1、 引言

虛擬儀器VI（Visual Instrument）是以計算機強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，結合高效靈活的軟件組成，完成各種測試、測量和自動化應用的各種各樣的儀器系統。隨著計算機網絡的發展，虛擬儀器與網絡技術的結合為虛擬儀器網絡化提供了良好的實現平臺。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計語言，它對軟件對象“虛擬儀器”進行圖形化的組合操作。

2 、虛擬儀器介紹

虛擬儀器是基于計算機的儀器，以通用的計算機硬件及操作系統為依托，實現各種儀器功能。常見的虛擬儀器結構框圖如圖1所示。

LabVIEW是具有直觀界面、便于開發、易于學習且具有多種儀器驅動程序和工具的大型儀器系統開發工具。Lab VIEW基于圖形化編程語言G開發環境，采用了工廠人員所熟悉的術語、圖標等圖形化符號來代替基于文字的常規程序語言，把復雜煩瑣、費時的語言編程簡化成簡單、直觀、易學的圖形編程。同傳統的程序語言相比，可節省約80％的程序開發時間。使用LabVIEW開發平臺編制的程序稱為虛擬儀器程序，簡稱為 VI。VI包括3部分：前面板（Front Panel）、流程圖（BlockDiagram）、圖標／接口。前面板用于設置輸入數據和觀察輸出量。由于程序前面板是模擬真實儀表前面板，輸入量被稱為Controls，輸出量被稱為Indicators，因此，用戶可以使用許多圖標（如旋鈕、開關、按鈕、圖表、圖形等），前面板易懂易看。每一個前面板都伴有一個流程圖（也叫程序框圖）。流程圖用圖形編程語言編寫，理解成傳統程序的源代碼。圖中的部件可看成程序節點（Node），如循環控制、事件控制和算術功能等。這些部件都用連線連接，以定義其數據流方向。用戶利用圖標，接口部件把VI程序變成一個對象（VI子程序），然后在其他VI程序中調用。圖標表示在其他程序中被調用的子程序，而接線端口表示圖標的輸入輸出端口，如子程序的參數端口，對應于VI程序前面板的控制量和指示量的數值。

3、 脈沖和過渡過程測量虛擬儀器的系統設計

目前，我國的高檔臺式儀器（如數字示波器、頻譜分析儀等）還主要依賴進口。這些儀器加工工藝復雜，對制造水平要求高，生產突破有困難，而采用虛擬技術后，就可只采購適合于實際應用情況的通用儀器，依賴于虛擬儀器的軟件開發平臺，設計出高性能價格比的儀器系統。虛擬的脈沖和過渡過程測量儀器可任意調節脈沖參數，滿足測量要求；信號的采集和處理都變得更加簡單。因此采用LabVIEW開發平臺設計脈沖和過渡過程測量虛擬儀器。

該測量虛擬儀器是建立在已有的數字信號處理理論和LabVIEW強大的虛擬仿真功能基礎上，提供一種對脈沖和脈沖過渡過程進行測量的普遍可使用的方案，主要側重數字信號處理方面的虛擬儀器。根據對測量系統的要求，將所搭建的系統分為：基于LabVIEW的正弦波仿真信號發生器；脈沖信號發生；數字信號處理；數字示波器及測量監控系統。整個虛擬測量系統的結構框圖如圖2所示。測量時，脈沖信號由脈沖信號發生器供給，通過數字信號處理，最后南數字示波器及測量監控系統顯示結果。

3．1 虛擬正弦波仿真信號發生器

使用基于LabVIEW圖形化編程語言開發的虛擬信號發生器，具有編程簡單、直觀、操作方便等特點；通過調用或修改流程圖中不同的功能函數，得到不同的信號，如正弦波、方波、三角波等。

該正弦波仿真信號發生器可產生正弦信號。其主要指標為：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；生成波形的總點數為N=8～512，可選。

3．1．1 前面板設計

（1）8個輸入型數字控件控件按鍵供用戶生成波形類型選擇、正弦波的頻率、初始相位、幅值、采樣點、采樣頻率、信號復位、偏移量、占空比。

（2）一個輸出顯示型圖形控件 顯示所產生的正弦波波形。注意：控件參數設置應考慮到采樣頻率fx，數字頻率f，一個周期采樣點數n與總采樣頻率的關系：f=n，故fs的最大值應該是被測信號頻率fx最大值的n倍，且N≥n。

