基于labview的虚拟函数信号发生器设计

基于labview的虚拟函数信号发生器设计内容摘要：

VXI、 PXI 和串口总线五种标准体系结构，它们主要完成 被测输入信号的采集、放大、模 /数转换。 虚拟仪器系统的软件构成 测试软件是虚拟仪器的主心骨。 NI 公司在提出虚拟仪器概念并推出第一批实用成果时，就用软件就是仪器来表达虚拟仪器的特征，强调软件在虚拟仪器中的重要位置。 NI 公司从一开始就推出丰富而又简洁的虚拟仪器开发软件。 使用者可以根据不同的测试任务，在虚拟仪器开发软件的提示下编制不同的测试软件，来实现当代科学技术复杂的测试任务。 在虚拟仪器系统中用灵活强大的计算机软件代替传统仪器的某些硬件，特别是系统中应用计算机直接参与测试信号的产生和测量特性的分析 ，使仪器中的一些硬件甚至整个仪器从系统中消失，而由计算机的软硬件资源来完成它们的功能。 虚拟仪器测试系统的软件主要分为以下四部分。 （ 1）仪器面板控制软件。 仪器面板控制软件即测试管理层，是用户与仪器之间交流信息的纽带。 利用计算机强大的图形化编程环境，使用可视化的技术，从控制模块上选择你所需要的对象，放在虚拟仪器的前面板上。 （ 2）数据分析处理软件。 利用计算机强大的计算能力和虚拟仪器开发软件功能强大的函数库可以极大提高虚拟仪器系统的数据分析处理能力，节省开发时 8 间。 （ 3）仪器驱动软件。 虚拟仪器 驱动程序是处理与特定仪器进行控制通信的一种软件。 仪器驱动器与通信接口及使用开发环境相联系，它提供一种高级的、抽象的仪器映像，它还能提供特定的使用开发环境信息。 仪器驱动器是虚拟仪器的核心，是用户完成对仪器硬件控制的纽带和桥梁。 虚拟仪器驱动程序的核心是驱动程序函数 /VI 集，函数 /VI 是指组成驱动的模块化子程序。 驱动程序一般分为两层，底层是仪器的基本操作，如初始化仪器配置仪器输入参数、收发数据、查看仪器状态等。 高层是应用函数 /VI 层，它根据具体测量要求调用底层的函数/VI。 （ 4）通用 I/O 接口软件。 在虚 拟仪器系统中， I/O 接口软件作为虚拟仪器系统软件结构中承上启下的一层，其模块化与标准化越来越重要。 VXI 总线即插即用联盟，为其制定了标准，提出了自底向上的 I/O 接口软件模型即 VISA。 作为通用 I/O 标准， VISA 具有与仪器硬件接口无关性的特点， 即这种软件结构是面向器件功能而不是面向接口总线的。 应用工程师为带 GPIB 接口仪器所写的软件，也可以于 VXI 系统或具有 RS232接口的设备上，这样不但大大缩短了应用程序的开发周期，而且彻底改变了测试软件开发的方式和手段。 虚拟仪器软件开发平台 虚拟仪器是一类软件化的仪器，核心概念是 软件就是仪器 ，而应用软件开发系统设计虚拟仪器所必须的软件工具。 目前，较流行的虚拟仪器软件开发系统大致可以分为三类： 第一类：图形化编程语言，代表性的有 LabVIEW,HPVEE 等； 第二类：文本式的编程语言，如 C,Visual C++,LabWindows/CVI。 第三类：零编程开发系统，具有代表性的式 VMIDS 框架协议系统图形化的编程语言，这是我国自己开发的软件开发系统，它具有编程简单、直观、开发效率高的特点。 目前市面上能够见 到的开发系统，基本上都可以归为以上三类之一。 这三类各有优缺点，也是目前在市面上都存在的原因。 谁也取代不了谁。 文本式编程语言具有编程灵活、运行速度快等特点，但他需要很深厚的编程功底，需要记忆很繁琐的文本语言，编程开发过程不是任何人都可以掌握的，不适合与那些没有语言功底的工程师和科学家，而图形化编程地出现正式弥补着文本变成的缺陷，把枯燥的写代码过程变成了把各种图形控件用连线连接起来的具有趣味性的图形化编程活动，但也不是不需要编程的，使用图形化编程语言的人，并不像文本编程者那样，需要很深厚的编程功底，但也不是说不 用编程，而我国自己开发的VMIDS 框架协议开发系统用户是不需要编程，就能组建自己所需要的仪器。 以下 9 就几种典型的开发系统做一简单的介绍。 （ 1） LabVIEW 是图形化的仪器编程环境，提供显示和控制对象，如表头、旋钮、图表等。 内置高效的程序编译器编译方式运行 32位应用程序 ，内置代码评估器。 