基于LABVIEW的信號發(fā)生器設(shè)計論文專業(yè)論文

畢業(yè)設(shè)計(論文)題目：基于虛擬儀器的信號發(fā)生器設(shè)計學(xué)生姓名學(xué)號專業(yè)班級分院（系）指導(dǎo)教師（職稱）2010年6月誠信承諾書本人謹(jǐn)此承諾，本人所寫畢業(yè)設(shè)計（論文）均由本人獨立撰寫，無任何抄襲行為。凡涉及他人的觀點材料，均作了注釋。如出現(xiàn)抄襲或侵犯他人知識產(chǎn)權(quán)的情況，愿承擔(dān)由此引起的任何責(zé)任，并接受相應(yīng)的處分。學(xué)生簽名：年月日基于虛擬儀器的信號發(fā)生器設(shè)計【摘要】虛擬儀器是將儀器技術(shù)、計算機技術(shù)、總線技術(shù)和軟件技術(shù)緊密的融合在一起，利用計算機強大的數(shù)字處理能力實現(xiàn)儀器的大部分功能，打破了傳統(tǒng)儀器的框架，形成的一種新的儀器模式。本設(shè)計采用USB6211數(shù)據(jù)采集卡，將虛擬儀器技術(shù)用于信號發(fā)生器的設(shè)計。該系統(tǒng)具有生成正弦波、方波、三角波、鋸齒波及PWM波的功能。本文首先概述了信號發(fā)生器及虛擬儀器技術(shù)在國內(nèi)外的發(fā)展及趨勢，然后介紹了信號發(fā)生器的相關(guān)理論，給出了信號發(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。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)計中所涉及到的硬件和技術(shù)。本設(shè)計是虛擬儀器模擬真實儀器的嘗試。實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)。【關(guān)鍵詞】虛擬儀器，數(shù)據(jù)采集卡，信號發(fā)生器，LABVIEWThedesignofsignalgeneratorbasedonvirtualinstrument【Abstract】Virtualinstrumentisformedbytheinstrumenttechnology,computertechnology,bustechnologyandsoftwaretechnology.Powerfuldigitalprocessing’sabilityofcomputerisusedtoachievethemainfunctionsofinstrument.Virtualinstrumentbroketheframeworkofthetraditionalinstruments,andbuiltanewdevicemodel.ThisdesignusesUSB6211dataacquisitioncard.Thevirtualinstrumenttechnologyhasbeenutilizedinthedesignofsignalgenerator.Thesystemhasabilitytoproducesinewave,squarewave,andtrianglewave,sawtoothwaveandPWMwave.Thisarticlesummarizesthedevelopmentandtrendofthesignalgeneratorandvirtualinstrumentathomeandabroadatfirst.Andthenintroducesthetheoryofsignalgenerator,givesabasicblockdiagramofsignalgenerator,alsotheframestructureandLABVIEWdevelopmentplatformofthevirtualinstrumentwiththeinquiryofthebus’sstandard.Basedontheanalysisofthissystem’sfunctionalrequirements,thisarticleintroducesthehardwareandtechnologywhichinvolvedindesignofthedataacquisitioncardandtheLABVIEW’sprogrammingmodes.Thedesignisanattemptofvirtualinstrumenttosimulatetherealityinstrument.Itshowsthevirtualinstrumentisanexcellentsolutiontoachievethetaskwhichisachievedbytraditionalhardwareinthepast.【KeyWords】VirtualInstruments，DataAcquisitionCards，SignalGenerators，LABVIEW目錄1緒論 11.1引言 11.1.1信號發(fā)生器的發(fā)展 11.1.2虛擬儀器的發(fā)展趨勢 21.1.3課題的主要任務(wù) 32虛擬儀器 42.1虛擬儀器的概述 42.1.1虛擬儀器的特點及優(yōu)勢 42.1.2虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較 52.1.3虛擬儀器系統(tǒng)的組成 6虛擬儀器I/O接口設(shè)備 62.1.5虛擬儀器的軟件結(jié)構(gòu) 82.2虛擬儀器的開發(fā)軟件 82.2.1虛擬儀器的開發(fā)語言 8圖形化虛擬儀器開發(fā)平臺——LABVIEW 9基于LABVIEW平臺的虛擬儀器程序設(shè)計 9虛擬儀器的發(fā)展方向 103系統(tǒng)設(shè)計的硬件平臺 123.1PC機 123.2數(shù)據(jù)采集卡的選擇 12數(shù)據(jù)采集卡的主要性能指標(biāo) 12數(shù)據(jù)采集卡的組成 133.2.3USB6211 134系統(tǒng)總體的設(shè)計及實現(xiàn) 144.1系統(tǒng)框架和設(shè)計流程 144.1.1程序框圖的設(shè)計流程 