基于LabVIEW的虛擬相位差計的研制

　　摘要：隨著計算機技術、微電子技術和電子測試技術的迅猛發展，一種全新的測試儀器虛擬儀器（VirtualInstrument，VI）種新型的、富有生命力的儀器種類。首先提出了虛擬儀器的概念。這一概硬件支撐，充分應用計算機*的運算、存儲、回訪、調用、顯示以及文件管理等智能式功能，把傳統儀器的專業功能軟件化，使之與計算機融于一體，這樣便構成了一臺從外觀到功能都能與傳統儀器相同，同時又充分享用了計算機智能資源的全新儀器虛擬儀器的主要功能由數據采集、數據測試和分析、結果輸出顯示三大部分組成。其中數據分析和結果輸出*可由基于計算機的軟件系統來完成，因此只要另外提供一定的數據采集硬件，就可構成由計算機組成的測量儀器。
　　
　　一、圖形化軟件開發平臺LabVIEW
　　
　　LabVIEW（LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringworkbench）是一個圖形化程序開發環境，主要用于數據采集、數據分析、測試和儀器控制等領域。它與傳統編程語言有著諸多相似之處，如相似的數據類型、數據流控制結構、程序調試工具，以及層次化、模塊化的編程特點等。但二者zui大的區別在于：傳統編程語言用文本語言編程；而LabVIEW使用圖形語言（即各種圖標、圖形符號、連線等），以框圖的形式編寫程序。[2]
　　
　　一個LabVIEW程序包括三個主要部分：前面板、框圖程序、圖標路線端口。前面板是LabVIEW程序的交互式圖形化用戶界面，用于設置用戶輸入和顯示程序輸出，目的是仿真真實儀器的前面板。框圖程序則是利用圖形語言對前面板上的控制量和指示量進行控制。圖標路線端口用于把LabVIEW程序定義成一個子程序，以便在其它程序中加以調用，這使LabVIEW得以實現層次化、模塊化編程。[3]
　　
　　二、虛擬相位差計的設計
　　
　　1、系統組成與功能
　　
　　本虛擬儀器采用美國NI公司的Lab-PC-1200型數據采集卡，將其直接插入到計算機相應標準的總線擴展插槽內構成PC-DAQ（DataAcquisiTIon）插卡式虛擬儀器。主要測量兩個同頻正弦信號的幅值、頻率、相位差等。系統組成框圖如圖1所示：　　
　　2、面板設計
　　
　　軟面板程序為用戶提供一個友好的圖形化界面，面板中的所有對象基本上可分為控制量和顯示量，控制量用來模擬傳統儀器上的開關和旋鈕；顯示量用于顯示測量和處理的結果。
　　
　　LabVIEW提供了非常豐富的界面控件對象，可以快捷地設計出生動、直觀、操作方便的用戶界面。本文設計的虛擬相位差計軟面板如圖2所示。　　
　　該軟面板左邊為實時波形顯示，可顯示從0通道和1通道實時采樣的兩個波形；右邊為李沙育圖形，下面是波形調整、波形選擇和頻率、幅值、相位、相位差的測量結果。另外，在運行該虛擬儀器時會彈出一個存儲窗口，可把程序運行結束之前所有的歷史測量記錄保存在所的文件中，以備觀察分析和做進一步的處理。
　　
　　3、程序框圖結構設計
　　
　　虛擬相位差計的框圖程序如圖3所示，它采用的是圖形化編程語言，非常直觀。該框圖包含了波形采集、波形顯示和調整、波形測量、數據存儲四部分。　　
　?。?）波形采集：本虛擬儀器采用的是美國NI公司的Lab-PC-1200型數據采集卡，zui高采樣頻率為100KHz,輸入信號范圍為-5V~+5V，設置了1，0兩個采樣通道。該部分由AIConfig、AIStart、AIRead、AISingleScan和AIClear組成。其中用了Max&Min與一個移位寄存器控制對采樣數據的讀取速度。
　　
　　（2）波形顯示和調整：首先將數據采集子程序采集到的兩個模擬輸入信號（二維數組）按采集通道的不同用IndexArray函數分成兩個一維數組，再將它們分別用Bundle函數組成起點x0=0，時間間隔Δx=0.001的簇，zui后用BuildArray函數將兩個簇組成簇數組送入波形圖可觀察到兩列實時波形。若直接將兩個一維數組用Bundle函數組成簇送入波形圖可觀察兩列正弦波的李沙育圖形?？驁D中的三個Case結構的作用是控制軟面板上幅基調節、時基調節、波形選擇，通過鼠標調節這些旋鈕和垂直指針滑動條可調整實時波形在屏幕上的顯示效果。
　　
　　（3）波形測量：主要測量兩列正弦波的頻率、振幅和相差，其中著重研究了相差的測量方法。本文采用的是譜分析法測相位，其原理是通過AmplitudeandPhaseSpectrum子程序求取兩個正弦信號的頻域特性，取兩信號相頻特性曲線中對應于信號各頻率分量的相位值，再根據采樣信號的周期數用IndexArray函數確定兩個信號主頻分量的相位，將其相減即得相位差[4]?？驁D程序如圖4所示。　　
　　（4）數據存儲：數據存儲部分由Open/Creat/ReplaceFile、WriteFile、CloseFile和SimpleErrorHandler組成，另外采用了FormatintoString功能定義了數據存儲的格式，并用GetData/TImeString功能返回每次測量的時間。框圖程序如圖5所示。
　　
　　4、測量結果討論
　　
　　利用“移相橋”電路進行測試，在某一狀態下得到測量結果如下，與各參數的理論值相比較略有誤差。其原因在于一方面數據在采集、傳送和轉換過程中不可避免的會產生各種噪聲和干擾，外界的干擾也會侵入到系統中來，因此在數據的處理過程中，數字化測量將會造成一定的誤差；另一方面信號的頻率應該是確定的，但實際中會存在頻率偏差，這也是引起相差測量不準的原因。另外，器件所標參數值與實際值之間也存在誤差，但不斷改良測量算法和采用性能更加優良的數據采集卡會取得更好的測量效果。
　　三、結束
　　
　　目前，美國的NI公司和HP公司在虛擬儀器的研究方面處于地位，能購買其虛擬儀器產品必將有助于我們的科研和教學工作，但價格十分昂貴。因此，根據自己的需要自行研究和開發虛擬儀器也是可行的。本文介紹的虛擬相位差計結合了示波器和相位差計的基本功能，使用靈活方便，有效改善了本院電工實驗教學條件。相信隨著計算機技術和測控技術的不斷發展，虛擬儀器將成為未來教學科研的重要方法和手段，將逐漸取代傳統儀器成為測試儀器的主流。