基于LabVIEW伏安型電子舌系統(tǒng)激勵信號源的設計與實現

于亞萍, 康冠朋，趙　輝 ,2，王志斌，李留安

(1.天津農學院 工程技術學院， 天津　300384; 2.天津大學 電氣與自動化工程學院， 天津　300072; 3.天津農學院 動物科學與動物醫(yī)學學院， 天津　300384)

?

基于LabVIEW伏安型電子舌系統(tǒng)激勵信號源的設計與實現

于亞萍1, 康冠朋1，趙輝1,2，王志斌1，李留安3

(1.天津農學院 工程技術學院， 天津300384; 2.天津大學 電氣與自動化工程學院， 天津300072; 3.天津農學院 動物科學與動物醫(yī)學學院， 天津300384)

伏安型電子舌系統(tǒng)最大優(yōu)點是測量方法的多樣性，它主要靠激勵信號的多樣性來實現;但是伏安型電子舌系統(tǒng)所需的大部分激勵信號在電化學工作站中無法實現;文章利用虛擬儀器技術，采用數據采集卡USB-6008結合LabVIEW軟件，針對伏安型電子舌系統(tǒng)的需求，設計一種多功能的激勵信號發(fā)生器，主要實現了電壓范圍0～0.5 V，步進電壓0.1 V，頻率分別為1 Hz、10 Hz和100 Hz的復頻調幅脈沖；電壓范圍0～0.8 V, 步進為0.1 V的大幅脈沖、小幅脈沖、階梯波脈沖和電壓范圍為0～1.2 V的三角波;詳細論述了不同波形產生和實現過程;測試結果顯示：該激勵信號發(fā)生器產生的波形穩(wěn)定，方式靈活，適應于便攜式伏安型電子舌測試系統(tǒng)。

虛擬儀器技術；USB-6008；激勵信號；復頻調幅脈沖；三角波

0　引言

伏安型電子舌是在工作電極和參比電極之間加一個激勵信號，記錄工作電極和輔助電極之間產生的電流響應，把響應的電流值作為待分析數據，并結合多變量分析技術對樣品進行定性、定量判別的系統(tǒng)[1]。伏安型電子舌不僅具有敏感性高、簡易性和魯棒性強的優(yōu)點，而且它可以通過使用不同方式激勵電壓信號獲得更多的樣品信息。目前，可以進行伏安測試的商業(yè)化儀器有電化學工作站，但是，電化學工作站存在如下問題：(1)設備功能繁多，價格昂貴，伏安法測量僅是其一小部分功能；(2)伏安型電子舌測量和電化學測量的區(qū)別在于伏安型電子舌按照一定的時間間隔進行信息的提取，而電化學方法僅提取脈沖結束時所產生的法拉第電流[2]；(3)有一些在伏安型電子舌測試中常用的波形，電化學工作站不具備這些功能，如復頻調幅脈沖、大幅脈沖和小幅脈沖等。針對以上問題，利用“軟件即是儀器”的虛擬儀器的核心概念[3]。本文采用數據采集卡USB-6008結合虛擬儀器技術，設計一種激勵信號發(fā)生器[4]，主要實現復頻調幅脈沖、大幅脈沖[5]、小幅脈沖、三角波[6]、階梯波脈沖等信號,這些信號中大部分激勵信號是伏安型電子舌測試系統(tǒng)中常用而在電化學工作站中無法實現的。

LabVIEW是一種基于圖形化的虛擬儀器編程語言,在測試與測量[7]、數據采集[8]、儀器控制[9]、數字信號分析和工業(yè)自動化[10]等領域獲得了廣泛的應用；而USB技術具有即插即用、速度快和自動檢測的優(yōu)點。因此，本設計通過在上位機對波形、幅值、頻率等參數的設計，通過USB-6008將信號輸送出去。該激勵信號系統(tǒng)設計靈活，而且波形多樣化，適合應用于進行便攜式伏安型電子舌測試系統(tǒng)。

