基于labview的虛擬信號發(fā)生器的設(shè)計

1、基于labview的虛擬信號發(fā)生器的設(shè)計信息工程學(xué)院自動化2班 王孟哲0967106209基于labview的虛擬信號發(fā)生器的設(shè)計labview虛擬儀器labview (laboratory virtual instrument engineeringworkbench，實驗室虛擬儀器集成環(huán)境)是一種圖形化的編程語言，簡稱g語言，它是由美國ni公司推出的虛擬儀器開發(fā)平臺應(yīng)用labview 開發(fā)平臺編制的程序稱為虛擬儀器，其核心概念就是“軟件即是儀器” labview 提供了測控儀器圖形化編程環(huán)境，在這個環(huán)境中提供了一種像數(shù)據(jù)流一樣的編程模式，用戶只需連接各個邏輯框即可構(gòu)成程序。它集成了與滿足g

2、pib、vxi、rs232和rs485協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能，同時，它還內(nèi)置了便于應(yīng)用tcpip、activex等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫函數(shù)，利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器。本文介紹一種自行開發(fā)的基于labview 的虛擬函數(shù)信號發(fā)生器，該儀器界面設(shè)計友好，功能強大，操作方便自從1986年美國ni(national instrument)公司提出虛擬儀器的概念以來，隨著計算機技術(shù)和測量技術(shù)的發(fā)展，虛擬儀器技術(shù)也得到很快的發(fā)展。虛擬儀器是指：利用現(xiàn)有的pc機。加上特殊設(shè)計的儀器硬件和專用軟件。形成既有普通儀器的基本功能，又有一般儀器所沒有的特殊功能的新型儀器。與傳統(tǒng)的儀器相比其特點主要有

3、：具有更好的測量精度和可重復(fù)性：測量速度快；系統(tǒng)組建時間短；由用戶定義儀器功能；可擴展性強；技術(shù)更新快等。虛擬儀器以軟件為核心，其軟件又以美國ni公司的labview虛擬儀器軟件開發(fā)平臺最為常用。labview是一種圖形化的編程語言，主要用來開發(fā)數(shù)據(jù)采集，儀器控制及數(shù)據(jù)處理分析等軟件，功能強大。目前，該開發(fā)軟件在國際測試、測控行業(yè)比較流行，在國內(nèi)的測控領(lǐng)域也得到廣泛應(yīng)用。函數(shù)信號發(fā)生器是在科學(xué)研究和工程設(shè)計中廣泛應(yīng)用的一種通用儀器。下面結(jié)合一個虛擬函數(shù)信號發(fā)生器設(shè)計開發(fā)具體介紹基于圖形化編程語言labview的虛擬儀器編程方法與實現(xiàn)技術(shù)。labview特點labview是一種程序開發(fā)環(huán)境，由美

4、國國家儀器（ni）公司研制開發(fā)的，類似于c和basic開發(fā)環(huán)境，但是labview與其他計算機語言的顯著區(qū)別是：其他計算機語言都是采用基于文本的語言產(chǎn)生代碼，而labview使用的是圖形化編輯語言g編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。與c和basic一樣，labview也是通用的編程系統(tǒng)，有一個完成任何編程任務(wù)的龐大函數(shù)庫。labview的函數(shù)庫包括數(shù)據(jù)采集、gpib、串口控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲，等等。labview也有傳統(tǒng)的程序調(diào)試工具，如設(shè)置斷點、以動畫方式顯示數(shù)據(jù)及其子程序（子vi）的結(jié)果、單步執(zhí)行等等，便于程序的調(diào)試。虛擬儀器（virtual instrumention）是基

5、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。粗略地說這種結(jié)合有兩種方式，一種是將計算機裝入儀器，其典型的例子就是所謂智能化的儀器。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。下面的框圖反映了常見的虛擬儀器方案。虛擬儀器的主要特點有：盡可能采用了通用的硬件，各種儀器的差異主要是軟件。 可充分發(fā)揮計算機的能力，有強大的數(shù)據(jù)處理功能，可以創(chuàng)造出功能更強的儀器。 用戶可以根據(jù)自己的需要定義和制造各種儀器。 虛擬

6、儀器實際上是一個按照儀器需求組織的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。虛擬儀器的研究中涉及的基礎(chǔ)理論主要有計算機數(shù)據(jù)采集和數(shù)字信號處理。目前在這一領(lǐng)域內(nèi)，使用較為廣泛的計算機語言是美國ni公司的labview。 虛擬儀器的起源可以追溯到20世紀(jì)70年代，那時計算機測控系統(tǒng)在國防、航天等領(lǐng)域已經(jīng)有了相當(dāng)?shù)陌l(fā)展。pc機出現(xiàn)以后，儀器級的計算機化成為可能，甚至在microsoft公司的windows誕生之前，ni公司已經(jīng)在macintosh計算機上推出了labview2.0以前的版本。對虛擬儀器和labview長期、系統(tǒng)、有效的研究開發(fā)使得該公司成為業(yè)界公認(rèn)的權(quán)威。 普通的pc有一些不可避免的弱點。用它構(gòu)建的虛擬儀器或計

