1、 基于虚拟仪器的课程设计摘要现代生产要求电子仪器品种多、功能强、精度高、自动化程度高，而且要求测试的速度快、实时性好，具有良好的人机界面。虚拟仪器正好可以实现这些要求。在电子实验中使用多种仪器，如信号发生器、万用表、频率计、示波器等，如果能把它们都设计成虚拟仪器，利用计算机来提高仪器的集成度，减少实验匹配的仪器的种类、数量和实验室面积，便能从根本上改变实验室的面貌，克服传统测量仪器单一功能的缺点。本设计正是以这种思想为出发点，以电子技术实验室的真实函数信号发生器、示波器、频率计为蓝本，利用LabVIEW编程来设计虚拟函数信号发生器、虚拟存储示波器、虚拟频率计，并将其合并在一个虚拟平台上面，能够
2、分别实现虚拟仿真函数信号发生器、存储示波器、及频率计的功能,实现真正意义上的虚拟仪器平台。其虚拟平台上面的函数信号发生器可以产生正弦波、三角波、方波三种波形，并能够实现波形频率从1Hz到2MHz可调，峰峰值从0.1V到8.0V可调，实时性很好；示波器能正确的显示波形，并能实现频率和幅值的可调；频率计可以对0HZ到99.99KHZ的信号进行频率的测量。本设计利用RS-232串口进行数据的传输，实现了LabVIEW与FPGA的通信。同时对仿真信号的生成与控制做了详细的分析，以及对设计中的问题进行了深入的探讨。本设计旨在找到一个能够改革教学实验室的有效途径。关键词：虚拟仪器，LabVIEW，RS-2
3、32，FPGATHE DESIGN OF VIRTUAL INSTRUMENTS PLATFORM BASED ON LABVIEW AND FPGAABSTRACTModern production requires electronic instrumentation variety many, strong function, high precision, high degree of automation, and high speed, good real-time in testing, good man-machine interface. Virtual Instrument
4、s can meet precisely these requirements. A variety of instruments are used in the electronic experiments, such as signal generator, multimeter, frequency meter, oscilloscope, etc. If we are able to design them to virtual instruments, improve the integration of instruments using computer and reduce t
5、he type and number of instruments matched to experiments and the space of laboratory, then we can change the face of the laboratory fundamentally and conquer the shortcomings of single function of the traditional measuring instruments.The design of this thinking is the starting point of electronic t
6、echnology to the real function of the laboratory signal generator, oscilloscope, frequency meter based on the use of LabVIEW programming to design the virtual function signal generator, virtual storage oscilloscope, the virtual frequency meter, and combined in a virtual platform, to achieve the virt