1　系統(tǒng)設計

圖1　信號發(fā)生器硬件系統(tǒng)框圖

計算機在軟件平臺LabVIEW上實現對虛擬信號數據的產生，程序里的虛擬信號通過數據采集卡變成物理信號，進而應用于測試的元件，如圖1所示。本系統(tǒng)采用的數據采集卡為USB-6008，數據采集卡的各種參數如虛擬通道的選擇、采樣頻率、觸發(fā)設置等均有由DAQmx控制。本系統(tǒng)的重點在于根據自己的實際需要進行不同方式的波形設計及參數的確定。

2　波形信號模型的構建

2.1脈沖波形

伏安型電子舌常用的脈沖激勵信號有大幅脈沖、小幅脈沖、階梯波和復頻調幅脈沖，如圖2所示。復頻調幅脈沖法是在調幅脈沖法的基礎上提出來的[11]。本設計中復頻調幅脈沖電壓范圍設定為0～0.5 V，步進為0.1 V，設置3個掃描頻率: 1 Hz、10 Hz和100 Hz; 大幅脈沖、小幅脈沖、階梯波脈沖電壓范圍0～0.8 V, 步進為0.1 V，具體的波形如圖2所示。

圖2　脈沖波形圖

產生上述幾種波形信號的數學模型是相同的，為：

(1)

其中：UM是電壓變量，根據需求對激勵信號的多個電壓幅值取值；N是同一頻率下一個信號周期電壓變換值的個數，不同的波形對N設定的值不同，在本設計中，復頻調幅脈沖N取值為18；大幅脈沖N取值為16；小幅脈沖N取值為16；階梯波脈沖N取值為18，其頻率由軟件定時時間決定。

2.2三角波的數學模型

三角波用于循環(huán)伏安法測定的激勵信號波形，設每個周期的數據點數為N個，三角波上升階段的采樣點數為N/2個[12-14]，波形如圖3所示。

圖3　三角波形圖

產生三角波信號的數學模型為：

(2)

其中：U是三角波的幅值，本設計中設定為1.2 V，當掃描頻率為50 mV/s時，N取480，其中通過設定N值的大小更改掃描頻率。

3　系統(tǒng)的程序設計

由于USB-6008是NI公司生產的USB接口數據采集卡,故在使用LabVIEW進行程序設計時可以不考慮硬件的底層驅動問題[15]。主要部分是程序框圖的設計，首先創(chuàng)建虛擬通道，根據輸出波形的類型來設置物理通道的性質，可以設置波形的一些基本參數[16]；這里詳細介紹復頻調幅脈沖和三角波，其余的方法類似，不同波形設計方法采用上述提到的數學模型。

3.1復頻調幅脈沖設計

復頻調幅脈沖程序流程圖如圖4所示。

圖4　復頻調幅脈沖流程圖

圖4根據復頻調幅脈沖的數學模型，同時進行輸出電壓幅值和頻率的選擇。利用while循環(huán)內變量i的不斷增加，對一個周期的電壓改變次數N進行取余，即MOD(i/N)，利用取余后的結果對每個周期的電壓值進行選擇，然后將幅值輸出到采集卡；同時，取余的結果MOD(i/N)每一次取0的時候，一個頻率信號結束，對變量x+1，根據x的值可區(qū)分是復頻調幅脈沖的第幾個頻率信號，x對3取余的結果對應用于3種定時時間，分別對應于1 Hz,10 Hz和100 Hz的信號頻率，當取余結果不為0時，利用上一次的MOD(x/3)所選擇的定時時間輸出，這樣就可連續(xù)輸出3種不同頻率的復頻調幅脈沖波形。