7、算機測試系統(tǒng)性能不可能太高。目前作為計算機化儀器的一個重要發(fā)展方向是制定了vxi標(biāo)準(zhǔn)，這是一種插卡式的儀器。每一種儀器是一個插卡，為了保證儀器的性能，又采用了較多的硬件，但這些卡式儀器本身都沒有面板，其面板仍然用虛擬的方式在計算機屏幕上出現(xiàn)。這些卡插入標(biāo)準(zhǔn)的vxi機箱，再與計算機相連，就組成了一個測試系統(tǒng)。vxi儀器價格昂貴，目前又推出了一種較為便宜的pxi標(biāo)準(zhǔn)儀器。 虛擬儀器研究的另一個問題是各種標(biāo)準(zhǔn)儀器的互連及與計算機的連接。目前使用較多的是ieee 488或gpib協(xié)議。未來的儀器也應(yīng)當(dāng)是網(wǎng)絡(luò)化的。 labview（laboratory virtual instrument engine

8、ering）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/ip、activex等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫函數(shù)。這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，其圖形化的界面使得編程及使用過程都生動有趣。 圖形化的程序語言，又稱為“”語言。使用這種語言編程時，基本上不寫程序代碼，取而代之的是流程圖或框圖。它盡可能利用了技術(shù)人員、科學(xué)家、工程師所熟悉的術(shù)語、圖標(biāo)和概念，因此，labview是一個面向最

9、終用戶的工具。它可以增強你構(gòu)建自己的科學(xué)和工程系統(tǒng)的能力，提供了實現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷途徑。使用它進行原理研究、設(shè)計、測試并實現(xiàn)儀器系統(tǒng)時，可以大大提高工作效率。labview 8.0版本增加的express技術(shù)，簡化了測試測量應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)進程，其靈活的交互式vi易與各種范圍的i/o信號連接，用戶甚至只需點擊鼠標(biāo)配置應(yīng)用系統(tǒng)，即可完成搭建工作并開始運行。通過簡單地修改express vi的配置，可以快速反復(fù)地修改應(yīng)用程序以適應(yīng)新的測試測量需求。labview軟件是美國ni公司研制的具有革命性的虛擬儀器開發(fā)環(huán)境,主要應(yīng)用于儀器控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示等領(lǐng)域,適用于多種不同的

10、操作系統(tǒng)平臺。與傳統(tǒng)程序語言不同,labview采用強大的圖形化語言編程,面向測試工程師而非專業(yè)程序員,編程非常方便,人機交互界面直觀友好,具有強大的數(shù)據(jù)可視化分析和儀器控制能力等特點1?！败浖褪莾x器”反映了虛擬儀器技術(shù)的本質(zhì)特征。聲卡作為數(shù)據(jù)采集卡,其a/d轉(zhuǎn)換功能已經(jīng)成熟,而且計算機無需添加額外配件便能完成采集功能,具有價格低廉、采樣精度高,與labview軟件結(jié)合編程簡單的優(yōu)點,可以構(gòu)成一個較高采樣精度、中等采樣頻率、靈活性好的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。基于以上,本文設(shè)計了種基于labview的聲卡數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、信號分析及信號發(fā)生等功能,在工程測量與實驗室應(yīng)用中具有廣闊的前景。lab

11、iew軟件的特點labiew是一種程序開發(fā)環(huán)境，類似于basic開發(fā)環(huán)境；但labiew與其它計算機語言相比，有一個特別重要的不同點：其它計算機語言都是采用基于文本的語言產(chǎn)生代碼行；而labiew使用圖形化編程語言g編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。像c或basic一樣，labiew也是通用的編程系統(tǒng)，有一個可完成任何編程任務(wù)的龐大的函數(shù)庫。labiew的函數(shù)庫包括數(shù)據(jù)采集、gpib、串口控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲等。labiew也有傳統(tǒng)的程序調(diào)試工具，如設(shè)置斷點、以動畫方式顯示數(shù)據(jù)及其通過程序（子i）的結(jié)果、單步執(zhí)行等，便于程序的調(diào)試。labiew易學(xué)易用，特別適合硬件工程師、實驗室

