（电力电子与电力传动专业论文）基于虚拟仪器技术的任意波形发生器的研究.pdf

茎苎塑要 查堕盔兰堡主兰竺婆苎 a b s t r a c t v i r t u a li n s t r u m e n t a t i o nt e c h n i q u ei sd e v e l o p e du p o nb o t hi n s t r u m e n tt e c h n i q u ea n dc o m p u t e r t e c h n i q u e t h i st e c h n i q u ei sc o n s i d e r e da st h ef u t u r et r e n do fi n s t r u m e n tt e c h n o l o g y a r b i t r a r yw a v e f o r m g e n e r a t o r ( a w g ) j sak i n do fi n s t r u m e n tw i t hw i d ea p p l i c a t i o ni nr e s e a r c h ，t e a c h i n ga n dm a n u f a c l u r e t h e d e s i g no fa r b i t r a r yw a v e f o r mg e n e r a t o ri sv e r yi m p o r t a n t t h i st h e s i sf o c u s e so t lt h er e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to f t h ev i r m a li n s t r u m e n t ( v db a s e da r b i l r a r yw a v e f o r i l lg e n e r a t o l t h ef i r s tp a r to ft h et h e s i sh a sar e v i e w 1 i k ec h a r a c t e r i tm a k e sab r i e fi n n o d u “i o no ft h ev i r t u a l i n s t r u m e n t a t i o nt e c h n i q u e ，w h i c hi n c l u d e sv i r m a i n s t r u m e n t s c o n c e p t ，s y s t e ma r c h i t e c t u r e ，a n ds o f t w a r e p l a t f o r m s t h ed e v e l o p m e n to fv i r t h a li n s t r u m e n t s a p p l i c a t i o ns o f t w a r ei sd i s c u s s e di i 1 d e t a i l i tj n c l u d e s v i r m a l l n s t r u m e n ts o f h v a r ea r c h i t e c t u r e ( v i s a ) ，a n dv i r t u a 】i n s t r u m e n t s d r i v e r t h et h e s i sm a i n l yd i s c u s s e st h ed e s i g no ft h ea r b i t r a r yw a v e f o r mg e n e r a t o r ，b a s e do nt h ev i r t u a i i n s t r u m e n t st e c h n i q u e ，t h ep r i n c i p l eo fa r b i t r a r yw a v e f o r mg e n e r a t o ri sa d d r e s s e d ，w i t hd i r e c td i g i t a l s y n t h e s i s ( d d s ) t e c h n o l o g yb e i n ge m p l o y e d ，t h es y s t e mf r a m e w o r ki sp r e s e n t e d ，a f t e rr e