畢業(yè)設(shè)計(jì)---基于labview的仿真信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)

1、<p>　　基于LabVIEW的仿真信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)</p><p><b>　　摘 要</b></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、

2、LABVIEW的編程模式等設(shè)計(jì)中所涉及到的硬件和技術(shù)。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、鋸齒波的功能。</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 LabVIEW 數(shù)據(jù)采集卡 信號(hào)發(fā)生器 </p

3、><p>　　Based on the simulation signal generator labview the design</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　This article summarizes the development and trend of the signal generat

4、or and virtual instrument at home and abroad at first. And then introduces the theory of signal generator, gives a basic block diagram of signal generator, also the frame structure and LabVIEW development platform of the

5、 virtual instrument with the inquiry of the bus’s standard. Based on the analysis of this system’s functional requirements, this article introduces the hardware and technology which involved in design of the d</p>

6、<p>　　The design is an attempt of virtual instrument to simulate the reality instrument. It shows the virtual instrument is an excellent solution to achieve the task which is achieved by traditional hardware in the

7、 past.</p><p>　　KEY WORDS LabVIEW Data AcquisitionCards Signal Generator</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　ABSTRACTII</

8、p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1 研究背景及動(dòng)態(tài)1</p><p>　　1.2 虛擬儀器發(fā)展前景1</p><p>　　2 LabVIEW設(shè)計(jì)的總體概述3</p><p>　　2.1 LabVIEW的介紹3</p><p&g

9、t;　　2.2 設(shè)計(jì)的目的及其要求4</p><p>　　2.3 設(shè)計(jì)的基本流程和方案5</p><p>　　3 數(shù)據(jù)采集的介紹與應(yīng)用7</p><p>　　3.1 數(shù)據(jù)采集的系統(tǒng)構(gòu)成7</p><p>　　3.2 數(shù)據(jù)采集卡的選擇8</p><p>　　3.2.1 數(shù)據(jù)采集卡的主要性能指標(biāo)9&

10、lt;/p><p>　　3.2.2 數(shù)據(jù)采集卡的組成9</p><p>　　3.2.3 數(shù)據(jù)采集卡USB-621110</p><p>　　3.3 數(shù)據(jù)采集的硬件的安裝與配置10</p><p>　　3.4 數(shù)據(jù)采集的子程序11</p><p>　　3.5 模擬輸入12</p><p

11、>　　3.5.1 創(chuàng)建虛擬通道函數(shù)12</p><p>　　3.5.2 定時(shí)設(shè)定VI13</p><p>　　3.5.3 DAQmx 觸發(fā)設(shè)定VI13</p><p>　　3.5.4 DAQmx讀取VI14</p><p>　　3.6 模擬輸出15</p><p>　　4 虛擬儀器軟件硬件的

12、設(shè)計(jì)17</p><p>　　4.1 虛擬儀器硬件平臺(tái)17</p><p>　　4.2.1 PC機(jī)17</p><p>　　4.2.2 I/O接口設(shè)備17</p><p>　　4.2 虛擬儀器的軟件設(shè)計(jì)19</p><p>　　4.2.1 LabVIEW應(yīng)用程序的構(gòu)成19</p>&l

13、t;p>　　4.2.2 LabVIEW的操作模板20</p><p>　　4.3 仿真信號(hào)的生成22</p><p>　　4.3.1 正弦信號(hào)的生成22</p><p>　　4.3.2 方波信號(hào)的生成23</p><p>　　4.3.3 三角波信號(hào)的生成24</p><p>　　4.3.4

14、鋸齒波信號(hào)的生成26</p><p>　　5 系統(tǒng)的仿真波形生成27</p><p>　　5.1 仿真實(shí)現(xiàn)的流程圖27</p><p>　　5.2 仿真波形模塊的設(shè)計(jì)及生成27</p><p>　　5.2.1 數(shù)字波形產(chǎn)生模塊的基本概述27</p><p>　　5.2.2 仿真信號(hào)通道設(shè)置及波形生成

15、的設(shè)計(jì)28</p><p>　　5.3 系統(tǒng)總程序框圖的設(shè)置及其仿真圖的生成31</p><p>　　5.4 信號(hào)生成過(guò)程需要注意的事項(xiàng)34</p><p><b>　　致 謝36</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)37</b></p><p>&l

16、t;b>　　1 緒論</b></p><p>　　1.1 研究背景及動(dòng)態(tài)</p><p>　　由于微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高度發(fā)展及其在電子測(cè)量技術(shù)與儀器上的應(yīng)用，新的測(cè)試?yán)碚?、新的測(cè)試方法、新的測(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)突破了傳統(tǒng)儀器的概念，電子測(cè)量?jī)x器的功能和作用已經(jīng)發(fā)生了質(zhì)的變化，其中計(jì)算機(jī)處于核心地位，計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)和

17、測(cè)試系統(tǒng)更緊密地結(jié)合成一個(gè)有機(jī)整體，導(dǎo)致儀器的結(jié)構(gòu)、概念和設(shè)計(jì)觀(guān)點(diǎn)等也發(fā)生了突破性的變化。在這種背景下，美國(guó)國(guó)家儀器公司（National Instruments）在20世紀(jì)80年代最早提出虛擬儀器（Virtual Instrument）的概念，同時(shí)推出了用于虛擬儀器開(kāi)發(fā)的工程軟件包LabVIEW。NI公司宣稱(chēng)“The Software is the Instrument”，即“軟件就是儀器”。在這里，計(jì)算機(jī)是虛擬儀器的核心設(shè)備，該儀器

18、的功能是通過(guò)軟件仿真實(shí)現(xiàn)的。它將傳統(tǒng)儀器由硬件電路實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)分析處理與顯示功能，改由功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)來(lái)執(zhí)行，所以計(jì)算機(jī)是其核心；當(dāng)計(jì)算機(jī)與適當(dāng)?shù)腎/O接口設(shè)備配置完畢，虛擬儀器的硬件平臺(tái)就被確定，此后軟件就成為儀器的關(guān)鍵部分，這也是“軟件就是儀器”之說(shuō)的來(lái)由。這意味著只要按照測(cè)量原理</p><p>　　虛擬儀器的出現(xiàn)是儀器發(fā)展史上的一場(chǎng)革命，代表著儀器發(fā)展的最新方向和潮流，對(duì)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)的進(jìn)步將產(chǎn)生

19、不可估量的影響，同時(shí)對(duì)改善高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器設(shè)備，提高教學(xué)質(zhì)量也是一個(gè)福音。</p><p>　　1.2 虛擬儀器發(fā)展前景</p><p>　　虛擬儀器依靠其自身的優(yōu)勢(shì)使它在儀器市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力不斷增強(qiáng)。許多大型儀器公司均在虛擬儀器市場(chǎng)上占有一席之地。1988年國(guó)際上開(kāi)始有虛擬儀器產(chǎn)品面市，當(dāng)時(shí)只有五家制造商推出的30種產(chǎn)品。此后，虛擬儀器產(chǎn)品每年成倍增加，到1994年底，虛擬儀器制造廠(chǎng)已達(dá)9

20、5家共生產(chǎn)1000多種虛擬儀器產(chǎn)品，銷(xiāo)售額達(dá)2.93億美元，占整個(gè)儀器銷(xiāo)售額73億的4%。</p><p>　　目前，我國(guó)正處于科學(xué)技術(shù)和教育事業(yè)蓬勃發(fā)展的新時(shí)期，對(duì)儀器設(shè)備的需求將更加強(qiáng)勁。虛擬儀器賴(lài)以生存的PC計(jì)算機(jī)近幾年正以迅猛的勢(shì)頭席卷全國(guó)，這為虛擬儀器的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。虛擬儀器作為傳統(tǒng)儀器的替代品，市場(chǎng)容量巨大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1998年我國(guó)進(jìn)口電子測(cè)量?jī)x器73.5臺(tái)，價(jià)值32億美元。據(jù)專(zhuān)家預(yù)測(cè)，到本世紀(jì)初我國(guó)