144.1.2系統(tǒng)設(shè)計 144.2系統(tǒng)具體應(yīng)用程序 154.2.1程序框圖的具體設(shè)計步驟 154.2.2基本波形信號發(fā)生器 174.2.3PWM波信號發(fā)生器 184.3硬件連接調(diào)試 194.4整體程序的具體實現(xiàn) 19結(jié)論 22參考文獻(xiàn) 23致謝 24圖目錄TOC\h\z\t"題注"\c圖1.1信號發(fā)生器基本原理框圖 2圖2.1虛擬儀器開發(fā)框圖 4圖2.2虛擬儀器的內(nèi)部功能的劃分 6圖2.3虛擬儀器構(gòu)成方式 7圖2.4虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu) 8圖3.1數(shù)據(jù)采集卡USB6211 13圖4.1程序框圖的設(shè)計流程 14圖4.2基本波形虛擬通道 15圖4.3PWM波虛擬通道 15圖4.4基本波形信號時鐘 16圖4.5PWM波信號時鐘 16圖4.6基本信號波形運行 16圖4.8循環(huán)及清除程序 17圖4.9基本信號發(fā)生器程序 17圖4.10基本信號發(fā)生器前面板 18圖4.11PWM波信號發(fā)生程序 18圖4.12PWM波信號發(fā)生前面板 19圖總程序框圖——基本波形 20圖總程序框圖——PWM波形 20圖4.15總程序前面板 211緒論1.1引言信號發(fā)生器作為科學(xué)實驗必不可少的裝置，被廣泛地應(yīng)用到教學(xué)、科研等各個領(lǐng)域。高等學(xué)校特別是理工科的教學(xué)、科研需要大量的儀器設(shè)備，例如信號源、示波器等，常用儀器都必須配置多套，但是有些儀器設(shè)備價格昂貴，如果按照傳統(tǒng)模式新建或者改造實驗室投資巨大，造成許多學(xué)校儀器設(shè)備缺乏或過時陳舊，嚴(yán)重影響教學(xué)科研。如果運用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建系統(tǒng)，代替常規(guī)儀器、儀表，不但可以滿足實驗教學(xué)的需要、節(jié)約大量的經(jīng)費、降低實驗室建設(shè)的成本，而且能夠提高教學(xué)科研的質(zhì)量與效率[1]。1信號發(fā)生器的發(fā)展信號發(fā)生器是一種悠久的測量儀器，早在20年代電子設(shè)備剛出現(xiàn)時它就產(chǎn)生了。隨著通信和雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，40年代出現(xiàn)了主要用于測試各種接收機的標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器，使信號發(fā)生器從定性分析的測試儀器發(fā)展成定量分析的測量儀器。同時還出現(xiàn)了可用來測量脈沖電路或用作脈沖調(diào)制器的脈沖信號發(fā)生器。由于早期的信號發(fā)生器機械結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，功率比較大，電路比較簡單，因此發(fā)展速度比較慢。直到1964年才出現(xiàn)第一臺全晶體管的信號發(fā)生器。自60年代以來信號發(fā)生器有了迅速的發(fā)展，出現(xiàn)了函數(shù)發(fā)生器，這個時期的信號發(fā)生器多采用模擬電子技術(shù)，由分立元件或模擬集成電路構(gòu)成，其電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且僅能產(chǎn)生正弦波、方波、鋸齒波和三角波等幾種簡單波形，由于模擬電路的漂移較大，使其輸出的波形的幅度穩(wěn)定性差，而且模擬器件構(gòu)成的電路存在著尺寸大、價格貴、功耗大等缺點，并且要產(chǎn)生較為復(fù)雜的信號波形則電路結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。自從70年代微處理器出現(xiàn)以后，利用微處理器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器，硬件和軟件使信號發(fā)生器的功能擴大，產(chǎn)生比較復(fù)雜的波形。這時期的信號發(fā)生器多以軟件為主，實質(zhì)是采用微處理器對DAC的程序控制，就可以得到各種簡單的波形。軟件控制波形的一個最大缺點就是輸出波形的頻率低，這主要是由CPU的工作速度決定的，如果想提高頻率可以改進(jìn)軟件程序減少其執(zhí)行周期時間或提高CPU的時鐘周期，但這些辦法是有限度的，根本的辦法還是要改進(jìn)硬件電路。隨著現(xiàn)代電子、計算機和信號處理等技術(shù)的發(fā)展，極大促進(jìn)了數(shù)字化技術(shù)在電子測量儀器中的應(yīng)用，使原有的模擬信號處理逐步被數(shù)字信號處理所代替，從而擴充了儀器信號的處理能力，提高了信號測量的準(zhǔn)確度、精度和變換速度，克服了模擬信號處理的諸多缺點，數(shù)字信號發(fā)生器隨之發(fā)展起來。其基本原理如圖所示。圖1.1信號發(fā)生器基本原理框圖信號發(fā)生器的應(yīng)用非常廣泛，種類繁多。首先，信號發(fā)生器可以分通用和專用兩大類，專用信號發(fā)生器主要為了某種特殊的測量目的而研制的，如電視信號發(fā)生器、脈沖編碼信號發(fā)生器等，這種發(fā)生器的特性是受測量對象的要求所制約的。其次，信號發(fā)生器按輸出波形又可分為正弦波信號發(fā)生器、脈沖波信號發(fā)生器、函數(shù)發(fā)生器和任意波發(fā)生器等。再次，按其產(chǎn)生頻率的方法又可分為諧振法和合成法兩種。一般傳統(tǒng)的信號發(fā)生器都采用諧振法，即用具有頻率選擇性的回路來產(chǎn)生正弦振蕩，來獲得所需頻率。虛擬儀器的發(fā)展趨勢現(xiàn)代儀器儀表技術(shù)是計算機技術(shù)和多種基礎(chǔ)學(xué)科緊密結(jié)合的產(chǎn)物。