基于labview的信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)畢業(yè)論文

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)</b></p><p>　　2010年 6 月 </p><p>　題 目：基于虛擬儀器的信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)</p><p>　　基于虛擬儀器的信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)</p><p>　　【摘要】 虛擬儀器是將儀器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、總線(xiàn)技術(shù)和軟件技術(shù)緊密的融合在一起，利用計(jì)算機(jī)

2、強(qiáng)大的數(shù)字處理能力實(shí)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。</p><p>　　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)。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。</p><p>　　本文首先概述了信號(hào)發(fā)生器及虛擬儀器技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展及趨勢(shì)，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

3、了虛擬儀器的總線(xiàn)及其標(biāo)準(zhǔn)、框架結(jié)構(gòu)、LABVIEW開(kāi)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)。</p><p>　　本設(shè)計(jì)是虛擬儀器模擬真實(shí)儀器的嘗試。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)。</p><p>　　【關(guān)鍵詞】 虛擬儀器，數(shù)據(jù)采集卡，信號(hào)發(fā)生器，LABVIEW </p&g

4、t;<p>　　The design of signal generator based on virtual instrument</p><p>　　【Abstract】 Virtual instrument is formed by the instrument technology, computer technology, bus technology and software tec

5、hnology. Powerful digital processing’s ability of computer is used to achieve the main functions of instrument. Virtual instrument broke the framework of the traditional instruments, and built a new device model. This de

6、sign uses USB6211 data acquisition card. The virtual instrument technology has been utilized in the design of signal generator. The system has ability to pr</p><p>　　【Key Words】 Virtual Instruments， Data Acq

7、uisition Cards， Signal Generators， LABVIEW </p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 緒 論1</b></p><p><b>　　1.1 引言1</b></p><p>　　1.1.1 信號(hào)發(fā)生

8、器的發(fā)展1</p><p>　　1.1.2 虛擬儀器的發(fā)展趨勢(shì)2</p><p>　　1.1.3 課題的主要任務(wù)3</p><p><b>　　2 虛擬儀器4</b></p><p>　　2.1 虛擬儀器的概述4</p><p>　　2.1.1 虛擬儀器的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)4</p>

9、;<p>　　2.1.2 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較5</p><p>　　2.1.3 虛擬儀器系統(tǒng)的組成6</p><p>　　2.1.4虛擬儀器I/O接口設(shè)備6</p><p>　　2.1.5虛擬儀器的軟件結(jié)構(gòu)8</p><p>　　2.2 虛擬儀器的開(kāi)發(fā)軟件8</p><p>　　2.2.1

10、 虛擬儀器的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言8</p><p>　　2.2.2圖形化虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)——LABVIEW9</p><p>　　2.2.3基于LABVIEW平臺(tái)的虛擬儀器程序設(shè)計(jì)9</p><p>　　2.3虛擬儀器的發(fā)展方向10</p><p>　　3系統(tǒng)設(shè)計(jì)的硬件平臺(tái)12</p><p>　　3.1 PC機(jī)12&

11、lt;/p><p>　　3.2 數(shù)據(jù)采集卡的選擇12</p><p>　　3.2.1數(shù)據(jù)采集卡的主要性能指標(biāo)12</p><p>　　3.2.2數(shù)據(jù)采集卡的組成13</p><p>　　3.2.3 USB621113</p><p>　　4 系統(tǒng)總體的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)14</p><p>　　4

12、.1 系統(tǒng)框架和設(shè)計(jì)流程14</p><p>　　4.1.1 程序框圖的設(shè)計(jì)流程14</p><p>　　4.1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)14</p><p>　　4.2 系統(tǒng)具體應(yīng)用程序15</p><p>　　4.2.1 程序框圖的具體設(shè)計(jì)步驟15</p><p>　　4.2.2 基本波形信號(hào)發(fā)生器17</p

13、><p>　　4.2.3 PWM波信號(hào)發(fā)生器18</p><p>　　4.3 硬件連接調(diào)試19</p><p>　　4.4 整體程序的具體實(shí)現(xiàn)19</p><p><b>　　結(jié) 論22</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)23</b></p>&

14、lt;p><b>　　致 謝24</b></p><p><b>　　圖目錄</b></p><p>　　圖1.1 信號(hào)發(fā)生器基本原理框圖2</p><p>　　圖2.1 虛擬儀器開(kāi)發(fā)框圖4</p><p>　　圖2.2 虛擬儀器的內(nèi)部功能的劃分6</p><p&g

15、t;　　圖2.3 虛擬儀器構(gòu)成方式7</p><p>　　圖2.4 虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu)8</p><p>　　圖3.1 數(shù)據(jù)采集卡USB621113</p><p>　　圖4.1 程序框圖的設(shè)計(jì)流程14</p><p>　　圖4.2 基本波形虛擬通道15</p><p>　　圖4.3 PWM波虛擬通道15&l

16、t;/p><p>　　圖4.4 基本波形信號(hào)時(shí)鐘16</p><p>　　圖4.5 PWM波信號(hào)時(shí)鐘16</p><p>　　圖4.6 基本信號(hào)波形運(yùn)行16</p><p>　　圖4.8 循環(huán)及清除程序17</p><p>　　圖4.9 基本信號(hào)發(fā)生器程序17</p><p>　　圖4.1

17、0 基本信號(hào)發(fā)生器前面板18</p><p>　　圖4.11 PWM波信號(hào)發(fā)生程序18</p><p>　　圖4.12 PWM波信號(hào)發(fā)生前面板19</p><p>　　圖4.13總程序框圖——基本波形20</p><p>　　圖4.14總程序框圖——PWM波形20</p><p>　　圖4.15 總程序前面板

18、21</p><p><b>　　1 緒 論</b></p><p><b>　　1.1 引言</b></p><p>　　信號(hào)發(fā)生器作為科學(xué)實(shí)驗(yàn)必不可少的裝置，被廣泛地應(yīng)用到教學(xué)、科研等各個(gè)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(hào)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(jià)格昂貴，

19、如果按照傳統(tǒng)模式新建或者改造實(shí)驗(yàn)室投資巨大，造成許多學(xué)校儀器設(shè)備缺乏或過(guò)時(shí)陳舊，嚴(yán)重影響教學(xué)科研。如果運(yùn)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(mǎn)足實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要、節(jié)約大量的經(jīng)費(fèi)、降低實(shí)驗(yàn)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]。</p><p>　　1.1.1 信號(hào)發(fā)生器的發(fā)展</p><p>　　信號(hào)發(fā)生器是一種悠久的測(cè)量?jī)x器，早在20年代電子設(shè)備剛出現(xiàn)時(shí)它就產(chǎn)