21、將有50%的儀器為虛擬儀器[1]。</p><p>　　以上統(tǒng)計(jì)數(shù)字表明，虛擬儀器具有廣闊的發(fā)展前景。但同時(shí)也應(yīng)認(rèn)識(shí)到，現(xiàn)在我國(guó)的科技水平還相對(duì)落后，每年需要花費(fèi)大量的外匯進(jìn)口電子儀器產(chǎn)品。如何發(fā)展我國(guó)自己的儀器產(chǎn)品，尤其是具有廣闊發(fā)展前景的虛擬儀器，是我們應(yīng)該迫切解決的問(wèn)題。</p><p>　　2 LabVIEW設(shè)計(jì)的總體概述</p><p>　　2.1 L

22、abVIEW的介紹</p><p>　　LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument EngineeringWorkbench，實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器集成環(huán)境)是一種圖形化的編程語(yǔ)言，簡(jiǎn)稱(chēng)G語(yǔ)言，它是由美國(guó)NI公司推出的虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)應(yīng)用LabVIEW 開(kāi)發(fā)平臺(tái)編制的程序稱(chēng)為虛擬儀器，其核心概念就是“軟件即是儀器” LabVIEW 提供了測(cè)控儀器圖形化編程環(huán)境，在這個(gè)環(huán)境中提供了一種像數(shù)據(jù)

23、流一樣的編程模式，用戶(hù)只需連接各個(gè)邏輯框即可構(gòu)成程序。它集成了與滿(mǎn)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，同時(shí)，它還內(nèi)置了便于應(yīng)用TCP／IP、ActiveX等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫(kù)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(kāi)發(fā)的基于LabVIEW 的虛擬函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，該儀器界面設(shè)計(jì)友好，功能強(qiáng)大，操作方便。</p><p>　　自從1986年美國(guó)NI(Nati

24、onal Instrument)公司提出虛擬儀器的概念以來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和測(cè)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(jī)。加上特殊設(shè)計(jì)的儀器硬件和專(zhuān)用軟件。形成既有普通儀器的基本功能，又有一般儀器所沒(méi)有的特殊功能的新型儀器。與傳統(tǒng)的儀器相比其特點(diǎn)主要有：具有更好的測(cè)量精度和可重復(fù)性：測(cè)量速度快；系統(tǒng)組建時(shí)間短；由用戶(hù)定義儀器功能；可擴(kuò)展性強(qiáng)；技術(shù)更新快等。虛擬儀器以軟件為核心，其軟件又以美國(guó)NI公司的La

25、bVIEW虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)最為常用。LabVIEW是一種圖形化的編程語(yǔ)言，主要用來(lái)開(kāi)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(qiáng)大。目前，該開(kāi)發(fā)軟件在國(guó)際測(cè)試、測(cè)控行業(yè)比較流行，在國(guó)內(nèi)的測(cè)控領(lǐng)域也得到廣泛應(yīng)用。函數(shù)信號(hào)發(fā)生器是在科學(xué)研究和工程設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用的一種通用儀器[2]。</p><p>　　虛擬儀器具有傳統(tǒng)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

26、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

27、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(chǎng)家定義的。</p><p>　　(4) 儀器性能

28、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

29、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，使得虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)成為Internet的

30、一部分，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控和管理[3]。</p><p>　　2.2 設(shè)計(jì)的目的及其要求</p><p>　　函數(shù)信號(hào)發(fā)生器是一種多波形的信號(hào)源，它能產(chǎn)生某些特定的周期性時(shí)間函數(shù)波形，可在生產(chǎn)、測(cè)試、儀器維修和實(shí)驗(yàn)時(shí)做信號(hào)源使用。LabVIEW是一種功能強(qiáng)大的虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)，在LabVIEW環(huán)境下可以隨時(shí)對(duì)比設(shè)計(jì)要求調(diào)整參數(shù)，本課題的目的就是利用labVIEW軟件進(jìn)行虛擬信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)。&

31、lt;/p><p>　　掌握和學(xué)習(xí)LabVIEW軟件，了解數(shù)據(jù)采集卡的采樣原理，利用LabVIEW軟件進(jìn)行虛擬信號(hào)發(fā)生器的前面板和流程圖的設(shè)計(jì)分別能產(chǎn)生正弦波、三角波、矩形波和方波幅度為0-5v可調(diào)，頻率0-1kHZ可調(diào)，并能通過(guò)示波器等其他手段進(jìn)行輸出顯示，并給出顯示結(jié)果。</p><p>　　本儀器功能主要包括四類(lèi)函數(shù)信號(hào)—正弦波、方波、三角波、鋸齒波的輸出，頻率的倍乘與微調(diào)相結(jié)合，以及實(shí)

32、現(xiàn)輸出波形的直流偏置、電壓幅度的控制等功能。具體指標(biāo)如如表1所示：</p><p>　　表1 信號(hào)發(fā)生器性能要求指標(biāo)</p><p>　　2.3 設(shè)計(jì)的基本流程和方案</p><p>　　虛擬儀器通過(guò)底層設(shè)備驅(qū)動(dòng)軟件與真實(shí)的儀器系統(tǒng)進(jìn)行通訊,并以虛擬儀器面板的形式在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示與真實(shí)儀器面板操作元素相對(duì)應(yīng)的各種控鍵. 虛擬信號(hào)發(fā)生器可產(chǎn)生正弦波、方波和三角波等

33、信號(hào)，根據(jù)需要,可調(diào)節(jié)其中面板上的控鍵，改變信號(hào)的頻率、幅度與相位，并可以進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ),所有信號(hào)發(fā)生的結(jié)果都可以通過(guò)軟件設(shè)計(jì)的虛擬面板顯示。</p><p>　　LabVIEW的圖形化程序設(shè)計(jì)是基于現(xiàn)代軟件的面向?qū)ο蠹夹g(shù)和數(shù)據(jù)流技術(shù)而發(fā)展起來(lái)的。數(shù)據(jù)流程序設(shè)計(jì)表示只有在所有輸入都有效時(shí)，一個(gè)對(duì)象才開(kāi)始執(zhí)行，同樣，只有當(dāng)對(duì)象的功能完成以后，對(duì)象輸出才有效。這樣的話(huà)，互相在對(duì)象間的數(shù)據(jù)流控制執(zhí)行順序，執(zhí)行順序不局限于

34、來(lái)自文本式程序設(shè)計(jì)的線(xiàn)性順序，它可以不受其限制。用戶(hù)能夠通過(guò)連接模塊來(lái)快速開(kāi)發(fā)自己的應(yīng)用程序，甚至能夠使用多路數(shù)據(jù)通道，實(shí)現(xiàn)同步操作。</p><p>　　與傳統(tǒng)的文本式程序設(shè)計(jì)一樣，LabVIEW也有控制流程圖功能執(zhí)行的部分，它們包括Sequence Case Statement，F(xiàn)or Loop，While Loop，它們被圖形化地描述成邊界結(jié)構(gòu)，像在傳統(tǒng)的線(xiàn)形化程序設(shè)計(jì)中可以插入代碼段一樣，可以把圖標(biāo)放在L

