基于LabVIEW脈沖和過渡過程測量的虛擬儀器

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，完成各種測試、測量和自動(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基于圖形化編程語言G開發(fā)環(huán)境，采用了工廠人員所熟悉的術(shù)語、圖標(biāo)等圖形化符號(hào)來代替基于文字的常規(guī)程序語言，把復(fù)雜煩瑣、費(fèi)時(shí)的語言編程簡化成簡單、直觀、易學(xué)的圖形編程。同傳統(tǒng)的程序語言相比，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 脈沖和過渡過程測量虛擬儀器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前，我國的高檔臺(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)。虛擬的脈沖和過渡過程測量儀器可任意調(diào)節(jié)脈沖參數(shù)，滿足測量要求；信號(hào)的采集和處理都變得更加簡單。因此采用LabVIEW開發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)脈沖和過渡過程測量虛擬儀器。

該測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)脈沖和脈沖過渡過程進(jìn)行測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)字示波器及測量監(jiān)控系統(tǒng)。整個(gè)虛擬測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。測量時(shí)，脈沖信號(hào)由脈沖信號(hào)發(fā)生器供給，通過數(shù)字信號(hào)處理，最后南數(shù)字示波器及測量監(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圖形化編程語言開發(fā)的虛擬信號(hào)發(fā)生器，具有編程簡單、直觀、操作方便等特點(diǎn)；通過調(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。