基于LabVIEW脉冲和过渡过程测量的虚拟仪器

摘要：介绍基于虚拟仪器的脉冲和过渡过程的设计方法。采用LabVIEW可视化的虚拟仪器系统开发平台，把传统仪器的功能模块集成在一台计算机中，用户可以在最基本的硬件支持下，通过修改虚拟仪器的软件改变其功能与规模。
关键词：脉冲和过渡过程；LabVIEW；虚拟仪器(VI)；设计；自动测量

1 引言
    虚拟仪器VI(Visual Instrument)是以计算机强大的软硬件资源作为仪器的支撑，利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件组成，完成各种测试、测量和自动化应用的各种各样的仪器系统。随着计算机网络的发展，虚拟仪器与网络技术的结合为虚拟仪器网络化提供了良好的实现平台。LabVIEW(Laboratory Virtual instrument Engineering)是目前在虚拟仪器中使用较为广泛的罔形化设计语言，它对软件对象“虚拟仪器”进行图形化的组合操作。

2 虚拟仪器介绍
    虚拟仪器是基于计算机的仪器，以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能。常见的虚拟仪器结构框图如图1所示。

    LabVIEW是具有直观界面、便于开发、易于学习且具有多种仪器驱动程序和工具的大型仪器系统开发工具。Lab VIEW基于图形化编程语言G开发环境，采用了工厂人员所熟悉的术语、图标等图形化符号来代替基于文字的常规程序语言，把复杂烦琐、费时的语言编程简化成简单、直观、易学的图形编程。同传统的程序语言相比，可节省约80％的程序开发时间。使用LabVIEW开发平台编制的程序称为虚拟仪器程序，简称为VI。VI包括3部分：前面板(Front Panel)、流程图(BlockDiagram)、图标／接口。前面板用于设置输入数据和观察输出量。由于程序前面板是模拟真实仪表前面板，输入量被称为Controls，输出量被称为Indicators，因此，用户可以使用许多图标(如旋钮、开关、按钮、图表、图形等)，前面板易懂易看。每一个前面板都伴有一个流程图(也叫程序框图)。流程图用图形编程语言编写，理解成传统程序的源代码。图中的部件可看成程序节点(Node)，如循环控制、事件控制和算术功能等。这些部件都用连线连接，以定义其数据流方向。用户利用图标，接口部件把VI程序变成一个对象(VI子程序)，然后在其他VI程序中调用。图标表示在其他程序中被调用的子程序，而接线端口表示图标的输入输出端口，如子程序的参数端口，对应于VI程序前面板的控制量和指示量的数值。

3 脉冲和过渡过程测量虚拟仪器的系统设计
    目前，我国的高档台式仪器(如数字示波器、频谱分析仪等)还主要依赖进口。这些仪器加工工艺复杂，对制造水平要求高，生产突破有困难，而采用虚拟技术后，就可只采购适合于实际应用情况的通用仪器，依赖于虚拟仪器的软件开发平台，设计出高性能价格比的仪器系统。虚拟的脉冲和过渡过程测量仪器可任意调节脉冲参数，满足测量要求；信号的采集和处理都变得更加简单。因此采用LabVIEW开发平台设计脉冲和过渡过程测量虚拟仪器。
    该测量虚拟仪器是建立在已有的数字信号处理理论和LabVIEW强大的虚拟仿真功能基础上，提供一种对脉冲和脉冲过渡过程进行测量的普遍可使用的方案，主要侧重数字信号处理方面的虚拟仪器。根据对测量系统的要求，将所搭建的系统分为：基于LabVIEW的正弦波仿真信号发生器；脉冲信号发生；数字信号处理；数字示波器及测量监控系统。整个虚拟测量系统的结构框图如图2所示。测量时，脉冲信号由脉冲信号发生器供给，通过数字信号处理，最后南数字示波器及测量监控系统显示结果。

3．1 虚拟正弦波仿真信号发生器
    使用基于LabVIEW图形化编程语言开发的虚拟信号发生器，具有编程简单、直观、操作方便等特点；通过调用或修改流程图中不同的功能函数，得到不同的信号，如正弦波、方波、三角波等。
    该正弦波仿真信号发生器可产生正弦信号。其主要指标为：频率范围为0．1～10 000 Hz，可选；初始相位为0～180°，可选；幅值为0．1～5．0 V，可选；生成波形的总点数为N=8～512，可选。
3．1．1 前面板设计
    (1)8个输入型数字控件控件按键供用户生成波形类型选择、正弦波的频率、初始相位、幅值、采样点、采样频率、信号复位、偏移量、占空比。
    (2)一个输出显示型图形控件 显示所产生的正弦波波形。注意：控件参数设置应考虑到采样频率fx，数字频率f，一个周期采样点数n与总采样频率的关系：f=n，故fs的最大值应该是被测信号频率fx最大值的n倍，且N≥n。
    (3)开关控制 所设计的前面板如图3所示。

