虚拟信号发生器的设计

虚拟信号发生器的设计（巢湖学院物理与电子科学系王乐07037022）摘要:虚拟仪器是由一些必要的硬件获取调理信号，并以通用计算机为平台，实现不同测量软件对采集获得信号进行分析处理及显示。它改变了传统电子测量仪器的概念和模式，用户完全可以自己定义仪器的功能和参数，即“软件既是仪器”。计算机技术与网络技术的飞速发展，使得虚拟仪器已经成为现代电子测量仪器发展的趋势。本文介绍了一种以LabVIEW为开发平台，能够产生正弦波、三角波、方波、锯齿波和任意波测试信号发生器，其平率、幅值、相位、电压偏置等参数可以设置，不但输出波形参数可调、而且可同步显示。本系统通过采用TCP/IP技术来实现远程数据传输功能，当两台计算机设置好端口后，就可以进行数据传输。与传统仪器相比，本系统具有高效、开放、使用灵活、功能强大、性价比高、可操作性好等明显优点，可用于医疗，工程等精密仪器的测试，具有较强的实用性和开发价值。关键词:虚拟仪器，Labview，函数信号发生器，网络通信。ThedesignofvirtualsignalgeneratorandremotereslizationAbstract:Thevirtualinstrumentwhichconditioningsignalsisgainedbysomeessentialhardware.Ittakesthegeneral-purposecomputerasaplatformandthesignalisrealizedthroughthedifferentmeasurementsoftware,suchassignal’sanalyze,processanddisplayetc.Theconceptandmodeoftraditionalmeasuringinstrumentsarechanged,theparametersandfunctionscanbetransformedbytheuser,namely,softwareistheinstrument.Withtherapiddevelopmentofcomputerandnetworktechnology,thevirtualinstrumenthasbecomeadevelopingtrendofmodernelectronicmeasuringinstruments.InthispaperdevelopmentplatformLabVIEWisintroducedfirstly,thenthetestsignalsofSine,triangle,squaresawtoothandarbitrarywaveformisdescribedinthevirtualsignalgenerator.Thefunctionsofsignalgeneratorareset,suchasfrequency,amplitude,phase,voltagebiasetc.Notonlyoutputparameterscanbeadjustedbutalsothecorrespondingwaveisacquiredsimultaneouslyinthissystem.ThefunctionofremotedatatransmissionisperformedbyTCP/IPtechnology.Dataistransportedwhentheportparametersbetweentwocomputersareset.Comparedwithtraditionalmachines,advantagesofthevirtualinstrumentareshowedinefficiency,opening,easyusing,strongfunction,cost-effectiveandoperationetc.Itcanbeusedfortestingofmedicalandengineeringprecisioninstruments.Keywords：Virtualinstrument，LabVIEW，Functiongenerator，NetworkCommunication第1章绪论在有关电参量的测量中，我们需要用到信号源，而信号发生器则为我们提供了在测量中所需的信号源，它可以产生不同频率的正弦信号、方波、三角波、锯齿波、正负脉冲信号、调幅信号、调频信号和随机信号等，其输出信号的幅值也可以按需要进行调节。传统信号发生器种类繁多，价格昂贵，而且仪器功能固定单一，不具备用户对仪器进行定义及编程的功能，一个传统实验室很难同时拥有多类信号发生器，然而，基于虚拟仪器技术的实验室则能够实现这一要求。随着计算机技术的迅猛发展，虚拟仪器技术在数据采集、自动测试和仪器控制领域得到了广泛的应用，促进和推动测试系统和仪器控制的设计方法与实现技术发生了深刻的变化。“软件即是仪器”已成为测试与测量技术发展的重要标志。虚拟信号发生器就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的LabVIEW软件来完成各种测试、测量和自动化应用。本文主要是介绍了基于LabVIEW的虚拟信号发生器的研究背景和发展动态。1.1研究背景及动态随着计算机、通信、微电子技术的日益完善，以及以Internet为代表的计算机网络时代的到来和信息化要求的不断提高，传统的通信方式突破了时空限制和地域限制，大范围通信变得越来越容易，对测控系统的组建也产生了越来越大的影响。一个大的复杂测试系统的输入、输出、结果分析往往分布在不同的地理位置，仅用一台计算机并不能胜任测试任务，需要由分布在不同地理位置的若干计算机共同完成整个测试任务。集成测试越来越不能满足复杂测试任务的需要，因此，“网络化仪器”的出现成为必然。网络技术应用到虚拟信号发生器中是虚拟仪器发展的大趋势。