q u i r e m e n t a n a l y s i sb e i n gs u r v e y e d t h ei n s t r u m e n ti s m a d eu po ft w op a r t s ：a p p l i c a t i o ns o f t w a r eo np e r s o n a l c o m p u t e r , a n dt h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r s p ) b a s e ds i g n a lg e n e r a t i o nc a r d t s i g n a tg e n e r a t i o n c a r d sh a r d w a r ed e s i g ni sd i s c u s s e di nd e t a i l a n dt h ec a r d sf i r m w a r ed e s i g ni sa l s od e s c r i b e d 砷el a y o u t o f t h e a p p l i c a t i o ns o f t w a r eo np e m o n h lc o m p u t e ri sp u tf o r w a r d ，i n c l u d i n gd e s i g no f t h es o rp a n e l ，d r i v e r , r s 2 3 2i n t e r f a c ea n dw a v e f o r mg e n e r a t i o n i nt h ee n do ft h et h e s i s ，as u m 2 n a r yi sp r e s e m e da n ds o m es u g g e s t i o n sa r ef o r w a r dt oi m p r o v et h d i n s t r u m e n t 【k e y w o r d s l v i r t u a li n s t r u m e n t s ，a r b i t r a r yw a v e f o r mg e n e r a t o r , d i r e c td i g i t a ls y n t h e s i s ， d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r 摘要2 y7 9 d 9 7 6 童塑： 奎堕盔兰堡主兰丝笙三三 学位论文独创性声明 本人声明所里交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同毒对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 签名：鼋：蠢箍日期：2 1 三! 盘! z 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布f 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生 院办理。 郜丝吼丛塑 第1 章绪论 东南大学硕士学位论文 1 1 仪器的演变和发展 第1 章绪论 仪器技术经历了两条发展路线： 其中一条主线是：模拟仪器一数字化仪器一智能仪器； 另一条发展路线是：单台仪器一叠架式仪器一虚拟仪器系统。 第一代模拟仪器，如指针式万用表、晶体管电压表等它们的基本结构是电磁机械式的，它们 的主要特征是：通过指针来显示结果，因此模拟仪表又称为指针式仪表。 第二代数字化仪器，如数字电压表、数字频率计。数字化仪器将模拟信号转换为数字信号，并 以数字方式输出最终结果。与模拟仪器相比，数字仪器具有更快的响应速度和更好的准确度。 第三代智能仪器，将微处理器置于仪器内部，既能进行自动测试，又具有一定的数据处理能力。 与数字化仪器相比，智能仪器在灵活性、数据处理能力等方面有了很大的提高。 图1 - i 传统仪器的功能构成 经伺一台传统的智能仪器，都可以将其分解成信号约采集与控制、信号的分析与处理、结象的 表达与输出三大部分。这些功能全部由硬件或固化软件实现。仪器由生产厂家生产后，其功能就已 经固定。因此传统仪器只能由仪器厂家来定义、制造，用户无法按照自己的需求对仪器进行改变。 这是传统仪器盼局限性所在。 计算机技术的发展，给传统仪器技术带来了新的活力。