基于Lab VIEW的簡(jiǎn)單信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)

劉瑞

摘 要：信號(hào)發(fā)生器是實(shí)驗(yàn)教學(xué)、生產(chǎn)實(shí)踐和科學(xué)研究中不可缺少的通用電子測(cè)量?jī)x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(shí)驗(yàn)研究提供所需要的特定信號(hào)。為此設(shè)計(jì)了基于Lab VIEW控制的信號(hào)發(fā)生器。通過USB接口連接已有的便攜式信號(hào)發(fā)生器，在上位機(jī)上使用Lab VIEW所生成的應(yīng)用程序，對(duì)小型信號(hào)源進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)雙通道不同頻率和幅度的各種波形，達(dá)到便攜簡(jiǎn)單方面的效果。該文主要從Lab VIEW軟件設(shè)計(jì)方面和利用VISA進(jìn)行軟硬件通信方面進(jìn)行介紹，提出了優(yōu)化方案，給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：Lab VIEW VISA 信號(hào)發(fā)生器

中圖分類號(hào)：TN710 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）09（a）-0048-02

信號(hào)發(fā)生器是電子實(shí)驗(yàn)室和電子測(cè)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(hào)，包括常用的正弦波、三角波、方波以及鋸齒波信號(hào)等。傳統(tǒng)信號(hào)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(dòng)不便、信號(hào)失真較大、波形種類較單一、可調(diào)范圍小等，而且需要獨(dú)立電源供電，容易受其干擾；在科研和生產(chǎn)的一些實(shí)際應(yīng)用中，如工業(yè)過程控制、生物醫(yī)學(xué)、地震模擬機(jī)械振動(dòng)等常常需要用到低頻信號(hào)源，由硬件電路構(gòu)成的低頻信號(hào)難以令人滿意。此外，這種獨(dú)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(duì)其加以擴(kuò)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(hào)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(hào)發(fā)生器程序，利用VISA與硬件相連接。上位機(jī)安裝驅(qū)動(dòng)，通過USB接口與信號(hào)發(fā)生器硬件相連，從而由上位機(jī)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(hào)發(fā)生器介紹

該文采用的是硬件是MHS2300系列雙通道DDS信號(hào)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(hào)方面，儀器具有雙路DDS信號(hào)輸出，兩路輸出均有正弦波、方波、三角波、鋸齒波脈沖波的標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)波形的同時(shí)，還具有15個(gè)1024*10 bits的任意波輸出，掃描方面能夠?qū)崿F(xiàn)自定義起點(diǎn)終點(diǎn)和掃描時(shí)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(gè)通道完全對(duì)稱，正弦信號(hào)頻率最高為20 MHz，幅度最高可達(dá)到20 Vp-p，頻率分辨力最小可達(dá)10 uHz，電源供電采用單一5 V供電，極大方便了本機(jī)的使用靈活性。在與PC機(jī)連接后，能夠使用PC機(jī)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(hào)產(chǎn)生、波形掃描、參數(shù)測(cè)量以及使用方面都有很大的優(yōu)勢(shì)，是電子工程師、電子實(shí)驗(yàn)室、生產(chǎn)線及教學(xué)、科研的理想測(cè)試、計(jì)量設(shè)備。

2.2 儀器通信協(xié)議

該信號(hào)源與PC通過USB接口連接通信，通過安裝CP2102驅(qū)動(dòng)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(jī)解析執(zhí)行，然后返回結(jié)果給PC機(jī)，每個(gè)命令的結(jié)尾符號(hào)為換行符（十六進(jìn)制表示為“0x0a”），以下就不同命令加以說明。

該機(jī)器的命令總體結(jié)構(gòu)分三部分，各個(gè)指令均以逗號(hào)（，）分隔。起始指令包括一個(gè)字符的起始標(biāo)志冒號(hào)（：），和十進(jìn)制表示的本機(jī)地址兩個(gè)字符，比如，本機(jī)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(shí)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(duì)r和w指令，本機(jī)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(jìn)制數(shù)的LRC校驗(yàn)值，后面再加換行符0x0a，其中的LRC校驗(yàn)值為前面所有字符的ASCII值之和再取反加1得到，這個(gè)LRC值也可以由本機(jī)設(shè)定為不進(jìn)行檢驗(yàn)和進(jìn)行檢驗(yàn)，一般為了簡(jiǎn)化操作，本機(jī)默認(rèn)是不進(jìn)行LRC校驗(yàn)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(jì)

3.1 軟件介紹

簡(jiǎn)單信號(hào)發(fā)生器軟件部分是在Lab VlEW8.6環(huán)境中編程實(shí)現(xiàn)。Lab VIEW是NI公司的創(chuàng)新軟件產(chǎn)品，是目前應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強(qiáng)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(jī)界面，使用圖標(biāo)表示功能模塊，使用圖標(biāo)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(chǔ)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(duì)象。

VISA是儀器編程的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)I/O應(yīng)用程序編程接口（API）。在框圖中幾乎所有的Lab VIEW儀器驅(qū)動(dòng)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(dāng)?shù)膬x器驅(qū)動(dòng)程序。

3.2 總體程序設(shè)計(jì)

總體程序設(shè)計(jì)如圖2所示。

按照硬件電路設(shè)計(jì)，系統(tǒng)軟件編程的基本思路是首先對(duì)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(diǎn)選擇默認(rèn)。之后進(jìn)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(jì)思路以通道一為例。endprint