20、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(cè)試各種接收機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器，使信號(hào)發(fā)生器從定性分析的測(cè)試儀器發(fā)展成定量分析的測(cè)量?jī)x器。同時(shí)還出現(xiàn)了可用來(lái)測(cè)量脈沖電路或用作脈沖調(diào)制器的脈沖信號(hào)發(fā)生器。由于早期的信號(hào)發(fā)生器機(jī)械結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，功率比較大，電路比較簡(jiǎn)單，因此發(fā)展速度比較慢。直到1964年才出現(xiàn)第一臺(tái)全晶體管的信號(hào)發(fā)生器。</p><p>　　自60年代以來(lái)信號(hào)發(fā)生器有了迅速的發(fā)展，出現(xiàn)了函數(shù)發(fā)生

21、器，這個(gè)時(shí)期的信號(hào)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(jiǎn)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(jià)格貴、功耗大等缺點(diǎn)，并且要產(chǎn)生較為復(fù)雜的信號(hào)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(hào)發(fā)生器的功能擴(kuò)大，產(chǎn)生比較復(fù)雜的波形。這時(shí)期的信號(hào)發(fā)

22、生器多以軟件為主，實(shí)質(zhì)是采用微處理器對(duì)DAC的程序控制，就可以得到各種簡(jiǎn)單的波形。軟件控制波形的一個(gè)最大缺點(diǎn)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(shí)間或提高CPU的時(shí)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。</p><p>　　隨著現(xiàn)代電子、計(jì)算機(jī)和信號(hào)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(cè)量?jī)x器中的應(yīng)用，使原有的模擬信號(hào)處

23、理逐步被數(shù)字信號(hào)處理所代替，從而擴(kuò)充了儀器信號(hào)的處理能力，提高了信號(hào)測(cè)量的準(zhǔn)確度、精度和變換速度，克服了模擬信號(hào)處理的諸多缺點(diǎn)，數(shù)字信號(hào)發(fā)生器隨之發(fā)展起來(lái)。其基本原理如圖1.1所示。</p><p>　　圖1.1 信號(hào)發(fā)生器基本原理框圖</p><p>　　信號(hào)發(fā)生器的應(yīng)用非常廣泛，種類(lèi)繁多。首先，信號(hào)發(fā)生器可以分通用和專(zhuān)用兩大類(lèi)，專(zhuān)用信號(hào)發(fā)生器主要為了某種特殊的測(cè)量目的而研制的，如電視信

24、號(hào)發(fā)生器、脈沖編碼信號(hào)發(fā)生器等，這種發(fā)生器的特性是受測(cè)量對(duì)象的要求所制約的。其次，信號(hào)發(fā)生器按輸出波形又可分為正弦波信號(hào)發(fā)生器、脈沖波信號(hào)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(hào)發(fā)生器都采用諧振法，即用具有頻率選擇性的回路來(lái)產(chǎn)生正弦振蕩，來(lái)獲得所需頻率。</p><p>　　1.1.2 虛擬儀器的發(fā)展趨勢(shì)

25、 </p><p>　　現(xiàn)代儀器儀表技術(shù)是計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)技術(shù)、軟件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，新的測(cè)試?yán)碚?、測(cè)試方法、測(cè)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(cè)量?jī)x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(guó)國(guó)家儀器公司(National Instruments，NI)提出

26、了虛擬儀器(Virtual Instrument，VI)的概念。盡管迄今為止虛擬儀器還沒(méi)有一個(gè)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(guò)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(cè)試儀器系統(tǒng)[2]。</p><p>　　作為一種以計(jì)算機(jī)軟件為核心的新型儀器系統(tǒng)，虛擬儀器具有功能強(qiáng)、測(cè)試精度高、測(cè)試速度快、自動(dòng)化程度高、人機(jī)界面優(yōu)異、靈活性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，通常被認(rèn)為是第三代自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的同義語(yǔ)[3]。

27、使用虛擬儀器系統(tǒng)可以避免儀器編程過(guò)程中的大量重復(fù)性勞動(dòng)，從而大大縮短復(fù)雜程序的開(kāi)發(fā)時(shí)間，并且客戶(hù)可以用不同的模塊來(lái)構(gòu)造自己的虛擬儀器系統(tǒng)，選擇統(tǒng)一的測(cè)試策略。</p><p>　　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(diǎn)讓用戶(hù)可放心地舍棄舊的傳統(tǒng)測(cè)量設(shè)備，接受更新型、以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的虛擬儀器系統(tǒng)。由于計(jì)算機(jī)的性能價(jià)格比不斷改進(jìn)，使虛擬儀器的價(jià)格更為

28、大眾化，用戶(hù)不必再受限于傳統(tǒng)儀器的使用限制和昂貴的價(jià)格，進(jìn)一步降低了使用成本，減少了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)費(fèi)用和系統(tǒng)的維護(hù)費(fèi)用[4]。</p><p>　　此外，新型筆記本電腦又把虛擬儀器的便攜性和強(qiáng)大功能推向一個(gè)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(qiáng)和擴(kuò)大。在測(cè)量、檢測(cè)、電信、監(jiān)控、教育等方面的應(yīng)用已廣泛開(kāi)展。</p><p>　　1.1.3 課題的主要任務(wù)</

29、p><p>　　信號(hào)源的波形有正弦波、方波、三角波、鋸齒波、PWM(Pulse Width Modulation)波等不同種類(lèi)。信號(hào)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(jì)以數(shù)據(jù)采集卡的物理通道進(jìn)行設(shè)計(jì)，從LABVIEW設(shè)計(jì)的程序中產(chǎn)生的模擬（數(shù)字）輸入，經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)節(jié)后，由數(shù)據(jù)采集卡采集并輸出信號(hào)。</p><p><b>　　2 虛擬儀器</b></

30、p><p>　　2.1 虛擬儀器的概述</p><p>　　虛擬儀器的概念是由美國(guó)國(guó)家儀器公司最先提出的[5]。所謂虛擬儀器是基于計(jì)算機(jī)的軟硬件測(cè)試平臺(tái)，它可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測(cè)量?jī)x器，如示波器、邏輯分析儀、信號(hào)發(fā)生器、頻譜分析儀等，可集成于自動(dòng)控制、工業(yè)控制系統(tǒng)之中，可自由構(gòu)建成專(zhuān)有儀器系統(tǒng)。虛擬儀器是智能儀器之后的新一代測(cè)量?jī)x器。</p><p>　　虛擬儀器的核心技術(shù)思想

