基于Lab VIEW的簡單信號發(fā)生器的設(shè)計

劉瑞

摘 要：信號發(fā)生器是實驗教學、生產(chǎn)實踐和科學研究中不可缺少的通用電子測量儀器之一，主要用于產(chǎn)生具有不同頻率和幅度的各種波形，為實驗研究提供所需要的特定信號。為此設(shè)計了基于Lab VIEW控制的信號發(fā)生器。通過USB接口連接已有的便攜式信號發(fā)生器，在上位機上使用Lab VIEW所生成的應用程序，對小型信號源進行控制，實現(xiàn)雙通道不同頻率和幅度的各種波形，達到便攜簡單方面的效果。該文主要從Lab VIEW軟件設(shè)計方面和利用VISA進行軟硬件通信方面進行介紹，提出了優(yōu)化方案，給出了實驗結(jié)果并對結(jié)果進行了分析。

關(guān)鍵詞：Lab VIEW VISA 信號發(fā)生器

中圖分類號：TN710 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）09（a）-0048-02

信號發(fā)生器是電子實驗室和電子測量中經(jīng)常使用的一種儀器設(shè)備，主要是用來產(chǎn)生不同幅值和頻率的信號，包括常用的正弦波、三角波、方波以及鋸齒波信號等。傳統(tǒng)信號發(fā)生器由純粹物理器件及硬件電路構(gòu)成，存在著一些弊端，如體積較大、質(zhì)量較重、移動不便、信號失真較大、波形種類較單一、可調(diào)范圍小等，而且需要獨立電源供電，容易受其干擾；在科研和生產(chǎn)的一些實際應用中，如工業(yè)過程控制、生物醫(yī)學、地震模擬機械振動等常常需要用到低頻信號源，由硬件電路構(gòu)成的低頻信號難以令人滿意。此外，這種獨立的傳統(tǒng)儀器，儀器的旋鈕和開關(guān)、內(nèi)置電路及用戶所能使用的功能都是已經(jīng)固定了，用戶通常不能對其加以擴展或自定義功能。這些硬件或電路帶來的弊端可通過基于軟件思想的虛擬信號發(fā)生器來靈活、高效地克服。

1 系統(tǒng)總體介紹

系統(tǒng)總體介紹如圖1所示，通過Lab VIEW編寫信號發(fā)生器程序，利用VISA與硬件相連接。上位機安裝驅(qū)動，通過USB接口與信號發(fā)生器硬件相連，從而由上位機控制產(chǎn)生波形。此外，根據(jù)Lab VIEW編寫程序，仿真出顯示波形。

2 系統(tǒng)硬件介紹

2.1 信號發(fā)生器介紹

該文采用的是硬件是MHS2300系列雙通道DDS信號發(fā)生器。該儀器采用大規(guī)模FPGA集成電路和32位高速ARM微處理器，內(nèi)部電路采取表面貼片工藝，大大提高了儀器的抗干擾性和使用壽命。信號方面，儀器具有雙路DDS信號輸出，兩路輸出均有正弦波、方波、三角波、鋸齒波脈沖波的標準函數(shù)波形的同時，還具有15個1024*10 bits的任意波輸出，掃描方面能夠?qū)崿F(xiàn)自定義起點終點和掃描時間的頻率掃描、幅度掃描和占空比掃描等三種掃描方式。CH1和CH2兩個通道完全對稱，正弦信號頻率最高為20 MHz，幅度最高可達到20 Vp-p，頻率分辨力最小可達10 uHz，電源供電采用單一5 V供電，極大方便了本機的使用靈活性。在與PC機連接后，能夠使用PC機控制該儀器，并且能夠在PC記上編輯任意波形后下載到儀器輸出波形。本儀器在信號產(chǎn)生、波形掃描、參數(shù)測量以及使用方面都有很大的優(yōu)勢，是電子工程師、電子實驗室、生產(chǎn)線及教學、科研的理想測試、計量設(shè)備。