微电子技术、大规模集成电路技术的发 展，对数字化仪器、智能仪器的快速发展起到了很大的促进作用。仪器的精度、功能、性能都得到 了大幅提高。但是，传统仪器并没有摆脱独立使用、手动操作的模式。对于较为复杂的应用场合， 测试参数较多的场合，使用起来就很不方便，其局限性非常明显。 如何解决传统仪器功能固定、使用不灵活的问题? 我们可以利用飞速发展的计算机技术来实现 或增强传统仪袭的功能，考虑将三大功能的后两j 共一信号的分析与处理、结果的表达与输出放到 计算机上来完成。用计算机屏幕可以形象方馒的模拟各种仪器的控制面板，以各种形式表达输出检 测结果，用计算机软件可以实现各种各样的信号分析处理，完成多种多样的测试功能。 我们也可以将仪器的三大功能全部放在计算机上来实现。将通用数据采集卡通过插槽插到计算 机上，然后恩软传在屏幕上生成仪器软面板模拟传统仪器的嶷钮、指针等，用软件来进行信号鸥分 析与处理，实现传统仪器的各种功能。这就是虚拟仪器技术。 1 2 虚拟仪器技术 虚拟仪器是基于计算机韵软硬件测试平台，刹用现有盼计算机，规上特殊设计的仪器硬件帚i 专 用软件，形成既有普通仪器的基本功能，又有一般仪器所没有的特殊功能的高档、低价的新型仪器。 与传统仪器一样，虚拟仪器可以划分为信号的采集与控制、数据的分折与处理、结果的表达与 输出三大功能块。虚拟仪器将数据的分析与处理、结果的表达与输出这两部分欺到了计算机上来完 成。虚拟仪器的核心在于软件，通过软件把计算机资源和仪器硬件的测控能力结合在一起，把计算 第1 章绪论东南太学硕士学位论文 机强大的数据处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在起，通过软件实现对数据的显示、存 储以及分析处理。 虚拟仪器的基本思想是利用计算机来管理仪器，组织仪器系统，将传统仪器中由硬件电路实现 的功能通过软件来实现，进而逐步代替仪器完成某些功能，最终达到取代传统仪器的目的。虚拟仪 器中的硬件主要完成数据的输入与输出真正实现测量功能的是p c 上的软件。因此，虚拟仪器技 术的关键在于软件。 虚拟仪器的出现给仪器技术带来了巨大的活力，是仪器发展史上的场革命，代表者仪器发展 的最新方向和潮漉，是信息技术的一个重要领域，对科学技术的发展和工业生产将产生巨大的影响。 目前，虚拟仪器技术发展非常迅速，各种基于虚拟仪器技术的产品已经出现，在国内也已经有了一 定的应用。 1 3 本文研究的内容 论文主要围绕任意波形发生器的设计和实现展开，研究如何应用虚拟仪器技术开发任意波形发 生器。 论文的具体内容包括以下几方面： 1 在对虚拟仪器技术的了解之上，对如何利用虚拟仪器技术设计任意波形发生器进行了讨论。 2 通过对基于虚拟仪器技术的任意波形发生器的设计进行方案比较，确定其合理的设计方案。 3 信号发生仪器的硬件及固化软件的设计。根据任意波形发生器的性能指标，讨论并确定了信 号发生仪器的硬件结构、器件选择、电路设计，以及信号发生仪器固化软件的设计。 4 p c 端虚拟仪器应用软件的开发。完成p c 端虚拟仪器应用软件的方案设计，采用美国国家仪 器公司( n i ) 的l a b w i n d o n w s c v i 开发平台开发任意波形发生器的p c 端应用软件。p c 端虚拟仪器 软件开发的工作主要包括软面板的设计、仪器驱动程序的开发、通讯接口的编程和具体的波形发生 功能的实现。 - 2 第2 章虚拟仪器及其软件开发东南大学硕士学位论文 2 1 虚拟仪器概述 第2 章虚拟仪器及其软件开发 虚拟仪器技术目前得到了迅速的发展。本章首先对虚拟仪器技术作简要介绍，包括虚拟仪器的 概念、系统构成、软件开发平台。接着介绍了虚拟仪器的软件开发，特别是虚拟仪器软件结构和仪 器驱动程序。 2 1 1 虚拟仪器的概念 1 虚拟仪器的定义 虚拟仪器就是在通用计算机上加上一组软件和( 或) 硬件，使得使用者在操作这台计算机时 就象是在操作一台他自己设计的专用的传统电子仪器叽 2 虚拟仪器的原理 虚拟仪器的愿理非常简单：如果被测信号能被数字化，那么计算机就可以对数字馋后的信号进 行分析处理，从而完成需要的测量功能。对于用于测量的虚拟仪器，其结构如图2 i 所示。 图2 - 1 测量类虚拟仪器的结构 被测信号输入到信号调理模块。信号调理模块将信号转化成模数转换单元可以接收的形式。模 数转换单元将信号数字化并送到计算机中进行处理。利用计算机强大的信号处理能力，通过软件可 实现频谱分析仪、示波器、频率计、噪声分析仪等各种测量仪器。 对于用于信号发生的仪器，其工作原理是一样的。它的结构如图2 2 所示。 