7、ual simulation function, respectively, signal generator, oscilloscope, and frequency of functions, the realization of the true sense of the virtual instrument platform. Its virtual platform for the above function signal generator can produce sine wave, triangle wave, square wave three, and be able t
8、o achieve the waveform frequency from 1Hz to 2MHz Adjustable peak peak adjustable from 0.1V to 8.0V, a very good real-time; oscilloscope waveform display correctly, and to achieve an adjustable frequency and amplitude; 0HZ Cymometer can 99.99KHZ signal to the frequency measurements.The design of the
9、 use of RS-232 serial port for data transmission, the realization of the LabVIEW and FPGA communication. At the same time, the generation of simulation and control signals to do a detailed analysis, as well as design issues in detail. The design of a reform aimed at finding an effective way of teach
10、ing laboratory.KEY WORDS: Virtual Instrument，LabVIEW，RS-232，FPGA 1 研究内容分的功能 利用 LabVIEW 软件和 FPGA 的通讯在计算机屏幕上实现虚拟仪器平台面板，此虚拟仪器平台上包括函数信号发生器、存储示波器和频率计仪器，用户可以通过鼠标对操作面板的按钮、开关和按键，进行上述仪器的功能切换并设置各种工作参数，来控制和操作相应的仪器。测量和分析结果可以从虚拟仪器面板上读出。用户在屏幕上通过虚拟仪器面板对仪器的操作如同在真实仪器上的操作一样直观、方便、灵活。利用虚拟仪器开设综合性、创新型实验，使理论教学与实践更好的紧密结合，教
11、学更生动、更形象，全面提高学生工程素质。同时还可以激发学生的实验兴趣，使学生的实验技能、创新能力得到显著提高。由于此仪器平台具有多台仪器的功能，实验所需仪器的占地面积被减小，相应的实验准备过程被大大的简化。函数信号发生器、频率计和存储示波器作为实验课程上必备的实验仪器，本课题设计虚拟仪器平台比传统的更加灵活，节约成本。教师在教学过程中不需要在一台真实的仪器前操作，只需在电脑上即可完成仪器的演示。虚拟仪器的教学更好的结合了理论与实践相结合，使学生的软件与硬件技能同步提高，虚拟仪器软硬件上模块化的设计使学生在学习的方式上更加灵活，也容易掌握。由此可见，就课程的开设和学生的实际情况来讲虚拟仪器教学是
12、可行的，虚拟仪器平台的设计对于我们日后教学是有一定的意义的。2 虚拟仪器的背景1.1.1 虚拟仪器技术由于电子技术、计算机技术、软件技术、网络技术的高度发展及其在电子测量技术与仪器上的应用，新的测试理论、新的测试方法、新的测试领域及新的仪器结构不断出现，许多方面已经突破传统的仪器概念，电子测量仪器的功能和结构己经发生了质的变化。在这种背景下，八十年代末美国率先研制了虚拟仪器(Virtual Instruments)。虚拟仪器就是利用现有的计算机加上特殊设计的仪器硬件和专用软件，形成既有普通仪器的基本功能，又有一般仪器没有的特殊功能的高档、低价的新型仪器。虚拟仪器利用个人计算机强大的图形环境和在
13、线帮助功能，建立虚拟仪器面板，完成对仪器的控制、数据分析与显示。代替传统仪器，改变了传统仪器的使用方式，提高仪器的功能和使用效率，同时大大降低了仪器的价格，使用户可以根据自己的需要定义仪器的功能。用于虚拟仪器的开发环境目前有两大类：一是文本式的编程语言，如Visual Basic， Visual C+、LabWindow/CVI等，另一类是图形化编程语言，具有代表性的有LabVIEW， HPVEE。其中影响最大的要数LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，实验室虚拟仪器工程平台)语言，被称为“仪器仪表界面” ，是专