2.2 儀器通信協(xié)議

該信號源與PC通過USB接口連接通信，通過安裝CP2102驅(qū)動以及遵循該儀器的通信協(xié)議。根據(jù)協(xié)議，我們知道控制指令總體結(jié)構(gòu)采用命令行方式，通信速率為9600，19200，38400和57600bps可選，由PC發(fā)出命令，本機解析執(zhí)行，然后返回結(jié)果給PC機，每個命令的結(jié)尾符號為換行符（十六進制表示為“0x0a”），以下就不同命令加以說明。

該機器的命令總體結(jié)構(gòu)分三部分，各個指令均以逗號（，）分隔。起始指令包括一個字符的起始標志冒號（：），和十進制表示的本機地址兩個字符，比如，本機地址設(shè)定為01，則起始指令就是：01。命令部分可以包含1條或者多條指令同時執(zhí)行，指令總體有三類，第一類為讀取指令，以小寫字母r開頭；第二類為寫入指令，以小寫字母w開頭；第三類為任意波傳輸指令，以小寫字母a開頭；針對r和w指令，本機定義了若干可以訪問的寄存器地址，讀取或者寫入都是需要指定寄存器地址的，比如，讀取CH1的頻率值的指令為r23，讀取CH1的幅度值的指令為r25。寫入CH2的頻率值為12.45 kHz的指令為w241245000，寫入CH2的幅度值為2.58 V的指令為w26258。結(jié)束指令為三位十進制數(shù)的LRC校驗值，后面再加換行符0x0a，其中的LRC校驗值為前面所有字符的ASCII值之和再取反加1得到，這個LRC值也可以由本機設(shè)定為不進行檢驗和進行檢驗，一般為了簡化操作，本機默認是不進行LRC校驗的。根據(jù)通信協(xié)議，我們可以利用Lab VIEW中的連接字符串函數(shù)，將我們所需要的字符串聯(lián)起來。

3 軟件介紹與系統(tǒng)設(shè)計

3.1 軟件介紹

簡單信號發(fā)生器軟件部分是在Lab VlEW8.6環(huán)境中編程實現(xiàn)。Lab VIEW是NI公司的創(chuàng)新軟件產(chǎn)品，是目前應用最廣、發(fā)展最快、功能最強的圖形化軟件集成開發(fā)環(huán)境，使用所見即所得的可視化技術(shù)建立人機界面，使用圖標表示功能模塊，使用圖標之間的連線表示各模塊之間的數(shù)據(jù)傳遞。Lab VIEW擁有一整套工具用于采集、分析、顯示和存儲數(shù)據(jù)，以及解決用戶編寫代碼過程中可能出現(xiàn)的問題。其提供多種輸入控件和顯示控件用于創(chuàng)建用戶界面，即前面板。輸入控件指旋鈕、按鈕、轉(zhuǎn)盤等輸入裝置。顯示控件指圖形、指示燈等輸出顯示裝置。創(chuàng)建用戶界面后，可添加各種VI和結(jié)構(gòu)作為代碼，從而控制前面板對象。

VISA是儀器編程的一個標準I/O應用程序編程接口（API）。在框圖中幾乎所有的Lab VIEW儀器驅(qū)動程序都使用VISA函數(shù)。VISA能夠控制VXI、GPIB、PXI或串行儀器，可以根據(jù)使用的儀器類型，調(diào)用適當?shù)膬x器驅(qū)動程序。

3.2 總體程序設(shè)計

總體程序設(shè)計如圖2所示。

按照硬件電路設(shè)計，系統(tǒng)軟件編程的基本思路是首先對硬件初始化，在Lab VIEW中，使用VISA配置串口函數(shù)，設(shè)置VISA資源名稱、比特率等信息，其他節(jié)點選擇默認。之后進入While循環(huán)，設(shè)置停止按鈕。之后建立層疊式順序結(jié)構(gòu)，設(shè)置通道，通道二與通道一相似。具體設(shè)計思路以通道一為例。endprint