35、abVIEW圖形結(jié)構(gòu)的界限內(nèi)部。LabVIEW有一個(gè)圖形編輯器來(lái)產(chǎn)生最優(yōu)化的編輯代碼，虛擬儀器執(zhí)行他們相當(dāng)編譯C的速度。利用應(yīng)用程序生成器，用戶(hù)能夠產(chǎn)生虛擬儀器，就像獨(dú)立的執(zhí)行程序一樣[4]。下面按步驟說(shuō)明進(jìn)行圖形化的程序設(shè)計(jì)。</p><p>　　(1) 建立方案：選用LabVIEW軟件，可以構(gòu)建虛擬儀器而不是編寫(xiě)程序。有了交互式控制的軟件系統(tǒng)，用戶(hù)可以很方便地建立其前面板窗口。為了實(shí)現(xiàn)具體的功能，用戶(hù)利用向

36、導(dǎo)把流程圖結(jié)合在一起。</p><p>　　(2) 建立前面板：從控制模板上選擇你需要的對(duì)象，放在虛擬儀器的前面板上?？刂颇０迳系膶?duì)象包括數(shù)字顯示、表頭、壓力計(jì)、熱敏計(jì)外殼、表、圖片等。當(dāng)你的虛擬儀器完成以后，就能在虛擬儀器工作十利用前面板去控制整個(gè)系統(tǒng)，如移動(dòng)滑動(dòng)片、在圖象中變向、從鍵盤(pán)輸入等。</p><p>　　(3) 構(gòu)建圖形化的流程圖：對(duì)虛擬儀器進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，你不必?fù)?dān)心很多傳

37、統(tǒng)設(shè)計(jì)所需的語(yǔ)法細(xì)節(jié)，而可自己構(gòu)建流程圖。從功能模板上選擇對(duì)象（用圖標(biāo)表示），并用線(xiàn)將它們連接起來(lái)以便數(shù)據(jù)進(jìn)行傳遞。功能模塊上的對(duì)象包括簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)運(yùn)算、高級(jí)數(shù)據(jù)采集和分析方法、以及網(wǎng)絡(luò)和文件輸入輸出操作。</p><p>　　(4) 數(shù)據(jù)流程圖設(shè)計(jì)：LabVIEW用一種精巧的數(shù)據(jù)流程序設(shè)計(jì)模式把用戶(hù)從文本式語(yǔ)言的線(xiàn)形化方式構(gòu)建程序的方法中解放出來(lái)。因?yàn)樵贚abVIEW軟件中程序的執(zhí)行順序由各方塊中的數(shù)據(jù)流決定。

38、你也可以建立同步操作的流程圖。LabVIEW軟件是一個(gè)多任務(wù)系統(tǒng)——具有多線(xiàn)程功能并運(yùn)行多個(gè)虛擬儀器。</p><p>　　(5) 模塊化和層次：LabVIEW虛擬儀器實(shí)行模塊化設(shè)計(jì)，因而任何虛擬儀器既能獨(dú)立運(yùn)行，又能被用作其他虛擬儀器的一部分。甚至可以創(chuàng)建自己的虛擬儀器圖標(biāo)，因而可以設(shè)計(jì)由虛擬儀器構(gòu)成的多層系統(tǒng)，并可以改變它，同其他虛擬儀器交換和連接以滿(mǎn)足不斷變化的應(yīng)用需要。</p><p

39、>　　(6) 圖形編輯器：在許多場(chǎng)合，程序運(yùn)行速度都很關(guān)鍵。LabVIEW軟件是唯一的帶有編輯器的圖形化編程環(huán)境，可以產(chǎn)生最優(yōu)化的代碼，其運(yùn)行速度與編譯C的速度相當(dāng)。利用內(nèi)置的繪圖器，甚至能夠?qū)r(shí)間很關(guān)鍵的代碼部分進(jìn)行分析和優(yōu)化。因而，不會(huì)因?yàn)閳D形化編程降低了效率。圖形化程序設(shè)計(jì)編程簡(jiǎn)單、直觀(guān)、開(kāi)發(fā)效率高。</p><p>　　3 數(shù)據(jù)采集的介紹與應(yīng)用</p><p>　　3.1

40、 數(shù)據(jù)采集的系統(tǒng)構(gòu)成</p><p>　　在計(jì)算機(jī)廣泛應(yīng)用的今天，計(jì)算機(jī)為“智能處理核心部件”的檢測(cè)、控制系統(tǒng)在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。這種“智能處理核心部件”客觀(guān)上要求我們能夠?qū)⒂?jì)算機(jī)與外部物理設(shè)備相連，實(shí)現(xiàn)這種連接的橋梁就是數(shù)據(jù)采集，而數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣將十分顯著地反應(yīng)出我們描述客觀(guān)世界的準(zhǔn)確性。</p><p>　　對(duì)于一個(gè)具體的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其硬件部分的設(shè)計(jì)

41、內(nèi)容包括模擬信號(hào)輸入/輸出通道的設(shè)置和數(shù)字信號(hào)輸入/輸出通道的設(shè)置。NI公司把這兩種設(shè)置都?xì)w于數(shù)據(jù)采集（Data Acquisition, DAQ）模塊，熟悉該模塊的功能對(duì)于我們完成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有重要的意義。</p><p>　　一個(gè)完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通常由原始信號(hào)、信號(hào)調(diào)理設(shè)備、數(shù)據(jù)采集設(shè)備和計(jì)算機(jī)四個(gè)部分組成。但有的時(shí)候，自然界中的原始物理信號(hào)并非直接可測(cè)的電信號(hào)，所以，我們會(huì)通過(guò)傳感器將這些物理信號(hào)

42、轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)采集設(shè)備可以識(shí)別的電壓或電流信號(hào)。加入信號(hào)調(diào)理設(shè)備是因?yàn)槟承┹斎氲碾娦盘?hào)并不便于直接進(jìn)行測(cè)量，因此需要信號(hào)調(diào)理設(shè)備對(duì)它進(jìn)行諸如放大、濾波、隔離等處理，使得數(shù)據(jù)采集設(shè)備更便于對(duì)該信號(hào)進(jìn)行精確的測(cè)量。數(shù)據(jù)采集設(shè)備的作用是將模擬的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，或?qū)⒂?jì)算機(jī)編輯好的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)輸出。計(jì)算機(jī)上安裝了驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用軟件，方便我們與硬件交互，完成采集任務(wù)，并對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)分析和處理[5]。</p&

43、gt;<p>　　基于PC的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成部分可分為5個(gè)部分：</p><p><b>　　(1) PC</b></p><p><b>　　(2) 傳感器</b></p><p><b>　　(3) 信號(hào)調(diào)理</b></p><p>　　(4) 數(shù)據(jù)

44、采集硬件</p><p><b>　　(5) 軟件</b></p><p>　　圖3-1 基于PC的DAQ系統(tǒng)</p><p>　　DAQ的任務(wù)就是測(cè)量或生成物理信號(hào)。一個(gè)DAQ系統(tǒng)通常具有一套用于獲取、處理原始數(shù)據(jù)，分析串崗其和轉(zhuǎn)換器，信號(hào)調(diào)節(jié)及其顯示，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的軟件。</p><p>　　如圖給出了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)

45、構(gòu)。在數(shù)據(jù)采集之前，程序?qū)?duì)DAQ板初始化，板卡上和內(nèi)存中的Buffer 是數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)的中間環(huán)節(jié)。</p><p>　　圖3-2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)</p><p>　　在給予計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)測(cè)量到物理信號(hào)之前，需要通過(guò)傳感器將物理信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。為了更精確地測(cè)量信號(hào)信號(hào)調(diào)理部分能放大低電壓信號(hào)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行隔離和濾波。此外某些傳感器需要有電壓或電流激勵(lì)源來(lái)生成電壓輸出。DAQ系統(tǒng)由軟件控制

