基于LabVIEW脈沖和過(guò)渡過(guò)程測(cè)量的虛擬儀器

摘要：介紹基于虛擬儀器的脈沖和過(guò)渡過(guò)程的設(shè)計(jì)方法。采用LabVIEW可視化的虛擬儀器系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)，把傳統(tǒng)儀器的功能模塊集成在一臺(tái)計(jì)算機(jī)中，用戶可以在最基本的硬件支持下，通過(guò)修改虛擬儀器的軟件改變其功能與規(guī)模。
關(guān)鍵詞：脈沖和過(guò)渡過(guò)程；LabVIEW；虛擬儀器(VI)；設(shè)計(jì)；自動(dòng)測(cè)量

1 引言
    虛擬儀器VI(Visual Instrument)是以計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的軟硬件資源作為儀器的支撐，利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件組成，完成各種測(cè)試、測(cè)量和自動(dòng)化應(yīng)用的各種各樣的儀器系統(tǒng)。隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，虛擬儀器與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的結(jié)合為虛擬儀器網(wǎng)絡(luò)化提供了良好的實(shí)現(xiàn)平臺(tái)。LabVIEW(Laboratory Virtual instrument Engineering)是目前在虛擬儀器中使用較為廣泛的罔形化設(shè)計(jì)語(yǔ)言，它對(duì)軟件對(duì)象“虛擬儀器”進(jìn)行圖形化的組合操作。

2 虛擬儀器介紹
    虛擬儀器是基于計(jì)算機(jī)的儀器，以通用的計(jì)算機(jī)硬件及操作系統(tǒng)為依托，實(shí)現(xiàn)各種儀器功能。常見的虛擬儀器結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

    LabVIEW是具有直觀界面、便于開發(fā)、易于學(xué)習(xí)且具有多種儀器驅(qū)動(dòng)程序和工具的大型儀器系統(tǒng)開發(fā)工具。Lab VIEW基于圖形化編程語(yǔ)言G開發(fā)環(huán)境，采用了工廠人員所熟悉的術(shù)語(yǔ)、圖標(biāo)等圖形化符號(hào)來(lái)代替基于文字的常規(guī)程序語(yǔ)言，把復(fù)雜煩瑣、費(fèi)時(shí)的語(yǔ)言編程簡(jiǎn)化成簡(jiǎn)單、直觀、易學(xué)的圖形編程。同傳統(tǒng)的程序語(yǔ)言相比，可節(jié)省約80％的程序開發(fā)時(shí)間。使用LabVIEW開發(fā)平臺(tái)編制的程序稱為虛擬儀器程序，簡(jiǎn)稱為VI。VI包括3部分：前面板(Front Panel)、流程圖(BlockDiagram)、圖標(biāo)／接口。前面板用于設(shè)置輸入數(shù)據(jù)和觀察輸出量。由于程序前面板是模擬真實(shí)儀表前面板，輸入量被稱為Controls，輸出量被稱為Indicators，因此，用戶可以使用許多圖標(biāo)(如旋鈕、開關(guān)、按鈕、圖表、圖形等)，前面板易懂易看。每一個(gè)前面板都伴有一個(gè)流程圖(也叫程序框圖)。流程圖用圖形編程語(yǔ)言編寫，理解成傳統(tǒng)程序的源代碼。圖中的部件可看成程序節(jié)點(diǎn)(Node)，如循環(huán)控制、事件控制和算術(shù)功能等。這些部件都用連線連接，以定義其數(shù)據(jù)流方向。用戶利用圖標(biāo)，接口部件把VI程序變成一個(gè)對(duì)象(VI子程序)，然后在其他VI程序中調(diào)用。圖標(biāo)表示在其他程序中被調(diào)用的子程序，而接線端口表示圖標(biāo)的輸入輸出端口，如子程序的參數(shù)端口，對(duì)應(yīng)于VI程序前面板的控制量和指示量的數(shù)值。