隨著微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、軟件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，新的測試?yán)碚?、測試方法、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)沖破了傳統(tǒng)儀器的概念，電子測量儀器的功能和作用發(fā)生了質(zhì)的變化。在此背景下，1986年美國國家儀器公司(NationalInstruments，NI)提出了虛擬儀器(VirtualInstrument，VI)的概念。盡管迄今為止虛擬儀器還沒有一個統(tǒng)一的定義，但是一般認(rèn)為：虛擬儀器是在PC基礎(chǔ)上通過增加相關(guān)硬件和軟件構(gòu)建而成的、具有可視化界面的可重用測試儀器系統(tǒng)[2]。作為一種以計算機軟件為核心的新型儀器系統(tǒng)，虛擬儀器具有功能強、測試精度高、測試速度快、自動化程度高、人機界面優(yōu)異、靈活性強等優(yōu)點，通常被認(rèn)為是第三代自動測試系統(tǒng)的同義語[3]。使用虛擬儀器系統(tǒng)可以避免儀器編程過程中的大量重復(fù)性勞動，從而大大縮短復(fù)雜程序的開發(fā)時間，并且客戶可以用不同的模塊來構(gòu)造自己的虛擬儀器系統(tǒng)，選擇統(tǒng)一的測試策略。由于虛擬儀器的功能和性能已被不斷提高，如今在許多應(yīng)用中它已成為傳統(tǒng)儀器的主要替代方式。而虛擬儀器的各種優(yōu)點讓用戶可放心地舍棄舊的傳統(tǒng)測量設(shè)備，接受更新型、以計算機為基礎(chǔ)的虛擬儀器系統(tǒng)。由于計算機的性能價格比不斷改進(jìn)，使虛擬儀器的價格更為大眾化，用戶不必再受限于傳統(tǒng)儀器的使用限制和昂貴的價格，進(jìn)一步降低了使用成本，減少了系統(tǒng)的開發(fā)費用和系統(tǒng)的維護(hù)費用[4]。此外，新型筆記本電腦又把虛擬儀器的便攜性和強大功能推向一個新的水平。所有這些必將加快虛擬儀器的發(fā)展，使它的功能和應(yīng)用領(lǐng)域不斷增強和擴大。在測量、檢測、電信、監(jiān)控、教育等方面的應(yīng)用已廣泛開展。1.1.3課題的主要任務(wù)信號源的波形有正弦波、方波、三角波、鋸齒波、PWM(PulseWidthModulation)波等不同種類。信號的頻率、幅值和占空比等波形參數(shù)可按需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。本設(shè)計以數(shù)據(jù)采集卡的物理通道進(jìn)行設(shè)計，從LABVIEW設(shè)計的程序中產(chǎn)生的模擬（數(shù)字）輸入，經(jīng)過信號調(diào)節(jié)后，由數(shù)據(jù)采集卡采集并輸出信號。2虛擬儀器2.1虛擬儀器的概述虛擬儀器的概念是由美國國家儀器公司最先提出的[5]。所謂虛擬儀器是基于計算機的軟硬件測試平臺，它可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測量儀器，如示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器、頻譜分析儀等，可集成于自動控制、工業(yè)控制系統(tǒng)之中，可自由構(gòu)建成專有儀器系統(tǒng)。虛擬儀器是智能儀器之后的新一代測量儀器。虛擬儀器的核心技術(shù)思想就是“軟件即是儀器”。該技術(shù)把儀器分為計算機、儀器硬件和應(yīng)用軟件三部分[6]。虛擬儀器以通用計算機和配備標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字接口的測量儀器為基礎(chǔ)，將儀器硬件連接到各種計算機平臺上，直接利用計算機豐富的軟硬件資源，將計算機硬件和測量儀器等硬件資源與計算機軟件資源有機的結(jié)合起來。2.虛擬儀器的特點及優(yōu)勢虛擬儀器是基于計算機的功能化硬件模塊和計算機軟件構(gòu)成的電子測試儀器，而軟件是虛擬儀器的核心[7]，，其中軟件的基礎(chǔ)部分是設(shè)備驅(qū)動軟件，而這些標(biāo)準(zhǔn)的儀器驅(qū)動軟件使得系統(tǒng)的開發(fā)與儀器的硬件變化無關(guān)。這是虛擬儀器最大的優(yōu)點之一，有了這一點，儀器的開發(fā)和換代時間將大大縮短。虛擬儀器中應(yīng)用程序?qū)⒖蛇x硬件和可重復(fù)用庫函數(shù)等軟件結(jié)合在一起，實現(xiàn)了儀器模塊間的通信、定時與觸發(fā)。由于VI的模塊化、開放性和靈活性，以及軟件是關(guān)鍵的特點，當(dāng)用戶的測試要求變化時可以方便地由用戶自己來增減硬、軟件模塊，或重新配置現(xiàn)有系統(tǒng)以滿足新的測試要求。這樣，當(dāng)用戶從一個項目轉(zhuǎn)向另一個項目時，就能簡單地構(gòu)造出新的VI系統(tǒng)而不丟失己有的硬件和軟件資源[8]。圖2.1虛擬儀器開發(fā)框圖虛擬儀器技術(shù)的優(yōu)勢在于可由用戶定義自己的專用儀器系統(tǒng)，且功能靈活，很容易構(gòu)建，所以應(yīng)用面極為廣泛。虛擬儀器技術(shù)十分符合國際上流行的“硬件軟件化”的發(fā)展趨勢，因而常被稱作“軟件儀器”。它功能強大，可實現(xiàn)示波器、邏輯分析儀、頻譜儀、信號發(fā)生器等多種普通儀器全部功能，配以專用探頭和軟件還可檢測特定系統(tǒng)的參數(shù)，如汽車發(fā)動機參數(shù)、汽油標(biāo)號、爐窯溫度、血液脈搏波、心電參數(shù)等多種數(shù)據(jù)，它操作靈活，完全圖形化界面，風(fēng)格簡約，符合傳統(tǒng)設(shè)備的使用習(xí)慣，用戶經(jīng)簡單培訓(xùn)即可迅速掌握操作規(guī)程。