31、就是“軟件即是儀器”。該技術(shù)把儀器分為計(jì)算機(jī)、儀器硬件和應(yīng)用軟件三部分[6]。虛擬儀器以通用計(jì)算機(jī)和配備標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字接口的測(cè)量?jī)x器為基礎(chǔ)，將儀器硬件連接到各種計(jì)算機(jī)平臺(tái)上，直接利用計(jì)算機(jī)豐富的軟硬件資源，將計(jì)算機(jī)硬件和測(cè)量?jī)x器等硬件資源與計(jì)算機(jī)軟件資源有機(jī)的結(jié)合起來(lái)。</p><p>　　2.1.1 虛擬儀器的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)</p><p>　　虛擬儀器是基于計(jì)算機(jī)的功能化硬件模塊和計(jì)算機(jī)軟件構(gòu)成

32、的電子測(cè)試儀器，而軟件是虛擬儀器的核心[7]，如圖2.1所示，其中軟件的基礎(chǔ)部分是設(shè)備驅(qū)動(dòng)軟件，而這些標(biāo)準(zhǔn)的儀器驅(qū)動(dòng)軟件使得系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與儀器的硬件變化無(wú)關(guān)。這是虛擬儀器最大的優(yōu)點(diǎn)之一，有了這一點(diǎn)，儀器的開(kāi)發(fā)和換代時(shí)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(kù)函數(shù)等軟件結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)了儀器模塊間的通信、定時(shí)與觸發(fā)。由于VI的模塊化、開(kāi)放性和靈活性，以及軟件是關(guān)鍵的特點(diǎn)，當(dāng)用戶(hù)的測(cè)試要求變化時(shí)可以方便地由用戶(hù)自己來(lái)增減硬、軟件模

33、塊，或重新配置現(xiàn)有系統(tǒng)以滿(mǎn)足新的測(cè)試要求。這樣，當(dāng)用戶(hù)從一個(gè)項(xiàng)目轉(zhuǎn)向另一個(gè)項(xiàng)目時(shí)，就能簡(jiǎn)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]。</p><p>　　圖2.1 虛擬儀器開(kāi)發(fā)框圖</p><p>　　虛擬儀器技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于可由用戶(hù)定義自己的專(zhuān)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(guó)際上流行的“硬件軟件化”的發(fā)展趨勢(shì)，因而常被稱(chēng)作“軟件儀

34、器”。它功能強(qiáng)大，可實(shí)現(xiàn)示波器、邏輯分析儀、頻譜儀、信號(hào)發(fā)生器等多種普通儀器全部功能，配以專(zhuān)用探頭和軟件還可檢測(cè)特定系統(tǒng)的參數(shù)，如汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)、汽油標(biāo)號(hào)、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(jiǎn)約，符合傳統(tǒng)設(shè)備的使用習(xí)慣，用戶(hù)經(jīng)簡(jiǎn)單培訓(xùn)即可迅速掌握操作規(guī)程。</p><p>　　2.1.2 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較</p><p>　　虛擬儀器具有傳統(tǒng)

35、獨(dú)立儀器無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。在高速度、高帶寬和專(zhuān)業(yè)測(cè)試領(lǐng)域，獨(dú)立儀器具有無(wú)可替代的優(yōu)勢(shì)。在中低檔測(cè)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(cè)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。</p><p>　　1）傳統(tǒng)儀器的面板只有一個(gè)，上面布置了種類(lèi)繁多的顯示和操作元件。由此導(dǎo)致許多識(shí)讀和操作錯(cuò)誤。虛擬儀器與之不同，它可以通過(guò)在幾個(gè)分面板上的操作來(lái)實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的功能。這樣，在每個(gè)分面板

36、上就可以實(shí)現(xiàn)功能操作的單純化和面板布置的簡(jiǎn)潔化，從而提高操作的正確性和便捷性。同時(shí)，虛擬儀器的面板上的顯示元件和操作元件的種類(lèi)與形式不受標(biāo)準(zhǔn)元件和加工工藝的限制，由編程來(lái)實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)者可以根據(jù)用戶(hù)的要求和操作需要來(lái)設(shè)計(jì)儀器面板。</p><p>　　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。</p><p>　　3）儀器的功能是由用戶(hù)根據(jù)需要用軟件來(lái)定義，不是事先由廠

37、家定義的。</p><p>　　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(gòu)買(mǎi)新儀器。</p><p>　　5）虛擬儀器開(kāi)放、靈活，與計(jì)算機(jī)同步發(fā)展，與網(wǎng)絡(luò)及其他周邊設(shè)備互聯(lián)。</p><p>　　6）由于其以PC為核心，使得許多數(shù)據(jù)處理的過(guò)程不必像過(guò)去那樣由測(cè)試儀器本身來(lái)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(lái)完成，使得基于虛擬

38、儀器的測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)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(cè)量。</p><p>　　7）可方便地存貯和交換測(cè)試數(shù)據(jù)，測(cè)試結(jié)果的表達(dá)方式更加豐富多樣。</p><p>　　8）虛擬儀器在高性?xún)r(jià)比的條件下，降低了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和維護(hù)費(fèi)用，縮短技術(shù)更新周期。</p><p>　　近年來(lái)，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

39、，使得虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)成為Internet的一部分，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控和管理。</p><p>　　2.1.3 虛擬儀器系統(tǒng)的組成</p><p>　　虛擬儀器是基于計(jì)算機(jī)的儀器。計(jì)算機(jī)和儀器的密切結(jié)合是目前儀器發(fā)展的一個(gè)重要方向。這種結(jié)合基本有兩種方式，一種是將計(jì)算機(jī)裝入儀器，其典型的例子就是智能化儀器。隨著計(jì)算機(jī)功能的日益強(qiáng)大以及其體積的日趨縮小，這類(lèi)儀器功能也越來(lái)越強(qiáng)大，目前已經(jīng)出現(xiàn)含嵌入

40、式系統(tǒng)的儀器。另一種方式是將儀器裝入計(jì)算機(jī)，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，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。</p><p>　　圖2.2 虛擬儀器的內(nèi)部功能的劃分</p><p>　　對(duì)于傳統(tǒng)儀器，這三個(gè)部分幾乎均由硬件完成。對(duì)于虛擬儀器，前一部分由硬件構(gòu)成，后兩