3 脈沖和過(guò)渡過(guò)程測(cè)量虛擬儀器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    目前，我國(guó)的高檔臺(tái)式儀器(如數(shù)字示波器、頻譜分析儀等)還主要依賴進(jìn)口。這些儀器加工工藝復(fù)雜，對(duì)制造水平要求高，生產(chǎn)突破有困難，而采用虛擬技術(shù)后，就可只采購(gòu)適合于實(shí)際應(yīng)用情況的通用儀器，依賴于虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)出高性能價(jià)格比的儀器系統(tǒng)。虛擬的脈沖和過(guò)渡過(guò)程測(cè)量?jī)x器可任意調(diào)節(jié)脈沖參數(shù)，滿足測(cè)量要求；信號(hào)的采集和處理都變得更加簡(jiǎn)單。因此采用LabVIEW開發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)脈沖和過(guò)渡過(guò)程測(cè)量虛擬儀器。
    該測(cè)量虛擬儀器是建立在已有的數(shù)字信號(hào)處理理論和LabVIEW強(qiáng)大的虛擬仿真功能基礎(chǔ)上，提供一種對(duì)脈沖和脈沖過(guò)渡過(guò)程進(jìn)行測(cè)量的普遍可使用的方案，主要側(cè)重?cái)?shù)字信號(hào)處理方面的虛擬儀器。根據(jù)對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的要求，將所搭建的系統(tǒng)分為：基于LabVIEW的正弦波仿真信號(hào)發(fā)生器；脈沖信號(hào)發(fā)生；數(shù)字信號(hào)處理；數(shù)字示波器及測(cè)量監(jiān)控系統(tǒng)。整個(gè)虛擬測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。測(cè)量時(shí)，脈沖信號(hào)由脈沖信號(hào)發(fā)生器供給，通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理，最后南數(shù)字示波器及測(cè)量監(jiān)控系統(tǒng)顯示結(jié)果。

3．1 虛擬正弦波仿真信號(hào)發(fā)生器
    使用基于LabVIEW圖形化編程語(yǔ)言開發(fā)的虛擬信號(hào)發(fā)生器，具有編程簡(jiǎn)單、直觀、操作方便等特點(diǎn)；通過(guò)調(diào)用或修改流程圖中不同的功能函數(shù)，得到不同的信號(hào)，如正弦波、方波、三角波等。
    該正弦波仿真信號(hào)發(fā)生器可產(chǎn)生正弦信號(hào)。其主要指標(biāo)為：頻率范圍為0．1～10 000 Hz，可選；初始相位為0～180°，可選；幅值為0．1～5．0 V，可選；生成波形的總點(diǎn)數(shù)為N=8～512，可選。
3．1．1 前面板設(shè)計(jì)
    (1)8個(gè)輸入型數(shù)字控件控件按鍵供用戶生成波形類型選擇、正弦波的頻率、初始相位、幅值、采樣點(diǎn)、采樣頻率、信號(hào)復(fù)位、偏移量、占空比。
    (2)一個(gè)輸出顯示型圖形控件 顯示所產(chǎn)生的正弦波波形。注意：控件參數(shù)設(shè)置應(yīng)考慮到采樣頻率fx，數(shù)字頻率f，一個(gè)周期采樣點(diǎn)數(shù)n與總采樣頻率的關(guān)系：f=n，故fs的最大值應(yīng)該是被測(cè)信號(hào)頻率fx最大值的n倍，且N≥n。
    (3)開關(guān)控制 所設(shè)計(jì)的前面板如圖3所示。

