基于虛擬儀器的多通道信號(hào)產(chǎn)生系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于虛擬儀器的多通道信號(hào)產(chǎn)生系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0?引言

任意波形發(fā)生器是一種常用的信號(hào)源，可廣泛用于科學(xué)研究、生產(chǎn)實(shí)踐和教學(xué)實(shí)踐等領(lǐng)域。傳統(tǒng)的波形發(fā)生器大多采用模擬電路技術(shù)，一般由分立元件構(gòu)成，其電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大、穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度較差，而且僅能產(chǎn)生正弦波、方波、三角波等幾種簡單波形，難以產(chǎn)生較為復(fù)雜的波形信號(hào)。

隨著微處理器性能的提高，新型的波形發(fā)生器大多已采用軟件仿真而不是單純的用分立元件來搭建電路，因而有效的解決了傳統(tǒng)信號(hào)發(fā)生器的缺點(diǎn)。虛擬儀器的出現(xiàn)是儀器發(fā)展史上的一場革命，代表著儀器發(fā)展的最新方向和潮流，是信息技術(shù)的一個(gè)重要領(lǐng)域。

本文將結(jié)合虛擬儀器技術(shù)來進(jìn)行多通道任意波形發(fā)生器、以及信號(hào)采集和分析的研究與設(shè)計(jì)。其硬件開發(fā)平臺(tái)采用ADLINK公司的DAQ2206數(shù)據(jù)采集卡，軟件開發(fā)平臺(tái)為NI公司的LabVIEW軟件。

LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是美國國家儀器公司的創(chuàng)新軟件，被譽(yù)為“科學(xué)家與工程師”的語言。LabVIEW為不熟悉文本語言編程的設(shè)計(jì)者在測控領(lǐng)域建立計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)提供了便捷、輕松的圖形化設(shè)計(jì)開發(fā)集成環(huán)境。

LabVIEW集成了滿足GPIB、VXI、RS-232和RS-485協(xié)議硬件及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能．同時(shí)內(nèi)置有便于應(yīng)用TCP／IP、ActiveX等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫函數(shù)。利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器，其圖形化的界面使得編程及使用過程都生動(dòng)有趣。???

LabVIEW中圖形化的程序語言又稱為“G”語言。使用這種語言編程時(shí)，基本上不寫程序代碼，取而代之的是流程圖。該方法盡可能利用技術(shù)人員所熟悉的術(shù)語、圖標(biāo)和概念，因此，LabVIEW是一個(gè)面向最終用戶的工具。

在進(jìn)行波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)中，使用LabVIEW仿真軟件不僅可以實(shí)現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集的便捷途徑，而且在原理研究、設(shè)計(jì)、測試和實(shí)現(xiàn)儀器功能時(shí)，還可以大大提高工作效率。

1?系統(tǒng)總體方案

本系統(tǒng)主要由硬件和軟件兩部分構(gòu)成。硬件部分包括數(shù)據(jù)采集卡和PC機(jī)，軟件部分則主要是基于LabVIEW軟件開發(fā)的虛擬儀器測試系統(tǒng)。系統(tǒng)總體方案如圖1所示。


將系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集卡DAQ2206插在計(jì)算機(jī)和PCI擴(kuò)展槽中，計(jì)算機(jī)便可通過LabVIEW軟件產(chǎn)生幾個(gè)常用的通信調(diào)制信號(hào)(例如2ASK，2FSK，2PSK)，再將這些信號(hào)經(jīng)過DAC變成模擬信號(hào)輸出，該數(shù)據(jù)采集卡就可將該模擬信號(hào)傳送到示波器，由示波器顯示相應(yīng)信號(hào)的波形。此外，采集卡還能夠從波形發(fā)生器接收信號(hào)，然后經(jīng)過ADC傳送給計(jì)算機(jī)，并通過LabVIEW軟件對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析及顯示。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集主要通過LabVIEW仿真軟件來支持NI公司的DAQ2206卡。將DAQ2206采集卡插入計(jì)算機(jī)的插槽并設(shè)置相關(guān)參數(shù)．再利用LabVIEW進(jìn)行編程開發(fā)，就可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能。

本數(shù)據(jù)采集卡是虛擬儀器的硬件模塊。因?yàn)橐P(guān)系到和PC總線的接口，該硬件模塊應(yīng)有一個(gè)比較規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)；同時(shí)，為了方便底層驅(qū)動(dòng)軟件的編制，它還應(yīng)有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的接口，以向驅(qū)動(dòng)程序透明。這個(gè)接口包括讀取硬件的狀態(tài)信息和對(duì)硬件進(jìn)行設(shè)置等。而通過計(jì)算機(jī)接口則可以為硬件模塊和操作系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)的硬件連接。

系統(tǒng)中的儀器驅(qū)動(dòng)程序模塊可利用硬件模塊向系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)接口，以實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件的控制，完成對(duì)硬件的管理；同時(shí)可向上一級(jí)模塊(即虛擬儀器軟件開發(fā)平臺(tái)模塊)提供標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)用接口，以使高層的軟件設(shè)計(jì)與硬件無關(guān)。

虛擬儀器軟件開發(fā)平臺(tái)是用戶進(jìn)行單一虛擬儀器或虛擬儀器測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)生成的用戶平臺(tái)。它應(yīng)該提供一個(gè)圖形化的編程設(shè)計(jì)環(huán)境，以方便用戶的開發(fā)，縮短開發(fā)周期。其中數(shù)據(jù)分析模塊庫和界面控制庫是LabVIEW和LabWindow／CVI的基礎(chǔ)。也可以按照標(biāo)準(zhǔn)化的思想，借鑒數(shù)據(jù)分析模塊庫和界面控制庫的模塊，利用VC++、VB、C++Builder等高級(jí)程序語言開發(fā)自己的虛擬儀器平臺(tái)。但這一模塊要向上一層提供一個(gè)接口，此接口也是提供給虛擬儀器或虛擬儀器測試系統(tǒng)的開發(fā)接口。