41、部分主要由軟件實(shí)現(xiàn)。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器設(shè)計(jì)日趨模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化，使設(shè)計(jì)工作量大大減小。</p><p>　　通常虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)硬件組成部分是由傳感器部件、信號(hào)調(diào)理及信號(hào)采集部件、通用計(jì)算機(jī)、打印機(jī)等構(gòu)成。系統(tǒng)軟件部分通常用專(zhuān)用的虛擬儀器開(kāi)發(fā)語(yǔ)言編寫(xiě)而成，并可通過(guò)Internet實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展。</p><p>　　2.1.4虛擬儀器I/O接口設(shè)備</p><p>

42、;　　I/O接口設(shè)備主要用來(lái)完成被測(cè)輸入信號(hào)的采集、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換。可根據(jù)實(shí)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(xiàn)儀器、VXI總線(xiàn)儀器、串口儀器、USB等。虛擬儀器的構(gòu)成主要有五種類(lèi)型，如圖2.2所示。</p><p>　　圖2.3 虛擬儀器構(gòu)成方式</p><p>　　1）DAQ(Data Acquisition)數(shù)據(jù)采集卡是指基于計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)總線(xiàn)(如

43、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(diǎn)，它更加充分地利用計(jì)算機(jī)的資源，大大增加了測(cè)試系統(tǒng)的靈活性和擴(kuò)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(hào)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(gè)，并具有數(shù)字I/O，模擬I/O和計(jì)數(shù)器/定時(shí)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(hù)選擇

44、，如示波器、串行數(shù)據(jù)分析儀、動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀、任意波形發(fā)生器等。在計(jì)算機(jī)上掛接多個(gè)DAQ功能模塊，配合相應(yīng)的軟件，就可以構(gòu)成一臺(tái)具有多功能的測(cè)試儀器。這種基于計(jì)算機(jī)的儀器，既具有高檔儀器的測(cè)量品質(zhì)，又能滿(mǎn)足測(cè)量需求的多樣性。對(duì)我國(guó)大多數(shù)用戶(hù)來(lái)說(shuō)，它具有很高的性?xún)r(jià)比，是一種特別適合我國(guó)國(guó)情的虛擬儀器方案。</p><p>　　2）GPIB(General Purpose Interface Bus)通用接口總線(xiàn)，是計(jì)

45、算機(jī)和儀器的標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議。GPIB的硬件規(guī)格和軟件協(xié)議以納入國(guó)際工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)IEEE-488.1和IEEE-488.2，它是最早的儀器總線(xiàn)，目前多數(shù)儀器都配備了遵循IEEE-488的GPIB接口。典型的GPIB測(cè)試系統(tǒng)包括一臺(tái)計(jì)算機(jī)，一塊基于GPIB總線(xiàn)的接口卡和多臺(tái)GPBI儀器軟件及相應(yīng)的傳感模塊硬件。每臺(tái)GPIB儀器有單獨(dú)的地址，由計(jì)算機(jī)控制操作。系統(tǒng)中的儀器可以增加、減少或更換，只需對(duì)計(jì)算機(jī)的控制軟件作相應(yīng)的改動(dòng)?；贕PIB總線(xiàn)結(jié)構(gòu)

46、的接口卡數(shù)據(jù)傳輸速率一般低于500kb/s，不適合對(duì)系統(tǒng)速度要求較高的應(yīng)用。</p><p>　　3）VXI(VME bus eXtension for Instrumentation )是VME總線(xiàn)在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展，上個(gè)世紀(jì)1993年VXI總線(xiàn)1.4版本被批準(zhǔn)為IEEE-1155標(biāo)準(zhǔn)，成為開(kāi)放式工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。儀器專(zhuān)用總線(xiàn)在吸收IEEE-488的成功經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，增加了10MHz時(shí)鐘線(xiàn)、模擬和數(shù)字混合總線(xiàn)、星形總線(xiàn)等高

47、速總線(xiàn)，定時(shí)關(guān)系嚴(yán)格，兼有計(jì)算機(jī)總線(xiàn)和儀器總線(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　4）PXI(PCI eXtension For Instrumentation)是Compact PCI總線(xiàn)在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展，是NI公司于1997年發(fā)布的一種新的開(kāi)放性、模塊化儀器總線(xiàn)規(guī)范。其核心是Compact PCI結(jié)構(gòu)和Microsoft Windows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

48、于多個(gè)板卡同步的觸發(fā)總線(xiàn)和10MHz參考時(shí)鐘，用于精確定時(shí)的星形觸發(fā)總線(xiàn)，以及用于相鄰模塊間高速通信的局部總線(xiàn)等，來(lái)滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)和用戶(hù)的要求。</p><p>　　5）串口系統(tǒng)是以Serial標(biāo)準(zhǔn)總線(xiàn)儀器與計(jì)算機(jī)為儀器精簡(jiǎn)平臺(tái)組成的虛擬測(cè)試系統(tǒng)[10]。RS-232總線(xiàn)是早期采用的通用串行總線(xiàn)，將帶有RS-232標(biāo)準(zhǔn)總線(xiàn)接口的儀器作為I/O接口設(shè)備，通過(guò)RS-232串口總線(xiàn)與計(jì)算機(jī)組成虛擬儀器系統(tǒng)目前仍然是虛擬儀器構(gòu)

49、成方式之一，主要適用于速度較低的測(cè)試系統(tǒng)。</p><p>　　2.1.5虛擬儀器的軟件結(jié)構(gòu)</p><p>　　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(hù)可以采用各種編程軟件來(lái)開(kāi)發(fā)自己所需要的應(yīng)用軟件。以美國(guó)NI公司的軟件產(chǎn)品LABVIEW和LabWindows/CVI為代表的虛擬儀器專(zhuān)用開(kāi)發(fā)平臺(tái)是當(dāng)前流行的集成化開(kāi)發(fā)工具。這些軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)提供了強(qiáng)大的儀器軟面板設(shè)計(jì)工具

50、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(dòng)程序模塊，簡(jiǎn)化了虛擬儀器的設(shè)計(jì)工作。隨著軟件技術(shù)的迅速發(fā)展，軟件開(kāi)發(fā)的模塊化、復(fù)用化以及各種硬件儀器驅(qū)動(dòng)軟件的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化，虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)將變得更加快速、方便。</p><p>　　圖2.4 虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu)</p><p>　　2.2 虛擬儀器的開(kāi)發(fā)軟件</p><p>　　2.2.1 虛擬儀器的開(kāi)

