基于LabVIEW的多路時(shí)序控制脈沖發(fā)生器設(shè)計(jì)

0 引 言

　　在過程控制和自動(dòng)測(cè)量中，經(jīng)常需要一些時(shí)序控制脈沖來(lái)觸發(fā)和關(guān)閉不同的控制單元和功能部件的工作。時(shí)序脈沖信號(hào)的產(chǎn)生，傳統(tǒng)上一般采用硬件方式實(shí)現(xiàn)，早期大多采用計(jì)數(shù)器和寄存器進(jìn)行設(shè)計(jì)，近年普遍采用可編程邏輯器件(PFGA)或數(shù)字信號(hào)處理器(DSA)。采用硬件方式實(shí)現(xiàn)的時(shí)序脈沖信號(hào)發(fā)生器存在儀器功能單一，信號(hào)輸出通道路數(shù)較少，參數(shù)調(diào)節(jié)不方便，儀器的升級(jí)換代困難等缺點(diǎn)；而采用基于LabVIEW的“虛擬儀器”概念設(shè)計(jì)制作的時(shí)序脈沖發(fā)生器卻具有界面直觀、功能多樣、參數(shù)調(diào)節(jié)方便、容易升級(jí)換代等特點(diǎn)。

　　1 LabVIEW簡(jiǎn)介

　　實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器集成環(huán)境(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，LabVIEW)是美國(guó)國(guó)家儀器(National Instruments，NI)公司推出的一種基于“圖形”方式的虛擬儀器開發(fā)軟件。它具備強(qiáng)大的信號(hào)采集、信號(hào)發(fā)生、數(shù)據(jù)分析與存儲(chǔ)顯示等功能，集開發(fā)、調(diào)試、運(yùn)行于一體，廣泛應(yīng)用于測(cè)試測(cè)量和過程控制系統(tǒng)中。基于LabVIEW軟件和計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)采集卡，通過簡(jiǎn)單編程，可以方便地實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集和產(chǎn)生、分析和處理等功能，即“計(jì)算機(jī)+軟件”等于儀器，比如：可以實(shí)現(xiàn)虛擬的信號(hào)發(fā)生器、數(shù)據(jù)記錄儀、示波器等功能，具有設(shè)計(jì)靈活，界面直觀，通用性強(qiáng)．升級(jí)方便等特點(diǎn)。

　　LabVIEW程序稱為“虛擬儀器”或簡(jiǎn)稱為VI，一個(gè)LabVIEW程序由前面板和程序框圖兩部分組成。前面板用圖形方式模擬傳統(tǒng)儀器的操作面板，包含各種控件和指示器，用來(lái)為程序提供輸入值，并接受輸出值；程序框圖包含以圖形方式表示的程序代碼。

　　LabVlEW還為編程、查錯(cuò)、調(diào)試提供簡(jiǎn)單、方便、完整的環(huán)境和工具。除了具備其他語(yǔ)言所提供的常規(guī)函數(shù)功能外，LabVIEW中還集成了大量生成圖形界面的模板，豐富實(shí)用的數(shù)值分析和數(shù)字處理功能，以及多種硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)功能。

　　LabVIEW面向的是沒有編程經(jīng)驗(yàn)的用戶，而不是編程專家，尤其適合從事科研開發(fā)的科學(xué)家和工程技術(shù)人員，所以被譽(yù)為“工程師和科學(xué)家的語(yǔ)言”。

　　在此，基于LabVIEW軟件和NI PCI－6229數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計(jì)制作了多路時(shí)序控制脈沖信號(hào)發(fā)生器，可以應(yīng)用于各種過程的自動(dòng)控制中。

　　2 硬件介紹

　　基于LabVIEW軟件和多功能數(shù)據(jù)采集卡，可以實(shí)現(xiàn)模擬和數(shù)字信號(hào)的采集，以及信號(hào)產(chǎn)生等多種功能。性價(jià)比較高。NI公司提供了大量不同接口和不同檔次能與LabVIEW軟件很好結(jié)合的數(shù)據(jù)采集卡，使用者可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選擇。這里選擇NI公司的M系列多功能數(shù)據(jù)采集卡NI PCI－6229。采用NI公司的產(chǎn)品，配合NI－DAQmx測(cè)量服務(wù)軟件可以省去硬件驅(qū)動(dòng)程序兼容性等麻煩。NI PCI－6229數(shù)據(jù)采集卡基于PCI接口，共有4路16位模擬輸出，輸出速率達(dá)833 kS／s，輸出電壓范圍為－10～+10 V；32路單通道或16路雙通道16位的模擬輸入，通道采樣頻率可達(dá)250 kS／s；48路數(shù)字輸入／輸出通道，輸出為TTL電平，板載10 MHz時(shí)鐘的硬件定時(shí)數(shù)字輸入／輸出，能以硬件定時(shí)精度來(lái)同步數(shù)字和模擬功能；兩個(gè)80 MHz，32位的計(jì)數(shù)器／定時(shí)器；采用兩個(gè)DMA通道，能同時(shí)執(zhí)行多個(gè)功能。該板卡具有輸入／輸出路數(shù)較多，配備板載硬件時(shí)鐘源，分辨率較高，穩(wěn)定性好，性價(jià)比較高，時(shí)鐘精度可滿足大多數(shù)系統(tǒng)的要求。

