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虛擬儀器是隨著(zhù)計算機技術(shù)、電子測量技術(shù)和通信技術(shù)發(fā)展起來(lái)的一種新型儀器。它充分利用計算機系統強大的數據處理和顯示能力，利用軟件完成數據的采集、控制、數據分析和處理以及測試結果的顯示等，通過(guò)軟、硬件的配合，實(shí)現傳統儀器的各種功能，真正實(shí)現了“軟件即儀器”的概念，用戶(hù)可以方便地對儀器進(jìn)行維護和擴展。 電壓是電路中常用的電信號，通過(guò)電壓測量，利用基本公式可以導出其他的參數。因此，電壓測量是其他許多電參數和非電參數量的基礎。測量電壓相當普及的一種測量?jì)x表就是電壓表，但常用的是模擬電壓表。模擬電壓表根據檢波方式的不同。分為峰值電壓表、均值電壓表和平均值電壓表，它們都各自做成獨立的儀表。這樣，使用模擬電壓表進(jìn)行交流電壓測量時(shí)，必須根據測量要求選擇儀表。另外，多數電壓表的表頭是按正弦交流有效值刻度的，而測量非正弦波時(shí)，必須經(jīng)過(guò)換算才能得到正確的測量結果，從而給實(shí)際工作帶來(lái)不便。 采用虛擬電壓表，可將表征交流電壓特征的峰值、平均值和有效值集中顯示在一塊面板上，測量時(shí)可根據波形在面板上選擇儀表，用戶(hù)僅通過(guò)面板指示值就能對測量結果進(jìn)行分析比較，大大簡(jiǎn)化了測量步驟。 1 虛擬電壓表的設計思路 LabVIEw 8．2版本的工程技術(shù)比以往任何一個(gè)版本都豐富．它采用了中文界面，各個(gè)控件的功能一目了然。利用它全新的用戶(hù)界面對象和功能，能開(kāi)發(fā)出專(zhuān)業(yè)化、可完全自定義的前面板。LabVIEW 8．2對數學(xué)、信號處理和分析也進(jìn)行了重大的補充和完善，信號處理分析和數學(xué)具有更為全面和強大的庫，其中包括500多個(gè)函數。所以在LabVIEW 8．2版本下能夠更方便地實(shí)現虛擬電壓表的設計。 虛擬電壓表是基于計算機和標準總線(xiàn)技術(shù)的模塊化系統，通常它由控制模塊、儀器模塊和軟件組成，由軟件編程來(lái)實(shí)現儀器的功能。在虛擬儀器中，計算機顯示器是惟一的交互界面，物理的開(kāi)關(guān)、按鍵、旋鈕以及數碼管等顯示器件均由與實(shí)物外觀(guān)相似的圖形控件來(lái)代替，操作人員只要通過(guò)鼠標或鍵盤(pán)操作虛擬儀器面板上的旋鈕、開(kāi)關(guān)、按鍵等設置各種參數，就能根據自己的需要定義儀器的功能。在虛擬電壓表的設計中，考慮到儀器主要用于教學(xué)和實(shí)驗，使用對象是學(xué)生，因此將引言中提到的三種檢波方式的儀器合為一體，既簡(jiǎn)化了面板操作，又便于直接對比。 該電壓表主要用于電路分析和模擬電子技術(shù)等實(shí)驗課的教學(xué)和測量?jì)x器，能夠使學(xué)習者了解和掌握電壓的測量和電壓表對各種波形的不同響應。因此，虛擬電壓表應具備電源開(kāi)關(guān)控制、波形選擇，以及顯示峰值、有效值和平均值三種結果，且輸入信號的大小可調節等功能。虛擬電壓表由硬件設備與接口、設備驅動(dòng)軟件和虛擬儀器面板組成。其中，硬件設備與接口包括儀器接口設備和計算機，設備驅動(dòng)軟件是直接控制各種硬件接口的驅動(dòng)程序，虛擬儀器通過(guò)底層設備驅動(dòng)軟件與真實(shí)的儀器系統進(jìn)行通信，并以虛擬儀器面板的形式在計算機屏幕上顯示與真實(shí)儀器面板操作相對應的各種控件。在此，用軟件虛擬了一個(gè)信號發(fā)生器。該信號發(fā)生器可產(chǎn)生正弦波、方波和三角波，還可以輸入公式，產(chǎn)生任意波形。根據需要，可調節面板上的控件來(lái)改變信號的頻率和幅度等可調參數，然后檢測電壓表的運行情況。