基于虛擬儀器的多通道信號產生系統設計

0?引言

任意波形發生器是一種常用的信號源，可廣泛用于科學研究、生產實踐和教學實踐等領域。傳統的波形發生器大多采用模擬電路技術，一般由分立元件構成，其電路結構復雜、體積龐大、穩定度和準確度較差，而且僅能產生正弦波、方波、三角波等幾種簡單波形，難以產生較為復雜的波形信號。

隨著微處理器性能的提高，新型的波形發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信號發生器的缺點。虛擬儀器的出現是儀器發展史上的一場革命，代表著儀器發展的最新方向和潮流，是信息技術的一個重要領域。

本文將結合虛擬儀器技術來進行多通道任意波形發生器、以及信號采集和分析的研究與設計。其硬件開發平臺采用ADLINK公司的DAQ2206數據采集卡，軟件開發平臺為NI公司的LabVIEW軟件。

LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是美國國家儀器公司的創新軟件，被譽為“科學家與工程師”的語言。LabVIEW為不熟悉文本語言編程的設計者在測控領域建立計算機儀器系統提供了便捷、輕松的圖形化設計開發集成環境。

LabVIEW集成了滿足GPIB、VXI、RS-232和RS-485協議硬件及數據采集卡通訊的全部功能．同時內置有便于應用TCP／IP、ActiveX等軟件標準的庫函數。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人員所熟悉的術語、圖標和概念，因此，LabVIEW是一個面向最終用戶的工具。

在進行波形發生器的設計中，使用LabVIEW仿真軟件不僅可以實現儀器編程和數據采集的便捷途徑，而且在原理研究、設計、測試和實現儀器功能時，還可以大大提高工作效率。

1?系統總體方案

本系統主要由硬件和軟件兩部分構成。硬件部分包括數據采集卡和PC機，軟件部分則主要是基于LabVIEW軟件開發的虛擬儀器測試系統。系統總體方案如圖1所示。


將系統數據采集卡DAQ2206插在計算機和PCI擴展槽中，計算機便可通過LabVIEW軟件產生幾個常用的通信調制信號(例如2ASK，2FSK，2PSK)，再將這些信號經過DAC變成模擬信號輸出，該數據采集卡就可將該模擬信號傳送到示波器，由示波器顯示相應信號的波形。此外，采集卡還能夠從波形發生器接收信號，然后經過ADC傳送給計算機，并通過LabVIEW軟件對信號進行分析及顯示。

系統數據采集主要通過LabVIEW仿真軟件來支持NI公司的DAQ2206卡。將DAQ2206采集卡插入計算機的插槽并設置相關參數．再利用LabVIEW進行編程開發，就可實現數據采集功能。

本數據采集卡是虛擬儀器的硬件模塊。因為要關系到和PC總線的接口，該硬件模塊應有一個比較規范的標準；同時，為了方便底層驅動軟件的編制，它還應有一個標準的接口，以向驅動程序透明。這個接口包括讀取硬件的狀態信息和對硬件進行設置等。而通過計算機接口則可以為硬件模塊和操作系統提供標準的硬件連接。

系統中的儀器驅動程序模塊可利用硬件模塊向系統提供標準接口，以實現對硬件的控制，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平臺模塊)提供標準的調用接口，以使高層的軟件設計與硬件無關。

虛擬儀器軟件開發平臺是用戶進行單一虛擬儀器或虛擬儀器測試系統設計生成的用戶平臺。它應該提供一個圖形化的編程設計環境，以方便用戶的開發，縮短開發周期。其中數據分析模塊庫和界面控制庫是LabVIEW和LabWindow／CVI的基礎。也可以按照標準化的思想，借鑒數據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的開發接口。

對于用戶而言，其軟件面板的設計直接決定了儀器的易用性以及功能和可擴充性。

2 信號的產生

2.1 基帶信號的產生

基帶信號是一個隨機的單極性矩形脈沖序列。可通過以下的G語言程序來設計基帶信號。

首先編寫一個可以任意編碼(0或者1)的數組，然后通過對每個碼字的循環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所示是基帶信號產生框圖。


2.2 2ASK信號的產生

2ASK是二進制的振幅鍵控信號。通常可用模擬振幅調制方法形成2ASK信號。一個二進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信號的產生

2FSK是二進制頻移鍵控信號。這里采用鍵控法實現2FSK信號，即利用受矩形脈沖序列控制的開關電路來對兩個不同的獨立頻率進行選通。其產生框圖如圖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行選擇。若設定f1=1 Hz，f2=4Hz，矩形脈沖的循環次數為5，那么，矩形脈沖的頻率為0.2 Hz。一般地，當脈沖為0時，選擇頻率為1 Hz的載波信號；當脈沖信號為1時，選擇頻率為4 Hz的載波信號。

2.4 2PSK信號的產生

在編寫2PSK的波形發生器時，只要在2FSK的基礎上進行一下修改就可以了。但是，信號輸入端的復位信號通常需要賦值。這就需要加上一個布爾控制量。因為只有使每次循環后的信號復位，才能得到所需要的2PSK信號。如果不加這個布爾控制量，就實現不了相移鍵控。

3 信號的模擬輸入

3.1 模擬輸入的相關參數

模擬輸入是采集最基本的功能。它一般通過多路開關(MUX)、放大器、采樣保持電路以及A／D來將一個模擬信號轉化為數字信號。A／D的性能和參數直接影響著模擬輸入的質量，設計時要根據實際需要的精度來選擇合適的A／D。

3.2?模擬輸入的相關模塊

圖5是對數據采集卡的初始化模塊，圖6是A／D數值轉換模塊。它們都是模擬輸入的相關模塊。




4 信號的模擬輸出

4.1?模擬輸出相關模塊

模擬輸出通常采用中級模擬輸出模塊。可先對數據采集卡進行初始化，以指定信號輸出通道的工作，然后再建立緩沖區，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

本文利用循環寫入的方式來將兩個信號寫入數據采集卡的buffer之中。圖8所示是其循環采樣框圖。


5?結束語

任意波形發生器是一種常用的信號源，可廣泛用于科學研究、生產實踐和教學實踐等領域。虛擬儀器的出現是儀器發展史上的一場革命，代表著儀器發展的最新方向和潮流，是信息技術的一個重要領域。新型波形發生器中基于虛擬儀器的波形發生器在最近幾年內得到了迅速發展，并將逐漸取代傳統的信號發生器而成為研究領域的主流。虛擬儀器技術不僅是2l世紀儀器發展的方向，而且會逐步取代傳統的硬件化電子儀器，從而使成千上萬種傳統儀器都融人計算機體系中。