其具體的程序框圖如圖5。主要由取余、分支和延時程序組成；波形圖輸出時，需要加上動態(tài)數據轉換，將變量轉化為一維數組，程序中注意局部變量的應用。

圖5　復頻調幅脈沖程序框圖

3.2三角波設計

三角波的程序流程圖如圖6所示。

圖6　三角波流程圖

圖6根據三角波信號的數學模型產生三角波信號，首先，對三角波周期采樣點數N進行取余，即MOD(i/N)，若0<=MOD(i/N) <=N/2，產生三角波的上升信號，若大于N/2將產生三角波的下降信號。設置模擬信號的通道數及采樣數，這里采用模擬波形1通道1采樣，然后運行，可根據實驗對波形周期的需求控制程序循環(huán)次數。其具體的程序框圖如圖7所示。

圖7　三角波程序框圖

4　系統(tǒng)的前面板設計

前面板是用戶操作界面,由輸入控件和顯示控件組成，用以設置控制參數并觀察輸出量。本系統(tǒng)的前面板主要由以下部分組成：信號的幅值；波形的顯示部分；各個波形類型的選擇等；系統(tǒng)的前面板如圖8 所示。

圖8　程序的前面板

在圖8中，可根據選項卡選擇所需輸出的波形，只需在每一個選項卡上輸入各個波形的參數，如幅值，數據采集卡的參數等。

5　測試的結果與分析

根據以上的設計，成功的實現了伏安型電子舌系統(tǒng)激勵信號源，示波器采集的波形如圖9所示。

圖9　波形測試結果

以大幅脈沖波形為例 測量產生波形頻率準確度，如表1所示。從表中看出信號頻率最大誤差為0.2%，可以滿足設計要求。

表1　設定頻率、實測頻率與頻率誤差

從上述的圖形可以看到伏安型電子舌激勵信號源實現了這幾種常用的波形。信號的幅值，頻率都可以根據參數進行改變，且信號頻率動態(tài)范圍幅值也可調，靈活性較高，能夠滿足伏安型電子舌的測試與開發(fā)的需要。本系統(tǒng)采用數據采集卡USB-6008，它具有軟件定時功能，輸出的頻率由表1可以看出非常精確。

6　結論

本文從設計伏安型電子舌掃描電壓的實際需求出發(fā)，采用LabVIEW軟件設計了基于USB-6008的便攜、易用的伏安型電子舌的激勵信號源，主要利用了LabVIEW軟件開發(fā)工具設計了波形的應用程序, 設計實現了復頻調幅脈沖，其電壓范圍0～0.5 V，步進電壓0.1 V，頻率分別為1 Hz、10 Hz和100 Hz；電壓范圍0～0.8 V, 步進為0.1 V的大幅脈沖、小幅脈沖、階梯波脈沖和電壓范圍為0～1.2 V的三角波。該信號源準確，設計方式靈活，并且能在此基礎上擴展其它需要的波形信號。

[1]Winquist F. Voltammetric electronic tongues-basic principles and applications[J]. Microchimica Acta, 2008, 163(1-2): 3-10.

[2]Patrik Ivarsson, Susanne Holmin, Nils-Erik Hojer, Christina Krantz-Rülcker, Fredrik Winquist. Discrimination of tea by means of a voltammetric electronic tongue and different applied waveforms[J]. Sensors and Actuators B, 2001,76:449-454.

[3]劉君華. 基于 LabVIEW 的虛擬儀器設計[M].北京:電子工業(yè)出版社, 2003 .

[4]National Instruments.NI USB-6008 User Guide and Specifica-tions[Z].National Instruments Corporation,2008.

[5]Arunangshu Ghosh, Bipan Tudu, Pradip Tamuly, Nabarun Bhattacharyya, Rajib Bandyopadhyay. Prediction of the aflavin and the arubigin content in black tea using a voltammetric electronic tongue[J]. Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems, 2012,116:57-66.

[6]Kamalika Tiwari, Bipan Tudu, Rajib Bandyopadhyay, Anutosh Chatterjee . Identification of monofloral honey using voltammetric electronic tongue[J]. Journal of Food Engineering, 2013, 117: 205-210.