51、發(fā)語(yǔ)言</p><p>　　虛擬儀器系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言有：標(biāo)準(zhǔn)C、Visual C++、Visual Basic等通用程序開(kāi)發(fā)語(yǔ)言。但直接由這些語(yǔ)言開(kāi)發(fā)虛擬儀器系統(tǒng)，是有相當(dāng)難度的，除了要花大量時(shí)間進(jìn)行測(cè)試系統(tǒng)面板設(shè)計(jì)外，還要編制大量的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和底層控制程序。這些工作對(duì)于那些不熟悉這方面知識(shí)的工程設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，需要花費(fèi)大量時(shí)間和精力，這樣直接影響了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的周期和性能。除了通用程序開(kāi)發(fā)語(yǔ)言以外，還有一些專(zhuān)用的虛擬

52、儀器開(kāi)發(fā)語(yǔ)言和軟件，其中有影響的開(kāi)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(shí)用的開(kāi)發(fā)軟件。LabWindows/CVI是為熟悉C語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)人員準(zhǔn)備的，是在Windows環(huán)境下的標(biāo)準(zhǔn)ANSIC開(kāi)發(fā)環(huán)境。除此以外還有HP公司的HP-VEE ，HP-TIG開(kāi)發(fā)平臺(tái)，美國(guó)Tektronix公司的Ez-Test，Tek-TNS平臺(tái)軟件，這些都是國(guó)際上公認(rèn)的優(yōu)秀的虛擬儀器開(kāi)發(fā)軟件平臺(tái)

53、[11]。</p><p>　　2.2.2圖形化虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)——LABVIEW</p><p>　　LABVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering)是一種圖形化的編程語(yǔ)言，它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接受，視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。LABVIEW集成了與滿(mǎn)足GPIB、VXI、RS-232和RS-485協(xié)議的硬件及

54、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(kù)函數(shù)，是一個(gè)功能強(qiáng)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(guò)程都更加形象化。</p><p>　　傳統(tǒng)的文本式編程是一種順序的設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)者必須寫(xiě)出執(zhí)行的語(yǔ)句。而LABVIEW是基于數(shù)據(jù)流的工作方式，同時(shí)也是基于圖形化的編程，這使得設(shè)計(jì)者不必掌握大量的編程語(yǔ)言和程序設(shè)計(jì)技巧便可設(shè)計(jì)出虛擬儀

55、器系統(tǒng)[11]。</p><p>　　目前，在以PC機(jī)為基礎(chǔ)的測(cè)試和工控軟件中，LABVIEW的市場(chǎng)普及率僅次于C++/C語(yǔ)言。LABVIEW具有一系列無(wú)與倫比的優(yōu)點(diǎn)：首先，LABVIEW作為圖形化語(yǔ)言編程，采用流程圖式的編程，運(yùn)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(guò)程和思維過(guò)程非常相似；同時(shí)，LABVIEW提供了豐富的VI庫(kù)和儀器面板素材庫(kù)，近600種設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序，如GPIB設(shè)備

56、控制、VXI總線(xiàn)控制、串行口設(shè)備控制、以及數(shù)據(jù)分析、顯示和存儲(chǔ)；并且LABVIEW還提供了專(zhuān)門(mén)用于程序開(kāi)發(fā)的工具箱，使得用戶(hù)能夠設(shè)置斷點(diǎn)，調(diào)試過(guò)程中可以使用數(shù)據(jù)探針和動(dòng)態(tài)執(zhí)行程序來(lái)觀察數(shù)據(jù)的傳輸過(guò)程，更加便于程序的調(diào)試。因此，LABVIEW受到越來(lái)越多工程師和科學(xué)家的青睞。</p><p>　　利用LABVIEW ，可產(chǎn)生獨(dú)立運(yùn)行的可執(zhí)行文件，它是一個(gè)真正的32編譯器。像許多通用的軟件一樣，LABVIEW提供了W

57、indows、UNIX、Linux、Macintosh OS等多種版本[12]。</p><p>　　2.2.3基于LABVIEW平臺(tái)的虛擬儀器程序設(shè)計(jì)</p><p>　　所有的LABVIEW應(yīng)用程序，即虛擬儀器(VI)，它包括前面板(Front Panel)、流程圖(Block Diagram)以及圖標(biāo)/連結(jié)器(Icon/Connector)三部分[13]。</p>&l

58、t;p>　　1）前面板：前面板是圖形用戶(hù)界面，也就是VI的虛擬儀器面板，這一界面上有用戶(hù)輸入和顯示輸出兩類(lèi)對(duì)象，具體表現(xiàn)有開(kāi)關(guān)、旋鈕、圖形以及其他控制和顯示對(duì)象。但并非畫(huà)出兩個(gè)控件后程序就可以運(yùn)行，在前面板后還有一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的流程圖。</p><p>　　2）流程圖：流程圖提供VI的圖形化源程序。在流程圖中對(duì)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(xiàn)端子，還有一些前

59、面板上沒(méi)有，但編程必須有的東西，例如函數(shù)、結(jié)構(gòu)和連線(xiàn)等。</p><p>　　如果將VI與傳統(tǒng)儀器相比較，那么前面板上的控件對(duì)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(xiàn)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(gè)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(wú)幾[14]。這種設(shè)計(jì)思想的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在兩方面：</p><p>

60、;　?。?）類(lèi)似流程圖的設(shè)計(jì)思想，很容易被工程人員接受和掌握，特別是那些沒(méi)有很多程序設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的工程人員。</p><p>　?。?）設(shè)計(jì)的思路和運(yùn)行過(guò)程清晰而且直觀。如通過(guò)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(yùn)行，使沒(méi)有執(zhí)行的代碼顯示灰色，執(zhí)行后的代碼會(huì)高亮顯示，同時(shí)在線(xiàn)顯示數(shù)據(jù)流線(xiàn)上的數(shù)據(jù)值，完全跟蹤數(shù)據(jù)流的運(yùn)行。這為程序的調(diào)試和參數(shù)的設(shè)定帶來(lái)很大的方便。</p><p&g

61、t;　　3）圖標(biāo)/連接設(shè)計(jì)：這部分的設(shè)計(jì)突出體現(xiàn)了虛擬儀器模塊化程序設(shè)計(jì)的思想。在設(shè)計(jì)大型自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)時(shí)一步完成一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)而準(zhǔn)備的。設(shè)計(jì)者可把一個(gè)復(fù)雜自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)分為多個(gè)子系統(tǒng)，每一個(gè)都可完成一定的功能。這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：</p><p>　　（1）把一個(gè)復(fù)雜自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)分為多個(gè)子系統(tǒng)，程序設(shè)計(jì)思路清晰，給設(shè)計(jì)者調(diào)