14、为数据采集与仪器控制、数据分析和数据表达而设计的开发软件 1。1.1.2 国内外发展状况及前景早在八十年代，随着 NI 旗航产品 LabVIEW 的诞生，NI 就提出“软件就是仪器的口号” ，开辟了“虚拟仪器技术”的崭新测量概念。从九十年代开始，国内一些大学在实验教学领域相继开展了虚拟仪器系统的研究与开发工作。目前，我国部分高校还正在开展虚拟仪器的研究工作，重点在于研制具有自主知识产权的虚拟仪器软件平台，并开发响应的虚拟仪器设备。2003 年 10 月和 2004 年1 月 NI 分别联合吉林大学和华中科技大学创建 LabVIEW 实验室；2004 年 12 月清华大学与美国国家仪器公司在精密
15、仪器和机械系新建虚拟仪器联合教学实验室。LabVIEW 作为一种模块化、图形化程序设计工具具有图形化程序设计编程简单、直观、开发效率高、测试系统开发完整等优点。在国内外，航天、航空、通信、汽车、半导体、自动控制和生物医学等世界范围的众多领域内得到广泛应用使得非专业人员进行虚拟仪器开发变得容易。在虚拟仪器的硬件构成中，数据采集卡的性能是最重要的。由于 PCI 总线传输速率高，数据吞吐量大，因此基于 PCI 总线的数据采集卡成为设计的主流。但是由于数据采集卡价格昂贵，且教学实验波形精确度要求不高，也可采用基于 Nios与 LabVIEW 的函数波形发生器设计，即采用 FPGA 结合微处理器的形式。
16、DDS 部分功能由 FPGA 来实现，微处理器用于完成控制功能，再运用 SOPC技术基于 FPGA 芯片将处理器、存储器、I/O 等系统需要的模块集成到一起，软硬件可裁减，并具备在系统可编程的功能，可大大简化系统电路，提高系统集成度。1.1.3 函数信号发生器设计思想由于选择的是方案二即发送波形命令的形式来控制波形就大大降低了串口的发送负担，使得串口的发送速率能够满足设计要求达到实时性，具体的设计流程是把每种波形的参数都设定为不同的数字如表 2-2（三角波用 0 表示，正弦波用 1 表示，方波用 2 表示） ，一共有四个波形参数分别为波形类型，频率系数（即在某个频段内的频率旋钮调节值） ，频段
17、，峰峰值。表 2-2 波形类型编码表波形类型 发送参数三角波 0正弦波 1方波 2表 2-3 频段编码表频段 发送参数2MHz 0200KHz 120KHz 22KHz 3200Hz 420Hz 52Hz 6波形类型由于有三种波形，其参数为 02（十进制）占一位；频率系数由于在 200K2Mhz 频段内步进为 5Khz，因此可用 0359 表示这频段内的 360 个不同频率，占三位。频段有七段分别为2Hz，20Hz，200Hz，2Khz，20Khz，200Khz，2Mhz.因此用 06 表示，占一位，如表 2-3。峰峰值是以 0.1V 为步进的，而经测量 D/A 转换的最大峰峰值为8.5V，可
18、用 084 表示这 85 个不同值，占 2 位。这四种参数加起来一共要发送7 位的十进制数，把这些数字连接到一起组成一帧按照一定的波特率发到串口，而且每当这七位数字有变化时就把新的数据发送到串口。如发送数据为1234567 七位数字，就表示要产生的波形为正弦波，频率系数为 234，频段为5，峰峰值系数为 67。之后用 FPGA 设计一串口接收模块，按照设定好的波特率及编码方式解码，得到的波形指令通过 DDS 技术产生数字波形，再经过一 D/A转换发送到示波器上验证结果。2.4.3 频率计设计思想由于选择了上面的方案，即发送控制命令的形式来控制 FPGA 发送信息大大降低了串口的发送负担，使得串
19、口的发送速率能够满足设计要求达到实时性，具体的设计流程是把每个按键编码，其编码的规则如表 2-4（高 8 位用“10”表示，低八位用“00”表示，频率用0表示，占空比用1表示） ，一共有三个控制参数分别为发送低 8 位，发送高 8 位，发送频率，发送占空比，发送低8 位的控制信息用 1 位表示，发送高 8 位的控制信息用 1 位表示，发送频率和占空比用一位表示，将上面的三位组合到一起组成一帧按照一定的波特率发到串口，而且每当这 3 位数字有变化时就把新的数据发送到串口。如发送数据为010 三位数字，就表示要接收频率的低 8 位。之后用一串口接收模块，按照设定好的波特率及编码方式解码，得到的控制