12、技術(shù)人員、生產(chǎn)線工藝技術(shù)人員的學(xué)習(xí)和使用，可在很短的時間內(nèi)掌握并應(yīng)用到實踐中去。labiew在包括航空、航天、通信、汽車、半導(dǎo)體和生物醫(yī)學(xué)等世界范圍的眾多領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用，從簡單的儀器控制、數(shù)據(jù)采集到尖端的測試和工業(yè)自動化，從大學(xué)實驗室到工廠，從探索研究到技術(shù)集成，都可以發(fā)現(xiàn)應(yīng)用labiew的成果和開發(fā)產(chǎn)品。. 具有圖形化的編程方式，設(shè)計者無需寫任何文本格式的代碼，是真正的工程師的語言。.提高豐富的數(shù)據(jù)采集、分析及存儲的庫函數(shù)。.提高傳統(tǒng)的程序調(diào)試手段，如設(shè)置斷點、單步運行，同時提供獨具特色的執(zhí)行工具，使程序動畫式運行，利用設(shè)計者觀察到程序運行的細(xì)節(jié)，使程序的調(diào)試和開發(fā)更為便捷。.32位的

13、編譯器生成32位的編譯程序，保證用戶數(shù)據(jù)采集、測試和測量方案的高速運行。.囊括了pci，gpib，pxi，xi，rs-232/485，usb等各種儀器通信總線標(biāo)準(zhǔn)的所有功能函數(shù)，使得不懂的總線標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)者也能夠驅(qū)動不同總線標(biāo)準(zhǔn)接口設(shè)備與儀器。.提供大量與外部代碼或軟件運行鏈接的機制，如dll，dde，actiex等。.具有強大的internet功能，支持常用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，方便網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程測控儀器的開發(fā)。虛擬儀器軟件平臺labview講到虛擬儀器,不能不提革命先鋒美國國家儀器公司(national instruments,以下簡稱ni),ni提出“軟件就是儀器”的口號,徹底打破了傳統(tǒng)儀器由廠家定義,

14、用戶無法改變的模式,該公司已研究及制作數(shù)以百計的綜合軟件與硬件產(chǎn)品,在配合標(biāo)準(zhǔn)電腦使用時,即可取代傳統(tǒng)儀器(或與之連接通訊),及監(jiān)控工序流程。ni目前正致力于發(fā)揚新的解決方案,協(xié)助工程師、科學(xué)家以更快、更好、更低于預(yù)算達(dá)到他們的目標(biāo)。這里提出介紹的都是ni研制的虛擬儀器產(chǎn)品,讓各位深入認(rèn)識其優(yōu)點。軟件是虛擬儀器系統(tǒng)的關(guān)鍵。所以,提高軟件編程效率也就成了一個非?，F(xiàn)實的問題。根據(jù)微軟件及其他電腦應(yīng)用軟件工業(yè)家的觀點,在當(dāng)今這個信息時代,提高軟件編程效率的關(guān)鍵是采用面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù),但是,僅有面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù)還是不夠的,因為不可能讓所有人都去學(xué)習(xí)復(fù)雜的c/c+語言,同時成為行業(yè)專家和編程專家。為

15、此,在這里特地為你推薦兩種虛擬儀器的開發(fā)平臺lab iew和lab iew rt,這兩種編程語言以簡單直觀的編程方式,配合眾多的設(shè)備駁動程序,把復(fù)雜、煩瑣、費時、難學(xué)的語言編程簡化成用功能方框圖、或?qū)嶓w圖形,通過簡單的連線方式,這樣便完成程式設(shè)計。并設(shè)有自動除錯及測試功能,令程式開發(fā)時間大為縮短。虛擬信號發(fā)生器的結(jié)構(gòu)與組成首先打開虛擬儀器軟件界面虛擬函數(shù)信號發(fā)生器的前面板本虛擬信號發(fā)生器主要由一塊pci總線的多功能數(shù)據(jù)采集卡和相應(yīng)的軟件組成。將它們安裝在一臺運行windowsxp的pc機上。即構(gòu)成一臺功能強大的函數(shù)信號發(fā)生器。本虛擬信號發(fā)生器的設(shè)計參考了sg 1645功率函數(shù)信號發(fā)生器。本函數(shù)

16、信號發(fā)生器的前面板主要由以下幾個部分構(gòu)成：儀器控制按鈕，輸出頻率控制窗口(包括頻率顯示單位)，頻率倍成控制，波形選擇，頻率微調(diào)按鈕，直流偏置，方波占空比節(jié)，輸出波形幅度控制按鈕。頻率微調(diào)范圍：o11 hz；直流偏置：一1010v；方波占空比：0100；輸出波形幅度：010v。此外還增加了許多修飾性的元件如面板上的壓控輸入、記數(shù)輸入、同步輸出、電壓輸出等。使用這些修飾性的元件的目的是為了增加儀器的美觀性，并盡量與真實儀器的使用界面相一致。 圖3-1 函數(shù)信號發(fā)生器的前面板虛擬函數(shù)信號發(fā)生器的硬件構(gòu)成本虛擬信號發(fā)生器的輸入輸出的硬件部分為一數(shù)據(jù)采集卡和具有一定配置要求的pc機，數(shù)據(jù)的輸入輸出靠對數(shù)