62、試程序帶來(lái)了諸多的方便。同時(shí)也對(duì)于將來(lái)系統(tǒng)的維護(hù)提供了便利。</p><p>　?。?）一個(gè)復(fù)雜自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)分為多個(gè)子系統(tǒng)，每一個(gè)子系統(tǒng)都是一個(gè)完整的功能模塊，這樣把測(cè)試功能細(xì)節(jié)化，便于實(shí)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(jì)的可靠性。</p><p>　?。?） 便于實(shí)現(xiàn)“測(cè)試集成”和虛擬儀器庫(kù)的思想。同時(shí)為實(shí)現(xiàn)虛擬儀器設(shè)計(jì)的靈活性提供了前提。</p><p&

63、gt;　　2.3虛擬儀器的發(fā)展方向</p><p>　　虛擬儀器作為新興的儀器儀表，其優(yōu)勢(shì)在于用戶(hù)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(cè)量、聲學(xué)分析、故障診斷、航天航空、機(jī)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。</p><p>　　隨著計(jì)算機(jī)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(guó)內(nèi)外儀器界正看中這個(gè)

64、大市場(chǎng)。測(cè)控儀器將會(huì)向高效、高速、高精度和高可靠性以及自動(dòng)化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。開(kāi)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]。</p><p>　　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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室的建設(shè)中，實(shí)驗(yàn)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(fèi)較少的情

65、況下，如果配置常規(guī)儀器、儀表，學(xué)校財(cái)力難以支付，也不符合目前學(xué)校的實(shí)際。而且，隨著測(cè)試儀器的數(shù)字化、計(jì)算機(jī)化的發(fā)展趨勢(shì)，傳統(tǒng)測(cè)試儀器漸漸有被取代的趨勢(shì)。如果運(yùn)用虛擬儀器技術(shù)，以微機(jī)為基礎(chǔ)，構(gòu)建集成化測(cè)試平臺(tái)，代替常規(guī)儀器、儀表，不但滿(mǎn)足電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要，而且將這批微機(jī)可作為其他有關(guān)計(jì)算機(jī)課程教學(xué)用機(jī)，大大提高了設(shè)備利用率，降低了實(shí)驗(yàn)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

66、和取代傳統(tǒng)儀器的目的。</p><p>　　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(cè)量、分析、控制、自動(dòng)化儀表的核心。</p><p>　　3系統(tǒng)設(shè)計(jì)的硬件平臺(tái)</p><p><b>　　3.1 PC機(jī)</b></p><p>　　虛擬儀器就是用通用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理

67、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(gè)人電腦的快速發(fā)展，個(gè)人電腦在許多科技領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用使其為測(cè)量?jī)x器的執(zhí)行搭建了一個(gè)理想的硬件和軟件平臺(tái)，通過(guò)增加一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，個(gè)人計(jì)算機(jī)可以仿真任何儀器[17]。不同的儀器只要對(duì)該軟件重新編程就可以在同一硬件中實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　3.2 數(shù)據(jù)采集卡的選擇</p><p>　　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

68、況來(lái)具體分析[18]。所以在選擇數(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。</p><p>　　3.2.1數(shù)據(jù)采集卡的主要性能指標(biāo)</p><p><b>　　1）采樣頻率</b></p><p>　　采樣頻率的高低，決定了在一定時(shí)間內(nèi)獲取原始信號(hào)信息的多少，為了能夠較好的再現(xiàn)原始信號(hào)，不產(chǎn)生波形失真，采樣率必須要足夠高才行

69、。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。</p><p><b>　　2）采樣方法</b></p><p>　　采集卡通常都有好幾個(gè)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(gè)放大器和A/D轉(zhuǎn)換器，要比每個(gè)通道單獨(dú)使用各自的經(jīng)濟(jì)的多，但這僅適用于對(duì)時(shí)間不是很重要的場(chǎng)合。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

70、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(gè)數(shù)據(jù)通道公用一套放大器和A/D轉(zhuǎn)換器。</p><p><b>　　3）分辨率</b></p><p>　　ADC的位數(shù)越多，分辨率就越高，可區(qū)分的電壓就越小。</p><p><b>　　4）電壓動(dòng)態(tài)范圍</b></p><p>

71、　　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。 </p><p><b>　　5）I/O通道數(shù)</b></p><p>　　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(hào)路數(shù)。</p><p>　　3.2.2數(shù)據(jù)采集卡的組成</p><p>　　1

72、）多路開(kāi)關(guān)。將各路信號(hào)輪流切換至放大器的輸入端，實(shí)現(xiàn)多參數(shù)多路信號(hào)的分時(shí)采集。</p><p>　　2）放大器。將切換進(jìn)入采集卡的信號(hào)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(lái)選擇不同的增益倍數(shù)。</p><p>　　3）采樣保持器。把采集到的信號(hào)瞬間值保持在A/D轉(zhuǎn)換的過(guò)程中不變化。</p><p>　　4）A/D轉(zhuǎn)換器。將模擬的輸入信號(hào)轉(zhuǎn)

73、化為數(shù)字量輸出，完成信號(hào)幅值的量化。</p><p>　　3.2.3 USB6211</p><p>　　USB-6211是NI公司的一款多功能數(shù)據(jù)采集卡，是一款USB 總線(xiàn)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；250 kS/s單通道采樣率；2路模擬輸出；8路數(shù)字輸入線(xiàn)；8路數(shù)字輸出線(xiàn)；每通道有4個(gè)可編程輸入范圍(±0.2 V—&#

74、177;10 V) ；數(shù)字觸發(fā)；2個(gè)計(jì)數(shù)器/定時(shí)器。</p><p>　　NI USB-6211為移動(dòng)應(yīng)用或空間上有限制的應(yīng)用專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)。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(jiǎn)化了信號(hào)的連接。USB總線(xiàn)可以供電，使用戶(hù)不再需要攜帶多余的外部電源。 NI-DAQmx驅(qū)動(dòng)程序和測(cè)量服務(wù)軟件提供了簡(jiǎn)單易用的配置和編程界面，其中DAQ Assistant等功能可幫助用