　　3 時(shí)序脈沖信號(hào)產(chǎn)生的方法

　　基于LabVIEW的虛擬時(shí)序脈沖信號(hào)產(chǎn)生一般采用定時(shí)翻轉(zhuǎn)輸出狀態(tài)的方法。具體有：

　　3．1 狀態(tài)延時(shí)法

　　如圖1所示，先輸出低電平，然后保持低電平并延時(shí)，再輸出高電平，再保持高電平并延時(shí)，一個(gè)過程可以產(chǎn)生一個(gè)周期脈沖信號(hào)。循環(huán)上述過程，就可以周期性地輸出脈沖信號(hào)。

　　這種產(chǎn)生方法的脈寬和延時(shí)精度決定于高低電平的延時(shí)精度。軟件延時(shí)通過調(diào)用延時(shí)函數(shù)(即Wait函數(shù))來(lái)實(shí)現(xiàn)，而LabVIEW中的Wait延時(shí)函數(shù)最小只能到毫秒級(jí)，并且受Windows操作系統(tǒng)中多任務(wù)運(yùn)行的影響，在同時(shí)運(yùn)行其他程序時(shí)，延時(shí)時(shí)間不穩(wěn)定。因此，這種方法只有在延時(shí)和脈寬調(diào)節(jié)精度不高的場(chǎng)合可以適用，而對(duì)穩(wěn)定性和精度要求較高的場(chǎng)合，并不適用。

　　3．2 時(shí)鐘信號(hào)法

　　利用數(shù)據(jù)采集卡自帶的時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器直接產(chǎn)生周期性的脈沖波形。這種方法可以結(jié)合NI公司的DAQ Insistant(助手)方便地設(shè)置參數(shù)，產(chǎn)生所需的脈沖波形。由于采用板卡的時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器是完全基于硬件定時(shí)的，所以延時(shí)時(shí)間和脈寬調(diào)節(jié)精度及穩(wěn)定性較高，具體參數(shù)取決于板卡的時(shí)鐘頻率。但這種方法受數(shù)據(jù)采集卡的時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器個(gè)數(shù)和輸出的路數(shù)限制，一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)的發(fā)生器只能輸出一路信號(hào)，而普通的數(shù)據(jù)采集卡只有一個(gè)或幾個(gè)時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器，所以產(chǎn)生信號(hào)路數(shù)較少。

　3．3 數(shù)字波形法

　　先通過軟件產(chǎn)生波形(模擬波形)，再轉(zhuǎn)換成數(shù)字波形，然后從數(shù)字通道輸出，循環(huán)上述過程，就可以連續(xù)產(chǎn)生一路周期性的TTL脈沖信號(hào)。如果需要產(chǎn)生多路的時(shí)序脈沖信號(hào)，只要采用多路數(shù)字信號(hào)序列同步輸出的方法產(chǎn)生即可。比如：需要產(chǎn)生如圖2所示的兩路脈沖信號(hào)波形，可以同步地以1 kS／s的樣本輸出速率。分別在兩個(gè)數(shù)字通道輸出如圖3所示的兩列數(shù)字波形。

　　如果是多路時(shí)序脈沖，只需要增加同步輸出路數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)。然而時(shí)序脈沖信號(hào)的延時(shí)精度和脈寬精度調(diào)節(jié)取決于每個(gè)數(shù)字通道的樣本輸出速率，如采用1 MS／s的樣本輸出速率，則可以實(shí)現(xiàn)1μs(1 s／1 MHz)的調(diào)節(jié)精度，延時(shí)時(shí)間和脈沖寬度調(diào)節(jié)則通過改變延時(shí)數(shù)字樣本數(shù)和脈寬數(shù)字樣本數(shù)實(shí)現(xiàn)，具體關(guān)系為：

　　延時(shí)時(shí)間一精度×延時(shí)數(shù)字個(gè)數(shù)，

　　脈沖寬度一精度×脈沖寬度數(shù)字個(gè)數(shù)

　　采用數(shù)字波形法來(lái)產(chǎn)生時(shí)序脈沖波形。由于NIPCI－6229數(shù)據(jù)采集卡數(shù)字I／O的同步時(shí)鐘采用板卡自帶的硬件時(shí)鐘定時(shí)，所以不受計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)多任務(wù)運(yùn)行時(shí)的影響，穩(wěn)定性好。PCI－6229共有48路DIO通道，因此時(shí)序脈沖輸出路數(shù)擴(kuò)充方便。在此，采用數(shù)字波形法和PCI－6229數(shù)據(jù)采集卡，實(shí)現(xiàn)了多路時(shí)序脈沖信號(hào)發(fā)生器，其延時(shí)和脈寬調(diào)節(jié)精度可以穩(wěn)定地達(dá)到微秒數(shù)量級(jí)。