2.1.2虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較虛擬儀器具有傳統(tǒng)獨立儀器無法比擬的優(yōu)勢。在高速度、高帶寬和專業(yè)測試領(lǐng)域，獨立儀器具有無可替代的優(yōu)勢。在中低檔測試領(lǐng)域，虛擬儀器可取代一部分獨立儀器的工作，但完成復(fù)雜環(huán)境下的自動化測試是虛擬儀器的強項，這是傳統(tǒng)的獨立儀器難以勝任的。1）傳統(tǒng)儀器的面板只有一個，上面布置了種類繁多的顯示和操作元件。由此導(dǎo)致許多識讀和操作錯誤。虛擬儀器與之不同，它可以通過在幾個分面板上的操作來實現(xiàn)比較復(fù)雜的功能。這樣，在每個分面板上就可以實現(xiàn)功能操作的單純化和面板布置的簡潔化，從而提高操作的正確性和便捷性。同時，虛擬儀器的面板上的顯示元件和操作元件的種類與形式不受標(biāo)準(zhǔn)元件和加工工藝的限制，由編程來實現(xiàn)，設(shè)計者可以根據(jù)用戶的要求和操作需要來設(shè)計儀器面板。2）在通用硬件平臺確定后，軟件取代傳統(tǒng)儀器中由硬件完成的儀器功能。3）儀器的功能是由用戶根據(jù)需要用軟件來定義，不是事先由廠家定義的。4）儀器性能的改進(jìn)和功能擴展只需更新相關(guān)軟件設(shè)計，不需購買新儀器。5）虛擬儀器開放、靈活，與計算機同步發(fā)展，與網(wǎng)絡(luò)及其他周邊設(shè)備互聯(lián)。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CPU的強大的數(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，實現(xiàn)自動化、智能化、多任務(wù)測量。7）可方便地存貯和交換測試數(shù)據(jù)，測試結(jié)果的表達(dá)方式更加豐富多樣。8）虛擬儀器在高性價比的條件下，降低了系統(tǒng)開發(fā)和維護(hù)費用，縮短技術(shù)更新周期。近年來，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，己經(jīng)形成了網(wǎng)絡(luò)虛擬儀器。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Internet的一部分，實現(xiàn)現(xiàn)場監(jiān)控和管理。2.1.3虛擬儀器是基于計算機的儀器。計算機和儀器的密切結(jié)合是目前儀器發(fā)展的一個重要方向。這種結(jié)合基本有兩種方式，一種是將計算機裝入儀器，其典型的例子就是智能化儀器。隨著計算機功能的日益強大以及其體積的日趨縮小，這類儀器功能也越來越強大，目前已經(jīng)出現(xiàn)含嵌入式系統(tǒng)的儀器。另一種方式是將儀器裝入計算機，以通用的計算機硬件及操作系統(tǒng)為依托，實現(xiàn)各種儀器功能，虛擬儀器主要是指這種方式[9]。虛擬儀器的組成與傳統(tǒng)儀器一樣，主要由數(shù)據(jù)采集與控制、數(shù)據(jù)分析和處理、結(jié)果顯示三部分組成。如圖2.2所示。圖2.2虛擬儀器的內(nèi)部功能的劃分對于傳統(tǒng)儀器，這三個部分幾乎均由硬件完成。對于虛擬儀器，前一部分由硬件構(gòu)成，后兩部分主要由軟件實現(xiàn)。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器設(shè)計日趨模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化，使設(shè)計工作量大大減小。通常虛擬儀器測試系統(tǒng)硬件組成部分是由傳感器部件、信號調(diào)理及信號采集部件、通用計算機、打印機等構(gòu)成。系統(tǒng)軟件部分通常用專用的虛擬儀器開發(fā)語言編寫而成，并可通過Internet實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擴展。2.1.4I/O接口設(shè)備主要用來完成被測輸入信號的采集、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換?？筛鶕?jù)實際情況采用不同的I/O接口硬件設(shè)備，如數(shù)據(jù)采集卡/板(DAQ)、GPIB總線儀器、VXI總線儀器、串口儀器、USB等。虛擬儀器的構(gòu)成主要有五種類型，如圖2.2所示。圖2.3虛擬儀器構(gòu)成方式1）DAQ(DataAcquisition)數(shù)據(jù)采集卡是指基于計算機標(biāo)準(zhǔn)總線(如ISA、PCI、USB等)的內(nèi)置功能插卡。其中USB是最新技術(shù)的數(shù)據(jù)采集卡，具有精度高，可攜性好等優(yōu)點，它更加充分地利用計算機的資源，大大增加了測試系統(tǒng)的靈活性和擴展性；利用DAQ卡可方便快速地構(gòu)建虛擬儀器系統(tǒng)。在性能上，隨著A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)，濾波技術(shù)和信號調(diào)理技術(shù)的發(fā)展，DAQ卡的采樣速率已達(dá)1GB/s，精度高達(dá)24位，通道數(shù)高達(dá)64個，并具有數(shù)字I/O，模擬I/O和計數(shù)器/定時器等通道。各儀器廠家生產(chǎn)了大量的DAQ卡功能模塊供用戶選擇，如示波器、串行數(shù)據(jù)分析儀、動態(tài)信號分析儀、任意波形發(fā)生器等。在計算機上掛接多個DAQ功能模塊，配合相應(yīng)的軟件，就可以構(gòu)成一臺具有多功能的測試儀器。這種基于計算機的儀器，既具有高檔儀器的測量品質(zhì)，又能滿足測量需求的多樣性。對我國大多數(shù)用戶來說，它具有很高的性價比，是一種特別適合我國國情的虛擬儀器方案。2）GPIB(GeneralPurposeInterfaceBus)通用接口總線，是計算機和儀器的標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議。