（3）開關控制 所設計的前面板如圖3所示。

3．1．2 運行檢驗

設置正弦波信號fx=O．2 Hz，初相位為0°，幅值為1．0 V，采樣頻率10 Hz，復位相位選為TRUE，采樣點數為100。生成的正弦波如圖3所示。通過在前面板上改變正弦波信號、初相位、幅值等，可以得到不同的正弦波。

3．2 脈沖信號發生器

瞬間突然變化．作用時間極短的電壓或電流稱為脈沖信號。脈沖有干擾脈沖和信號脈沖，它可以是周期性重復的，也可以是非周期性的或單次的，分為控制模擬和數字電路。使用脈沖發生子VI發生單個脈沖，也可發生一系列脈沖信號。這個子VI都在函數模板的下級模板中。使用VI時需要設定：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。

輸出單個脈沖．由脈沖極性、延遲和脈沖寬度參數決定。儀器的輸入控制端指定具體數據采集板的具體計數器輸出單個脈沖。設置了計數器工作的門限模式（具體使用時，給計數器的門輸入口接上一外部的門限信號）。時基決定了具體時鐘用于延遲和幅寬。如果使用內部時鐘，那么數據采集板上的時鐘作為延遲和幅寬的計時可達到秒。如使用外部時鐘，就要把外部的時基信號連接到計數器的原端口，此時延遲和幅寬的計時是以外部時基的周期數為單位。任務ID輸出包含了產生該脈沖所有設置的信息，是標識該任務的標識符。可以把任務ID輸出作為中級起始計數VI的輸入參數，從而可再產生同樣的脈沖。

輸出一系列脈沖由脈沖位置調制、頻率、和占空比輸入參數決定。驅動、控制器和參考電壓輸入參數的意義與產生單個脈沖參數的意義相同。輸入脈沖個數設定了脈沖序列的長度。把脈沖個數設為零，那么該VI將發生連續的脈沖序列。任務ID輸出包含了產生該脈沖序列所有設置的信息，是該任務的標識符。把任務ID或任務ID計數器輸出作為中級起始計數VI的輸入參數，從而可再產生同樣的脈沖序列。

3．3 脈沖測量

該儀器測量脈沖選用脈沖測量子VI。使用該VI可測量脈沖的周期、占空比和脈沖持續期等測量信息，如圖4所示。

測量脈沖序列的頻率。通過對在給定的已知時間內的脈沖串個數計數即可計算出被測信號的頻率。給定時間間隔是由連接到脈沖測量VI的百分比水平設置輸入控制，如圖5所示。測量信號由信號輸入端輸入，然后與該信號比較。信號通過前面一系列的數字信號處理，信號由信號輸入端輸入脈沖測量子VI。接到該端口的必須是已知幅寬的脈沖信號，該信號由外部信號源提供。

3．4 過渡過程測量

過渡過程測量程序前面板如圖6所示。過渡過程測試時，其采樣率要求每秒8點，即要求采樣間隔T=0．125 s，因計算機讀取通道計數值及做相關操作還需一定時間，為此可以在保證其測量精度0．2％的前提下（即計數器的計數值N不小于500），得出通道的測量范圍為39 Hz～528．6 kHz。

對于穩態測試而言，每5 min記錄一次數據，為此實際采樣率設為每4 s測一點，這樣在5 min內可采樣75點，然后取其平均值作為一次記錄數據。此時，T=4 s，同理可計算出穩態測試時通道的測量范圍是39 Hz～16．38 kHz。

4、 結語

虛擬儀器在實際應用中的測量精度比較高，雖然能測出脈沖和過渡過程的一些簡單信息，但在分析和測量方面仍存在一些問題。在數值信號的處理部分，LabVIEW可通過采用數字信號處理子模塊，及相關的子VI程序實現不同的信號處理功能。系統對信號的采樣平滑處理、噪聲剔除以及采樣數據的標度變換等，對準確測量信號具有重要意義。

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