46、來(lái)獲取數(shù)據(jù)行、分析數(shù)據(jù)并得到結(jié)論[6]。</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)具體情況來(lái)具體分析。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>　　(

47、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。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

48、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>

49、<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>　　(4) 電壓動(dòng)態(tài)范圍</p><p>　　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>　　(5) I/O通道數(shù)</p><p>　　該參數(shù)表明了數(shù)據(jù)

50、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) 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>&

51、lt;p>　　(3) 采樣保持器。把采集到的信號(hào)瞬間值保持在A(yíng)/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)化為數(shù)字量輸出，完成信號(hào)幅值的量化。</p><p>　　3.2.3 數(shù)據(jù)采集卡USB-6211</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DA

52、Q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；4路數(shù)字輸入線(xiàn)；4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—±10 V) ；8路可編程數(shù)字I/0口。</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

53、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等功能可幫助用戶(hù)縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間[7]。</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>　　3.3 數(shù)據(jù)采集的硬件的安裝與配置</p><p>　　在

54、使用LabVIEW進(jìn)行數(shù)據(jù)采集之前，必須對(duì)DAQ硬件進(jìn)行正確的安裝和配置，具體過(guò)程分為以下3步。</p><p>　　(1) 安裝N1一DAQ驅(qū)動(dòng)程序：在Windows環(huán)境下，LabVlEW安裝軟件會(huì)提示用戶(hù)安裝NI—DAQ驅(qū)動(dòng)器軟件。NI．DAQ驅(qū)動(dòng)器軟件為L(zhǎng)abVIEW提供了與DAQ器件和信號(hào)調(diào)理硬件之間的高級(jí)接口。NI公司的全部DAQ器件都與NI-DAQ驅(qū)動(dòng)器軟件組裝在一起。</p><

55、p>　　(2) DAQ卡的安裝與配置：DAQ卡的安裝需參照采集卡用戶(hù)手冊(cè)。DAQ卡的配置則可參照N1一DAQ配置向?qū)г诰€(xiàn)幫助文件“nidaqcfg CXC”來(lái)進(jìn)行，可配置DAQ卡的設(shè)備號(hào)、模擬輸入極性(單極或雙極)、模擬輸入模式(單端輸入或差分輸入)、模擬輸出極性等屬性。</p><p>　　(3) 模擬輸入通道配置：通道配置可通過(guò)執(zhí)行LabVIEW中“project”菜單的“DAQ Wizards”子菜單

56、里“DAQChannelWizards”命令來(lái)完成。該通道配置向?qū)?DAQChannelWizard)是Windows環(huán)境F的應(yīng)用程序，用來(lái)對(duì)包括DAQ插卡、獨(dú)立DAQ產(chǎn)品以及SCXI模件等DAQ器件的模擬輸入通道進(jìn)行配置。通過(guò)用戶(hù)漸入通道名稱(chēng)、被測(cè)最物理信號(hào)的范圍、所使用的傳感器、傳感器輸出范圍以及相關(guān)的DAQ硬件等信息，DAQ通道配置向?qū)Э纱_定在DAQ硬件通道上測(cè)量的物理參數(shù)[8]。</p><p>　　3.

57、4 數(shù)據(jù)采集的子程序</p><p>　　LabVIEW的DAQ程序包括模擬輸入(AnalogInput)、模擬輸出(AnalogOutput)、數(shù)字輸入／輸出(Digital I/0)、計(jì)數(shù)器(Counter)、標(biāo)定和配置(Calibration andConfigm'afion)以及信號(hào)調(diào)理(SignalConditioning)等6類(lèi)。其中，每類(lèi)又分成簡(jiǎn)單程序(EasyFOVls)、中級(jí)程序(In

58、termediateVIs)、應(yīng)用程序(UtilityVIs)和高級(jí)程序(AdvancedVIs)4類(lèi)。</p><p>　　簡(jiǎn)單程序僅僅只是表而培接口程序，它能執(zhí)行基本的模擬量輸入、模擬量輸出、數(shù)字I/O以及計(jì)數(shù)器，定時(shí)器操作。它簡(jiǎn)單易用，并且包含‘個(gè)簡(jiǎn)單的出錯(cuò)處理方法。當(dāng)出錯(cuò)時(shí)，將彈出一個(gè)對(duì)話(huà)框，顯示出錯(cuò)信息，用戶(hù)可以選擇終止程序執(zhí)行或者忽略錯(cuò)誤。相對(duì)于簡(jiǎn)單程序而言，中級(jí)程序具備更多的硬什設(shè)置功能，使用上具有

59、更大的靈活性，可以更有效地開(kāi)發(fā)實(shí)用程序。它具有許多簡(jiǎn)單程序所缺乏的功能，如外部時(shí)鐘等。它對(duì)出錯(cuò)的處理也更加靈活，可以把出錯(cuò)狀態(tài)信息傳遞給其它程序，可以編程處理出錯(cuò)情況。應(yīng)用程序是中級(jí)程序的通用組合，在功能和操作上與中級(jí)程序相同。高級(jí)程序涉及到與DAQ驅(qū)動(dòng)程序的低層接口。開(kāi)發(fā)實(shí)用程序時(shí)通常并不需要用到高級(jí)程序，但當(dāng)簡(jiǎn)單程序和中級(jí)程序不具備用于控制特殊DAQ功能的輸入時(shí)，可以使用高級(jí)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。高級(jí)程序從DAQ驅(qū)動(dòng)程序返舊的狀態(tài)信息最多[9

60、]。</p><p>　　在實(shí)用程序開(kāi)發(fā)中，常用的DAQ子程序包括模擬輸入與輸出、波形的輸入與輸出、連續(xù)數(shù)據(jù)采集。</p><p>　　(1) 模擬輸入與輸出：模擬輸入與輸出是DAQ卡的基本功能?！癆nalog Input”子模板下的“AI Sample Channel”程序測(cè)量指定通道上信號(hào)的一個(gè)采樣點(diǎn)，并返回測(cè)量值?！癆nalog Output”了模板下的“AO Update Chan

61、nel”程序把一個(gè)給定電壓值在一個(gè)模擬輸出通道上輸出。</p><p>　　(2) 波形的輸入與輸出：在許多應(yīng)用場(chǎng)合，一次只采樣一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。另外，采樣點(diǎn)之間的間隔很難恒定，因?yàn)樗艿蕉喾N因素的影響，如循環(huán)的執(zhí)行速度、子程序的調(diào)用時(shí)間等。然LabVIEW的DAQ程序庫(kù)提供的“AI AcquireWaveform(s)”和“AO GenerateWaveform”程序可以以大干單點(diǎn)操作的速度進(jìn)行多點(diǎn)的數(shù)據(jù)

62、采集和波形生成．并且用戶(hù)可咀自定義采樣率?！盇I AcquireWavcform(s)”程序從一個(gè)(多個(gè))指定的輸入通道按用戶(hù)定義的采樣率、采樣點(diǎn)數(shù)采集數(shù)據(jù)，并返回采樣結(jié)果數(shù)據(jù)到計(jì)算機(jī)?！盇O GenerateWaveform”程序在一個(gè)模擬輸出通道上以用戶(hù)定義的更新速率生成一個(gè)電壓波形[10]。</p><p><b>　　3.5 模擬輸入</b></p><p>