，它是最早的儀器總線，目前多數(shù)儀器都配備了遵循IEEE-488的GPIB接口。典型的GPIB測試系統(tǒng)包括一臺計算機，一塊基于GPIB總線的接口卡和多臺GPBI儀器軟件及相應(yīng)的傳感模塊硬件。每臺GPIB儀器有單獨的地址，由計算機控制操作。系統(tǒng)中的儀器可以增加、減少或更換，只需對計算機的控制軟件作相應(yīng)的改動。基于GPIB總線結(jié)構(gòu)的接口卡數(shù)據(jù)傳輸速率一般低于500kb/s，不適合對系統(tǒng)速度要求較高的應(yīng)用。3）VXI(VMEbuseXtensionforInstrumentation)是VME總線在儀器領(lǐng)域的擴展，，成為開放式工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。儀器專用總線在吸收IEEE-488的成功經(jīng)驗基礎(chǔ)上，增加了10MHz時鐘線、模擬和數(shù)字混合總線、星形總線等高速總線，定時關(guān)系嚴(yán)格，兼有計算機總線和儀器總線的優(yōu)點。4）PXI(PCIeXtensionForInstrumentation)是CompactPCI總線在儀器領(lǐng)域的擴展，是NI公司于1997年發(fā)布的一種新的開放性、模塊化儀器總線規(guī)范。其核心是CompactPCI結(jié)構(gòu)和MicrosoftWindows軟件。PXI是在PCI內(nèi)核技術(shù)上增加了成熟的技術(shù)規(guī)范和要求形成的。PXI增加了用于多個板卡同步的觸發(fā)總線和10MHz參考時鐘，用于精確定時的星形觸發(fā)總線，以及用于相鄰模塊間高速通信的局部總線等，來滿足實驗和用戶的要求。5）串口系統(tǒng)是以Serial標(biāo)準(zhǔn)總線儀器與計算機為儀器精簡平臺組成的虛擬測試系統(tǒng)[10]。RS-232總線是早期采用的通用串行總線，將帶有RS-232標(biāo)準(zhǔn)總線接口的儀器作為I/O接口設(shè)備，通過RS-232串口總線與計算機組成虛擬儀器系統(tǒng)目前仍然是虛擬儀器構(gòu)成方式之一，主要適用于速度較低的測試系統(tǒng)。2.1.5虛擬儀器虛擬儀器技術(shù)的核心是軟件，其軟件基本結(jié)構(gòu)如圖2.3所示。用戶可以采用各種編程軟件來開發(fā)自己所需要的應(yīng)用軟件。以美國NI公司的軟件產(chǎn)品LABVIEW和LabWindows/CVI為代表的虛擬儀器專用開發(fā)平臺是當(dāng)前流行的集成化開發(fā)工具。這些軟件開發(fā)平臺提供了強大的儀器軟面板設(shè)計工具和各種數(shù)據(jù)處理工具，再加上虛擬儀器硬件廠商提供的各種硬件的驅(qū)動程序模塊，簡化了虛擬儀器的設(shè)計工作。隨著軟件技術(shù)的迅速發(fā)展，軟件開發(fā)的模塊化、復(fù)用化以及各種硬件儀器驅(qū)動軟件的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化，虛擬儀器軟件開發(fā)將變得更加快速、方便。圖2.4虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu)2.2虛擬儀器的開發(fā)軟件2.2.1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(biāo)準(zhǔn)C、VisualC++、VisualBasic等通用程序開發(fā)語言。但直接由這些語言開發(fā)虛擬儀器系統(tǒng)，是有相當(dāng)難度的，除了要花大量時間進(jìn)行測試系統(tǒng)面板設(shè)計外，還要編制大量的設(shè)備驅(qū)動程序和底層控制程序。這些工作對于那些不熟悉這方面知識的工程設(shè)計人員來說，需要花費大量時間和精力，這樣直接影響了系統(tǒng)開發(fā)的周期和性能。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和LabWindows/CVI。LABVIEW采用圖形化編程方案，是非常實用的開發(fā)軟件。LabWindows/CVI是為熟悉C語言的開發(fā)人員準(zhǔn)備的，是在Windows環(huán)境下的標(biāo)準(zhǔn)ANSIC開發(fā)環(huán)境。除此以外還有HP公司的HP-VEE，HP-TIG開發(fā)平臺，美國Tektronix公司的Ez-Test，Tek-TNS平臺軟件，這些都是國際上公認(rèn)的優(yōu)秀的虛擬儀器開發(fā)軟件平臺[11]。2.圖形化虛擬儀器開發(fā)平臺——LABVIEWLABVIEW(LaboratoryVirtualInstrumentEngineering)是一種圖形化的編程語言，它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實驗室所接受，視為一個標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。LABVIEW集成了與滿足GPIB、VXI、RS-232和RS-485協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能。它還內(nèi)置了便于應(yīng)用TCP/PI、ActiveX等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫函數(shù)，是一個功能強大且靈活的軟件。利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器，圖形化的界面使得編程及使用過程都更加形象化。傳統(tǒng)的文本式編程是一種順序的設(shè)計思路，設(shè)計者必須寫出執(zhí)行的語句。