基于虛擬儀器的多通道信號產(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。

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、以及信號采集和分析的研究與設(shè)計(jì)。其硬件開發(fā)平臺采用ADLINK公司的DAQ2206數(shù)據(jù)采集卡，軟件開發(fā)平臺為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，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，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)生幾個常用的通信調(diào)制信號(例如2ASK，2FSK，2PSK)，再將這些信號經(jīng)過DAC變成模擬信號輸出，該數(shù)據(jù)采集卡就可將該模擬信號傳送到示波器，由示波器顯示相應(yīng)信號的波形。此外，采集卡還能夠從波形發(fā)生器接收信號，然后經(jīng)過ADC傳送給計(jì)算機(jī)，并通過LabVIEW軟件對信號進(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)有一個比較規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)；同時，為了方便底層驅(qū)動軟件的編制，它還應(yīng)有一個標(biāo)準(zhǔn)的接口，以向驅(qū)動程序透明。這個接口包括讀取硬件的狀態(tài)信息和對硬件進(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)對硬件的控制，完成對硬件的管理；同時可向上一級模塊(即虛擬儀器軟件開發(fā)平臺模塊)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。它應(yīng)該提供一個圖形化的編程設(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等高級程序語言開發(fā)自己的虛擬儀器平臺。但這一模塊要向上一層提供一個接口，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 信號的產(chǎn)生

2.1 基帶信號的產(chǎn)生

基帶信號是一個隨機(jī)的單極性矩形脈沖序列。可通過以下的G語言程序來設(shè)計(jì)基帶信號。

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


2.2 2ASK信號的產(chǎn)生

2ASK是二進(jìn)制的振幅鍵控信號。通常可用模擬振幅調(diào)制方法形成2ASK信號。一個二進(jìn)制的振幅鍵控信號可以表示成一個單極性矩形脈沖序列與一個正弦載波的乘積。圖3所示是2ASK信號產(chǎn)生的整體框圖，從圖中可以看出。它是由基帶信號和正弦載波信號相乘得到的。


2.3 2FSK信號的產(chǎn)生

2FSK是二進(jìn)制頻移鍵控信號。這里采用鍵控法實(shí)現(xiàn)2FSK信號，即利用受矩形脈沖序列控制的開關(guān)電路來對兩個不同的獨(dú)立頻率進(jìn)行選通。其產(chǎn)生框圖如圖4所示。


首先定義兩個載波信號f1和f2，再通過一個選擇器對兩路載波進(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，選擇頻率為1 Hz的載波信號；當(dāng)脈沖信號為1時，選擇頻率為4 Hz的載波信號。

2.4 2PSK信號的產(chǎn)生

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

3 信號的模擬輸入

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來將一個模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。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模擬輸出模塊。可先對數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行初始化，以指定信號輸出通道的工作，然后再建立緩沖區(qū)，最后寫出多通道信號信息的工作。圖7所示是模擬輸出信號的初始化框圖。


4.2 多路模出信號寫入buffer

本文利用循環(huán)寫入的方式來將兩個信號寫入數(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。