20、指令使其工作时发送相应的数字。表 2-4 发送指令编码表名称 发送参数频率低 8 位 010频率高 8 位 001占空比低 8 位 110占空比高 8 位 1013.1.1 人机交互界面的构成由上图可知，人机交互界面有以下几部分组成：1背景图片：主 VI 及其子 VI 频率计的背景图片是自画的，子 VI 函数信号发生器是以真实的信号发生器为蓝本，因此背景图片是以学校电子技术实验室的 TH-SGO1P型功率函数信号发生器为模型，之后在 LabVIEW 中插入其图片。2按钮控件：其主要功能是可以产生一布尔量（true 或 false） ，当按钮按下是为真，弹起时为假。频段选择和波形选择中的按钮即是
21、这种控件，通过它来控制选中某一频段或者某一波形 8；档位和占空比等都是用这样的按钮来控制的。3指示灯控件：LabVIEW 中可以得到一些常见的指示灯与开关按钮，这里选用了与图片上最为接近的圆形指示灯。在此设计中频段选择中的指示灯及频率指示灯，峰峰值指示灯都为此控件，当给指示灯一个 true 值时，指示灯亮，否则给它一个flase 值时指示灯灭。它们的存在使得面板的状态一目了然。4旋钮控件：旋钮控件可以输出一些定义的数值，通过用鼠标旋转此控件即可达到改变输出值，还可以通过选中并点击鼠标右键进入控件属性设置改变控件的属性，如控件值的范围，步进等，本设计中用到的频率调节旋钮和幅值调节旋钮皆为转盘控件
22、，设置频率调节旋钮范围为 0 到 359，步进为 1 可调节 400 个不同值；设置幅值调节旋钮范围为 0 到 8.4，步进为 0.1 ，可以有 85 种不同的幅值调节9。5显示控件：面板中的数值显示控件可以用于频率及幅值的显示。3.1.2 界面的组件设计由于 LabVIEW 自带的控件有限，有些虽然相似但也不是完全相同，如果不加以修改，整体的视觉效果会大打折扣，因此学会修改，设计控件是必须的。在本设计中用到的组件的设计方法为1按钮设计：在 LabVIEW 中虽然有圆形按钮较符合条件，但颜色和大小均不符合条件，且还有几种触发方式选择，不同的触发方式有不同的效果。由于图片中的按钮为黑色且较小，在
23、设计中还要多次使用。这时拖到前面板上一个圆形按钮后选中点击鼠标右键的高级自定义即可进入控件修改面板，再调整好大小及颜色后保存，就可以在控件面板的选择控件中调出自己的按钮控件了。布尔开关的机械动作：布尔开关有 6 种机械动作属性可供选择。在前面板上用鼠标右键单击开关，在快捷菜单中选择 Mechanical Action 就可以看到这些可选的动作。本设计选的为单击时转换 10。2旋钮设计：旋钮的大小及颜色设置如按钮设计，但还有一些如旋钮的范围，步进需要在旋钮属性里设置。3数码管显示设计：为了得到仿真的效果，频率，幅值的显示采用的是数码管字体，LabVIEW中没有自带这种字体，需要自己安装。把数值显
24、示控件调整至需要大小，在前面板上的 12pt 应用程序字体中着到数码管字体，并可以对字体设置颜色，大小，位置设置，还可以通过工具面板中的颜色笔调节字体背景为黑色。3.2 主 VI 程序框图设计程序框图提供 VI 的图形化源程序。在程序框图中对 VI 编程，以控制和操纵定义在前面板上的输入和输出功能。图 37 是与图 34 对应的程序框图。可以看到程序框图中包括了前面板上的开关和指示灯控件的连线端子，还有一些 CIN 节点，if 循环结构及程序的循环结构。整个程序框图设置了一个 While Loop 循环，使它持续工作下去 11。由电源开关控制这一循环的结束。整个程序主要有以下几个模块： 器件选
25、择模块；串口发送模块设计。3.2.1 程序框图LabVIEW 是图象化的编程语言，它的软件设计是以图形连线的方式表示出来。下图 38 即是 LabVIEW 部分的主 VI 的设计程序，图 3-7 主 VI 程序框图 3.2.2 器件选择部分设计图 3-8 器件选择设计图器件选择模块的主要功能是得到器件参数，当前面板中的信号发生器控件按下时，参数为 0，频率计控件按下时参数为 1，示波器控件按下时参数为 2。首先，由于信号发生器，频率计，示波器都是输入控件，在程序框图中相当于普通编程语言的输入参数，只有输出端子，没有输入端子，且输出值为布尔量，通过布尔转（0，1）VI，可以把输出值转换为 0 或