63、;　　使用DAQmx底層VI進(jìn)行數(shù)據(jù)采集：</p><p>　　圖3-3 DAQmx 數(shù)據(jù)采集子選板</p><p>　　如圖3-3所示，我們看到的所有的DAQmx底層驅(qū)動(dòng)VI都能在測(cè)量I/O選版下的DAQmx子選版下找到 包括了I/O 端口，創(chuàng)建通道，讀取，寫(xiě)入，定時(shí)，觸發(fā)等等。</p><p>　　3.5.1 創(chuàng)建虛擬通道函數(shù)</p><

64、p>　　通過(guò)給出所需的目標(biāo)通道名稱(chēng)以及物理通道連接，用來(lái)在程序中創(chuàng)建一個(gè)通道，如下圖3-4所示。</p><p>　　圖3-4創(chuàng)建虛擬通道</p><p>　　在MAX當(dāng)中創(chuàng)建通道時(shí)進(jìn)行的相同的設(shè)置在這個(gè)函數(shù)中均會(huì)得到設(shè)置。 當(dāng)程序操作員需要經(jīng)常更換物理通道連接設(shè)置而非其他諸如終端配置或自定義縮放設(shè)置的時(shí)候，這個(gè)創(chuàng)建虛擬通道VI就非常有用了。物理通道下拉菜單被用來(lái)指定DAQ板卡的設(shè)備

65、號(hào)以及實(shí)際連接信號(hào)的物理通道。通道屬性節(jié)點(diǎn)是創(chuàng)建虛擬通道函數(shù)的功能擴(kuò)展，允許您在程序當(dāng)中動(dòng)態(tài)改變虛擬通道的設(shè)置[11]。舉例來(lái)說(shuō)，對(duì)于一組測(cè)試我們可用通過(guò)它來(lái)對(duì)一個(gè)通道設(shè)置一個(gè)自定義縮放之后在對(duì)另一組進(jìn)行測(cè)試時(shí)可以通過(guò)屬性節(jié)點(diǎn)改變自定義縮放的值。</p><p>　　3.5.2 定時(shí)設(shè)定VI </p><p>　　DAQmx定時(shí)VI 配置了任務(wù)、通道的采樣定時(shí)以及采樣模式，并在必要時(shí)自動(dòng)

66、創(chuàng)建相應(yīng)的緩存。如圖3-5所示。這個(gè)多態(tài)VI的實(shí)例與任務(wù)中使用到的定時(shí)類(lèi)型相關(guān)聯(lián)，包擴(kuò)數(shù)字握手，隱式（設(shè)置持續(xù)時(shí)間而非定時(shí)）或波形（使用波形數(shù)據(jù)類(lèi)型中的DT元素來(lái)確定采樣率）等實(shí)例。類(lèi)似的定時(shí)屬性節(jié)點(diǎn)允許您進(jìn)行高級(jí)的定時(shí)屬性配置。</p><p>　　圖3-5 DAQmx定時(shí)VI</p><p>　　3.5.3 DAQmx 觸發(fā)設(shè)定VI</p><p>　　DAQ

67、mx觸發(fā)VI 配置了任務(wù)、通道的觸發(fā)設(shè)置。如圖3-6所示。 這個(gè)多態(tài)VI的實(shí)例包括了觸發(fā)類(lèi)型的設(shè)置，數(shù)字邊沿開(kāi)始觸發(fā)模擬邊沿開(kāi)始觸發(fā)，模擬窗開(kāi)始觸發(fā)， 數(shù)字邊沿參考觸發(fā)，模擬邊沿參考觸發(fā)或是模擬窗口參考觸發(fā)等等。同樣的我們會(huì)使用觸發(fā)屬性節(jié)點(diǎn)來(lái)配置更多高級(jí)的觸發(fā)設(shè)置。</p><p>　　圖3-6 觸發(fā)設(shè)定VI</p><p>　　3.5.4 DAQmx讀取VI </p>&

68、lt;p>　　DAQmx 讀取VI 從特定的任務(wù)或者通道當(dāng)中讀取數(shù)據(jù)，如圖3-7所示，這個(gè)VI的多態(tài)實(shí)例會(huì)指出VI所返回的數(shù)據(jù)類(lèi)型，包括一次讀取一個(gè)單點(diǎn)采樣還是讀取多點(diǎn)采樣，以及從單通道讀取還是從多通道中讀取數(shù)據(jù)，其相應(yīng)的屬性節(jié)點(diǎn)可以設(shè)置偏置波形屬性以及獲取當(dāng)前可用采樣數(shù)等數(shù)據(jù)[12]。</p><p>　　圖3-7 DAQmx 讀取VI</p><p>　　圖3-8程序完成了模擬信

69、號(hào)的連續(xù)采集，與使用DAQ 助手快速VI不同，這里我們使用的都是DAQmx的底層驅(qū)動(dòng)VI。</p><p>　　圖3-8模擬信號(hào)的連續(xù)采集</p><p>　　連續(xù)采集的流程圖如圖3-9所示，首先創(chuàng)建虛擬通道，設(shè)置緩存大小，設(shè)置定時(shí)，(必要時(shí)可以設(shè)置觸發(fā)) ，開(kāi)始任務(wù)，開(kāi)始讀取。由于我們是連續(xù)采集信號(hào)，于是我們需要連續(xù)地讀取采集到的信號(hào)。因此我們將DAQmx讀取VI放置在循環(huán)當(dāng)中， 一旦有

70、錯(cuò)誤發(fā)生或者用戶(hù)在前面板上手動(dòng)停止采集時(shí)程序會(huì)跳出while循環(huán)。之后使用DAQmx 停止任務(wù)來(lái)釋放相應(yīng)的資源并進(jìn)行簡(jiǎn)單錯(cuò)誤處理[13]。</p><p>　　在連續(xù)采集當(dāng)中，我們會(huì)使用一個(gè)環(huán)形緩沖區(qū)， 這個(gè)緩沖區(qū)的大小由DAQmx 定時(shí)VI 中的SAMPLES PER CHANNEL 每通道采樣來(lái)確定。如果該輸入端未進(jìn)行連接或者設(shè)置的數(shù)值過(guò)小，那么NI DAQmx 驅(qū)動(dòng)會(huì)根據(jù)當(dāng)前的采樣率來(lái)分配相應(yīng)大小的緩沖區(qū)，

71、其具體的映射關(guān)系可以參考DAQmx 幫助。同時(shí)，在while 循環(huán)中DAQmx 讀取的輸入?yún)?shù) SAMPLES TO READ（每通道采樣數(shù)）表示了，每次循環(huán)，我們從緩沖中讀取多少個(gè)點(diǎn)數(shù)的數(shù)據(jù)。為了防止緩沖區(qū)溢出，我們必須保證讀取的速率足夠快。一般我們建議SAMPLES TO READ 的值為PC 緩沖大小的1/4。</p><p>　　圖3-9模擬信號(hào)的連續(xù)采集流程圖</p><p>　

72、　3.6 模擬輸出 </p><p>　　對(duì)于A(yíng)O，我們需要知道輸出波形的頻率，輸出波心的頻率取決于兩個(gè)因素，更新率以及緩沖中波形的周期數(shù)。我們可以用以下等式來(lái)計(jì)算我們輸出信號(hào)的頻率： </p><p>　　信號(hào)頻率= 周期數(shù) × 更新率 ÷ 緩沖中的點(diǎn)數(shù) 。</p><p>　　舉例來(lái)說(shuō)，我們有一個(gè)1000點(diǎn)的緩沖放置了一個(gè)周期的波形，如果要