图2 - 2 信号发生类虚拟仪器的结构 计算机按照要求产生所需波形的数据。d a 转换模块将数字化的信号转换成模拟信号。然后通过 信号调理模块进行处理产生所需信号。它体现了直接数字合成技术的思想。利用虚拟仪器技术，可 以实现任意波形发生器、脉冲发生器等信号发生器。 3 虚拟仪器的特点 传统仪器是由厂家定义的，用户无法按照自己的需求对仪器作任何改变。而虚拟仪器技术最大 的特点，就在于用户可以根据自己的需要，对仪器作改动，设计自己的仪器系统，满足多种多样的 应用需要。虚拟仪器之所以具有这样的特点，是因为在虚拟仪器中，软件是关键。通过对软什的修 改，就可以实现不同的功能，从而构造各种仪器。用户只需要一些必要的硬件和通用计算机。传统 仪器与虚拟仪器系统的比较如表2 - 1 所示。 第2 章虚拟仪器及其软件开发东南大学硕士学位论史 表2 - i 传统仪器与虚拟仪器系统的比较 传统仪器虚拟仪器系统 仪器厂商定义用户自己定义 硬件是关键软件是关键 仪器功能、规模固定系统功能、规模可修改、增减( 通过软件实现) 封闭的系统，与其他设备连接受限基于计算机的开放系统，可方便地同外设、网 络及其它应用连接 价格昂贵价格低，可重复利用 技术更新慢( 周期5 】0 年) 技术更新快( 周期1 2 年) 开发和维护费用高 软件结构大大节省开发和维护费用 从表2 1 关于虚拟仪器和传统仪器的对比中，我们可以看出虚拟仪器技术的巨大优越性。虚拟 仪器是一种新型的仪器概念，是仪器技术未来的发展趋势。在科研开发、产品检测、质量控制等各 个方面，都离不开有效的检测手段。但是传统的仪器大多价格昂贵，而且有时候买不到合适的仪器。 虚拟仪器的出现能够很好的解决这个问题。在虚拟仪器系统中，硬件确定后，通过不同的软件就可 以实现不同的功能。因此，用户可以根据自己的需要组建专用的仪器系统。虚拟仪器可以大大降低 仪器的成本。在国际上，制造的控制和检测全部使用计算机，虚拟仪器应用非常广泛。我国作为一 个发展中国家，应该大力推广虚拟仪器技术，以节约资金、缩短与国际上仪器技术的差距、提高生 产率。 4 虚拟仪器的发展趋势 虚拟仪器技术是利用了飞速发展的计算机技术。虚拟仪器技术的发展也需要依靠计算机技术的 发展。i t 产业的特征决定了虚拟仪器技术必须走标准化、开发性这条技术路线。具体来说，虚拟仪 器技术目前正沿着总线与驱动程序标准化、硬，软件模块化、编程平台的图形化和硬件模块的即插即 用的方向发展。 2 1 2 虚拟仪器的系统结构 虚拟仪器系统构成的基本框图如图2 - 3 所示。 * 叫图像采集( d s p ) k + + _ 耍堕 叫耍巫至p 吖j 巫壅 卜匪巫垂匝 一 o ( 叠画堕 ， + _ 咂叵匿亟口一 啦亟壁窭口+ _ 一 图2 - 3 虚拟仪器系统的构成框图 目前较为常用的虚拟仪器系统有： ( 1 ) 基于数据采集卡的虚拟仪器系统 4 - 第2 章虚拟仪器及其软件开笈 东南大学硕士学位论文 ( 2 ) 基于串行口或其它工业标准总线的虚拟仪器系统 ( 3 ) 基于g p i b 总线的虚拟仪器系统 ( 4 ) 基于v x i 总线的虚拟仪器系统 1 基于数据采集卡的虚拟仪器系统 基于数据采集卡的虚拟仪器的构成如图2 - 4 所示。仪器的接口硬件采用了数据采集接口 d a q ( d a t a a c q u i s i t i o n ) 。d a q 指的是基于计算机标准总线的内置功能插卡，它充分利用了计算机的 资源，大大增加了测试系统的灵活性和扩展性。利用d a q ，可以方便快速她组建虚拟仪器。 l 口i 图2 4 基于数据采集卡的虚拟仪器的构成 仪器厂家生产了大量的d a q 功能模块，用户可以根据需要选择合适的d a q 功能模块，如示波 器、数字万用表、任意波形发生器、信号分析仪等。在p c 机上挂接若干d a q 功能模块，配合相应 的应用软件，就可以构成具有若干所需功能的虚拟仪器。 目前，由于多层电路板技术、实现数据高速传送的中断、d m a ( d i r e c t m e m o r y a c c e s s ) 等技术 的应用，数据采集板卡能保证仪器级的性能、精度和可靠性，为用户建立功能灵活、性能价格比高 的数据采集控制系统提供了很好的解决方案。 基于数据采集卡的虚拟仪器的优点在于：产品成熟规范，用户选择范围广，数据采集与传输快。 2 基于串行口或其它工业标准总线的虚拟仪器 帛口即计算机基于r s 一2 3 2 通信规约串行通信的端口。由于大多数微机中都配备有串行通讯口， 串行通讯得到了广泛的使用。 