75、戶(hù)縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。</p><p>　　基于以上原因，本設(shè)計(jì)采用了USB6211數(shù)據(jù)采集卡。</p><p>　　圖3.1 數(shù)據(jù)采集卡USB6211</p><p>　　4 系統(tǒng)總體的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)</p><p>　　4.1 系統(tǒng)框架和設(shè)計(jì)流程</p><p>　　4.1.1 程序框圖的設(shè)計(jì)流程</p>&l

76、t;p>　　用LABVIEW設(shè)計(jì)虛擬信號(hào)發(fā)生器的主要步驟是在設(shè)計(jì)程序框圖上，圖4.1是設(shè)計(jì)程序框圖的主要流程。</p><p>　　圖4.1 程序框圖的設(shè)計(jì)流程</p><p>　　4.1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　設(shè)計(jì)信號(hào)發(fā)生器的主要任務(wù)是設(shè)計(jì)程序框圖和前面板，在設(shè)計(jì)這兩部分中若沒(méi)有出現(xiàn)數(shù)據(jù)類(lèi)型不匹配、控件的屬性設(shè)置等問(wèn)題，再跟硬件連接，看是否可以產(chǎn)

77、生各種信號(hào)，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(hào)發(fā)生器更寬泛的信號(hào)范圍。</p><p>　　4.2 系統(tǒng)具體應(yīng)用程序</p><p>　　按系統(tǒng)的總體要求，可以分為兩部分來(lái)設(shè)計(jì)，一個(gè)是基本波形的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，如正弦波，方波，三角波和鋸齒波，另一個(gè)是基于數(shù)字脈沖的PWM波設(shè)計(jì)。</p><p>　　4.2.1 程序框圖的具體設(shè)計(jì)步驟</p&

78、gt;<p>　　利用LABVIEW設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)，其中的主要部分是程序框圖的設(shè)計(jì)，以下就是程序框圖設(shè)計(jì)的基本過(guò)程。</p><p>　　1）創(chuàng)建虛擬通道，可以根據(jù)輸出的波形的類(lèi)型來(lái)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。</p><p>　　圖4.2 基本波形虛擬通道</p><p>

79、;　　圖4.3 PWM波虛擬通道</p><p>　　2）設(shè)置基本波形的緩沖區(qū)和采樣時(shí)鐘，緩沖區(qū)中則可以對(duì)信號(hào)的頻率、幅值、采樣值、波形類(lèi)型等進(jìn)行設(shè)置，采樣時(shí)鐘設(shè)為模擬。本設(shè)計(jì)中的PWM波是基于計(jì)數(shù)器產(chǎn)生的，采樣時(shí)鐘則是設(shè)置成計(jì)數(shù)器（隱式）。時(shí)鐘采樣方式均設(shè)置為連續(xù)采樣。圖4.4是基本信號(hào)的時(shí)鐘，圖4.5則是PWM波的時(shí)鐘。</p><p>　　圖4.4 基本波形信號(hào)時(shí)鐘</p>

80、;<p>　　圖4.5 PWM波信號(hào)時(shí)鐘</p><p>　　3）基本信號(hào)發(fā)生器需要先設(shè)置模擬信號(hào)的通道數(shù)及采樣數(shù)，然后運(yùn)行，PWM波則是則是在設(shè)置好波形參數(shù)和時(shí)鐘后可以直接運(yùn)行。</p><p>　　圖4.6 基本信號(hào)波形運(yùn)行</p><p>　　圖4.7 PWM波運(yùn)行</p><p>　　4）運(yùn)行后，需要不斷循環(huán)該程序，則在

81、兩個(gè)程序后都添加循環(huán)程序，并可以根據(jù)用戶(hù)的需求隨時(shí)按下停止按鈕。在程序停止后，添上任務(wù)清除控件，若有錯(cuò)誤產(chǎn)生，則在最后加上可以提示錯(cuò)誤的錯(cuò)誤對(duì)話(huà)框。具體程序如圖4.8所示。</p><p>　　圖4.8 循環(huán)及清除程序</p><p>　　4.2.2 基本波形信號(hào)發(fā)生器</p><p>　　系統(tǒng)采用的是USB6211采集卡，由于該卡支持DAQmx驅(qū)動(dòng)程序，所以本設(shè)計(jì)

82、是直接使用DAQmx-Data Acquisition開(kāi)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(lèi)型的設(shè)置。具體程序見(jiàn)圖4.9。</p><p>　　圖4.9 基本信號(hào)發(fā)生器程序</p><p>　　該程序運(yùn)行時(shí)的具體步驟如下：</p><p>　　1

83、）先創(chuàng)建一個(gè)模擬輸出的電壓任務(wù)。</p><p>　　2）以波形緩沖區(qū)的采樣速率為基礎(chǔ)來(lái)設(shè)定采樣時(shí)鐘速率，采樣模式設(shè)置為連續(xù)采樣模式。</p><p>　　3）給輸出緩沖區(qū)編寫(xiě)波形。</p><p><b>　　4）開(kāi)始運(yùn)行任務(wù)。</b></p><p>　　5）不斷循環(huán)，直到用戶(hù)按下停止按鈕，每100毫秒查核錯(cuò)誤，看任

84、務(wù)是否完成。</p><p>　　6）調(diào)用清除任務(wù)來(lái)清除任務(wù)，若出現(xiàn)錯(cuò)誤，則使用彈出對(duì)話(huà)框顯示錯(cuò)誤或警告。</p><p>　　在設(shè)計(jì)好程序之后，圖4.10是基本信號(hào)發(fā)生器程序所對(duì)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。</p><p>　　圖4.10 基本信號(hào)發(fā)

85、生器前面板</p><p>　　4.2.3 PWM波信號(hào)發(fā)生器</p><p>　　脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)可以使用計(jì)數(shù)器或數(shù)字I/O輸出等數(shù)字信號(hào)來(lái)產(chǎn)生，或者也可以利用任意波形發(fā)生器或RF信號(hào)發(fā)生器之類(lèi)的模擬信號(hào)來(lái)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(lái)產(chǎn)生脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)。該設(shè)計(jì)的PWM波是基于USB6211的計(jì)數(shù)器來(lái)設(shè)計(jì)的。圖4.11是PWM波信號(hào)發(fā)生程序。<

86、/p><p>　　圖4.11 PWM波信號(hào)發(fā)生程序</p><p>　　該程序運(yùn)行時(shí)的具體步驟如下：</p><p>　　1）先創(chuàng)建一個(gè)計(jì)數(shù)器的輸出通道，在一個(gè)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(hào)，則生成的第一個(gè)轉(zhuǎn)換是從低電平到高電平。</p><p>　　2）使用DAQmx的定時(shí)（隱式）來(lái)配置的脈沖產(chǎn)生的時(shí)間。</p>

