尚秋峰,陳于揚(yáng)

(華北電力大學(xué)電子與通信工程系,河北 保定 071003)

虛擬儀器可用通用計(jì)算機(jī)為核心,由用戶自己設(shè)計(jì)定義并確定測(cè)試功能的一種儀器系統(tǒng)。與傳統(tǒng)儀器相比,虛擬儀器具有性價(jià)比高,研制周期短及升級(jí)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。決定虛擬儀器的實(shí)現(xiàn)以及具備上述優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵是軟件[1-2］。

1 系統(tǒng)功能描述

基于LabVIEW圖形化編程語言開發(fā)的虛擬信號(hào)發(fā)生器,可以通過調(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、方波和三角波等。本系統(tǒng)采用模塊化、層次化設(shè)計(jì)架構(gòu),可以降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度,且便于二次開發(fā)。虛擬信號(hào)發(fā)生器具有以下功能:

(1)用戶登錄以及軟件過期驗(yàn)證。

(2)信號(hào)發(fā)生器系統(tǒng)可以產(chǎn)生正弦,方波,三角波,鋸齒波及任意信號(hào)等多種信號(hào)。此外,還可以疊加噪聲和編輯公式信號(hào),亦可以通過聲卡采集聲音信號(hào)進(jìn)行輸出。

(3)多種濾波功能,包括平滑濾波、低通、高通、帶通和帶阻等。

(4)可以選擇寫入表格或文本文件存儲(chǔ)。

(5)波形信號(hào)寫入聲卡及轉(zhuǎn)換為聲音輸出。

(6)信號(hào)波形經(jīng)DAQ采集卡輸出。

2 虛擬信號(hào)發(fā)生器系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

虛擬信號(hào)發(fā)生器前面板如圖1所示。通過面板的各種旋鈕、開關(guān)及下拉菜單等控件可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制。而且實(shí)時(shí)波形顯示窗口能對(duì)產(chǎn)生的信號(hào)波形進(jìn)行預(yù)覽和監(jiān)視,以進(jìn)行校正。

圖1 虛擬信號(hào)發(fā)生器前面板

本系統(tǒng)采用了順序執(zhí)行結(jié)構(gòu)、while loop循環(huán)結(jié)構(gòu)和case條件判斷結(jié)構(gòu)構(gòu)成系統(tǒng)程序框架,執(zhí)行程序時(shí)先進(jìn)行用戶登錄和軟件過期驗(yàn)證。在用戶登錄正確和軟件未過期的條件下便進(jìn)入程序主體部分,否則提示出錯(cuò)并退出主程序。詳細(xì)的功能設(shè)計(jì)描述如下:

(1)用戶登錄及軟件過期驗(yàn)證

采用Case條件判斷結(jié)構(gòu)對(duì)登錄用戶姓名和密碼進(jìn)行驗(yàn)證。當(dāng)用戶名和密碼全部正確時(shí),指示燈點(diǎn)亮后判斷軟件是否過期,未過期時(shí)指示燈點(diǎn)亮。

(2)信號(hào)發(fā)生部分

系統(tǒng)的虛擬信號(hào)發(fā)生模塊產(chǎn)生基本信號(hào),既可以利用formula waveform.vi進(jìn)行公式編輯產(chǎn)生;也可以利用聲音采集模塊采集聲音信號(hào)。我們可以通過面板旋鈕來進(jìn)行頻率、幅度、占空比和初始相位調(diào)節(jié),并可通過文本框來編輯信號(hào),還可選擇通道一、通道二和雙通道來輸出波形信號(hào)。

(3)濾波部分

為獲得純正的信號(hào)波形,需要對(duì)各個(gè)通道產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行濾波。系統(tǒng)通過索引函數(shù)提取信號(hào),通過選擇菜單選擇所需濾波種類,其中包括平滑、低通、高通、帶通和帶阻濾波等。通過面板旋鈕可以確定濾波器的高、低截止頻率,但必須要注意高低截止頻率的設(shè)置不能超出允許范圍。