73、以1kHz的更新率來(lái)產(chǎn)生信號(hào)的話(huà)，那么1個(gè)周期乘以每秒一千個(gè)點(diǎn)更新率除以總共一千個(gè)點(diǎn)等于1HZ。 如果我們使用2倍的更新率。那么，一個(gè)周期乘以每秒2000個(gè)點(diǎn)除以總共1000個(gè)點(diǎn)，得到2HZ的輸出。如果我們?cè)诰彌_中放入兩個(gè)周期的波形，那么兩個(gè)周期乘以 1000個(gè)點(diǎn)每秒的更新率除以總共1000個(gè)點(diǎn)，得到輸出頻率為2HZ。也就是說(shuō)我們可以通過(guò)增加更新率或者緩沖中的周期數(shù)來(lái)提高輸出信號(hào)的頻率[14]。</p><p>

74、　　圖3-10使用采樣時(shí)鐘定時(shí)的連續(xù)數(shù)據(jù)輸出</p><p>　　4 虛擬儀器軟件硬件的設(shè)計(jì)</p><p>　　4.1 虛擬儀器硬件平臺(tái)</p><p>　　4.1.1 PC機(jī)</p><p>　　它是硬件平臺(tái)的核心。虛擬儀器使用的個(gè)人計(jì)算機(jī)中，微處理器和總線(xiàn)成為最重要的因素。</p><p>　　其中，微處理

75、器的發(fā)展是最迅速的，它使虛擬儀器的能力得到極大地提高。80年代末制造的虛擬儀器頻率分析儀完成一個(gè)1024點(diǎn)的快速傅立葉變換需要1秒鐘的時(shí)間；今天的系統(tǒng)可以在1毫秒內(nèi)完成同樣的運(yùn)算，速度提高了一千倍。這意味著，如果以前人們是用虛擬儀器來(lái)做快速傅立葉變換觀(guān)察信號(hào)，那么今天可以利用它進(jìn)行高速的實(shí)時(shí)運(yùn)算，并將之應(yīng)用于過(guò)程控制和其它控制系統(tǒng)中。</p><p>　　總線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展也為提高虛擬儀器的處理能力提供了必要的支持。

76、PCI總線(xiàn)性能比ISA總線(xiàn)提高了近十倍，使得微處理器能夠更快地訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)。使用ISA總線(xiàn)時(shí)，插在電腦中的數(shù)據(jù)采集板的采集速度最高為2MBps；使用PCI總線(xiàn)時(shí)，最高采集速度可提高到132MBps。由于總線(xiàn)速度的大大提高，現(xiàn)在可以同時(shí)使用數(shù)塊數(shù)據(jù)采集板，甚至圖象數(shù)據(jù)采集也可以和數(shù)據(jù)采集結(jié)合在一起[15]。</p><p>　　4.1.2 I/O接口設(shè)備</p><p>　　主要完成被測(cè)信號(hào)的

77、采集、放大、模/數(shù)轉(zhuǎn)換?？筛鶕?jù)不同情況采用不同的I/O接口硬件設(shè)備，如數(shù)據(jù)采集卡（DAQ）、GPIB總線(xiàn)儀器、VXI總線(xiàn)儀器模塊、串口儀器等，虛擬儀器構(gòu)成方式有五種類(lèi)型，如圖4-1框圖所示。LabVIEW提供了各種圖形化驅(qū)動(dòng)程序，使用者不必熟悉PCI計(jì)算機(jī)總線(xiàn)、GPIB總線(xiàn)、VXI總線(xiàn)、串口總線(xiàn)，利用LabVIEW提供的圖形化驅(qū)動(dòng)程序就可以驅(qū)動(dòng)上述各種總線(xiàn)的I/O接口設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)信號(hào)的輸入、數(shù)據(jù)采集、放大與模/數(shù)轉(zhuǎn)換，進(jìn)而供計(jì)算機(jī)進(jìn)

78、一步分析處理。雖然這五種系統(tǒng)有很大的差別，但是無(wú)論那種VI系統(tǒng)，都是通過(guò)應(yīng)用軟件將儀器硬件與通用計(jì)算機(jī)相結(jié)合。虛擬儀器的構(gòu)成方式主要有5種類(lèi)型，如圖4-1所示。</p><p>　　圖4-1虛擬儀器的構(gòu)成方式</p><p>　　無(wú)論上述哪種VI系統(tǒng)，都通過(guò)應(yīng)用軟件將儀器硬件與計(jì)算機(jī)相結(jié)合。</p><p>　　考慮到PC—DAQ插卡式虛擬儀器在五種虛擬儀器系統(tǒng)中，

79、是虛擬儀器最基本最廉價(jià)的構(gòu)成形式。在經(jīng)費(fèi)不足或時(shí)間不充裕的情況下經(jīng)常被采用。</p><p>　　所以本設(shè)計(jì)它的硬件平臺(tái)主要有PC計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)采集卡（DAQ卡）組成。</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用了USB6211數(shù)據(jù)采集卡數(shù)據(jù)采集卡（DAQ卡）這種采集卡包括以下四個(gè)組成部分：</p><p>　　(1) 多路開(kāi)關(guān)。將各路信號(hào)輪流切換的放大器的輸入端，實(shí)現(xiàn)多參數(shù)多

80、路信號(hào)的分時(shí)采集。</p><p>　　(2) 放大器。將前一級(jí)多路開(kāi)關(guān)切換進(jìn)入待采集信號(hào)放大（或衰減）至采樣環(huán)節(jié)的量程范圍內(nèi)。通常實(shí)際系統(tǒng)中放大器作成增益可調(diào)的放大器，設(shè)計(jì)者可根據(jù)輸入信號(hào)不同的幅值選擇不同的增益倍數(shù)。</p><p>　　(3) 采樣保持器。取出待測(cè)信號(hào)在某一瞬時(shí)的值（即實(shí)現(xiàn)信號(hào)的時(shí)間離散化），并在A(yíng)/D轉(zhuǎn)換過(guò)程中保持信號(hào)不變，如果被測(cè)信號(hào)變化很緩慢，也可以不用采樣

81、/保持器。</p><p>　　(4) A/D轉(zhuǎn)換器。將輸入的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量輸出，并完成信號(hào)幅值的量化。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，目前通常將采樣/保持器同A/D轉(zhuǎn)換器集成在一塊芯片上。</p><p>　　以上四個(gè)部分都處在計(jì)算機(jī)的前向通道，是組成數(shù)據(jù)采集卡的主要環(huán)節(jié)，與其它有關(guān)電路如定時(shí)/計(jì)數(shù)器、總線(xiàn)接口電路等集成在一塊印刷電路板上，即構(gòu)成數(shù)據(jù)采集卡（DAQ卡），完成對(duì)信號(hào)數(shù)據(jù)的采集、放

82、大及模/數(shù)轉(zhuǎn)換任務(wù)。</p><p>　　PC--DAQ插卡式虛擬儀器系統(tǒng)充分利用了PC計(jì)算機(jī)的機(jī)箱、總線(xiàn)、電源及軟件資源，但是因而也受到PC計(jì)算機(jī)機(jī)箱環(huán)境和計(jì)算機(jī)總線(xiàn)的限制，存在諸多的不足，如電源功率不足、散熱條件差等[16]。</p><p>　　4.2 虛擬儀器的軟件設(shè)計(jì)</p><p>　　4.2.1 LabVIEW應(yīng)用程序的構(gòu)成</p>

83、<p>　　所有的LabVIEW應(yīng)用程序，即虛擬儀器（NI），它包括前面板（front panel）、流程圖（block diagram）以及圖標(biāo)/連接器（icon/connector）三部分。</p><p>　　(1) 程序前面板</p><p>　　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