87、<p>　　3）調(diào)用Start，并開(kāi)始產(chǎn)生脈沖序列。</p><p>　　4）不斷循環(huán)，直到用戶(hù)按下停止按鈕，每100毫秒查核錯(cuò)誤，看任務(wù)是否完成。</p><p>　　5）調(diào)用清除任務(wù)來(lái)清除任務(wù)，若有錯(cuò)誤出現(xiàn)，使用彈出對(duì)話(huà)框顯示錯(cuò)誤或警告。</p><p>　　該程序所對(duì)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(jì)數(shù)器通

88、道、頻率、占空比等波形輸出條件。</p><p>　　圖4.12 PWM波信號(hào)發(fā)生前面板</p><p>　　4.3 硬件連接調(diào)試</p><p>　　在分別完成基本信號(hào)發(fā)生器和PWM波信號(hào)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(yùn)行，看是否可以輸出符合實(shí)驗(yàn)要求的波形。</p><p>　　連接數(shù)據(jù)采集卡USB6211到

89、電腦上，在系統(tǒng)提示可以使用后，打開(kāi)LABVIEW程序，按照實(shí)驗(yàn)要求選擇合適的物理通道和合適的波形參數(shù)，開(kāi)始運(yùn)行，并用示波器采集信號(hào)，觀察是否有信號(hào)被采集到。</p><p>　　在數(shù)字示波器采集到正確的波形后，說(shuō)明該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是正確的。</p><p>　　4.4 整體程序的具體實(shí)現(xiàn)</p><p>　　在設(shè)計(jì)完兩部分程序后，因?yàn)閮蓚€(gè)程序中所涉及的物理通道不同，所以

90、需要用條件結(jié)構(gòu)將它們組合在同一個(gè)程序框圖中，通過(guò)條件語(yǔ)句的真假轉(zhuǎn)換按鈕來(lái)分別運(yùn)行兩個(gè)程序，也可以更方便地進(jìn)行程序修改。圖4.13、圖4.14是分別是組合后的程序框圖。</p><p>　　圖4.13總程序框圖——基本波形</p><p>　　圖4.14總程序框圖——PWM波形</p><p>　　LABVIEW提供了非常豐富的圖形界面來(lái)進(jìn)行前面板的設(shè)計(jì)，波形圖能非常

91、清楚而且實(shí)時(shí)顯示虛擬信號(hào)發(fā)生器所產(chǎn)生的波形信號(hào)，所以將以上兩個(gè)程序的前面板組合在一起，并填充上顏色，使其更接近一個(gè)真實(shí)信號(hào)發(fā)生器的操作面板。圖4.15的前面板就是由兩個(gè)程序的前面板所組合成的。</p><p>　　圖4.15 總程序前面板</p><p><b>　　結(jié) 論</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)在研究虛擬儀器技術(shù)、DAQ應(yīng)用技術(shù)的

92、基礎(chǔ)上，使用虛擬儀器技術(shù)實(shí)現(xiàn)了信號(hào)發(fā)生器。前面板應(yīng)提供良好的人機(jī)交互界面，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室里幾種常見(jiàn)的信號(hào)波形。</p><p>　　本設(shè)計(jì)大部分工作是程序的編寫(xiě)，所涉及的硬件部分都是現(xiàn)成的。但是對(duì)硬件的了解也是必需要做的工作，特別是對(duì)USB6211采集卡的了解，其中包括采集率，采集通道，采樣方式等，然后根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的參數(shù)。</p><p>　　與現(xiàn)有的信號(hào)發(fā)生器相比，該信號(hào)發(fā)生器的

93、輸出波形類(lèi)型沒(méi)有很大的改變，而且波形的頻率由于硬件板卡本身對(duì)于采樣頻率的限制，并沒(méi)有在原來(lái)的基礎(chǔ)上提高有所提高。在輸出基本波形時(shí)如果需要增波形的頻率，則需要減小波形的采樣頻率，否則會(huì)由于硬件的溢出問(wèn)題而不能運(yùn)行，但是減小采樣頻率容易讓波形產(chǎn)生失真。</p><p>　　如果在這個(gè)設(shè)計(jì)上進(jìn)一步研究信號(hào)發(fā)生器，在波形的類(lèi)型上應(yīng)該有更多的變化，更迅速的響應(yīng)時(shí)間，更準(zhǔn)確的調(diào)節(jié)過(guò)程。對(duì)于信號(hào)波形的參數(shù)，如頻率、幅值、相位、

94、占空比等的設(shè)定有更好更精確的方式，而且在波形失真和噪聲方面有更好的解決方法。在面板美化方面也可以做得更好更漂亮。</p><p>　　通過(guò)本設(shè)計(jì)，深刻地認(rèn)識(shí)到了虛擬儀器技術(shù)是當(dāng)代儀器發(fā)展的重要發(fā)展方向。虛擬儀器也以嶄新的模式和強(qiáng)大的功能深入人心，伴隨計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展虛擬儀器必將拓展到各個(gè)領(lǐng)域，引起儀器的深層次變革。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b>

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100、2）：25-28．</p><p>　　劉連生，汪海兵．基于虛擬儀器信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．中國(guó)民航大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，25（7）：122-123．</p><p>　　María José Moure， María Dolores Valdés，Enrique Mandado．Virtual Instruments Based on Recon

101、figurable Logic[M]． Springer Berlin / Heidelberg，2004，2．</p><p>　　劉全心，南建平．基于LABVIEW的虛擬函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)[J]．儀器儀表用戶(hù)，2007，14（5）：31-32．</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　感謝**老師的悉心指導(dǎo)。*老師

102、對(duì)我的設(shè)計(jì)給予了關(guān)心和指導(dǎo)，對(duì)于論文的形成自始自終都予以關(guān)注和督促，謝謝。</p><p>　　感謝**老師在開(kāi)題答辯和中期檢查中給予我的幫助和指導(dǎo)。</p><p>　　感謝**老師，為我們做實(shí)驗(yàn)提供了場(chǎng)所和設(shè)備。</p><p>　　感謝大學(xué)四年學(xué)校里的老師和同學(xué)們，為我提供的學(xué)習(xí)環(huán)境。你們使我懂得了如何去主動(dòng)地學(xué)習(xí)，使我對(duì)本專(zhuān)業(yè)的知識(shí)產(chǎn)生了濃厚的興趣，謝謝你們