3.2.1 通信協(xié)議指令寫入設(shè)計

通信協(xié)議指令寫入部分如圖3所示。

寫入部分主要是根據(jù)通信協(xié)議指令格式，寫入VISA。其中需要設(shè)置波形，通過條件循環(huán)結(jié)構(gòu)，選擇波形。頻率和幅度通過數(shù)字轉(zhuǎn)字符函數(shù)，轉(zhuǎn)換為字符串，最后通過組合字符串函數(shù)，將所有字符組合，最后加入換行符。從而完成對儀器的通信指令寫入。之后在層疊式順序結(jié)構(gòu)中，加入500 ms延時，以便儀器有足夠時間返回數(shù)據(jù)。

3.2.2 通信協(xié)議指令讀取設(shè)計

通信協(xié)議指令讀取部分如圖4所示。

在對儀器寫入指令之后，通過連接屬性節(jié)點，連接VISA讀取函數(shù)。讀取緩沖區(qū)的字符串，利用截取字符串函數(shù)與字符串轉(zhuǎn)數(shù)值函數(shù)，獲得需要的返回頻率和返回幅值。從而得到最終輸出的頻率與幅值。由于軟件仿真的頻率與PC機的內(nèi)存有關(guān)，當輸出頻率較大時（約1 MHz，具體與PC機內(nèi)存配置有關(guān)），PC機無法正常仿真，故我們只采取仿真波形與幅值，最終將仿真波形反饋到前面板波形圖中。

4 試驗測試結(jié)果和分析

為測試系統(tǒng)的性能，測算并校驗所采集信號，連接儀器與示波器，構(gòu)建實驗系統(tǒng)，并進行了實際性能測試。

如圖5所示，當通道一選擇方波，通道二選擇正弦波時，可以穩(wěn)定輸出。當更改任意輸入方式時，均可以達到預想波形且實時性良好。其中信號幅度最高為5 V，正弦信號頻率最高為20 MHz。

5 結(jié)語

該文進行了基于Lab VIEW的簡單信號發(fā)生器軟件的設(shè)計，完成了上位機控制軟件的開發(fā)，解決實現(xiàn)了與硬件通信的方案。系統(tǒng)中使用的儀器高度集成，靈活性強；能按要求產(chǎn)生多種常見信號，參數(shù)能在較大范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)；操作界面簡單，性能穩(wěn)定可靠，可按需增減其他功能模塊。

參考文獻

[1] 樊煒.虛擬任意波信號發(fā)生器研究[D].浙江大學，2003：1-2.

[2] MHS2300系列雙通道DDS信號發(fā)生器通信協(xié)議[Z].2013.

[3] 張桐，陳國順，王正林.精通LabVIEW程序設(shè)計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008：277-299.

[4] 王麗君，劉悅.基于LabVIEW的虛擬信號發(fā)生器及示波器的設(shè)計[J].華北水利水電學院學報，2010，31（3）.

[5] 劉麗桑.基于LabVIEW的虛擬信號處理系統(tǒng)[J].光學儀器，2007（9）.

[6] National Instruments Corporation.Using NI-DAQmx to Control USB Device[Z].Reference Materials，2005.

[7] National Instruments Corporation.Using External Code in LabVIEW[Z].Reference Materials，2003.endprint

3.2.1 通信協(xié)議指令寫入設(shè)計

通信協(xié)議指令寫入部分如圖3所示。

寫入部分主要是根據(jù)通信協(xié)議指令格式，寫入VISA。其中需要設(shè)置波形，通過條件循環(huán)結(jié)構(gòu)，選擇波形。頻率和幅度通過數(shù)字轉(zhuǎn)字符函數(shù)，轉(zhuǎn)換為字符串，最后通過組合字符串函數(shù)，將所有字符組合，最后加入換行符。從而完成對儀器的通信指令寫入。之后在層疊式順序結(jié)構(gòu)中，加入500 ms延時，以便儀器有足夠時間返回數(shù)據(jù)。

3.2.2 通信協(xié)議指令讀取設(shè)計

通信協(xié)議指令讀取部分如圖4所示。

在對儀器寫入指令之后，通過連接屬性節(jié)點，連接VISA讀取函數(shù)。讀取緩沖區(qū)的字符串，利用截取字符串函數(shù)與字符串轉(zhuǎn)數(shù)值函數(shù)，獲得需要的返回頻率和返回幅值。從而得到最終輸出的頻率與幅值。由于軟件仿真的頻率與PC機的內(nèi)存有關(guān)，當輸出頻率較大時（約1 MHz，具體與PC機內(nèi)存配置有關(guān)），PC機無法正常仿真，故我們只采取仿真波形與幅值，最終將仿真波形反饋到前面板波形圖中。

