基于LabVIEW的虚拟相位差计的研制

随着计算机技术、微电子技术和电子测试技术的迅猛发展，一种全新的测试仪器拟仪器(Virtual Instrument，VI)种新型的、富有生命力的仪器种类。首先提出了虚拟仪器的概念。这一概硬件支撑，充分应用计算机独具的运算、存储、回访、调用、显示以及文件管理等智能式功能，把传统仪器的专业功能软件化，使之与计算机融于一体，这样便构成了一台从外观到功能都能与传统仪器相同，同时又充分享用了计算机智能资源的全新仪器 虚拟仪器的主要功能由数据采集、数据测试和分析、结果输出显示三大部分组成。其中数据分析和结果输出完全可由基于计算机的软件系统来完成，因此只要另外提供一定的数据采集硬件，就可构成由计算机组成的测量仪器。

　　一、图形化软件开发平台LabVIEW

　　LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering workbench)是一个图形化程序 开发环境，主要用于数据采集、数据分析、测试和仪器控制等领域。它与传统编程语言有着 诸多相似之处，如相似的数据类型、数据流控制结构、程序调试工具，以及层次化、模块化 的编程特点等。但二者最大的区别在于：传统编程语言用文本语言编程；而LabVIEW使用图 形语言(即各种图标、图形符号、连线等)，以框图的形式编写程序。[2]

　　一个LabVIEW程序包括三个主要部分：前面板、框图程序、图标路线端口。前面板是 LabVIEW程序的交互式图形化用户界面，用于设置用户输入和显示程序输出，目的是仿真真 实仪器的前面板。框图程序则是利用图形语言对前面板上的控制量和指示量进行控制。图标 路线端口用于把LabVIEW程序定义成一个子程序，以便在其它程序中加以调用，这使LabVIEW 得以实现层次化、模块化编程。[3]

　　二、虚拟相位差计的设计

　　1、系统组成与功能

　　本虚拟仪器采用美国 NI 公司的Lab-PC-1200 型数据采集卡，将其直接插入到计算机相 应标准的总线扩展插槽内构成PC-DAQ(Data Acquisition)插卡式虚拟仪器。主要测量两个 同频正弦信号的幅值、频率、相位差等。系统组成框图如图1 所示：
 

　　2、面板设计

　　软面板程序为用户提供一个友好的图形化界面，面板中的所有对象基本上可分为控制量 和显示量，控制量用来模拟传统仪器上的开关和旋钮；显示量用于显示测量和处理的结果。

　　LabVIEW 提供了非常丰富的界面控件对象，可以快捷地设计出生动、直观、操作方便的用户 界面。本文设计的虚拟相位差计软面板如图2 所示。
 

　　该软面板左边为实时波形显示，可显示从0 通道和1 通道实时采样的两个波形；右边为 李沙育图形，下面是波形调整、波形选择和频率、幅值、相位、相位差的测量结果。另外， 在运行该虚拟仪器时会弹出一个存储窗口，可把程序运行结束之前所有的历史测量记录保存 在所指定的文件中，以备观察分析和做进一步的处理。

　　3、程序框图结构设计

　　虚拟相位差计的框图程序如图 3 所示，它采用的是图形化编程语言，非常直观。该框图 包含了波形采集、波形显示和调整、波形测量、数据存储四部分。
 

　　（1）波形采集：本虚拟仪器采用的是美国NI 公司的 Lab-PC-1200 型数据采集卡，最高 采样频率为100KHz,输入信号范围为-5V~+5V，设置了1，0 两个采样通道。该部分由AIConfig、AI Start、AI Read、AI Single Scan 和AI Clear 组成。其中用了Max&Min 与一个移 位寄存器控制对采样数据的读取速度。

　　（2）波形显示和调整：首先将数据采集子程序采集到的两个模拟输入信号（二维数组） 按采集通道的不同用Index Array 函数分成两个一维数组，再将它们分别用Bundle 函数组成 起点x0 = 0，时间间隔Δx = 0.001的簇，最后用Build Array函数将两个簇组成簇数组送入 波形图可观察到两列实时波形。若直接将两个一维数组用Bundle 函数组成簇送入波形图可 观察两列正弦波的李沙育图形。框图中的三个Case 结构的作用是控制软面板上幅基调节、 时基调节、波形选择，通过鼠标调节这些旋钮和垂直指针滑动条可调整实时波形在屏幕上的 显示效果。

　　（3）波形测量：主要测量两列正弦波的频率、振幅和相差，其中着重研究了相差的测量 方法。本文采用的是谱分析法测相位，其原理是通过Amplitude and Phase Spectrum 子程序 求取两个正弦信号的频域特性，取两信号相频特性曲线中对应于信号各频率分量的相位值， 再根据采样信号的周期数用Index Array 函数确定两个信号主频分量的相位，将其相减即得 相位差[4]。框图程序如图4 所示。
 

　　（4）数据存储：数据存储部分由Open/Creat/Replace File、Write File 、Close File 和Simple Error Handler 组成，另外采用了Format into String 功能定义了数据存储的格式，并用Get Data/Time String 功能返回每次测量的时间。框图程序如图5 所示。

　　4、测量结果讨论

　　利用“移相桥”电路进行测试，在某一状态下得到测量结果如下，与各参数的理论值相 比较略有误差。其原因在于一方面数据在采集、传送和转换过程中不可避免的会产生各种噪 声和干扰，外界的干扰也会侵入到系统中来，因此在数据的处理过程中，数字化测量将会造 成一定的误差；另一方面信号的频率应该是确定的，但实际中会存在频率偏差，这也是引起 相差测量不准的原因。另外，器件所标参数值与实际值之间也存在误差，但不断改良测量算 法和采用性能更加优良的数据采集卡会取得更好的测量效果。
 

　　三．结束

　　目前，美国的NI 公司和HP 公司在虚拟仪器的研究方面处于领先地位，能购买其虚拟 仪器产品必将有助于我们的科研和教学工作，但价格十分昂贵。因此，根据自己的需要自行 研究和开发虚拟仪器也是可行的。本文介绍的虚拟相位差计结合了示波器和相位差计的基本 功能，使用灵活方便，有效改善了本院电工实验教学条件。相信随着计算机技术和测控技术 的不断发展，虚拟仪器将成为未来教学科研的重要方法和手段，将逐渐取代传统仪器成为测 试仪器的主流。