關(guān)鍵字:脈沖和過(guò)渡過(guò)程;LabVIEW,;虛擬儀器(VI);設(shè)計(jì),;自動(dòng)測(cè)量
虛擬儀器VI(Visual Instrument)是以計(jì)算機(jī)強(qiáng)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(jié)合高效靈活的軟件組成,,完成各種測(cè)試,、測(cè)量和自動(dòng)化應(yīng)用的各種各樣的儀器系統(tǒng)。隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展,,虛擬儀器與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的結(jié)合為虛擬儀器網(wǎng)絡(luò)化提供了良好的實(shí)現(xiàn)平臺(tái),。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(shè)計(jì)語(yǔ)言,它對(duì)軟件對(duì)象“虛擬儀器”進(jìn)行圖形化的組合操作,。
2 虛擬儀器介紹
虛擬儀器是基于計(jì)算機(jī)的儀器,,以通用的計(jì)算機(jī)硬件及操作系統(tǒng)為依托,實(shí)現(xiàn)各種儀器功能,。常見(jiàn)的虛擬儀器結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,。
LabVIEW是具有直觀界面、便于開(kāi)發(fā),、易于學(xué)習(xí)且具有多種儀器驅(qū)動(dòng)程序和工具的大型儀器系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具,。Lab VIEW基于圖形化編程語(yǔ)言G開(kāi)發(fā)環(huán)境,采用了工廠(chǎng)人員所熟悉的術(shù)語(yǔ),、圖標(biāo)等圖形化符號(hào)來(lái)代替基于文字的常規(guī)程序語(yǔ)言,,把復(fù)雜煩瑣、費(fèi)時(shí)的語(yǔ)言編程簡(jiǎn)化成簡(jiǎn)單,、直觀,、易學(xué)的圖形編程。同傳統(tǒng)的程序語(yǔ)言相比,,可節(jié)省約80%的程序開(kāi)發(fā)時(shí)間,。使用LabVIEW開(kāi)發(fā)平臺(tái)編制的程序稱(chēng)為虛擬儀器程序,簡(jiǎn)稱(chēng)為VI,。VI包括3部分:前面板(Front Panel),、流程圖(BlockDiagram)、圖標(biāo)/接口,。前面板用于設(shè)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(shí)儀表前面板,,輸入量被稱(chēng)為Controls,輸出量被稱(chēng)為Indicators,,因此,,用戶(hù)可以使用許多圖標(biāo)(如旋鈕、開(kāi)關(guān),、按鈕,、圖表、圖形等),,前面板易懂易看,。每一個(gè)前面板都伴有一個(gè)流程圖(也叫程序框圖)。流程圖用圖形編程語(yǔ)言編寫(xiě),,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(diǎn)(Node),如循環(huán)控制,、事件控制和算術(shù)功能等。這些部件都用連線(xiàn)連接,,以定義其數(shù)據(jù)流方向,。用戶(hù)利用圖標(biāo),接口部件把VI程序變成一個(gè)對(duì)象(VI子程序),,然后在其他VI程序中調(diào)用,。圖標(biāo)表示在其他程序中被調(diào)用的子程序,而接線(xiàn)端口表示圖標(biāo)的輸入輸出端口,,如子程序的參數(shù)端口,,對(duì)應(yīng)于VI程序前面板的控制量和指示量的數(shù)值。
3 脈沖和過(guò)渡過(guò)程測(cè)量虛擬儀器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)