而LABVIEW是基于數(shù)據(jù)流的工作方式，同時也是基于圖形化的編程，這使得設(shè)計者不必掌握大量的編程語言和程序設(shè)計技巧便可設(shè)計出虛擬儀器系統(tǒng)[11]。目前，在以PC機為基礎(chǔ)的測試和工控軟件中，LABVIEW的市場普及率僅次于C++/C語言。LABVIEW具有一系列無與倫比的優(yōu)點：首先，LABVIEW作為圖形化語言編程，采用流程圖式的編程，運用的設(shè)備圖標(biāo)與科學(xué)家、工程師們習(xí)慣的大部分圖標(biāo)基本一致，這使得編程過程和思維過程非常相似；同時，LABVIEW提供了豐富的VI庫和儀器面板素材庫，近600種設(shè)備的驅(qū)動程序，如GPIB設(shè)備控制、VXI總線控制、串行口設(shè)備控制、以及數(shù)據(jù)分析、顯示和存儲；并且LABVIEW還提供了專門用于程序開發(fā)的工具箱，使得用戶能夠設(shè)置斷點，調(diào)試過程中可以使用數(shù)據(jù)探針和動態(tài)執(zhí)行程序來觀察數(shù)據(jù)的傳輸過程，更加便于程序的調(diào)試。因此，LABVIEW受到越來越多工程師和科學(xué)家的青睞。利用LABVIEW，可產(chǎn)生獨立運行的可執(zhí)行文件，它是一個真正的32編譯器。像許多通用的軟件一樣，LABVIEW提供了Windows、UNIX、Linux、MacintoshOS等多種版本[12]。2.基于LABVIEW平臺的虛擬儀器程序設(shè)計所有的LABVIEW應(yīng)用程序，即虛擬儀器(VI)，它包括前面板(FrontPanel)、流程圖(BlockDiagram)以及圖標(biāo)/連結(jié)器(Icon/Connector)三部分[13]。1）前面板：前面板是圖形用戶界面，也就是VI的虛擬儀器面板，這一界面上有用戶輸入和顯示輸出兩類對象，具體表現(xiàn)有開關(guān)、旋鈕、圖形以及其他控制和顯示對象。但并非畫出兩個控件后程序就可以運行，在前面板后還有一個與之對應(yīng)的流程圖。2）流程圖：流程圖提供VI的圖形化源程序。在流程圖中對VI編程，以控制和操縱定義在前面板上的輸入和輸出功能。流程圖中包括前面板上的控件連線端子，還有一些前面板上沒有，但編程必須有的東西，例如函數(shù)、結(jié)構(gòu)和連線等。如果將VI與傳統(tǒng)儀器相比較，那么前面板上的控件對應(yīng)的就是傳統(tǒng)儀器上的按鈕、顯示屏等控件，而流程圖上的連線端子相當(dāng)于傳統(tǒng)儀器箱內(nèi)的硬件電路。在許多情況下，使用VI可以仿真?zhèn)鹘y(tǒng)儀器，不僅在屏幕上出現(xiàn)一個惟妙惟肖的標(biāo)準(zhǔn)儀器面板，而且其功能也與傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)儀器相差無幾[14]。這種設(shè)計思想的優(yōu)點體現(xiàn)在兩方面：（1）類似流程圖的設(shè)計思想，很容易被工程人員接受和掌握，特別是那些沒有很多程序設(shè)計經(jīng)驗的工程人員。（2）設(shè)計的思路和運行過程清晰而且直觀。如通過使用數(shù)據(jù)探針、高亮執(zhí)行調(diào)試等多種方法，程序以較慢的速度運行，使沒有執(zhí)行的代碼顯示灰色，執(zhí)行后的代碼會高亮顯示，同時在線顯示數(shù)據(jù)流線上的數(shù)據(jù)值，完全跟蹤數(shù)據(jù)流的運行。這為程序的調(diào)試和參數(shù)的設(shè)定帶來很大的方便。3）圖標(biāo)/連接設(shè)計：這部分的設(shè)計突出體現(xiàn)了虛擬儀器模塊化程序設(shè)計的思想。在設(shè)計大型自動檢測系統(tǒng)時一步完成一個復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計是相當(dāng)有難度的。而在LABVIEW中提供的圖標(biāo)/連接工具正是為實現(xiàn)模塊化設(shè)計而準(zhǔn)備的。設(shè)計者可把一個復(fù)雜自動檢測系統(tǒng)分為多個子系統(tǒng)，每一個都可完成一定的功能。這樣設(shè)計的優(yōu)點體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）把一個復(fù)雜自動檢測系統(tǒng)分為多個子系統(tǒng)，程序設(shè)計思路清晰，給設(shè)計者調(diào)試程序帶來了諸多的方便。同時也對于將來系統(tǒng)的維護(hù)提供了便利。（2）一個復(fù)雜自動檢測系統(tǒng)分為多個子系統(tǒng)，每一個子系統(tǒng)都是一個完整的功能模塊，這樣把測試功能細(xì)節(jié)化，便于實現(xiàn)軟件復(fù)用，大大節(jié)省軟件研發(fā)周期，提高系統(tǒng)設(shè)計的可靠性。（3）便于實現(xiàn)“測試集成”和虛擬儀器庫的思想。同時為實現(xiàn)虛擬儀器設(shè)計的靈活性提供了前提。2.3虛擬儀器的發(fā)展方向虛擬儀器作為新興的儀器儀表，其優(yōu)勢在于用戶可自行定義儀器的功能和結(jié)構(gòu)等，且構(gòu)建容易、轉(zhuǎn)換靈活，它已廣泛應(yīng)用于電子測量、聲學(xué)分析、故障診斷、航天航空、機械工程、建筑工程、鐵路交通、生物醫(yī)療、教學(xué)及科研等諸多方面。隨著計算機軟硬件技術(shù)、通信技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，給虛擬儀器的發(fā)展提供了廣闊的天地，國內(nèi)外儀器界正看中這個大市場。測控儀器將會向高效、高速、高精度和高可靠性以及自動化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。開放式數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)將使虛擬儀器走上標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、系列化和模塊化的道路[15]。