　　4 軟件編程

　　4．1 程序框圖

　　圖4為兩路脈沖信號(hào)發(fā)生器的程序框圖，多路脈沖發(fā)生器只需增加相應(yīng)的輸入端即可。

　　先用Pulse Pattern．vi子模板產(chǎn)生一個(gè)模擬脈沖波形，其中延時(shí)、脈寬、周期(即樣本數(shù))用控件調(diào)節(jié)，再用Analog to　Digital Waveform．vi子模板將模擬脈沖波形轉(zhuǎn)換成數(shù)字波形，同時(shí)設(shè)定正負(fù)邏輯轉(zhuǎn)換開關(guān)。再把各單路數(shù)字波形用bundle函數(shù)進(jìn)行捆綁，再通過 DAQmx Write．vi子模板從選定的數(shù)字I／O通道寫出，故在各個(gè)數(shù)字輸出通道產(chǎn)生脈沖波形。然而時(shí)序脈沖信號(hào)的周期性通過For Loop循環(huán)實(shí)現(xiàn)，一次循環(huán)產(chǎn)生一個(gè)脈沖波形，即實(shí)現(xiàn)一次控制過程，如果需要進(jìn)行多次控制，只要設(shè)定循環(huán)次數(shù)即可。

　　數(shù)字信號(hào)輸出過程中的關(guān)鍵是數(shù)字通道的樣本輸出速率。樣本輸出速率通過一個(gè)樣本時(shí)鐘控制，在本發(fā)生器中由計(jì)數(shù)器／定時(shí)器通過編程輸出設(shè)定頻率的連續(xù)矩形脈沖，再?gòu)臄?shù)據(jù)采集卡的PFI12接口輸入，作為控制各路數(shù)字波形輸出的同步時(shí)鐘，控制各數(shù)字通道同步輸出波形。其中，同步時(shí)鐘脈沖的周期就是時(shí)序脈沖延時(shí)和脈寬調(diào)節(jié)精度。實(shí)際測(cè)量表明，在該數(shù)據(jù)采集卡中最小可達(dá)到0．5μs的調(diào)節(jié)精度。

　　4．2 前面板圖

　　圖5所示為四路時(shí)序脈沖發(fā)生器的前面板圖。其中，時(shí)鐘頻率為延時(shí)和脈寬調(diào)節(jié)精度，也就是數(shù)字通道的樣本輸出速率，如頻率為1 kHz，即為1 ms，在該發(fā)生器中最大可以穩(wěn)定達(dá)到2 MHz，即最小延時(shí)可達(dá)0．5μs。其中，各通道的周期在本發(fā)生器中相同，設(shè)定為統(tǒng)一調(diào)整(也可以設(shè)定為不同的周期)。每個(gè)通道的延時(shí)時(shí)間，脈沖寬度可調(diào)，并設(shè)有正負(fù)邏輯開關(guān)，可以輸出正脈沖或負(fù)脈沖波形。信號(hào)周期數(shù)為過程控制的次數(shù)。同時(shí)設(shè)有產(chǎn)生波形的圖形顯示(圖示為一個(gè)周期的波形)，所見即所得，非常直觀。

　　5 脈沖信號(hào)的硬件輸出

　　信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)通過數(shù)據(jù)采集卡的相應(yīng)數(shù)字I／O通道輸出，可以使用專用連接電纜連接到接線盒，再由接線盒從相應(yīng)的端口輸出到相關(guān)控制設(shè)備。其中，輸出為TTL信號(hào)電平，如不能直接驅(qū)動(dòng)設(shè)備，則需要根據(jù)具體設(shè)備情況連接相應(yīng)的接口電路。

　　設(shè)計(jì)開發(fā)完成的時(shí)序脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的時(shí)序脈沖信號(hào)經(jīng)示波器實(shí)際測(cè)試，信號(hào)的延時(shí)最小值可以穩(wěn)定地達(dá)到0．5 μs，而脈沖信號(hào)的上升沿可以達(dá)到50 ns。完全能滿足大多數(shù)控制的要求。

　　6 結(jié) 語(yǔ)

　　基于LabVIEW軟件和數(shù)據(jù)采集卡可以方便地實(shí)現(xiàn)虛擬的多路時(shí)序脈沖信號(hào)發(fā)生器，具有一定的通用性，可以廣泛地應(yīng)用到各種自動(dòng)測(cè)量和過程控制中，與傳統(tǒng)基于硬件設(shè)計(jì)的脈沖信號(hào)發(fā)生器相比，具有時(shí)序脈沖延時(shí)和脈寬調(diào)節(jié)精度高，脈沖上升沿時(shí)間短，路數(shù)較多，界面友好，調(diào)節(jié)方便等優(yōu)點(diǎn)。選用不同功能的數(shù)據(jù)采集卡，還可以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的控制場(chǎng)合。另外，利用數(shù)據(jù)采集卡的模擬I／O，還可以產(chǎn)生同步的模擬控制信號(hào)，控制不同的設(shè)備。因此，基于LabVIEW的時(shí)序信號(hào)發(fā)生器不失為一種實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的好方法。