灵活的程序调试手段可设断点 ，探针，高亮，单步。 支持各种数据采集与仪器通信应用支持 ISA、 EISA、 PCI、 PCMCIA 和 MacintoshNuBus 等各种总线。 功能强大的数据处理和分析函数库包括数值函数、字符串 处理函数、数据运算函数和文件 I/O 函数，还包括概率与统计、回归分析、线性代数、信号处理、数字滤波器、窗函数、三维图形处理等高级分析函数。 支持多种系统平台可在LabVIEW 平台上调用其他软件平台编译的模块。 开放式的开发平台网络功能面向对象技术。 （ 2） LabWindows/CVI 采用事件驱动与回调函数编程，集成化开发平台，支持多种总线，支持数据处理和分析功能，提供格式化 I/O 库、 Analysis 库、Advanced Analysis 库、 ANSI C 库等，提供图形化用户界面编辑， User Interface库。 支持网络和进程间通信功能，支持多种操作系统。 （ 3） Agilent VEE 图形化的编程，提供显示和控制模块 ，如按钮、图表、温度指示器等。 内置的程序编译器，交互式编译器技术，丰富的仪器驱动程序，强大的数据分析与处理数理统计、类型比较、矩阵运算、微积分、信号分析与处理、数字滤波器等。 灵活的程序调试手段可设断点，单步，分步。 支持多种系统平台，网络功能。 （ 4） National Instruments,LabVIEW,LabWindows/CVI 具有用于数据采集、仪器、网络和分析的完全集成化 的库的图形化环境；可编译性能强；自动化的测试对接软件； SQL 数据库连接性 SPC分析工具。 用于仪器控制和数据采集分析的交互式编译软件包；用于 GUI 的拖拉用户界面编程器；用于快速样机开发的代码产生工具和内部编译器；用于 GPIB,VXI、串行、 DAQ, TCP 和用户控制界面的集成库；可用于 Win2020/XP、 Sun Solaris。 基于虚拟仪器的自动测试系统的优点 根据上述主要功能的虚拟仪器描述 ,基于虚拟仪器很容易看到自动测试系统具有以下突出优点 : （ 1） 采用虚拟仪器，计算机与硬件测试设备之间的数据传输非常方便、直接、快速。 在传统的测试仪器设备中，测试人员以手工的方式现场记录测试数据，在测试数据量比较大的情况下，这种数据记录方式不能很好的按时完成记录任务，测试过程也就变的复杂、缓慢，而且很容易引起测试误差。 对于有些常用的测试仪器，对于被测对象只能进行定性分析，如果需要精确的物理数据，就需要有额外的辅助措施。 在应用虚拟仪器技术的测试设备中，充分利用计算机的存储 10 能力，让测试数据经由计算机总线，传输至计算机内存或硬盘，数据传输率可以满足测试的实时性要求，也加快了测 试过程，这样就很好解决了数据的传输、保存问题。 （ 2）在某些情况下，需要根据工程的实际需要实时、直接地对测试数据进行各种分析与处理，如进行 PID 控制、模糊逻辑控制、 FFT、 DFT 运算、数字信号处理，数学分析和数据库联接、统计分析参数调整、单位转换等工作，这在传统仪器中很难做到。 在虚拟仪器中，开发人员可以使用现有的分析软件包或通过自行编制相应软件来满足这一功能要求。 （ 3）为了使测试过程直观、明了，有时需要多种方式显示测试数据、控制过程和分析结果，虚拟仪器中，就可以利用计算机的图形用户界面 实现这一目标。 虚拟信号发生器的介绍 信号发生器的基本原理 本函数信号发生器的前面板主要由以下几个部分构成：仪器控制按钮，输出频率控制窗口 (包括频率显示单位 )，频率倍成控制，波形选择，频率微调按钮，直流偏置，方波占空比调节，输出波形幅度控制按钮。 频率微调范围： O． 1— 1 Hz；直流偏置：一 10— 10V；方波占空比： 0— 100％；输出波形幅度： 0— 10V。 此外还增加了许多修饰性的元件如面板上的压控输入、记数输入、同步输出、电压输出等。 使用这些修饰性的元件的目的是为了增加仪器 的美观性，并尽量与真实仪器的使用界面相一致。 虚拟信号发生器的工作原理 通过软件虚拟信号发生器的功能，信号由特定的虚拟仪器发出，再通过波形显示器表现在大家面前。 虚拟仪器以计算机为核心，功能由用户定义和设计，具有虚拟面板，其测试功能由测试软件实现。 