84、制（control）和顯示對(duì)象（indicator）。圖4-2所示是一個(gè)隨機(jī)信號(hào)發(fā)生和顯示的簡(jiǎn)單VI的前面板，上面有一個(gè)顯示對(duì)象，以曲線(xiàn)的方式顯示了所產(chǎn)生的一系列隨機(jī)數(shù)。還有一個(gè)控制對(duì)象——開(kāi)關(guān)，可以啟動(dòng)和停止工作。顯然，并非簡(jiǎn)單地畫(huà)兩個(gè)控件就可以運(yùn)行，在前面板后還有一個(gè)與之配套的流程圖。</p><p><b>　　(2) 流程圖</b></p><p>　　流程

85、圖也稱(chēng)為后面板，提供VI的圖形化源程序。在流程圖對(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和連線(xiàn)端子，還有一些前面板上沒(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。圖4-3是與圖4-2對(duì)應(yīng)的流程圖。我們可以看到流程圖中包括了前面板上的開(kāi)關(guān)和隨機(jī)數(shù)顯示器的連線(xiàn)端子，還有一個(gè)隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的函數(shù)及程序的循環(huán)結(jié)構(gòu)。隨機(jī)數(shù)發(fā)生器通過(guò)連線(xiàn)將產(chǎn)生的隨機(jī)信號(hào)送到顯示控件，為了使它持續(xù)工作下去，設(shè)置了一個(gè)Whi

86、le Loop循環(huán)，由開(kāi)關(guān)控制這一循環(huán)的結(jié)束。</p><p>　　(3) 圖標(biāo)/連接器</p><p>　　圖標(biāo)/連接器是子VI被其它VI調(diào)用的接口。圖標(biāo)是子VI在其他程序框圖中被調(diào)用的節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)形式；而連接器則表示節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的輸入/輸出口，就象函數(shù)的參數(shù)。用戶(hù)必須指定連接器端口與前面板的控制和顯示一一對(duì)應(yīng)。連接器一般情況下隱含不顯示，除非用戶(hù)選擇打開(kāi)觀(guān)察它。</p><

87、;p>　　4.2.2 LabVIEW的操作模板</p><p>　　在LabVIEW的用戶(hù)界面上，應(yīng)特別注意它提供的操作模板，包括工具（Tools）模板、控制（Controls）模板和函數(shù)（Functions）模板。這些模板集中反映了該軟件的功能與特征。</p><p>　　(1) 工具模板（Tools Palette）</p><p>　　該模板提供了各

88、種用于創(chuàng)建、修改和調(diào)試VI程序的工具，如圖4-4所示。如果該模板沒(méi)有出現(xiàn)，則可以在Windows菜單下選擇Show Tools Palette命令以顯示。</p><p>　　圖4-4 LabVIEW的工具模板</p><p>　　當(dāng)從模板內(nèi)選擇了任一種工具后，鼠標(biāo)箭頭就會(huì)變成該工具相應(yīng)的形狀。當(dāng)從Windows菜單下選擇了Show Help Window功能后，把工具模板內(nèi)選定的任一種工

89、具光標(biāo)放在流程圖程序的子程序（Sub VI）或圖標(biāo)上，就會(huì)顯示相應(yīng)的幫助信息。</p><p>　　(2) 控制模板（Controls Palette）</p><p>　　該模板用來(lái)給前面板設(shè)置各種所需的輸出顯示對(duì)象和輸入控制對(duì)象。每個(gè)標(biāo)代表一類(lèi)子模板。如果控制模板不顯示，可以用Windows菜單的Show Controls Palette功能打開(kāi)它，也可以在前面板的空白處，點(diǎn)擊鼠標(biāo)右

90、鍵，以彈出控制模板。</p><p>　　控制模板如下圖4-5所示：</p><p>　　圖4-5 LabVIEW的控制模板</p><p>　　(3) 功能模板（Functions Palette）</p><p>　　該模板是創(chuàng)建流程圖程序的工具，模板上的每一個(gè)頂層圖標(biāo)都表示一個(gè)子模板。若功能模板不出現(xiàn)，則可以用Windows菜單下的S

91、how Functions Palette功能打開(kāi)它，也可以在流程圖程序窗口的空白處點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵以彈出功能模板，功能模板如圖4-6所示。</p><p>　　圖4-6 LabVIEW的功能模板</p><p>　　4.3 仿真信號(hào)的生成</p><p>　　4.3.1 正弦信號(hào)的生成</p><p>　　(1) 正弦信號(hào)的程序設(shè)計(jì)：&l

92、t;/p><p>　　在前面板中創(chuàng)建控件對(duì)象（數(shù)值輸入控件、波形圖），然后在輸入控件上設(shè)置偏移量、頻率、幅值、初始相位，然后通過(guò)選擇前面板中的“窗口”下拉菜單中的“顯示程序框圖”或點(diǎn)擊框圖窗口中的任何位置，切換到程序框圖，然后在前面板中創(chuàng)建控件對(duì)象（數(shù)值輸入控件、波形圖）后，再在程序框圖函數(shù)控件中找出波形生成控件的正弦信號(hào)，然后鼠標(biāo)點(diǎn)右擊正弦信號(hào)控件創(chuàng)建輸入控件，最后連線(xiàn)如下圖所示為正弦信號(hào)程序設(shè)計(jì)</p>

93、;<p>　　圖4-7 正弦信號(hào)的程序設(shè)計(jì)</p><p>　　(2) 正弦信號(hào)的顯示：</p><p>　　在前面板中的輸入控件中設(shè)置頻率、幅值等數(shù)值點(diǎn)擊程序框圖中的快速運(yùn)行按鈕，則顯示出的正弦波型如下所示：</p><p>　　圖4-8 正弦波信號(hào)的顯示</p><p>　　4.3.2 方波信號(hào)的生成</p>

94、<p>　　(1) 方波信號(hào)的程序設(shè)計(jì)：</p><p>　　在前面板中創(chuàng)建控件對(duì)象（數(shù)值輸入控件、波形圖），然后在輸入控件上設(shè)置偏移量、頻率、幅值、初始相位、占空比，然后通過(guò)選擇前面板中的“窗口”下拉菜單中的“顯示程序框圖”或點(diǎn)擊框圖窗口重的任何位置，切換到程序框圖，然后在前面板中創(chuàng)建控件對(duì)象（數(shù)值輸入控件、波形圖）后，再在程序框圖函數(shù)控件中找出波形生成控件的方波信號(hào)，然后鼠標(biāo)點(diǎn)右擊正弦信號(hào)控件

95、創(chuàng)建輸入控件，最后連線(xiàn)如下圖所示為方波信號(hào)程序設(shè)計(jì)</p><p>　　圖4-9方波信號(hào)的程序設(shè)計(jì)</p><p>　　(2) 方波信號(hào)的顯示：</p><p>　　在前面板中的輸入控件中設(shè)置頻率、幅值、占空比等數(shù)值點(diǎn)擊程序框圖中的快速運(yùn)行按鈕，則顯示出的方波型如下所示：</p><p>　　圖4-10方波信號(hào)的顯示</p>

96、<p>　　4.3.3 三角波信號(hào)的生成</p><p>　　(1) 三角波波信號(hào)的程序設(shè)計(jì)：</p><p>　　在前面板中創(chuàng)建控件對(duì)象（數(shù)值輸入控件、波形圖），然后在輸入控件上設(shè)置偏移量、頻率、幅值、初始相位，然后通過(guò)選擇前面板中的“窗口”下拉菜單中的“顯示程序框圖”或點(diǎn)擊框圖窗口重的任何位置，切換到程序框圖，然后在前面板中創(chuàng)建控件對(duì)象（數(shù)值輸入控件、波形圖）后，再在程序