因此，在LabVIEW圖形語(yǔ)言環(huán)境下設計的虛擬電壓表主要分為兩個(gè)部分：第一部分是虛擬電壓表前面板的設計；第二部分是虛擬電壓表流程圖的設汁。 2 前面板的設計 前面板模擬真實(shí)電壓表的前面板，用于設置輸入數值和觀(guān)察輸出量。由于虛擬面板直接面向用戶(hù)，是虛擬電壓表控制軟件的核心。設計這部分時(shí)，主要考慮界面美觀(guān)、操作簡(jiǎn)潔，用戶(hù)能通過(guò)面板上的各種按鈕、開(kāi)關(guān)等控件來(lái)控制虛擬電壓表進(jìn)行測量工作。根據傳統電壓表面板控件的功能，利用LabVIEW中的控制模板，分別在設計面板上放入模擬實(shí)際電壓表控件的數據輸入控件、顯示器、數據輸出控件、開(kāi)關(guān)、選擇器，顯示器用于顯示輸入的信號波形；數據輸入控件主要用于輸入被測信號的信號頻率、采樣頻率、采樣數、振幅和相位；數據輸出控件則用于輸出被測信號經(jīng)過(guò)處理后得到的峰值、平均值和有效值及標準頻率的有效顯示。打開(kāi)LabVIEW前面板的編輯窗口，點(diǎn)擊鼠標右鍵，顯示控制模板，選擇圖形一波形圖，作為電壓表的顯示器。在顯示器模板上點(diǎn)擊鼠標右鍵，對其進(jìn)行屬性設置，例如根據示波器的頻率與幅度值的變化，利用工具模板中的文字工具，對示波器橫(時(shí)間)、縱(幅度)坐標的刻度進(jìn)行重新設置。用Graph控件設計的示波器是完全同步的，且波形穩定。 選擇控件→數值→數值輸入控件／數值顯示控件，作為電壓表參數設置中輸入和測試結果的數據顯示。 選擇控件→下拉列表與枚舉→菜單下拉列表，放置對輸入波形選擇開(kāi)關(guān)，在下拉列表中單擊鼠標右鍵，選擇“編輯項”對其進(jìn)行編輯。 “電源開(kāi)關(guān)”控件選擇經(jīng)典→經(jīng)典布爾→方形按鈕，當按下開(kāi)關(guān)時(shí)，虛擬電壓表開(kāi)始運行，同時(shí)電源開(kāi)關(guān)的指示燈亮。同樣，當彈起開(kāi)關(guān)時(shí)，虛擬電壓表停止運行。前面板如圖1所示。 3 流程圖的設計 每一個(gè)前面板都對應一個(gè)流程圖程序。前面板的設計完成后，可對流程圖程序進(jìn)行設計。打開(kāi)LabVIEW設計環(huán)境中的窗口→顯示程序框圖，進(jìn)入流程圖編輯窗口，與前面板各控件對應的端口圖標自動(dòng)出現在流程圖編輯窗口中。利用LabVIEW中的功能模塊，根據虛擬示波器前面板各控件的作用和聯(lián)系，虛擬示波器運作后數據流的控制，分別在流程圖設計面板中放置各個(gè)功能模塊，合理擺放后，在用連線(xiàn)工具依次連接，以實(shí)現虛擬示波器的功能。數據流的編輯主要是對端口圖標的連接。用連線(xiàn)工具進(jìn)行連線(xiàn)時(shí)，如果端口閃爍，說(shuō)明相連的數據類(lèi)型匹配，否則不能連接。 3．1 虛擬信號發(fā)生器的實(shí)現 由于虛擬電壓表主要用于演示，所以為了方便，可直接利用LabVIEW軟件產(chǎn)生仿真信號。在該設計中，設置了正弦波、方波和三角波以及由公式確定的任意波形。在程序設計框圖中，使用一個(gè)Case(選擇)語(yǔ)句對四種波形進(jìn)行選擇。Case語(yǔ)句中，每一個(gè)數字(0，1，2，3，4)都代表一種波形，與前面板控件中5種狀態(tài)相對應。至于Case語(yǔ)句的制作，只需將4個(gè)圖標中的一個(gè)，例如正弦波發(fā)生程序，用Case框起來(lái)，然后在上面的空白處寫(xiě)上相應的數字，例如1；然后點(diǎn)擊箭頭，可以設置第二個(gè)圖標，如果要添加一個(gè)Case的話(huà)，可以點(diǎn)擊鼠標右鍵，直接添加，編輯相應的基本信號發(fā)生器VI中相應的節點(diǎn)即可。在添加公式波時(shí)，要把基本信號發(fā)生器VI換成公式波形VI，0代表默認狀態(tài)，表示無(wú)任何波形輸入。