4 試驗測試結(jié)果和分析

為測試系統(tǒng)的性能，測算并校驗所采集信號，連接儀器與示波器，構(gòu)建實驗系統(tǒng)，并進行了實際性能測試。

如圖5所示，當通道一選擇方波，通道二選擇正弦波時，可以穩(wěn)定輸出。當更改任意輸入方式時，均可以達到預想波形且實時性良好。其中信號幅度最高為5 V，正弦信號頻率最高為20 MHz。

5 結(jié)語

該文進行了基于Lab VIEW的簡單信號發(fā)生器軟件的設(shè)計，完成了上位機控制軟件的開發(fā)，解決實現(xiàn)了與硬件通信的方案。系統(tǒng)中使用的儀器高度集成，靈活性強；能按要求產(chǎn)生多種常見信號，參數(shù)能在較大范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)；操作界面簡單，性能穩(wěn)定可靠，可按需增減其他功能模塊。

參考文獻

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[5] 劉麗桑.基于LabVIEW的虛擬信號處理系統(tǒng)[J].光學儀器，2007（9）.

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[7] National Instruments Corporation.Using External Code in LabVIEW[Z].Reference Materials，2003.endprint

3.2.1 通信協(xié)議指令寫入設(shè)計

通信協(xié)議指令寫入部分如圖3所示。

寫入部分主要是根據(jù)通信協(xié)議指令格式，寫入VISA。其中需要設(shè)置波形，通過條件循環(huán)結(jié)構(gòu)，選擇波形。頻率和幅度通過數(shù)字轉(zhuǎn)字符函數(shù)，轉(zhuǎn)換為字符串，最后通過組合字符串函數(shù)，將所有字符組合，最后加入換行符。從而完成對儀器的通信指令寫入。之后在層疊式順序結(jié)構(gòu)中，加入500 ms延時，以便儀器有足夠時間返回數(shù)據(jù)。

3.2.2 通信協(xié)議指令讀取設(shè)計

通信協(xié)議指令讀取部分如圖4所示。

在對儀器寫入指令之后，通過連接屬性節(jié)點，連接VISA讀取函數(shù)。讀取緩沖區(qū)的字符串，利用截取字符串函數(shù)與字符串轉(zhuǎn)數(shù)值函數(shù)，獲得需要的返回頻率和返回幅值。從而得到最終輸出的頻率與幅值。由于軟件仿真的頻率與PC機的內(nèi)存有關(guān)，當輸出頻率較大時（約1 MHz，具體與PC機內(nèi)存配置有關(guān)），PC機無法正常仿真，故我們只采取仿真波形與幅值，最終將仿真波形反饋到前面板波形圖中。

4 試驗測試結(jié)果和分析

為測試系統(tǒng)的性能，測算并校驗所采集信號，連接儀器與示波器，構(gòu)建實驗系統(tǒng)，并進行了實際性能測試。

如圖5所示，當通道一選擇方波，通道二選擇正弦波時，可以穩(wěn)定輸出。當更改任意輸入方式時，均可以達到預想波形且實時性良好。其中信號幅度最高為5 V，正弦信號頻率最高為20 MHz。

5 結(jié)語

該文進行了基于Lab VIEW的簡單信號發(fā)生器軟件的設(shè)計，完成了上位機控制軟件的開發(fā)，解決實現(xiàn)了與硬件通信的方案。系統(tǒng)中使用的儀器高度集成，靈活性強；能按要求產(chǎn)生多種常見信號，參數(shù)能在較大范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)；操作界面簡單，性能穩(wěn)定可靠，可按需增減其他功能模塊。

參考文獻

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[7] National Instruments Corporation.Using External Code in LabVIEW[Z].Reference Materials，2003.endprint