17、據(jù)采集卡輸出輸入口的定義來實現(xiàn)。本設(shè)計采用的pci一1200數(shù)據(jù)采集卡是一塊性價比較好的產(chǎn)品，具備數(shù)模轉(zhuǎn)換的功能。能將產(chǎn)生的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號且數(shù)模轉(zhuǎn)換精度高，而且還具備濾波功能，從而使輸出波形光滑。它支持單極和雙極性模擬信號輸入，信號輸入范圍分別為一5一+5v和010v。提供l6路單端，8路差動模擬輸入通道、2路獨立的da輸出通道、24線的ttl型數(shù)字0、3個l6位的定時計數(shù)器等多種功能。硬件接口部分用于數(shù)據(jù)輸入或輸出時的通道設(shè)置。硬件接口部分程序框圖如圖3-2所示：圖3-2硬件接口程序圖device用于指定所用的設(shè)備號該設(shè)備號通過measurment and automation ex

18、ptorer工具配置。waveform length用于設(shè)定數(shù)據(jù)采集卡的緩沖區(qū)的大小。channel用于指定使用的設(shè)備的通道號(一般的數(shù)據(jù)采集卡具備多個輸人輸出通道)。 虛擬函數(shù)信號發(fā)生器的軟件設(shè)計與實現(xiàn)軟件部分采用專業(yè)的labview6i圖形化虛擬儀器開發(fā)工具。虛擬函數(shù)信號發(fā)生器主要由軟件完成輸出波形信號的產(chǎn)生和輸出信號頻率的顯示。輸出波形頻率的變化的具體實現(xiàn)是將波形數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)采集卡的緩沖區(qū)當(dāng)中通過設(shè)置緩沖區(qū)的更新頻率(改變內(nèi)部的時鐘頻率)來實現(xiàn)輸出數(shù)據(jù)頻率的變化。該過程主要運用了labview中的數(shù)據(jù)采集子模塊中的ao start功能模塊 從實現(xiàn)功能的角度來說本次設(shè)計的虛擬函數(shù)信號發(fā)生器

19、的功能結(jié)構(gòu)主要包括兩大功能模塊： 波形產(chǎn)生模塊(fg模塊)和頻率單位變化控制(display)模塊。波形產(chǎn)生模塊又調(diào)用fgen模塊。fgen模塊為數(shù)字波形產(chǎn)生模塊。 數(shù)字波形產(chǎn)生模塊波形產(chǎn)生模塊是虛擬函數(shù)信號發(fā)生器軟件的核心。利用該模塊可實現(xiàn)正弦波、方波、鋸齒波、三角波等波形。正弦波的產(chǎn)生原理是通過調(diào)用sinfx1函數(shù)來實現(xiàn)。在本次設(shè)計，設(shè)計每一正弦波周期由1000點組成，利用類似c語言中的for循環(huán)為x賦值，這樣執(zhí)行一次for循環(huán)，便可以產(chǎn)生生成一個周期正弦波所需的數(shù)據(jù)，然后利用while循環(huán)，使程序反復(fù)執(zhí)行，就可以連續(xù)輸出正弦波形。方波、鋸齒波、三角波的產(chǎn)生原理與正弦波產(chǎn)生原理相近，都是通

20、過數(shù)學(xué)運算來實現(xiàn)代表波形的數(shù)字序列。與模擬信號相比，利用軟件的方法產(chǎn)生的波形數(shù)字序列雖然存在著一定的誤差，但只要一個周期內(nèi)選的點數(shù)足夠的多。就可以使誤差降到最低，對結(jié)果的影響最小。利用軟件產(chǎn)生波形的一個最大的優(yōu)點是使儀器的成本大大降低， 而且使儀器小型化，智能化。其正弦波源程序如下圖3-3所示正圖3-3正弦波源程序可以通過界面的頻率選型修改頻率大小，通過幅值修改輸出幅值大小，加入了停止按鈕，其運行程序如圖3-4所示可以通過knob調(diào)整頻率。圖3-4正弦波顯示程序其調(diào)整界面的如下圖3-5所示，可以通過信號調(diào)整輸種類，可以通過頻率設(shè)定頻率大小，同時，可以設(shè)計噪聲等等項。3-6 調(diào)整界面其方波源程序如圖3-7所示圖3-8方波源程序其方波顯示程序如下圖3-9所示圖3-9 方波顯示程序其三角波源程序如圖3-10所示圖3-11三角波源程序其三角波顯示程序如下圖3-11所示圖3-12三角波顯示程序labview圖形化語言將計算機硬件資源與儀器硬件有機地融合為一體，從而把計算機強大的計算處理能力和儀器硬件的測量、控制能力結(jié)合在儀器，大大縮小