摘要：介紹基于虛擬儀器的脈沖和過渡過程的設計方法。采用LabVIEW可視化的虛擬儀器系統(tǒng)開發(fā)平臺，把傳統(tǒng)儀器的功能模塊集成在一臺計算機中，用戶可以在最基本的硬件支持下，通過修改虛擬儀器的軟件改變其功能與規(guī)模。
關鍵詞：脈沖和過渡過程；LabVIEW；虛擬儀器(VI)；設計；自動測量
1 引言
虛擬儀器VI(Visual Instrument)是以計算機強大的軟硬件資源作為儀器的支撐，利用高性能的模塊化硬件，結合高效靈活的軟件組成，完成各種測試、測量和自動化應用的各種各樣的儀器系統(tǒng)。隨著計算機網絡的發(fā)展，虛擬儀器與網絡技術的結合為虛擬儀器網絡化提供了良好的實現(xiàn)平臺。LabVIEW(Laboratory Virtual instrument Engineering)是目前在虛擬儀器中使用較為廣泛的罔形化設計語言，它對軟件對象“虛擬儀器”進行圖形化的組合操作。
2 虛擬儀器介紹
虛擬儀器是基于計算機的儀器，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。常見的虛擬儀器結構框圖如圖1所示。
LabVIEW是具有直觀界面、便于開發(fā)、易于學習且具有多種儀器驅動程序和工具的大型儀器系統(tǒng)開發(fā)工具。Lab VIEW基于圖形化編程語言G開發(fā)環(huán)境，采用了工廠人員所熟悉的術語、圖標等圖形化符號來代替基于文字的常規(guī)程序語言，把復雜煩瑣、費時的語言編程簡化成簡單、直觀、易學的圖形編程。同傳統(tǒng)的程序語言相比，可節(jié)省約80％的程序開發(fā)時間。使用LabVIEW開發(fā)平臺編制的程序稱為虛擬儀器程序，簡稱為VI。VI包括3部分：前面板(Front Panel)、流程圖(BlockDiagram)、圖標／接口。前面板用于設置輸入數(shù)據(jù)和觀察輸出量。由于程序前面板是模擬真實儀表前面板，輸入量被稱為Controls，輸出量被稱為Indicators，因此，用戶可以使用許多圖標(如旋鈕、開關、按鈕、圖表、圖形等)，前面板易懂易看。每一個前面板都伴有一個流程圖(也叫程序框圖)。流程圖用圖形編程語言編寫，理解成傳統(tǒng)程序的源代碼。圖中的部件可看成程序節(jié)點(Node)，如循環(huán)控制、事件控制和算術功能等。這些部件都用連線連接，以定義其數(shù)據(jù)流方向。用戶利用圖標，接口部件把VI程序變成一個對象(VI子程序)，然后在其他VI程序中調用。圖標表示在其他程序中被調用的子程序，而接線端口表示圖標的輸入輸出端口，如子程序的參數(shù)端口，對應于VI程序前面板的控制量和指示量的數(shù)值。
3 脈沖和過渡過程測量虛擬儀器的系統(tǒng)設計
目前，我國的高檔臺式儀器(如數(shù)字示波器、頻譜分析儀等)還主要依賴進口。這些儀器加工工藝復雜，對制造水平要求高，生產突破有困難，而采用虛擬技術后，就可只采購適合于實際應用情況的通用儀器，依賴于虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺，設計出高性能價格比的儀器系統(tǒng)。虛擬的脈沖和過渡過程測量儀器可任意調節(jié)脈沖參數(shù)，滿足測量要求；信號的采集和處理都變得更加簡單。因此采用LabVIEW開發(fā)平臺設計脈沖和過渡過程測量虛擬儀器。
該測量虛擬儀器是建立在已有的數(shù)字信號處理理論和LabVIEW強大的虛擬仿真功能基礎上，提供一種對脈沖和脈沖過渡過程進行測量的普遍可使用的方案，主要側重數(shù)字信號處理方面的虛擬儀器。根據(jù)對測量系統(tǒng)的要求，將所搭建的系統(tǒng)分為：基于LabVIEW的正弦波仿真信號發(fā)生器；脈沖信號發(fā)生；數(shù)字信號處理；數(shù)字示波器及測量監(jiān)控系統(tǒng)。整個虛擬測量系統(tǒng)的結構框圖如圖2所示。測量時，脈沖信號由脈沖信號發(fā)生器供給，通過數(shù)字信號處理，最后南數(shù)字示波器及測量監(jiān)控系統(tǒng)顯示結果。
3．1 虛擬正弦波仿真信號發(fā)生器
使用基于LabVIEW圖形化編程語言開發(fā)的虛擬信號發(fā)生器，具有編程簡單、直觀、操作方便等特點；通過調用或修改流程圖中不同的功能函數(shù)，得到不同的信號，如正弦波、方波、三角波等。
該正弦波仿真信號發(fā)生器可產生正弦信號。其主要指標為：頻率范圍為0．1～10 000 Hz，可選；初始相位為0～180°，可選；幅值為0．1～5．0 V，可選；生成波形的總點數(shù)為N=8～512，可選。