基于串行口的虚拟仪器的优点在于：性能稳定，价格便宜；不需要添加任何板卡，通过软件编 程就可以实现仪器的控制与数据传输，完成多种功能：大多数的可视化编程软件都为串口通信提供 了完善的控件，编程易于实现。 3 基于g p i b ( g e n e r a lp u r p o s ei n t e r f a c eb u s ) 总线的虚拟仪器 g p i b 总线是国际自动化测量系统委员会于1 9 8 7 年作为i e e e 4 8 8 标准接受的通用仪器总线。 g p l b 总线是8 位并行传输总线，它专用于微机控制与程控仪器之间的接口。g p l b 是计算机和仪器 间的标准通信协议，是目前应用最为广泛的自动测量系统专用接口总线。 基于g p i b 总线的虚拟仪器的优点在于：g p i b 测量系统的结构和命令简单，造价较低。技术易 于升级，维护方便适用于对精度要求高，对计算机传输速度要求不太高的地方。 4 基于v x i ( v m e b u se x t e n s i o n f o ri n s t r u m e n t a t i o n ) 总线的虚拟仪嚣 v x i 总线是一种高速计算机总线在仪器领域的扩展。基于v x i 总线的虚拟仪器的优点在于：标 准开放，结构紧凑，数据吞吐能力强，定时和同步精确，模块可重复利用，易于扩展、众多仪器厂 商支持等。v x ! 总线适合组建中大规模自动测量测试系统，以及对速度、精度要求较高的场合。但 组建v x i 总线的造价较高。 - 5 第2 章虚拟仪器及其软件开发东南大学硕士学位论文 2 1 3 虚拟仪器的软件开发平台 构造一个虚拟仪器系统，基本硬件确定以后，就可以通过不同的软件实现不同的功能。因此， 虚拟仪器的关键技术之一就是应用软件，应用软件应完成三个主要功能：提供一个集成的开发环境， 一个与仪器硬件的高级接口和一个图形用户接口。 虚拟仪器的软件开发平台主要有以下几种：美国国家仪器公司( 简称n i ) 的l a b v i e w 、 l a b w i n d o w s c v i ，惠普公司的v e e 及微软的v b 、v c 等。 v i s u a l c 、v i s u a l b a s l c 等可视编程语言可以做为虚拟仪器的开放平台，但对普通用户来说，使用 起来有一定难度。 l a b v i e w 是目前国际上唯一的编译型图形化编程语言，使用“所见b p 所得“的可视化技术建立人 机界面，使用图标表示功能模块，使用图标之间的连线表示各模块间的数据传递。用简单方便的图 形化编程取代了复杂的语言编程。同时，l a b v i e w 继承了高级编程语言的结构化和模块化编程的优 点，支持模块化与层次化设计，这种结构的设计增强了程序的可读性。l a b v i e w 面向的是没有编程 经验的用户而不是编程专家。用l a b v i e w 编程无需具备太多编程经验，因为编程时使用的是工程师 们熟悉的术语和图标，如各种旋钮、开关、波形图等，界面非常直观形象。l a b v i e w 尤其适合从事 科研、开发的科学家、工程技术人员被誉为工程师和科学家的语言。 l a b w i n d o w s c v l 是美国n i 公司所提供的一套优秀的虚拟仪器开友平台。l a b w i n d o w s c v l 是基 于a n s i c 的交互式c 语言集成开发平台。它以c 语言为核心，将计算机软件设计平台与数据的采 集、分折、处理及结果表达等仪器专, a k t - 具有机地结合起来，为熟悉c 语言的开发人员建立监测系 统、测量系统、数据采集系统及过程监控等提供了一个理想的软件开发环境。 2 2 虚拟仪器软件结构 2 2 1v p p 规范概述 v x l p l u g & p l a y 系统联盟( 简称v p p 系统联盟) 成立于1 9 9 3 年9 月由n l 等著名仪器公司发起 成立。v x i p l u g & p l a y 系统联盟是一个开发的组织，它主要致力于促进v x i 技术系统级的易用性、开 放性和互操作性。 联盟制定的v x i p l u g & p l a y 规范，即v p p 规范，使得v x i 总线更易于使用，实现v x i 系统的互 换性，并在系统级上使v x i 总线系统成为一个真正的开放的系统结构。它的主要目标是提高v x i 技术的易用性，方便最终用户的使用。通过制定规范，提高产品的易用性和性能、保持与原有产品 的兼容性、维护多厂商之间的开发结构、提高扩展性和模块性、提高软件的重用性等。 