虚拟仪器的关键是用软件来实现硬件的功能，实现 “ 软件即仪器 ”。 本文应用虚拟仪器开发平台 LabVIEW 开发了一种多功能虚拟信号发生器，扩展了信号发生器的分析和计算能力，降低了仪器的价格，增强了仪器的通用性，实现了波形显示、存储、以及多个测量参数自动 显示、相位差自动计算等功能。 11 3 LabVIEW 图形化开发环境 LabVIEW 简介 LabVIEW（ Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编语言。 传统文本编程语音根据语句和指令的先后顺序决定程序的执行顺序，而 LabVIEW 则采用数据流程方式，程序框图中节点之间的数据流向决定了程序的执行顺序。 它用图标表示函数，用连线表示数据流向。 LabVIEW 提供很多外观与传统仪器（ 如示波器、万用表）类似的控件，可用来方便的创建用户界面。 用户界面在 LabVIEW 中被称为前面板。 使用图标和连线，可以通过编程对前面板上的对象进行控制。 这就是图形化源代码，又称 G（ Graphics）代码。 LabVIEW 的图像化源代码在某种程度上类似于数据流流程图，因此又被称作程序框图代码。 前面板上的每一个控件对应于程序框图中的一个对象，当数据“流向”该控件时，控件就会根据自己的特性以一定的方式显示数据，例如开关、数字或图形。 图 4就是一个 LabVIEW 程序实例的前面板与程序框图，该例模拟了一个温度监测系统。 LabVIEW 程序被称为 VI（ Virtual Instrument），即虚拟仪器。 这是因为它的很多界面控件与操作都模拟了现实世界中的仪器，例如示波器与万用表等。 LabVIEW 的核心概念就是“软件即是仪器”，即虚拟仪器的概念。 LabVIEW 还包含了大量的工具与函数用于采集、分析。 显示与存储等。 这些工具都是导向式的工具，用户只需要一步步按照提示就可以实现与仪器的连接和参数的设置。 而程序员也不同去记忆这些大量的函数，因为这函数都以图标与名称的形式存在于一个小小的函数面板上，当需要用到某个函数时把它从函数面板 上拖放到程序框图中就可以了。 这一切都是图形化带来的好处。 LabVIEW 的图形环境 还 内置 了 丰富的函数库，提供了多种网络接口，支持先进的流动数据传输等先进技术，使系统的开发 变得 更加 简单和 方便，其中基于TCP/IP 协议的网络实时数据交换编程技术 ―― 数据套接字 (DataSocket)技术便是 其 一 大 特色。 并且 这种技术是一种开放的技术，与人们已 经 习惯采用的 TCP/IP编程接口、 DDE 等网络环境下的数据共享技术比较 的话 ，使用起来更 为 方便，开发效率更高，而且不需要大量的编程工作量。 数据套接提供统一的 API 编程接口 ，从数据共享的角度 来看 ，它是对 WinSock 的高级封装，允许用户与各种服务器 之 12 间 进行交互并在应用之间交换信息，比如 LabVIEW 以及 其他 一些不同的数据源或目标，源和目标 中 包括其他的应用、文件、 OPC (OLE For Process Control)服务器、 Web 服务器以及 FTP 服务器。 使用 DataSocket 类和统一资源定位器(Uniform Resource Locator，简称 URL)，就可建立数据套接的源与目标的连接，用户可以像使用 LabVIEW 中的其他数据类型一样用 DataSocket 进行 读写据， 实现测量数据的实时共享。 图 4 LabVIEW程序的前面板与程序框图举例 LabVIEW 的优点 没有传统仪器虚拟仪器控制面板 ,但使用计算机强大的图形环境 ,使用可视化图形编程语言和平台 ,以创建一个图在计算机屏幕上而不是软面板的传统传统仪器面板。 软实际仪器面板有一个类似的旋钮、开关、灯光和其他控制组件。 在操作 ,用户通过鼠标或键盘操作软面板 ,检查仪表通信和操作。 除了上面提到的特性 ,与传统仪器的编程工具 Visual Basic,Visual c++相比 ,虚拟仪器以及几个优势。 （ 1） 用户能根据 自己的需要的虚拟仪器的灵活性来定义仪器功能，通过不同的功能模块的组合，可构成各种仪。