn)換的過程中不變化。將模擬的輸入信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字量輸出，完成信號(hào)幅值的量化。該模塊提供了 16 路模擬輸入；250 kS/s 單通道采樣率； 2 路模擬輸出； 4 路數(shù)字輸入線； 4 路數(shù)字輸出線；每通道有4 個(gè)可編程輸入范圍 (177。10 V) ； 8 路可編程數(shù)字 I/0 口。其即插即用的安裝最大程度地降低了配置和設(shè)置時(shí)間，同時(shí)它能直接與螺絲端子相連，從而削減了成本并簡化了信號(hào)的連接。 NIDAQmx 驅(qū)動(dòng)程序和測量服務(wù)軟件提供了簡單易用的配置和編程界面，其中 DAQ Assistant 等功能可幫助用戶縮短開發(fā)時(shí)間 [7]。 數(shù)據(jù)采集的硬件的安裝與配置 在使用 LabVIEW進(jìn)行數(shù)據(jù)采集之前，必須對(duì) DAQ硬件進(jìn)行正確的安裝和配置 ，具體過程分為以下 3步。 NI． DAQ驅(qū)動(dòng)器軟件為 LabVIEW提供了 與 DAQ器件和信號(hào)調(diào)理硬件之間的高級(jí)接口。 (2) DAQ卡的安裝與配置： DAQ卡的安裝需參照采集卡用戶手冊(cè)。 (3) 模擬輸入通道配置：通道配置可通過執(zhí)行 LabVIEW中“ project”菜單的“ DAQ Wizards ”子 菜單里“ DAQChannelWizards ”命 令來完成 。通過用戶漸入通道名稱、被測最物理信號(hào)的范圍、所使用的傳感器、傳感器輸出范圍以及相關(guān)的 DAQ硬件等基于 LabVIEW 的仿真信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì) 11 信息， DAQ通道配置向?qū)Э纱_定在 DAQ硬件通道上測量的物理參數(shù) [8]。afion)以及信號(hào)調(diào)理 (SignalConditioning)等 6類。 簡單程序僅僅只是表而培接口程序，它能執(zhí)行基本的模擬量輸入、模擬量輸出、數(shù)字 I/O以及計(jì)數(shù)器，定時(shí)器操作。當(dāng)出錯(cuò)時(shí)，將彈出一個(gè)對(duì)話框，顯示出錯(cuò)信息，用戶可以選擇終止程序執(zhí)行或者忽略錯(cuò)誤。它具有許多簡單程序所缺乏的功能，如外部時(shí)鐘等。應(yīng)用程序是中級(jí)程序的通用組合，在功能和操作上與中級(jí)程序 相同。開發(fā)實(shí)用程序時(shí)通常并不需要用到高級(jí)程序，但當(dāng)簡單程序和中級(jí)程序不具備用于控制特殊