v p p 规范的推出，对虚拟仪器软件级的标准化、虚拟仪器软件结构的规范、仪器驱动程序的标 准结构都起到了促进作用。 2 2 2 虚拟仪器软件系统框架 虚拟仪器最核心的思想，就是充分利用通用计算机的软件和硬件资源使本来需要硬件或电路 实现的技术软件化和虚拟化，展大限度的降低系统成本，增强系统的功能与灵活性。基于软件在虚 拟仪器系统中的重要作用，从底层到顶层，虚拟仪器的软件系统框架包括三个部分：v i s a 库、仪器 驱动程序、应用软件口1 。虚拟仪器的软件系统框架如图2 5 所示。 6 第2 章虚拟仪器及其软件开发东南大学硕士学位论文 图2 - 5 虚拟仪器的软件系统框架 v i s a ( v i r t u a li n s t r u m e n ts o f t w a r ea r c h i t e c t u r e ) ，即虚拟仪器软件结构，是v p p 系统联盟制定的 i o 接口软件标准及其楣关规范的总称m 。以y i s a 接口软件作为底层函数库来开发虚拟仅器程序， 可以使不同厂商的软件在同一平台上协调运行。这大大减少了软件的重复开发，缩短了测试应用程 序的开发周期。 仪器驱动程序完成对特定仪器的控制，是应用程序实现仪器控制的桥梁。每个仪器模块都有自 己的仪器驱动程序。 应用软件建立在仪器驱动程序之上，直接面对操作用户。应用软件主要提供人机界面、数据分 析处理等功能。应用软件还包括通用数字信号处理软件，它为用户进一步扩展虚拟仅器的功能提供 了基础。 2 3 仪器驱动程序 2 3 1 仪器驱动程序的概念 仪器驱动程序是完成对某一特定仪器的控制与通信的软件程序集合。是应用程序实现仪器控制 的桥梁f 3 j 。具体的说，仪器驱动程序就是一系列带有图形面板的高层函数，它把诸如数据格式化、 与g p i b 、v x i 等总线通信等底层操作包装成为直观的离层函数，方便用户编程。每个仪器模块都有 包已的仪器驱动程序，仪器厂商将其以源代码的形式提供给用户，用户在应用程序中调用仪器驱动 程序。 v p p 规范详细规定了符合v x i 总线即插即用的虚拟仪器系统的仪器驱动程序的结构与设计。在 v p p 规范中明确了仪器驱动程序的概念：仪器驱动程序是一套可以被用户调用的子程序，利用它就 不必了解每个仪器的编程协议和具体编程步骤，只需调用相应的一些函数就可以完成对仪器各种功 能的操作。 v p p 仪器驱动程序要求具有兼容性、一致性和开放性。v p p 规范对仪器驱动程序的要求不仅适 用于v x i 仪器，也适用于g p i b 仪器、串行口仪器。v p p 仪器规范提出了仪器驱动程序的两个基本 结构模型：外部接口模型和内部设计模型。 2 3 2 v p p 仪器驱动程序模型 1 外部接口模型 仪器驱动程序的外部接口模型如图2 - 6 所示，外部接口模型表示了仪器驱动程序如何与外部软件 系统接口。 - 7 第2 章虚拟仪器及其软件开发东南大学硕士学位论文 用户程牟 交互式开发者接口编程式开发者接口 仪器驱动程序( 函数主体) 子程序接口 v i s ai o 接口 圈2 6 仪器驱动程序外部接口模型 外部接口模型分为五个部分。函数体，是仪器驱动程序的主体，为仪器驱动程序的实体。函数 体的内部结构在仪器驱动程序的内部设计模型中详细介绍；i 0 接口，仪器驱动程序通过这个接口调 用v i s a ，解决仪器驱动程序与仪器的通信问题；子程序接口，是为仪器驱动程序调用其它软件模块 ( 如数据库、信号处理等) 而提供的软件接口；编程式开发者接口，是应用程序调用仪器驱动程序 的软件接口；交互式开发者接口，它通常是图形化的功能面板，用户可以利用这个图形接口管理各 种功能函数、改变每一个功能调用的参数值，它是编程式开发者接口的增强。 2 内部设计模型 仪器驱动程序的内部设计模型如图2 - 7 所示，内部设计模型定义了仪器驱动程序函数体的内部结 构，并作了详尽描述。 图2 - 7 仪器驱动程序的内部设计模型 v p p 仪器驱动程序的函数体由部件函数( c o m p o n e n tf u n c t i o n s ) 和应用函数( a p p l i c a t i o nf u n c t i o n s ) 两部分组成。 部件函数是些控制仪器特定功能的软件模块。它包括初始化函数、配置函数、作用状态函数、 数据函数、实用函数和关闭函数。应用函数是可以实现完整的测试和测量操作的高级函数。这些函 数通过配置、触发和从仪器读取数据来完成整个测试操作。应用函数基于部件函数之上但应用函 数不能调用部件函数中的初始化或关闭函数。 