目前,,我國(guó)的高檔臺(tái)式儀器(如數(shù)字示波器,、頻譜分析儀等)還主要依賴(lài)進(jìn)口。這些儀器加工工藝復(fù)雜,,對(duì)制造水平要求高,,生產(chǎn)突破有困難,而采用虛擬技術(shù)后,,就可只采購(gòu)適合于實(shí)際應(yīng)用情況的通用儀器,,依賴(lài)于虛擬儀器的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái),設(shè)計(jì)出高性能價(jià)格比的儀器系統(tǒng),。虛擬的脈沖和過(guò)渡過(guò)程測(cè)量?jī)x器可任意調(diào)節(jié)脈沖參數(shù),,滿(mǎn)足測(cè)量要求;信號(hào)的采集和處理都變得更加簡(jiǎn)單,。因此采用LabVIEW開(kāi)發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)脈沖和過(guò)渡過(guò)程測(cè)量虛擬儀器,。
該測(cè)量虛擬儀器是建立在已有的數(shù)字信號(hào)處理理論和LabVIEW強(qiáng)大的虛擬仿真功能基礎(chǔ)上,,提供一種對(duì)脈沖和脈沖過(guò)渡過(guò)程進(jìn)行測(cè)量的普遍可使用的方案,主要側(cè)重?cái)?shù)字信號(hào)處理方面的虛擬儀器,。根據(jù)對(duì)測(cè)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(hào)發(fā)生器;脈沖信號(hào)發(fā)生,;數(shù)字信號(hào)處理,;數(shù)字示波器及測(cè)量監(jiān)控系統(tǒng)。整個(gè)虛擬測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示,。測(cè)量時(shí),,脈沖信號(hào)由脈沖信號(hào)發(fā)生器供給,通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理,,最后南數(shù)字示波器及測(cè)量監(jiān)控系統(tǒng)顯示結(jié)果,。
3.1 虛擬正弦波仿真信號(hào)發(fā)生器
使用基于LabVIEW圖形化編程語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的虛擬信號(hào)發(fā)生器,具有編程簡(jiǎn)單,、直觀,、操作方便等特點(diǎn);通過(guò)調(diào)用或修改流程圖中不同的功能函數(shù),,得到不同的信號(hào),,如正弦波、方波,、三角波等,。
該正弦波仿真信號(hào)發(fā)生器可產(chǎn)生正弦信號(hào)。其主要指標(biāo)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(diǎn)數(shù)為N=8~512,,可選,。
3.1.1 前面板設(shè)計(jì)
(1)8個(gè)輸入型數(shù)字控件控件按鍵供用戶(hù)生成波形類(lèi)型選擇、正弦波的頻率,、初始相位,、幅值、采樣點(diǎn),、采樣頻率,、信號(hào)復(fù)位、偏移量、占空比,。
(2)一個(gè)輸出顯示型圖形控件 顯示所產(chǎn)生的正弦波波形,。注意:控件參數(shù)設(shè)置應(yīng)考慮到采樣頻率fx,數(shù)字頻率f,,一個(gè)周期采樣點(diǎn)數(shù)n與總采樣頻率的關(guān)系:f=n,,故fs的最大值應(yīng)該是被測(cè)信號(hào)頻率fx最大值的n倍,且N≥n,。
(3)開(kāi)關(guān)控制 所設(shè)計(jì)的前面板如圖3所示,。
3.1.2 運(yùn)行檢驗(yàn)
設(shè)置正弦波信號(hào)fx=O.2 Hz,初相位為0°,,幅值為1.0 V,,采樣頻率10 Hz,復(fù)位相位選為T(mén)RUE,,采樣點(diǎn)數(shù)為100,。生成的正弦波如圖3所示。通過(guò)在前面板上改變正弦波信號(hào),、初相位,、幅值等,可以得到不同的正弦波,。
3.2 脈沖信號(hào)發(fā)生器
瞬間突然變化.作用時(shí)間極短的電壓或電流稱(chēng)為脈沖信號(hào),。脈沖有干擾脈沖和信號(hào)脈沖,它可以是周期性重復(fù)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(gè)脈沖,,也可發(fā)生一系列脈沖信號(hào)。這個(gè)子VI都在函數(shù)模板的下級(jí)模板中,。使用VI時(shí)需要設(shè)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(gè)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(jì)數(shù)器輸出單個(gè)脈沖,。設(shè)置了計(jì)數(shù)器工作的門(mén)限模式(具體使用時(shí),給計(jì)數(shù)器的門(mén)輸入口接上一外部的門(mén)限信號(hào)),。