3．1．2 運(yùn)行檢驗(yàn)
    設(shè)置正弦波信號(hào)fx=O．2 Hz，初相位為0°，幅值為1．0 V，采樣頻率10 Hz，復(fù)位相位選為TRUE，采樣點(diǎn)數(shù)為100。生成的正弦波如圖3所示。通過(guò)在前面板上改變正弦波信號(hào)、初相位、幅值等，可以得到不同的正弦波。
3．2 脈沖信號(hào)發(fā)生器
    瞬間突然變化．作用時(shí)間極短的電壓或電流稱為脈沖信號(hào)。脈沖有干擾脈沖和信號(hào)脈沖，它可以是周期性重復(fù)的，也可以是非周期性的或單次的，分為控制模擬和數(shù)字電路。使用脈沖發(fā)生子VI發(fā)生單個(gè)脈沖，也可發(fā)生一系列脈沖信號(hào)。這個(gè)子VI都在函數(shù)模板的下級(jí)模板中。使用VI時(shí)需要設(shè)定：脈沖極性，延遲，幅寬(延遲和幅寬之和為脈沖寬度)及占空比。脈沖極性決定了脈沖為高還是低。
    輸出單個(gè)脈沖．由脈沖極性、延遲和脈沖寬度參數(shù)決定。儀器的輸入控制端指定具體數(shù)據(jù)采集板的具體計(jì)數(shù)器輸出單個(gè)脈沖。設(shè)置了計(jì)數(shù)器工作的門限模式(具體使用時(shí)，給計(jì)數(shù)器的門輸入口接上一外部的門限信號(hào))。時(shí)基決定了具體時(shí)鐘用于延遲和幅寬。如果使用內(nèi)部時(shí)鐘，那么數(shù)據(jù)采集板上的時(shí)鐘作為延遲和幅寬的計(jì)時(shí)可達(dá)到秒。如使用外部時(shí)鐘，就要把外部的時(shí)基信號(hào)連接到計(jì)數(shù)器的原端口，此時(shí)延遲和幅寬的計(jì)時(shí)是以外部時(shí)基的周期數(shù)為單位。任務(wù)ID輸出包含了產(chǎn)生該脈沖所有設(shè)置的信息，是標(biāo)識(shí)該任務(wù)的標(biāo)識(shí)符?？梢园讶蝿?wù)ID輸出作為中級(jí)起始計(jì)數(shù)VI的輸入?yún)?shù)，從而可再產(chǎn)生同樣的脈沖。
    輸出一系列脈沖由脈沖位置調(diào)制、頻率、和占空比輸入?yún)?shù)決定。驅(qū)動(dòng)、控制器和參考電壓輸入?yún)?shù)的意義與產(chǎn)生單個(gè)脈沖參數(shù)的意義相同。輸入脈沖個(gè)數(shù)設(shè)定了脈沖序列的長(zhǎng)度。把脈沖個(gè)數(shù)設(shè)為零，那么該VI將發(fā)生連續(xù)的脈沖序列。任務(wù)ID輸出包含了產(chǎn)生該脈沖序列所有設(shè)置的信息，是該任務(wù)的標(biāo)識(shí)符。把任務(wù)ID或任務(wù)ID計(jì)數(shù)器輸出作為中級(jí)起始計(jì)數(shù)VI的輸入?yún)?shù)，從而可再產(chǎn)生同樣的脈沖序列。
3．3 脈沖測(cè)量
    該儀器測(cè)量脈沖選用脈沖測(cè)量子VI。使用該VI可測(cè)量脈沖的周期、占空比和脈沖持續(xù)期等測(cè)量信息，如圖4所示。

    測(cè)量脈沖序列的頻率。通過(guò)對(duì)在給定的已知時(shí)間內(nèi)的脈沖串個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)即可計(jì)算出被測(cè)信號(hào)的頻率。給定時(shí)間間隔是由連接到脈沖測(cè)量VI的百分比水平設(shè)置輸入控制，如圖5所示。測(cè)量信號(hào)由信號(hào)輸入端輸入，然后與該信號(hào)比較。信號(hào)通過(guò)前面一系列的數(shù)字信號(hào)處理，信號(hào)由信號(hào)輸入端輸入脈沖測(cè)量子VI。接到該端口的必須是已知幅寬的脈沖信號(hào)，該信號(hào)由外部信號(hào)源提供。

3．4 過(guò)渡過(guò)程測(cè)量
    過(guò)渡過(guò)程測(cè)量程序前面板如圖6所示。過(guò)渡過(guò)程測(cè)試時(shí)，其采樣率要求每秒8點(diǎn)，即要求采樣間隔T=0．125 s，因計(jì)算機(jī)讀取通道計(jì)數(shù)值及做相關(guān)操作還需一定時(shí)間，為此可以在保證其測(cè)量精度0．2％的前提下(即計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值N不小于500)，得出通道的測(cè)量范圍為39 Hz～528．6 kHz。
    對(duì)于穩(wěn)態(tài)測(cè)試而言，每5 min記錄一次數(shù)據(jù)，為此實(shí)際采樣率設(shè)為每4 s測(cè)一點(diǎn)，這樣在5 min內(nèi)可采樣75點(diǎn)，然后取其平均值作為一次記錄數(shù)據(jù)。此時(shí)，T=4 s，同理可計(jì)算出穩(wěn)態(tài)測(cè)試時(shí)通道的測(cè)量范圍是39 Hz～16．38 kHz。

4 結(jié)語(yǔ)
    虛擬儀器在實(shí)際應(yīng)用中的測(cè)量精度比較高，雖然能測(cè)出脈沖和過(guò)渡過(guò)程的一些簡(jiǎn)單信息，但在分析和測(cè)量方面仍存在一些問(wèn)題。在數(shù)值信號(hào)的處理部分，LabVIEW可通過(guò)采用數(shù)字信號(hào)處理子模塊，及相關(guān)的子VI程序?qū)崿F(xiàn)不同的信號(hào)處理功能。系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的采樣平滑處理、噪聲剔除以及采樣數(shù)據(jù)的標(biāo)度變換等，對(duì)準(zhǔn)確測(cè)量信號(hào)具有重要意義。