本文給出了Case結構的一個(gè)分支，公式波形的流程圖如圖2所示。該子Ⅵ可使用指定時(shí)間函數的公式字符串生成一個(gè)函數波形，它要求公式的自變量必須是t，它所支持的運算符和常用的函數。 另外，在模擬狀態(tài)下，信號頻率以赫茲或者每秒周期數為單位。但是在數字系統中，通常使用數字頻率，它是信號頻率與采樣頻率的比值，被稱(chēng)為標準頻率。所以，在框圖程序中，應當在信號頻率與采樣頻率之間加載一個(gè)除法器。 在波形發(fā)生程序按照規定的參數產(chǎn)生波形后，如果將波形直接輸入波形顯示控件，那將是錯誤的。因為波形顯示控件，并不像數據顯示控件那樣只需要一個(gè)或一組數據，因此波形能否按規定顯示出來(lái)，取決于輸入的幾組不同且具有決定性的數據，例如周期、相位等。在該設計中，將z軸起始坐標、周期、波形捆綁成一個(gè)數組，同時(shí)輸入到波形顯示控件中。 3．2 數據處理部分 數據處理部分的作用，就是將產(chǎn)生出的信號通過(guò)不同形式的檢波、計算，得出規定的不同的結果。在該設計中同時(shí)顯示交流有效值、峰值和平均值。對于一個(gè)純粹的交流電壓，正半周期信號與負半周期信號對稱(chēng)，U的平均值等于零，所以一般不直接測量平均值。在設計時(shí)，按函數→數值→絕對值取交流電壓的絕對值，然后求平均值，取全波平均值。交流電壓中的最大值，即為峰值�？梢酝ㄟ^(guò)比較數據求出最大值，這需要使用波形最大、最小子虛擬儀器來(lái)處理框圖。有效值顯示：在函數→信號處理→波形測量中選擇基本平均直流均方根。其框圖符號如圖3所示。 圖3中，DC value為測量的直流分量；RMS為value測量有效值；reset用于重啟過(guò)去記錄的時(shí)間信號、平均測量的參數；averaging type是測量中的平均類(lèi)型，在單個(gè)模塊VI中，可依據輸入記錄長(cháng)度自動(dòng)設置平均時(shí)間；Window是在DC／RMS計算之前，用于記錄時(shí)間的窗；erroe in是在該VI運行之前描述錯誤環(huán)境，默認值為no error。如果錯誤已經(jīng)發(fā)生，該VI在errorout端返回錯誤代碼，子VI在無(wú)錯誤時(shí)才正常運行。 3．3 開(kāi)關(guān)部分 用一個(gè)while條件語(yǔ)句設計整個(gè)框圖程序，當模擬電壓開(kāi)關(guān)為“1”時(shí)，虛擬電壓表工作，條件語(yǔ)句中的程序開(kāi)始運行；當模擬開(kāi)關(guān)為“0”即關(guān)時(shí)，條件語(yǔ)句中的程序停止運行，虛擬電壓表不工作。設計好的流程圖如圖4所示。 4 結 語(yǔ) 經(jīng)過(guò)實(shí)際使用，虛擬電壓表所有的控制鍵和功能正常，符合使用要求。需要指出的是，在設計該虛擬電壓表時(shí)，簽于教學(xué)使用的目的，僅從功能上考慮，并未對虛擬電壓表的技術(shù)指標進(jìn)行深入研究。事實(shí)上，峰值是取樣值的最大值，而取樣點(diǎn)不可能取得太多，否則運行速度太慢，因此顯示的峰值與理論值是有差別的，在設計時(shí)應注意合理選擇參數。 在LabVIEW圖形化語(yǔ)言環(huán)境下設計的虛擬儀器簡(jiǎn)單快捷，用戶(hù)完全可根據測試功能的需要，調用不同功能的軟件模塊，以組建自己的儀器。這對測量者，尤其是高等院校的實(shí)驗室是非常方便的�？稍谕慌_計算機中，根據不同的教學(xué)層次，設計不同檔次的儀器為教學(xué)服務(wù)。如何針對不同的教學(xué)目的，分別對硬件驅動(dòng)程序部分、虛擬面板部分、信號的后期處理部分進(jìn)行部分或完整的設計，信號的后期處理程序可以設計成一個(gè)獨立的功能模塊，能夠對采樣信號進(jìn)行非實(shí)時(shí)的在現和離線(xiàn)分析，既滿(mǎn)足了學(xué)生的要求，又避免了設備的重復購置。 |
