基于LabVIEW平台的脉冲和过渡过程测量的虚拟仪器

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。