2 4 本章结语 本章首先介绍了虚拟仪器技术的概况。虚拟仪器就是在通用计算机上加上一组软件和( 或) 硬 件，使得使用者在操作这台计算机时，就象是在操作一台他自己设计的专用的传统电子仪器。接着 介绍了虚拟仪器的基本工作原理、与传统仪器相比虚拟仪器的优越性，以及虚拟仪器今后的发展趋 势。 虚拟仪器系统常见的系统结构有数据采集系统、g p i b 仪器控制系统、v x i 仪器系统等。虚拟仪 t 8 第2 章虚拟仪器及其软件开发东南大学硕士学位论文 器的软件开发平台主要有美国国家仪器公司的l a b v 匝w 、l a b w i n d o w s c v i ，惠普公司的v e e 及微 软的v b 、v c 等。其中影响最大的虚拟仪器编程语言是n i 公司的l a b v e w 、l a b w i n d o w s c v l 。 虚拟仪器的软件系统框架包括三个部分：v i s a 库、仪器驱动程序、应用软件。v i s a ，即虚拟仪 器软件结构，是关于虚拟仪器u o 接口软件方面的标准和规范。v i s a 库是计算机与仪器之间的软件 层连接，用来实现对仪器的控制。仪器驱动程序是完成对某一特定仪器的控制与通信的软件程序集 合，是应用程序实现仪器控制的桥梁。应用软件建立在仪器驱动程序之上，直接面对操作用户。 第3 章需求分析与系统设计 东南大学硕士学位论文 第3 章需求分析与系统设计 任意信号发生器是一种重要的实验设备，在科学研究、生产实殴和教学试验等领域都有广泛应 用。随着技术的发展，对任意信号发生器的功能和性能等的要求也越来越高。本章主耍讨论了任意 信号发生器的工作原理、需求分析和系统设计。 3 1 任意信号发生器的工作原理 3 1 1 工作原理 利用计算机控制技术，采用数字方式设计的任意波形发生器的工作原理可简单概括为：将数字 化的波形数据在计算机的控制下，通过数模转换器件转换为模拟信号，经信号调理后输出。 任意波形发生器的构造方法大体可以分为三种：程序控锘i 波形输出、d m a 方式波形输出、直接 数字合成输出p j 。 1 程序控制波形输出 程序控制方式下，波形数据在微处理器的控制下，定时的逐点传送到数模转换器件，产生所需 的波形。这种方式的特点是电路简单、实现方便。但信号的输出依靠指令来完成，输出信号的频率 较低；数据输出定时不准确，输出信号的频率和相位会受到影响；多通道同时输出时，通道间有时 间差。 2 d m a 方式波形输出 d m a 方式下，在波形存储器中预先存放了输出波形数据，由d m a 控制器掌握总线控制权，给 出波形存储器的地址信号，并控制波形存储器和数模转换器件，实现波形发生的功能。与程序控制 方式相比，d m a 控制方式下信号的发生不需要依靠徽处理器指令来完成，因此输出信号的频率可以 大大提高；数据输出定时更准确。但是d m a 方式下，微处理器失去了总线控肯8 权，只能处予闲置 状态，不能进行其它操作，浪费了微处理器的资源；在一个d m a 操作中，只能在一个d a 转换器 和存储器之间传输数据，无法实现多通道的信号输出。 3 ，直接数字合成输出 直接数字合成方式下，在波形存储器中预先存放了输出波形数据，通过硬件实现的地址产生器 给出波形存赌器的地址信号，在控制电路的协调下，控制整个功能块的逻辑时序。童接数字合成方 式信号输出稳定度高；信号发生模块工作时无需微处理器干涉，微处理器可以执行其它任务：可以 实现多个通道信号的同时输出，且通道间同步准确。 通过以上三种输出方式的比较，基于虚拟仪器技术的任意波形发生器采用了直接数字合成方式。 任意波形发生器的原理框图如图3 一l 所示 0 输出信号 图3 1 直接数字合成方式的原理框图 波形数据预先由微处理器写入波形存储器。标准的频率源经过n 位频率控制模块分频后，作为 - 1 0 - 至! 童量垄坌堑兰至釜堡茎至塑奎兰至主兰垒鎏苎 m 位自动地址发生器的输入时钟，自动地址发生器按照一定频率给出地址信号，将数据从波形存储 器中取出，经d a 转换器件转换为模拟信号，再经过信号调理后输出，从而得到需要的模拟信号。 其中丘为频率源的输出频率，经过频率控制模块分频厝褥到频率为f s 的信号，作禺自动地发 生器的输入时钟，即信号的采样频率。 ，：迎 。5 2 “ 参考文献 6 中提到，实际应用中 ， 工s 譬 j 输出信号的频率f 。由下式决定： ，：五：巫 。q 2 n q 其中： p 为频率控制部分的控制字； q 为每周期输出点数； n 为频率控制部分的位数； 若每周期最小输出点数为k ，的最大值为e 。