對(duì)于用戶而言，其軟件面板的設(shè)計(jì)直接決定了儀器的易用性以及功能和可擴(kuò)充性。

2 信號(hào)的產(chǎn)生

2.1 基帶信號(hào)的產(chǎn)生

基帶信號(hào)是一個(gè)隨機(jī)的單極性矩形脈沖序列?？赏ㄟ^以下的G語言程序來設(shè)計(jì)基帶信號(hào)。

首先編寫一個(gè)可以任意編碼(0或者1)的數(shù)組，然后通過對(duì)每個(gè)碼字的循環(huán)來形成一定脈寬的脈沖，再由此形成任意的脈沖信號(hào)，這就是基帶信號(hào)。圖2所示是基帶信號(hào)產(chǎn)生框圖。


2.2 2ASK信號(hào)的產(chǎn)生

2ASK是二進(jìn)制的振幅鍵控信號(hào)。通?？捎媚M振幅調(diào)制方法形成2ASK信號(hào)。一個(gè)二進(jìn)制的振幅鍵控信號(hào)可以表示成一個(gè)單極性矩形脈沖序列與一個(gè)正弦載波的乘積。圖3所示是2ASK信號(hào)產(chǎn)生的整體框圖，從圖中可以看出。它是由基帶信號(hào)和正弦載波信號(hào)相乘得到的。


2.3 2FSK信號(hào)的產(chǎn)生

2FSK是二進(jìn)制頻移鍵控信號(hào)。這里采用鍵控法實(shí)現(xiàn)2FSK信號(hào)，即利用受矩形脈沖序列控制的開關(guān)電路來對(duì)兩個(gè)不同的獨(dú)立頻率進(jìn)行選通。其產(chǎn)生框圖如圖4所示。


首先定義兩個(gè)載波信號(hào)f1和f2，再通過一個(gè)選擇器對(duì)兩路載波進(jìn)行選擇。若設(shè)定f1=1 Hz，f2=4Hz，矩形脈沖的循環(huán)次數(shù)為5，那么，矩形脈沖的頻率為0.2 Hz。一般地，當(dāng)脈沖為0時(shí)，選擇頻率為1 Hz的載波信號(hào)；當(dāng)脈沖信號(hào)為1時(shí)，選擇頻率為4 Hz的載波信號(hào)。

2.4 2PSK信號(hào)的產(chǎn)生

在編寫2PSK的波形發(fā)生器時(shí)，只要在2FSK的基礎(chǔ)上進(jìn)行一下修改就可以了。但是，信號(hào)輸入端的復(fù)位信號(hào)通常需要賦值。這就需要加上一個(gè)布爾控制量。因?yàn)橹挥惺姑看窝h(huán)后的信號(hào)復(fù)位，才能得到所需要的2PSK信號(hào)。如果不加這個(gè)布爾控制量，就實(shí)現(xiàn)不了相移鍵控。

3 信號(hào)的模擬輸入

3.1 模擬輸入的相關(guān)參數(shù)

模擬輸入是采集最基本的功能。它一般通過多路開關(guān)(MUX)、放大器、采樣保持電路以及A／D來將一個(gè)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。A／D的性能和參數(shù)直接影響著模擬輸入的質(zhì)量，設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)實(shí)際需要的精度來選擇合適的A／D。

3.2?模擬輸入的相關(guān)模塊

圖5是對(duì)數(shù)據(jù)采集卡的初始化模塊，圖6是A／D數(shù)值轉(zhuǎn)換模塊。它們都是模擬輸入的相關(guān)模塊。




4 信號(hào)的模擬輸出

4.1?模擬輸出相關(guān)模塊

模擬輸出通常采用中級(jí)模擬輸出模塊?？上葘?duì)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行初始化，以指定信號(hào)輸出通道的工作，然后再建立緩沖區(qū)，最后寫出多通道信號(hào)信息的工作。圖7所示是模擬輸出信號(hào)的初始化框圖。


4.2 多路模出信號(hào)寫入buffer

本文利用循環(huán)寫入的方式來將兩個(gè)信號(hào)寫入數(shù)據(jù)采集卡的buffer之中。圖8所示是其循環(huán)采樣框圖。


5?結(jié)束語

任意波形發(fā)生器是一種常用的信號(hào)源，可廣泛用于科學(xué)研究、生產(chǎn)實(shí)踐和教學(xué)實(shí)踐等領(lǐng)域。虛擬儀器的出現(xiàn)是儀器發(fā)展史上的一場革命，代表著儀器發(fā)展的最新方向和潮流，是信息技術(shù)的一個(gè)重要領(lǐng)域。新型波形發(fā)生器中基于虛擬儀器的波形發(fā)生器在最近幾年內(nèi)得到了迅速發(fā)展，并將逐漸取代傳統(tǒng)的信號(hào)發(fā)生器而成為研究領(lǐng)域的主流。虛擬儀器技術(shù)不僅是2l世紀(jì)儀器發(fā)展的方向，而且會(huì)逐步取代傳統(tǒng)的硬件化電子儀器，從而使成千上萬種傳統(tǒng)儀器都融人計(jì)算機(jī)體系中。