基于LabVIEW平臺的脈沖和過渡過程測量的虛擬儀器

2 虛擬儀器介紹
虛擬儀器是基于計算機(jī)的儀器，以通用的計算機(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)等圖形化符號來代替基于文字的常規(guī)程序語言，把復(fù)雜煩瑣、費(fèi)時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)時間。使用LabVIEW開發(fā)平臺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。每一個前面板都伴有一個流程圖(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程序變成一個對象(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
目前，我國的高檔臺式儀器(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，設(shè)計出高性能價格比的儀器系統(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；信號的采集和處理都變得更加簡單。因此采用LabVIEW開發(fā)平臺設(shè)計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)重數(shù)字信號處理方面的虛擬儀器。根據(jù)對測量系統(tǒng)的要求，將所搭建的系統(tǒng)分為：基于LabVIEW的正弦波仿真信號發(fā)生器；脈沖信號發(fā)生；數(shù)字信號處理；數(shù)字示波器及測量監(jiān)控系統(tǒng)。整個虛擬測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。測量時，脈沖信號由脈沖信號發(fā)生器供給，通過數(shù)字信號處理，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發(fā)生器
使用基于LabVIEW圖形化編程語言開發(fā)的虛擬信號發(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，如正弦波、方波、三角波等。
該正弦波仿真信號發(fā)生器可產(chǎn)生正弦信號。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
(1)8個輸入型數(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、信號復(fù)位、偏移量、占空比。
(2)一個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)該是被測信號頻率fx最大值的n倍，且N≥n。
(3)開關(guān)控制 所設(shè)計的前面板如圖3所示。

3．1．2 運(yùn)行檢驗
設(shè)置正弦波信號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、初相位、幅值等，可以得到不同的正弦波。
3．2 脈沖信號發(fā)生器
瞬間突然變化．作用時間極短的電壓或電流稱為脈沖信號。脈沖有干擾脈沖和信號脈沖，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)生單個脈沖，也可發(fā)生一系列脈沖信號。這個子VI都在函數(shù)模板的下級模板中。使用VI時需要設(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)采集板的具體計數(shù)器輸出單個脈沖。設(shè)置了計數(shù)器工作的門限模式(具體使用時，給計數(shù)器的門輸入口接上一外部的門限信號)。時基決定了具體時鐘用于延遲和幅寬。如果使用內(nèi)部時鐘，那么數(shù)據(jù)采集板上的時鐘作為延遲和幅寬的計時可達(dá)到秒。如使用外部時鐘，就要把外部的時基信號連接到計數(shù)器的原端口，此時延遲和幅寬的計時是以外部時基的周期數(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)識該任務(wù)的標(biāo)識符。可以把任務(wù)ID輸出作為中級起始計數(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、控制器和參考電壓輸入?yún)?shù)的意義與產(chǎn)生單個脈沖參數(shù)的意義相同。輸入脈沖個數(shù)設(shè)定了脈沖序列的長度。把脈沖個數(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)識符。把任務(wù)ID或任務(wù)ID計數(shù)器輸出作為中級起始計數(shù)VI的輸入?yún)?shù)，從而可再產(chǎn)生同樣的脈沖序列。