26、 1，分别送到一 CIN节点，对其编程如图信号发生器输入量设为 a； 频率计输入量设为 b； 示波器输入量设为 c；输出为 d。CIN 节点功能就是当 a=1 时，输出 d0，表示信号发生器；当 b=1 时，输出 d=1，表示频率计；当 c=1 时，输出 d=2，表示示波器。之后把 d 的值送至一数值转十进制字符 VI，等待发送 12。CIN 节点程序如下：if(a=1)d=0；elseif(b=1)d=1；elseif(c=1)d=2；3.2.3 串口发送部分设计串口的发送是很重要的一部分，主要功能是完成把波形指令发送到串口上。在此，串口采用的是 LabVIEW 自带的串口发送模块 VISA
27、，可以很方便的调用。在 LabVIEW 的 VISA 面板中有 VISA 配置、VISA 读取、VISA 写入、VISA 关闭、VISA 打开等关于 VISA 串口操作的模块。图 3-9 串口配置与发送设计图首先要先调用一个 VISA 配置 VI，此 VI 的功能是完成串口的配置，如波特率，数据位数，有无奇偶校验等，在这里设置的是波特率为 9600，一位起始位，八位数据位，一位停止位，无奇偶校验，无握手协议。其次，调用一 VISA 写入VI，此 VI 是将连接好的一包数据按指定格式，速率发送的串口上。最后，调用VISA 关闭 VI，关闭串口 13。3.3 函数信号发生器程序框图的设计图 310
28、 是与图 35 对应的程序框图。可以看到程序框图中包括了前面板上的开关，旋钮，指示灯和数值显示等控件的连线端子，还有一些 CIN 节点，if 循环结构及程序的循环结构。整个程序框图设置了一个 While Loop 循环，使它持续工作下去。由电源开关控制这一循环的结束。整个程序主要有以下几个模块： 波形类型模块；频率选择模块；频段选择模块；幅值选择模块；串口发送模块设计。3.3.1 程序框图下图 310 即是 LabVIEW 部分的函数信号发生器的设计程序，图 3-10 函数信号发生器的程序框图 3.3.2 波形类型部分设计图 3-11 波形类型设计图波形类型模块的主要功能是得到波形参数当前面板
29、中的三角控件按下时，参数为 0，正弦控件按下时参数为 1，方波控件按下时参数为 2。首先，由于三角，方波，正弦都是输入控件，在程序框图中相当于普通编程语言的输入参数，只有输出端子，没有输入端子，且输出值为布尔量，通过布尔转（0，1）VI，可以把输出值转换为 0 或 1，分别送到一 CIN 节点，对其编程如图三角输入量设为 a； 方波输入量设为 b； 正弦输入量设为 c；输出为 d。CIN 节点功能就是当 a=1 时，输出 d0，表示三角波；当 b=1 时，输出d=2，表示方波；当 c=1 时，输出 d=1，表示正弦波。之后把 d 的值送至一数值转十进制字符 VI，等待打包发送。CIN 节点程序
30、如下：if(a=1)d=0；elseif(b=1)d=2；elseif(c=1)d=1；3.3.3 频率选择部分设计图 3-12 频选模块设计图 频率选择模块的主要功能是由频段按钮与频率调节选钮的的值作为输入计算出频率值并且得到频率系数也频段参数。频率旋钮调节输出是一 0359 之间的数值假设为 a，频段的判断方法与波形选择模块相似，可分别用 06 七个数字来分别表示 2M2Hz 这七个频段，则频率的值为 pinlv=205+a*5/(10n)Khz。这些数值转换也在一个 CIN 公式接点内完成。 3.3.4 峰峰值调节部分设计图 3-13 峰峰值部分设计图峰峰值的调节是由幅侄调节旋钮完成的，
31、主要功能是调节信号的峰峰值大小，峰峰值的调节输出直接送到峰峰值的显示控件，范围为 08.5V，步进为0.1v。但其参数为真实值的十倍，以 085 代表 08.5v 之间的数值。3.3.5 串口发送部分设计串口的发送是很重要的一部分，主要功能是完成把波形指令发送到串口上。在此，串口采用的是 LabVIEW 自带的串口发送模块 VISA，可以很方便的调用。图 3-14 串口配置与发送设计图首先要先调用一个 VISA 配置 VI，此 VI 的功能是完成串口的配置，如波特率，数据位数，有无奇偶校验等，在这里设置的是波特率为 9375，一位起始位，八位数据位，一位停止位，无奇偶校验，无握手协议。其次，调用一 VISA 写入VI，此 VI 是将连接好的一包数据按指定格式，速率发送的串口上。最后，调用VISA 关闭 VI，关闭串口。