3.2.1 通信協(xié)議指令寫入設(shè)計(jì)

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(duì)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(shí)，以便儀器有足夠時(shí)間返回?cái)?shù)據(jù)。

3.2.2 通信協(xié)議指令讀取設(shè)計(jì)

通信協(xié)議指令讀取部分如圖4所示。

在對(duì)儀器寫入指令之后，通過連接屬性節(jié)點(diǎn)，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(jī)的內(nèi)存有關(guān)，當(dāng)輸出頻率較大時(shí)（約1 MHz，具體與PC機(jī)內(nèi)存配置有關(guān)），PC機(jī)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(yàn)測(cè)試結(jié)果和分析

為測(cè)試系統(tǒng)的性能，測(cè)算并校驗(yàn)所采集信號(hào)，連接儀器與示波器，構(gòu)建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并進(jìn)行了實(shí)際性能測(cè)試。

如圖5所示，當(dāng)通道一選擇方波，通道二選擇正弦波時(shí)，可以穩(wěn)定輸出。當(dāng)更改任意輸入方式時(shí)，均可以達(dá)到預(yù)想波形且實(shí)時(shí)性良好。其中信號(hào)幅度最高為5 V，正弦信號(hào)頻率最高為20 MHz。

5 結(jié)語

該文進(jìn)行了基于Lab VIEW的簡(jiǎn)單信號(hào)發(fā)生器軟件的設(shè)計(jì)，完成了上位機(jī)控制軟件的開發(fā)，解決實(shí)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(qiáng)；能按要求產(chǎn)生多種常見信號(hào)，參數(shù)能在較大范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)；操作界面簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定可靠，可按需增減其他功能模塊。

參考文獻(xiàn)

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

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

[3] 張桐，陳國(guó)順，王正林.精通LabVIEW程序設(shè)計(jì)[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(hào)發(fā)生器及示波器的設(shè)計(jì)[J].華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，31（3）.

[5] 劉麗桑.基于LabVIEW的虛擬信號(hào)處理系統(tǒng)[J].光學(xué)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(jì)

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(duì)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(shí)，以便儀器有足夠時(shí)間返回?cái)?shù)據(jù)。

3.2.2 通信協(xié)議指令讀取設(shè)計(jì)

通信協(xié)議指令讀取部分如圖4所示。

在對(duì)儀器寫入指令之后，通過連接屬性節(jié)點(diǎn)，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(jī)的內(nèi)存有關(guān)，當(dāng)輸出頻率較大時(shí)（約1 MHz，具體與PC機(jī)內(nèi)存配置有關(guān)），PC機(jī)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(yàn)測(cè)試結(jié)果和分析

為測(cè)試系統(tǒng)的性能，測(cè)算并校驗(yàn)所采集信號(hào)，連接儀器與示波器，構(gòu)建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并進(jìn)行了實(shí)際性能測(cè)試。

如圖5所示，當(dāng)通道一選擇方波，通道二選擇正弦波時(shí)，可以穩(wěn)定輸出。當(dāng)更改任意輸入方式時(shí)，均可以達(dá)到預(yù)想波形且實(shí)時(shí)性良好。其中信號(hào)幅度最高為5 V，正弦信號(hào)頻率最高為20 MHz。

5 結(jié)語

該文進(jìn)行了基于Lab VIEW的簡(jiǎn)單信號(hào)發(fā)生器軟件的設(shè)計(jì)，完成了上位機(jī)控制軟件的開發(fā)，解決實(shí)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(qiáng)；能按要求產(chǎn)生多種常見信號(hào)，參數(shù)能在較大范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)；操作界面簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定可靠，可按需增減其他功能模塊。

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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(jì)

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(duì)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(shí)，以便儀器有足夠時(shí)間返回?cái)?shù)據(jù)。

3.2.2 通信協(xié)議指令讀取設(shè)計(jì)

通信協(xié)議指令讀取部分如圖4所示。

在對(duì)儀器寫入指令之后，通過連接屬性節(jié)點(diǎn)，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(jī)的內(nèi)存有關(guān)，當(dāng)輸出頻率較大時(shí)（約1 MHz，具體與PC機(jī)內(nèi)存配置有關(guān)），PC機(jī)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(yàn)測(cè)試結(jié)果和分析

為測(cè)試系統(tǒng)的性能，測(cè)算并校驗(yàn)所采集信號(hào)，連接儀器與示波器，構(gòu)建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并進(jìn)行了實(shí)際性能測(cè)試。

如圖5所示，當(dāng)通道一選擇方波，通道二選擇正弦波時(shí)，可以穩(wěn)定輸出。當(dāng)更改任意輸入方式時(shí)，均可以達(dá)到預(yù)想波形且實(shí)時(shí)性良好。其中信號(hào)幅度最高為5 V，正弦信號(hào)頻率最高為20 MHz。

5 結(jié)語

該文進(jìn)行了基于Lab VIEW的簡(jiǎn)單信號(hào)發(fā)生器軟件的設(shè)計(jì)，完成了上位機(jī)控制軟件的開發(fā)，解決實(shí)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(qiáng)；能按要求產(chǎn)生多種常見信號(hào)，參數(shù)能在較大范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)；操作界面簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定可靠，可按需增減其他功能模塊。

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