(4)存儲(chǔ)波形

我們可以通過索引數(shù)組函數(shù)進(jìn)行提取各個(gè)通道產(chǎn)生的各種信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)。利用選擇菜單選擇存儲(chǔ)文件類型。

(5)寫入聲卡

為了使學(xué)生直觀體驗(yàn)虛擬儀器對(duì)信號(hào)進(jìn)行綜合處理的功能,可以通過聲卡采集聲音信號(hào),對(duì)聲音信號(hào)添加噪聲再濾波,產(chǎn)生聲音波形信號(hào)。系統(tǒng)是通過聲音輸出配置函數(shù)、音量調(diào)節(jié)函數(shù)、寫入聲卡函數(shù)和聲音輸出清零函數(shù)的操作將波形信號(hào)轉(zhuǎn)化成聲音信號(hào)輸出。LabVIEW中的聲音格式分mono 8 bit、mono 16 bit、stereo 8 bit和 stereo16 bit等四種;聲卡播放數(shù)據(jù)的刷新速率也有四種,即 8000 Hz、11025 Hz、22050 Hz和44100 Hz。速率不同時(shí)輸出波形的質(zhì)量也不同 ,應(yīng)視具體情況選擇合適的速率。系統(tǒng)根據(jù)主流聲卡的性能指標(biāo) ,默認(rèn)設(shè)置刷新速率為44.1 kHz,采樣位數(shù)16 bit,輸出方式為單聲道 ,這樣采樣的波形穩(wěn)定,而且干擾小。學(xué)生可以通過耳麥?zhǔn)章牉V波前和濾波后的聲音信號(hào)進(jìn)行直觀的聽覺比較,也可以通過波形顯示窗口觀察濾波器對(duì)疊加噪聲后的聲音信號(hào)處理效果。

(6)波形信號(hào)經(jīng)DAQ輸出

本系統(tǒng)中使用美國(guó)NI公司的M系列DAQ數(shù)據(jù)采集卡PCI-6251,輸出模擬信號(hào)。信號(hào)發(fā)生部分產(chǎn)生的信號(hào),或?yàn)V波之后的信號(hào)都可以通過采集卡輸出到實(shí)際外設(shè)的示波器上觀察。

3 結(jié)語

虛擬信號(hào)發(fā)生器以PC機(jī)強(qiáng)大的信息處理能力為依托,利用LabVIEW多線程技術(shù)及圖形化、結(jié)構(gòu)化的特征,實(shí)現(xiàn)多種常用信號(hào)和特殊信號(hào)的生成及模擬輸出。本文介紹的虛擬信號(hào)發(fā)生器,以Lab-VIEW軟件為開發(fā)環(huán)境,以其內(nèi)部各功能函數(shù)為實(shí)現(xiàn)方式,采用模塊化設(shè)計(jì)思想,以前面板為虛擬信號(hào)發(fā)生器操作界面,既可以產(chǎn)生基本的常用信號(hào)和任意波形信號(hào),可以使用各種濾波功能對(duì)其濾波以滿足實(shí)際需求。我們也可以將產(chǎn)生的波形數(shù)據(jù)寫入文件以備日后查驗(yàn)。

[1］范福玲,韓勤勛.基于Labview的虛擬信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)[J］.鄭州:中原工學(xué)院學(xué)報(bào).2006.17(4):26-28

[2］楊樂平,李海濤,楊磊.Labview程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用(第2版)[M］.西安:電子工業(yè)出版社,2005

[3］向英,吳先球.虛擬信號(hào)發(fā)生器基于聲卡的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J］.廣州:廣工師范學(xué)院報(bào).2006.6

[4］龍華偉,顧永剛.LabVIEW 8.2.1與 DAQ數(shù)據(jù)采集[M］.北京:清華大學(xué)出版社,2008