同传统的编程语言相比，采用LabVIEW图形化编程方式可以节省大约80%的程序开发时间，并且其运行速度几乎不受影响，其一般特征是将虚拟信号发生器、外部设备、被测点以及数据库等资源纳入网络，实现资源共享，共同完成测试任务。使用网络化虚拟信号发生器，可在任何地点、任意时刻获取测量数据。和以PC为核心的虚拟信号发生器相比，网络化将虚拟仪器的发展产生一次革命，网络化虚拟仪器将把单台虚拟仪器实现的三大功能（数据采集、数据分析、及图形化显示）分开处理，分别使用独立的基本硬件模块实现传统仪器的三大功能，以网线相连接，实现信息资源的共享。“网络就是仪器”概念的确立，使人们明确了今后仪器仪表的研发战略，促进并加速了现代测量技术手段的发展与更新。1.2Labview虚拟仪器LabVIEW(LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench，实验室虚拟仪器集成环境)是一种图形化的编程语言，简称G语言，它是由美国NI公司推出的虚拟仪器开发平台应用LabVIEW开发平台编制的程序称为虚拟仪器，其核心概念就是“软件即是仪器”LabVIEW提供了测控仪器图形化编程环境，在这个环境中提供了一种像数据流一样的编程模式，用户只需连接各个逻辑框即可构成程序。它集成了与满足GPIB、VXI、RS．232和RS．485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能，同时，它还内置了便于应用TCP／IP、ActiveX等软件标准的库函数，利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器。本文介绍一种自行开发的基于LabVIEW的虚拟函数信号发生器，该仪器界面设计友好，功能强大，操作方便自从1986年美国NI(NationalInstrument)公司提出虚拟仪器的概念以来，随着计算机技术和测量技术的发展，虚拟仪器技术也得到很快的发展。虚拟仪器是指：利用现有的PC机。加上特殊设计的仪器硬件和专用软件。形成既有普通仪器的基本功能，又有一般仪器所没有的特殊功能的新型仪器。与传统的仪器相比其特点主要有：具有更好的测量精度和可重复性：测量速度快；系统组建时间短；由用户定义仪器功能；可扩展性强；技术更新快等。虚拟仪器以软件为核心，其软件又以美国NI公司的Labview虚拟仪器软件开发平台最为常用。Labview是一种图形化的编程语言，主要用来开发数据采集，仪器控制及数据处理分析等软件，功能强大。目前，该开发软件在国际测试、测控行业比较流行，在国内的测控领域也得到广泛应用。函数信号发生器是在科学研究和工程设计中广泛应用的一种通用仪器。下面结合一个虚拟函数信号发生器设计开发具体介绍基于图形化编程语言Labview的虚拟仪器编程方法与实现技术。第2章虚拟信号发生器的结构与组成3．1虚拟函数信号发生器的前面板本虚拟信号发生器主要由一块PCI总线的多功能数据采集卡和相应的软件组成。将它们安装在一台运行Windowsxp的PC机上。即构成一台功能强大的函数信号发生器。本虚拟信号发生器的设计参考了SG1645功率函数信号发生器。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，方波占空比节，输出波形幅度控制按钮。频率微调范围：O．1—1Hz；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。图3-1函数信号发生器的前面板3．2虚拟函数信号发生器的硬件构成本虚拟信号发生器的输入输出的硬件部分为一数据采集卡和具有一定配置要求的PC机，数据的输入输出靠对数据采集卡输出输入口的定义来实现。本设计采用的PCI一1200数据采集卡是一块性价比较好的产品，具备数／模转换的功能。能将产生的数字信号转换成模拟信号且数模转换精度高，而且还具备滤波功能，从而使输出波形光滑。它支持单极和双极性模拟信号输入，信号输入范围分别为一5一+5V和0—10V。提供l6路单端，8路差动模拟输入通道、2路独立的DA输出通道、24线的TTL型数字Ⅳ0、3个l6位的定时计数器等多种功能。硬件接口部分用于数据输入或输出时的通道设置。硬件接口部分程序框图如图3-2所示：图3-2硬件接口程序图Device用于指定所用的设备号．该设备号通过MeasurmentandAutomationExptorer工具配置。WaveformLength用于设定数据采集卡的缓冲区的大小。Channel用于指定使用的设备的通道号(一般的数据采集卡具备多个输人输出通道)。3．3仪器功能描述本仪器功能主要包括四类函数信号一正弦波、方波、三角波、锯齿波的输出，频率的倍乘与微调相结合，以及实现输出波形的直流偏置、电压幅度的控制等功能。具体指标如如表1所示表1函数信号发生器性能指标输出波形四种波形正弦波、方波、三角波、锯齿波任意选择输出频率范围0.1～1KHZ直流偏置-10V～10V方波占空比0～100%输出波形幅度0～10V3．4虚拟函数信号发生软件部分采用专业的LabVIEW6i图形化虚拟仪器开发工具。虚拟函数信号发生器主要由软件完成输出波形信号的产生和输出信号频率的显示。输出波形频率的变化的具体实现是将波形数据写入数据采集卡的缓冲区当中．通过设置缓冲区的更新频率(改变内部的时钟频率)来实现输出数据频率的变化。该过程主要运用了Labview中的数据采集子模块中的AOSTART功能模块从实现功能的角度来说．本次设计的虚拟函数信号发生器的功能结构主要包括两大功能模块：波形产生模块(FG模块)和频率单位变化控制(DISPLAY)模块。波形产生模块又调用FGEN模块。FGEN模块为数字波形产生模块。3．5数字波形产生模块波形产生模块是虚拟函数信号发生器软件的核心。利用该模块可实现正弦波、方波、锯齿波、三角波等波形。正弦波的产生原理是通过调用sinfx1函数来实现。在本次设计，设计每一正弦波周期由1000点组成，利用类似C语言中的For循环为x赋值，这样执行一次For循环，便可以产生生成一个