時(shí)基決定了具體時(shí)鐘用于延遲和幅寬,。如果使用內(nèi)部時(shí)鐘,那么數(shù)據(jù)采集板上的時(shí)鐘作為延遲和幅寬的計(jì)時(shí)可達(dá)到秒。如使用外部時(shí)鐘,,就要把外部的時(shí)基信號(hào)連接到計(jì)數(shù)器的原端口,,此時(shí)延遲和幅寬的計(jì)時(shí)是以外部時(shí)基的周期數(shù)為單位。任務(wù)ID輸出包含了產(chǎn)生該脈沖所有設(shè)置的信息,,是標(biāo)識(shí)該任務(wù)的標(biāo)識(shí)符,。可以把任務(wù)ID輸出作為中級(jí)起始計(jì)數(shù)VI的輸入?yún)?shù),,從而可再產(chǎn)生同樣的脈沖,。
輸出一系列脈沖由脈沖位置調(diào)制、頻率,、和占空比輸入?yún)?shù)決定,。驅(qū)動(dòng)、控制器和參考電壓輸入?yún)?shù)的意義與產(chǎn)生單個(gè)脈沖參數(shù)的意義相同,。輸入脈沖個(gè)數(shù)設(shè)定了脈沖序列的長(zhǎng)度,。把脈沖個(gè)數(shù)設(shè)為零,那么該VI將發(fā)生連續(xù)的脈沖序列,。任務(wù)ID輸出包含了產(chǎn)生該脈沖序列所有設(shè)置的信息,,是該任務(wù)的標(biāo)識(shí)符。把任務(wù)ID或任務(wù)ID計(jì)數(shù)器輸出作為中級(jí)起始計(jì)數(shù)VI的輸入?yún)?shù),,從而可再產(chǎn)生同樣的脈沖序列,。
3.3 脈沖測(cè)量
該儀器測(cè)量脈沖選用脈沖測(cè)量子VI。使用該VI可測(cè)量脈沖的周期,、占空比和脈沖持續(xù)期等測(cè)量信息,,如圖4所示。
測(cè)量脈沖序列的頻率,。通過(guò)對(duì)在給定的已知時(shí)間內(nèi)的脈沖串個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)即可計(jì)算出被測(cè)信號(hào)的頻率,。給定時(shí)間間隔是由連接到脈沖測(cè)量VI的百分比水平設(shè)置輸入控制,如圖5所示,。測(cè)量信號(hào)由信號(hào)輸入端輸入,,然后與該信號(hào)比較。信號(hào)通過(guò)前面一系列的數(shù)字信號(hào)處理,,信號(hào)由信號(hào)輸入端輸入脈沖測(cè)量子VI,。接到該端口的必須是已知幅寬的脈沖信號(hào),該信號(hào)由外部信號(hào)源提供,。
3.4 過(guò)渡過(guò)程測(cè)量
過(guò)渡過(guò)程測(cè)量程序前面板如圖6所示,。過(guò)渡過(guò)程測(cè)試時(shí),其采樣率要求每秒8點(diǎn),,即要求采樣間隔T=0.125 s,,因計(jì)算機(jī)讀取通道計(jì)數(shù)值及做相關(guān)操作還需一定時(shí)間,,為此可以在保證其測(cè)量精度0.2%的前提下(即計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值N不小于500),得出通道的測(cè)量范圍為39 Hz~528.6 kHz,。
對(duì)于穩(wěn)態(tài)測(cè)試而言,,每5 min記錄一次數(shù)據(jù),為此實(shí)際采樣率設(shè)為每4 s測(cè)一點(diǎn),,這樣在5 min內(nèi)可采樣75點(diǎn),,然后取其平均值作為一次記錄數(shù)據(jù)。此時(shí),,T=4 s,,同理可計(jì)算出穩(wěn)態(tài)測(cè)試時(shí)通道的測(cè)量范圍是39 Hz~16.38 kHz。
4 結(jié)語(yǔ)
虛擬儀器在實(shí)際應(yīng)用中的測(cè)量精度比較高,,雖然能測(cè)出脈沖和過(guò)渡過(guò)程的一些簡(jiǎn)單信息,,但在分析和測(cè)量方面仍存在一些問(wèn)題。在數(shù)值信號(hào)的處理部分,,LabVIEW可通過(guò)采用數(shù)字信號(hào)處理子模塊,,及相關(guān)的子VI程序?qū)崿F(xiàn)不同的信號(hào)處理功能。系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的采樣平滑處理,、噪聲剔除以及采樣數(shù)據(jù)的標(biāo)度變換等,,對(duì)準(zhǔn)確測(cè)量信號(hào)具有重要意義。