3．1．2 运行检验
    设置正弦波信号fx=O．2 Hz，初相位为0°，幅值为1．0 V，采样频率10 Hz，复位相位选为TRUE，采样点数为100。生成的正弦波如图3所示。通过在前面板上改变正弦波信号、初相位、幅值等，可以得到不同的正弦波。
3．2 脉冲信号发生器
    瞬间突然变化．作用时间极短的电压或电流称为脉冲信号。脉冲有干扰脉冲和信号脉冲，它可以是周期性重复的，也可以是非周期性的或单次的，分为控制模拟和数字电路。使用脉冲发生子VI发生单个脉冲，也可发生一系列脉冲信号。这个子VI都在函数模板的下级模板中。使用VI时需要设定：脉冲极性，延迟，幅宽(延迟和幅宽之和为脉冲宽度)及占空比。脉冲极性决定了脉冲为高还是低。
    输出单个脉冲．由脉冲极性、延迟和脉冲宽度参数决定。仪器的输入控制端指定具体数据采集板的具体计数器输出单个脉冲。设置了计数器工作的门限模式(具体使用时，给计数器的门输入口接上一外部的门限信号)。时基决定了具体时钟用于延迟和幅宽。如果使用内部时钟，那么数据采集板上的时钟作为延迟和幅宽的计时可达到秒。如使用外部时钟，就要把外部的时基信号连接到计数器的原端口，此时延迟和幅宽的计时是以外部时基的周期数为单位。任务ID输出包含了产生该脉冲所有设置的信息，是标识该任务的标识符。可以把任务ID输出作为中级起始计数VI的输入参数，从而可再产生同样的脉冲。
    输出一系列脉冲由脉冲位置调制、频率、和占空比输入参数决定。驱动、控制器和参考电压输入参数的意义与产生单个脉冲参数的意义相同。输入脉冲个数设定了脉冲序列的长度。把脉冲个数设为零，那么该VI将发生连续的脉冲序列。任务ID输出包含了产生该脉冲序列所有设置的信息，是该任务的标识符。把任务ID或任务ID计数器输出作为中级起始计数VI的输入参数，从而可再产生同样的脉冲序列。
3．3 脉冲测量
    该仪器测量脉冲选用脉冲测量子VI。使用该VI可测量脉冲的周期、占空比和脉冲持续期等测量信息，如图4所示。

    测量脉冲序列的频率。通过对在给定的已知时间内的脉冲串个数计数即可计算出被测信号的频率。给定时间间隔是由连接到脉冲测量VI的百分比水平设置输入控制，如图5所示。测量信号由信号输入端输入，然后与该信号比较。信号通过前面一系列的数字信号处理，信号由信号输入端输入脉冲测量子VI。接到该端口的必须是已知幅宽的脉冲信号，该信号由外部信号源提供。

3．4 过渡过程测量
    过渡过程测量程序前面板如图6所示。过渡过程测试时，其采样率要求每秒8点，即要求采样间隔T=0．125 s，因计算机读取通道计数值及做相关操作还需一定时间，为此可以在保证其测量精度0．2％的前提下(即计数器的计数值N不小于500)，得出通道的测量范围为39 Hz～528．6 kHz。
    对于稳态测试而言，每5 min记录一次数据，为此实际采样率设为每4 s测一点，这样在5 min内可采样75点，然后取其平均值作为一次记录数据。此时，T=4 s，同理可计算出稳态测试时通道的测量范围是39 Hz～16．38 kHz。

4 结语
    虚拟仪器在实际应用中的测量精度比较高，虽然能测出脉冲和过渡过程的一些简单信息，但在分析和测量方面仍存在一些问题。在数值信号的处理部分，LabVIEW可通过采用数字信号处理子模块，及相关的子VI程序实现不同的信号处理功能。系统对信号的采样平滑处理、噪声剔除以及采样数据的标度变换等，对准确测量信号具有重要意义。