虛擬儀器作為教學(xué)的新手段，已慢慢地走進(jìn)了電子技術(shù)的課堂和實驗室，正逐漸改變著電子技術(shù)教學(xué)的傳統(tǒng)模式，這也是現(xiàn)代教育技術(shù)發(fā)展的必然。在電工電子實驗室的建設(shè)中，實驗室常規(guī)設(shè)備有的已經(jīng)老化，有的技術(shù)上有些落后，在當(dāng)前學(xué)校經(jīng)費較少的情況下，如果配置常規(guī)儀器、儀表，學(xué)校財力難以支付，也不符合目前學(xué)校的實際。而且，隨著測試儀器的數(shù)字化、計算機化的發(fā)展趨勢，傳統(tǒng)測試儀器漸漸有被取代的趨勢。如果運用虛擬儀器技術(shù)，以微機為基礎(chǔ)，構(gòu)建集成化測試平臺，代替常規(guī)儀器、儀表，不但滿足電工電子實驗教學(xué)的需要，而且將這批微機可作為其他有關(guān)計算機課程教學(xué)用機，大大提高了設(shè)備利用率，降低了實驗室建設(shè)的成本[16]。當(dāng)前應(yīng)該解決的是如何使虛擬儀器和現(xiàn)有儀器配合，挖掘現(xiàn)有儀器的潛力，達(dá)到逐步淘汰和取代傳統(tǒng)儀器的目的。總之，虛擬儀器有很廣闊的發(fā)展空間，并最終要取代大量的傳統(tǒng)儀器成為儀器領(lǐng)域的主流產(chǎn)品，成為測量、分析、控制、自動化儀表的核心。3系統(tǒng)設(shè)計的硬件平臺3.1PC機虛擬儀器就是用通用計算機強大的數(shù)據(jù)處理能力代替以往需要硬件電路才能完成的功能，所以現(xiàn)在隨著個人電腦的快速發(fā)展，個人電腦在許多科技領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用使其為測量儀器的執(zhí)行搭建了一個理想的硬件和軟件平臺，通過增加一個簡單的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，個人計算機可以仿真任何儀器[17]。不同的儀器只要對該軟件重新編程就可以在同一硬件中實現(xiàn)。3.2數(shù)據(jù)采集卡的選擇數(shù)據(jù)采集板卡的性能與眾多因素相關(guān)，要根據(jù)具體情況來具體分析[18]。所以在選擇數(shù)據(jù)采集卡構(gòu)成系統(tǒng)時，首先必須對數(shù)據(jù)采集卡的性能指標(biāo)有所了解。3.2.1數(shù)據(jù)采集卡的主要性能指標(biāo)1）采樣頻率采樣頻率的高低，決定了在一定時間內(nèi)獲取原始信號信息的多少，為了能夠較好的再現(xiàn)原始信號，不產(chǎn)生波形失真，采樣率必須要足夠高才行。根據(jù)奈奎斯特理論采樣頻率至少是原信號的兩倍，但實際中，一般都需要5～10倍。2）采樣方法采集卡通常都有好幾個數(shù)據(jù)通道，如果所有的數(shù)據(jù)通道都輪流使用同一個放大器和A/D轉(zhuǎn)換器，要比每個通道單獨使用各自的經(jīng)濟的多，但這僅適用于對時間不是很重要的場合。如果采樣系統(tǒng)對時間要求嚴(yán)格，則必須同時采集，這就需要每個通道都有自己的放大和A/D轉(zhuǎn)換器。但是處于成本的考慮，現(xiàn)在普遍流行的是各個數(shù)據(jù)通道公用一套放大器和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。4）電壓動態(tài)范圍電壓范圍指ADC能掃描到的最高和最低電壓。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。5）I/O通道數(shù)該參數(shù)表明了數(shù)據(jù)采集卡所能夠采集的最多的信號路數(shù)。3.2.21）多路開關(guān)。將各路信號輪流切換至放大器的輸入端，實現(xiàn)多參數(shù)多路信號的分時采集。2）放大器。將切換進(jìn)入采集卡的信號放大至需要的量程內(nèi)。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)。3）采樣保持器。把采集到的信號瞬間值保持在A/D轉(zhuǎn)換的過程中不變化。4）A/D轉(zhuǎn)換器。將模擬的輸入信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字量輸出，完成信號幅值的量化。3.2.3USB-6211是NI公司的一款多功能數(shù)據(jù)采集卡，是一款USB總線供電M系列多功能DAQ模塊，在高采樣率下也能保持高精度。該模塊提供了16路模擬輸入；250kS/s單通道采樣率；2路模擬輸出；8路數(shù)字輸入線；8路數(shù)字輸出線；每通道有4個可編程輸入范圍(±0.2V—±10V)；數(shù)字觸發(fā)；2個計數(shù)器/定時器。NIUSB-6211為移動應(yīng)用或空間上有限制的應(yīng)用專門設(shè)計。其即插即用的安裝最大程度地降低了配置和設(shè)置時間，同時它能直接與螺絲端子相連，從而削減了成本并簡化了信號的連接。USB總線可以供電，使用戶不再需要攜帶多余的外部電源。NI-DAQmx驅(qū)動程序和測量服務(wù)軟件提供了簡單易用的配置和編程界面，其中DAQAssistant等功能可幫助用戶縮短開發(fā)時間?；谝陨显?，本設(shè)計采用了USB6211數(shù)據(jù)采集卡。圖3.1數(shù)據(jù)采集卡USB62114系統(tǒng)總體的設(shè)計及實現(xiàn)4.1系統(tǒng)框架和設(shè)計流程4程序框圖的設(shè)計流程用LABVIEW設(shè)計虛擬信號發(fā)生器的主要步驟是在設(shè)計程序框圖上，圖4.1是設(shè)計程序框圖的主要流程。