[7]張俊紅, 馬文朋, 李林潔, 等. 航空發(fā)動機故障診斷系統(tǒng)設計與實現[J]. 計算機工程與應用, 2014, 50(16): 232-236.

[8]李琳芳, 賈蕓芳, 李國厚. 基于 LabVIEW 的數據采集與處理系統(tǒng)設計[J]. 河南科技學院學報 (自然科學版), 2015,2: 012.

[9]寇雪芹, 谷立臣, 閆小樂, 等. 基于虛擬儀器的超聲信號測量及測距研究[J]. 計算機工程與應用, 2012, 48(6):17-20.

[10]劉榮榮. 基于 LabVIEW 的自動鋸床位置控制系統(tǒng)的設計[J]. 工業(yè)儀表與自動化裝置, 2014 (6): 34-36.

[11]韋真博.伏安型電子舌的研發(fā)及其在食品檢測中的應用[D].杭州：浙江大學，2011.

[12]戴成梅, 戴成建, 周啟龍. 基于 LabVIEW 多功能信號發(fā)生器的設計與實現[J]. 國外電子測量技術, 2010,(6): 57-61.

[13]趙江濱,劉世元,胡友民,等.組件化虛擬儀器軟件系統(tǒng)性能研究[J].儀器儀表學報,2009,30(10):2131-2138.

[14]趙立新,郭利強,盛振旗.信號發(fā)生器中的寬帶調頻技術研究[J].國外電子測量技術,2009,28(5):35-57.

[15]廖傳書,黃道斌,孫旦均,等. LabVIEW與USB的直接數據通信[J].現代電子技術,2007,20(259):4-6.

[16]李良華,王洪亮,王洪雷.基于LabVIEW虛擬信號發(fā)生器的研究與實現[J].計算機測量與控制, 2009,17(9):1866-1868.

Design and Realization of Excitation Signal Source in Voltammetric Electronic Tongue System Based on LabVIEW

Yu Yaping1，Kang Guanpeng1, Zhao Hui1,2, Wang Zhibin1, Li Liuan3

(1.College of Engineering and Technology, Tianjin Agricultural University, Tianjin300384, China；2. School of Electrical Engineering & Automation, Tianjin University, Tianjin300072, China；3.College of Animal Science and Veterinary Medicine, Tianjin Agricultural University, Tianjin300384, China)

One of main advantages of voltammetric electronic tongue system is the diversity of measurement method, which depends on the multiple excitation signals. Most test excitation signals used in voltammetric electronic tongue system can not be implemented in an electrochemical workstation. In this paper, by using virtual instrument technology, USB-6008 data acquisition card is adopted combining with LabVIEW software to design a versatile excitation signal generator. Multi-frequency multi-amplitude pulse with the voltage range of 0～0.5 V, step voltage of 0.1 V, and frequency of 1 Hz,10 Hz,100 Hz; large amplitude pulse voltammetry, small amplitude pulse voltammetry, staircase pulse, with the same voltage range 0～0.8 V, step voltage of 0.1 V; and triangle voltammetry of voltage range 0～1.2 V are realized and the design processes of different waveforms are discussed in detail. The results show these waveforms are stable and flexible, which is suitable for voltammetric electronic tongue system.

virtual instrument; USB-6008; excitation signal; multi-frequency multi-amplitude pulse; triangular wave

2015-07-22；

2015-09-16。

天津市大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目(201510061093)；天津市自然科學基金項目(14JCYBJC30400)。

于亞萍(1979-)，女，河南禹州人，副教授，在讀博士，主要從事控制科學與工程方向的研究。

趙輝(1963-)，男，天津人，教授，博士生導師，主要從事控制科學與工程領域方向的研究。

1671-4598(2016)01-0324-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.01.090

TP311

A