97、框圖函數(shù)控件中找出波形生成控件的三角波信號(hào)，然后鼠標(biāo)點(diǎn)右擊三角波信號(hào)控件創(chuàng)建輸入控件，最后連線(xiàn)如下圖所示為三角波信號(hào)程序設(shè)計(jì)</p><p>　　圖4-11 三角波波信號(hào)的程序設(shè)計(jì)</p><p>　　(2) 三角波信號(hào)的顯示：</p><p>　　在前面板中的輸入控件中設(shè)置頻率、幅值、等數(shù)值點(diǎn)擊程序框圖中的快速運(yùn)行按鈕，則顯示出的三角波型如下所示：</p&

98、gt;<p>　　圖4-12 三角波的波形顯示</p><p>　　4.3.4 鋸齒波信號(hào)的生成</p><p>　　(1) 鋸齒波波信號(hào)的程序設(shè)計(jì)：</p><p>　　在前面板中創(chuàng)建控件對(duì)象（數(shù)值輸入控件、波形圖），然后在輸入控件上設(shè)置偏移量、頻率、幅值、初始相位，然后通過(guò)選擇前面板中的“窗口”下拉菜單中的“顯示程序框圖”或點(diǎn)擊框圖窗口重的任何

99、位置，切換到程序框圖，然后在前面板中創(chuàng)建控件對(duì)象（數(shù)值輸入控件、波形圖）后，再在程序框圖函數(shù)控件中找出波形生成控件的鋸齒波信號(hào)，然后鼠標(biāo)點(diǎn)右擊鋸齒波信號(hào)控件創(chuàng)建輸入控件，最后連線(xiàn)如下圖所示為鋸齒波信號(hào)程序設(shè)計(jì)</p><p>　　圖4-13 鋸齒波的程序設(shè)計(jì)</p><p>　　(2) 鋸齒波信號(hào)的顯示：</p><p>　　在前面板中的輸入控件中設(shè)置頻率、幅值、

100、等數(shù)值點(diǎn)擊程序框圖中的快速運(yùn)行按鈕，則顯示出的鋸齒波型如下所示：</p><p>　　圖4-14鋸齒波的波形生成</p><p>　　5 系統(tǒng)的仿真波形生成</p><p>　　5.1 仿真實(shí)現(xiàn)的流程圖</p><p>　　圖5-1仿真信號(hào)實(shí)現(xiàn)的流程圖</p><p>　　5.2 仿真波形模塊的設(shè)計(jì)及生成<

101、/p><p>　　5.2.1 數(shù)字波形產(chǎn)生模塊的基本概述 </p><p>　　波形產(chǎn)生模塊是虛擬函數(shù)信號(hào)發(fā)生器軟件的核心。利用該模塊可實(shí)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(guò)調(diào)用sinfx1函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在本次設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)每一正弦波周期由1000點(diǎn)組成，利用類(lèi)似C語(yǔ)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(gè)周期正弦波所需的數(shù)據(jù)，然后利用Whil

102、e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，都是通過(guò)數(shù)學(xué)運(yùn)算來(lái)實(shí)現(xiàn)代表波形的數(shù)字序列。與模擬信號(hào)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(gè)周期內(nèi)選的點(diǎn)數(shù)足夠的多。就可以使誤差降到最低，對(duì)結(jié)果的影響最小。利用軟件產(chǎn)生波形的一個(gè)最大的優(yōu)點(diǎn)是使儀器的成本大大降低， 而且使儀器小型化，智能化。</p><p>　　5.2.2 仿真信號(hào)通

103、道設(shè)置及波形生成的設(shè)計(jì)</p><p><b>　　(1) 面板設(shè)計(jì)</b></p><p>　　在前面板中選擇數(shù)字輸入型控件“頻率”、“相位差”、“幅值”、“占空比”，“頻率”設(shè)置為0~1kv可調(diào)。幅值設(shè)置為0~5v可調(diào)。調(diào)出采樣信息控件將采樣頻率和采樣數(shù)放到一個(gè)簇中，采樣信息和采樣數(shù)進(jìn)行可調(diào)。然后調(diào)出兩個(gè)數(shù)據(jù)輸入控件，分別設(shè)置為“寄存器”、“寄存器2”控件可以進(jìn)

104、行波形的選擇，對(duì)寄存器可以控制1通道的波形生成，寄存器2控制2通道波形的生成。然后調(diào)入一個(gè)波形圖顯示控件，顯示出圖例和標(biāo)簽現(xiàn)實(shí)項(xiàng)。最后對(duì)面板進(jìn)行外觀(guān)美化化設(shè)置。</p><p>　　(2) 程序框圖的設(shè)置</p><p>　　在對(duì)應(yīng)的程序框圖進(jìn)行控件的選擇和連接，調(diào)出一個(gè)while循環(huán)，和一個(gè)case結(jié)構(gòu)，將基本的仿真波形產(chǎn)生模塊、和通道的選擇進(jìn)行連接，能夠?qū)崿F(xiàn)“通道1”</p&g

105、t;<p>　　“通道2”進(jìn)行正弦波、方波、三角波、鋸齒波的任意組合顯示。</p><p>　　圖5-2信號(hào)生成的程序圖</p><p>　　(3) 波形的顯示設(shè)置</p><p>　　通道選擇到“1&2”采樣信息欄的“FS(采樣頻率)”設(shè)置為1k，采樣點(diǎn)數(shù)為1000，寄存器1選“1”對(duì)應(yīng)的三角波信號(hào)。寄存器2選“2”對(duì)應(yīng)方波信號(hào)。掃描頻率為

106、“5”初始相位為“0”，通道1和通道2的幅值分別設(shè)置成一個(gè)數(shù)值比如“4”和“2”,方波的占空比為“50%”，然后同時(shí)點(diǎn)擊通道1的“三角波”和通道2的“方波波”，點(diǎn)擊快速運(yùn)行仿真波形如下圖所示。</p><p>　　圖5-3 前面板的設(shè)置及其波形的顯示</p><p>　　5.2.3 數(shù)據(jù)采集后的波形圖</p><p>　　(1) 對(duì)正弦波和方波的數(shù)據(jù)采集如下圖：

107、</p><p><b>　　圖5-4數(shù)據(jù)采集圖</b></p><p>　　(2) 調(diào)整波形的頻率和幅度后的數(shù)據(jù)采集圖：</p><p>　　圖5-5 調(diào)整參數(shù)后的數(shù)據(jù)采集圖</p><p>　　5.3 系統(tǒng)總程序框圖的設(shè)置及其仿真圖的生成</p><p>　　該主程序主要分為下面三個(gè)模塊。

108、</p><p>　　(1) 信號(hào)的選擇模塊</p><p>　　在程序框圖中選擇八個(gè)數(shù)字輸入控件分別輸入“正弦波”“三角波”“方波”“鋸齒波”以及通道2所對(duì)應(yīng)的數(shù)字，然后在調(diào)出兩個(gè)布爾數(shù)值轉(zhuǎn)換控件，兩個(gè)轉(zhuǎn)換成無(wú)符號(hào)的雙字節(jié)整形控件，兩個(gè)數(shù)據(jù)輸出控件作為兩個(gè)寄存器，兩個(gè)創(chuàng)建數(shù)組控件和若干個(gè)case結(jié)構(gòu)。然后利用case條件結(jié)構(gòu)的分支創(chuàng)建兩個(gè)通道，每個(gè)通道都能實(shí)現(xiàn)四種波形的選擇，分別把數(shù)據(jù)