圖4.1程序框圖的設(shè)計流程4.1.2系統(tǒng)設(shè)計設(shè)計信號發(fā)生器的主要任務(wù)是設(shè)計程序框圖和前面板，在設(shè)計這兩部分中若沒有出現(xiàn)數(shù)據(jù)類型不匹配、控件的屬性設(shè)置等問題，再跟硬件連接，看是否可以產(chǎn)生各種信號，并且能被數(shù)字示波器采集到，并在硬件允許的范圍內(nèi)體現(xiàn)比現(xiàn)有信號發(fā)生器更寬泛的信號范圍。4.2系統(tǒng)具體應(yīng)用程序按系統(tǒng)的總體要求，可以分為兩部分來設(shè)計，一個是基本波形的系統(tǒng)設(shè)計，如正弦波，方波，三角波和鋸齒波，另一個是基于數(shù)字脈沖的PWM波設(shè)計。4.2.1利用LABVIEW設(shè)計一個系統(tǒng)，其中的主要部分是程序框圖的設(shè)計，以下就是程序框圖設(shè)計的基本過程。1）創(chuàng)建虛擬通道，可以根據(jù)輸出的波形的類型來設(shè)置物理通道的性質(zhì)，并可以設(shè)置波形的一些基本參數(shù)。圖4.2是輸出基本波形的通道，圖4.3是輸出PWM波的通道。圖4.2基本波形虛擬通道圖4.3PWM波虛擬通道2）設(shè)置基本波形的緩沖區(qū)和采樣時鐘，緩沖區(qū)中則可以對信號的頻率、幅值、采樣值、波形類型等進(jìn)行設(shè)置，采樣時鐘設(shè)為模擬。本設(shè)計中的PWM波是基于計數(shù)器產(chǎn)生的，采樣時鐘則是設(shè)置成計數(shù)器（隱式）。時鐘采樣方式時鐘時鐘。圖4.4基本波形信號時鐘圖4.5PWM波信號時鐘3）基本信號發(fā)生器需要先設(shè)置模擬信號的通道數(shù)及采樣數(shù)，然后運行，PWM波則是則是在設(shè)置好波形參數(shù)和時鐘后可以直接運行。圖4.6基本信號波形運行圖4.7PWM波運行4）運行后，需要不斷循環(huán)該程序，則在兩個程序后都添加循環(huán)程序，并可以根據(jù)用戶的需求隨時按下停止按鈕。在程序停止后，添上任務(wù)清除控件，若有錯誤產(chǎn)生，則在最后加上可以提示錯誤的錯誤對話框。具體程序如圖4.8所示。圖4.8循環(huán)及清除程序4.2.2系統(tǒng)采用的是USB6211采集卡，由于該卡支持DAQmx驅(qū)動程序，所以本設(shè)計是直接使用DAQmx-DataAcquisition開發(fā)的。在這部分中，主要是采集參數(shù)的設(shè)置，其中包括物理通道的選擇，采樣模式、采樣率、每通道采樣數(shù)、每緩沖的循環(huán)次數(shù)的配置，采樣最大最小值、預(yù)設(shè)頻率、幅值、波形類型的設(shè)置。具體程序見圖4.9。圖4.9基本信號發(fā)生器程序該程序運行時的具體步驟如下：1）先創(chuàng)建一個模擬輸出的電壓任務(wù)。2）以波形緩沖區(qū)的采樣速率為基礎(chǔ)來設(shè)定采樣時鐘速率，采樣模式設(shè)置為連續(xù)采樣模式。3）給輸出緩沖區(qū)編寫波形。4）開始運行任務(wù)。5）不斷循環(huán)，直到用戶按下停止按鈕，每100毫秒查核錯誤，看任務(wù)是否完成。6）調(diào)用清除任務(wù)來清除任務(wù)，若出現(xiàn)錯誤，則使用彈出對話框顯示錯誤或警告。在設(shè)計好程序之后，圖4.10是基本信號發(fā)生器程序所對應(yīng)的前面板，分別顯示了波形參數(shù)，采樣參數(shù)，物理通道參數(shù)和輸出波形等控件，可以很方便地進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)，物理通道修改和觀察輸出波形是否出現(xiàn)失真或噪聲。圖4.10基本信號發(fā)生器前面板4.2.3脈寬調(diào)制(PWM)信號可以使用計數(shù)器或數(shù)字I/O輸出等數(shù)字信號來產(chǎn)生，或者也可以利用任意波形發(fā)生器或RF信號發(fā)生器之類的模擬信號來產(chǎn)生。NI很多的多功能數(shù)據(jù)采集(DAQ)設(shè)備都可以用來產(chǎn)生脈寬調(diào)制(PWM)信號。該設(shè)計的PWM波是基于USB6211的計數(shù)器來設(shè)計的。圖4.11是PWM波信號發(fā)生程序。圖4.11PWM波信號發(fā)生程序該程序運行時的具體步驟如下：1）先創(chuàng)建一個計數(shù)器的輸出通道，在一個頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生脈沖。如果脈沖空閑狀態(tài)設(shè)置為低信號，則生成的第一個轉(zhuǎn)換是從低電平到高電平。2）使用DAQmx的定時（隱式）來配置的脈沖產(chǎn)生的時間。3）調(diào)用Start，并開始產(chǎn)生脈沖序列。4）不斷循環(huán)，直到用戶按下停止按鈕，每100毫秒查核錯誤，看任務(wù)是否完成。5）調(diào)用清除任務(wù)來清除任務(wù)，若有錯誤出現(xiàn)，使用彈出對話框顯示錯誤或警告。該程序所對應(yīng)的前面板如圖4.12所示，顯示了PWM的基本參數(shù)，可以很方便地修改波形的計數(shù)器通道、頻率、占空比等波形輸出條件。圖4.12PWM波信號發(fā)生前面板4.3硬件連接調(diào)試在分別完成基本信號發(fā)生器和PWM波信號發(fā)生器的前面板和程序框圖后，需要與硬件連接，設(shè)置物理通道，然后運行，看是否可以輸出符合實驗要求的波形。連接數(shù)據(jù)采集卡USB6211到電腦上，在系統(tǒng)提示可以使用后，打開LABVIEW程序，按照實驗要求選擇合適的物理通道和合適的波形參數(shù)，開始運行，并用示波器采集信號，觀察是否有信號被采集到。在數(shù)字示波器采集到正確的波形后，說明該系統(tǒng)的設(shè)計是正確的。4.4整體程序的具體實現(xiàn)在設(shè)計完兩部分程序后，因為兩個程序中所涉及的物理通道不同，所以需要用條件結(jié)構(gòu)將它們組合在同一個程序框圖中，通過條件語句的真假轉(zhuǎn)換按鈕來分別運行兩個程序，也可以更方便地進(jìn)行程序修改。圖4.13、圖4.14是分別