3．1．1 前面板設計
(1)8個輸入型數(shù)字控件控件按鍵供用戶生成波形類型選擇、正弦波的頻率、初始相位、幅值、采樣點、采樣頻率、信號復位、偏移量、占空比。
(2)一個輸出顯示型圖形控件 顯示所產生的正弦波波形。注意：控件參數(shù)設置應考慮到采樣頻率fx，數(shù)字頻率f，一個周期采樣點數(shù)n與總采樣頻率的關系：f=n，故fs的最大值應該是被測信號頻率fx最大值的n倍，且N≥n。
(3)開關控制 所設計的前面板如圖3所示。
3．1．2 運行檢驗
設置正弦波信號fx=O．2 Hz，初相位為0°，幅值為1．0 V，采樣頻率10 Hz，復位相位選為TRUE，采樣點數(shù)為100。生成的正弦波如圖3所示。通過在前面板上改變正弦波信號、初相位、幅值等，可以得到不同的正弦波。
3．2 脈沖信號發(fā)生器
瞬間突然變化．作用時間極短的電壓或電流稱為脈沖信號。脈沖有干擾脈沖和信號脈沖，它可以是周期性重復的，也可以是非周期性的或單次的，分為控制模擬和數(shù)字電路。使用脈沖發(fā)生子VI發(fā)生單個脈沖，也可發(fā)生一系列脈沖信號。這個子VI都在函數(shù)模板的下級模板中。使用VI時需要設定：脈沖極性，延遲，幅寬(延遲和幅寬之和為脈沖寬度)及占空比。脈沖極性決定了脈沖為高還是低。
輸出單個脈沖．由脈沖極性、延遲和脈沖寬度參數(shù)決定。儀器的輸入控制端指定具體數(shù)據(jù)采集板的具體計數(shù)器輸出單個脈沖。設置了計數(shù)器工作的門限模式(具體使用時，給計數(shù)器的門輸入口接上一外部的門限信號)。時基決定了具體時鐘用于延遲和幅寬。如果使用內部時鐘，那么數(shù)據(jù)采集板上的時鐘作為延遲和幅寬的計時可達到秒。如使用外部時鐘，就要把外部的時基信號連接到計數(shù)器的原端口，此時延遲和幅寬的計時是以外部時基的周期數(shù)為單位。任務ID輸出包含了產生該脈沖所有設置的信息，是標識該任務的標識符?？梢园讶蝿誌D輸出作為中級起始計數(shù)VI的輸入?yún)?shù)，從而可再產生同樣的脈沖。
輸出一系列脈沖由脈沖位置調制、頻率、和占空比輸入?yún)?shù)決定。驅動、控制器和參考電壓輸入?yún)?shù)的意義與產生單個脈沖參數(shù)的意義相同。輸入脈沖個數(shù)設定了脈沖序列的長度。把脈沖個數(shù)設為零，那么該VI將發(fā)生連續(xù)的脈沖序列。任務ID輸出包含了產生該脈沖序列所有設置的信息，是該任務的標識符。把任務ID或任務ID計數(shù)器輸出作為中級起始計數(shù)VI的輸入?yún)?shù)，從而可再產生同樣的脈沖序列。
3．3 脈沖測量
該儀器測量脈沖選用脈沖測量子VI。使用該VI可測量脈沖的周期、占空比和脈沖持續(xù)期等測量信息，如圖4所示。
測量脈沖序列的頻率。通過對在給定的已知時間內的脈沖串個數(shù)計數(shù)即可計算出被測信號的頻率。給定時間間隔是由連接到脈沖測量VI的百分比水平設置輸入控制，如圖5所示。測量信號由信號輸入端輸入，然后與該信號比較。信號通過前面一系列的數(shù)字信號處理，信號由信號輸入端輸入脈沖測量子VI。接到該端口的必須是已知幅寬的脈沖信號，該信號由外部信號源提供。
3．4 過渡過程測量
過渡過程測量程序前面板如圖6所示。過渡過程測試時，其采樣率要求每秒8點，即要求采樣間隔T=0．125 s，因計算機讀取通道計數(shù)值及做相關操作還需一定時間，為此可以在保證其測量精度0．2％的前提下(即計數(shù)器的計數(shù)值N不小于500)，得出通道的測量范圍為39 Hz～528．6 kHz。
對于穩(wěn)態(tài)測試而言，每5 min記錄一次數(shù)據(jù)，為此實際采樣率設為每4 s測一點，這樣在5 min內可采樣75點，然后取其平均值作為一次記錄數(shù)據(jù)。此時，T=4 s，同理可計算出穩(wěn)態(tài)測試時通道的測量范圍是39 Hz～16．38 kHz。
4 結語
虛擬儀器在實際應用中的測量精度比較高，雖然能測出脈沖和過渡過程的一些簡單信息，但在分析和測量方面仍存在一些問題。在數(shù)值信號的處理部分，LabVIEW可通過采用數(shù)字信號處理子模塊，及相關的子VI程序實現(xiàn)不同的信號處理功能。系統(tǒng)對信號的采樣平滑處理、噪聲剔除以及采樣數(shù)據(jù)的標度變換等，對準確測量信號具有重要意義。
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