，则输出信号的频率分辨力为 ， r 2 专 3 1 2d a 字长的选择 设计任意波形发生器时，输出波形的质量是我们要着重考虑的一个问题，它与任意波形发生器 的性能指标直接相关。数字方式实现的波形发生通常是通过数模转换得到的，采用的数模转换器件 对波形质量有很大影响。 对于d a 转换器件，它是用多个离散的点来描述连续波形的。以正弦波信号为例，理想的正弦波 信号是一条连续的曲线，具体实现中波形的产生是通过d a 转换器件将数字量转换为模拟量得到， 由许多阶梯波形成。它与理想的正弦波形之间有出入，包含着丰富的谐波分量。 定性的分析，对于周期性模拟信号，当用d a 转换器件拟和实际的波形时，如果个周期之内输 出的数据点数越多，则与实际的波形越接近。对于每一个数据点，它的分辨率越高，则该点与实际 波形越接近。前一项与每周期数据输出点数有关，后一项与d a 器件的字长有关。因此每周期数据 点数的确定和d a 器件字长的选择都是系统设计中需要考虑的问题。 d a 转换器件的输出波形与输入的实际信号相比，产生了非线性失真( n o n l i n e a r d i s t o r f i o n ) 。非 线性失真指输入信号经过处理后，输出时所产生的错误部分，这个错误部分与原本的输入信号无关， 通常会在输入信号以外的频率产生其它错误信号。非线性失真的程度可以用谐波失真来表示。通过 分析波形的频谱，计算谐波失真，可以分析数模转换后波形的质量。下面以正弦波为讨论对象，分 析每周期数据点数和d a 器件字长对波形质量的影响。 定义： 功率谱a p s ( a u t op o w e rs p e c t r u m ) a p s ：f f t ( s i g n a 1 ) 。：f f t ( s i g n a 1 ) 总谐波失真+ 噪声( t h d + n o i s e ，t o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n + n o i s e ) 兰：兰至查竺堑量至鎏堡盐 ； 互至查兰堡圭兰垡笙兰 t h d + 。括。：垒! 坚垒1 4 ( ) f f t ( s i g n a b 是信号的快速傅立叶变换。 n 为参加运算的点数。 a ( f o 、a ( f 2 ) 、a ( 粕分别为基波、二次谐波、n 次谐波分量的幅值。 s l i m ( a p s ) 是波形功率谱中除去基波和直流分量以外所有频率分量幅度的平方和。 从定义中可以看出，对于标准正弦波信号。谐波分量越小，总谐波失真+ 噪声( t h d + n o i s e ) 也就 越小，因此，分析总谐波失真+ 噪声就可以看出正弦波信号的质量。 表3 - 1 总谐波分析数据表用 每周期数据d a 字宽 输出点数8 b i t1 0 b i c1 2 b i t1 4 b i t1 6 b i t 82 2 9 1 0 2 8 1 6 82 2 ，9 】0 2 8 】6 82 2 9 】0 2 8 1 6 82 2 9 】0 2 8 1 0 52 2 ，9 1 0 2 81 0 2 f 1 61 1 3 2 3 2 6 8 7 41 1 3 2 2 8 0 4 71 1 3 2 2 8 0 1 8 81 1 b 2 2 7 9 9 4 8l 】3 2 2 7 9 9 4 2 3 25 6 4 6 0 8 1 4 7 15 6 4 5 1 7 4 5 4 i5 6 4 5 1 2 4 8 9 45 6 4 5 l1 6 7 1 65 6 4 5 1 1 6 3 4 7 6 42 8 2 3 0 6 5 6 6 12 8 2 0 7 4 5 0 5 82 8 2 0 5 4 9 4 112 8 2 0 5 3i 5 7 52 ，8 2 0 5 3 0 7 8 4 1 2 81 4 19 2 3 7 5 3 61 ，4 1 0 4 7 3 7 6 21 4 1 0 0 4 3 3 21 4 1 0 0 1 3 5 3 81 4 1 0 0 1 2 2 8 4 2 5 60 7 2 1 4 2 9 5 3 20 7 0 5 8 8 2 1 8 60 7 0 5 0 5 3 3 2 90 7 0 4 9 7 8 3 5 30 7 0 4 9 7 4 6 8 6 5 1 20 3 8 2 9 5 3 9 5 3 o 3 5 4 2 9 6 8 6 8 0 3 5 2 6 2 9 7 5 80 3 5 2 4 9 0 8 0 10 3 5 2 4 8 3 7 5 9 1 0 2 40 2 3 5 8 8 2 6 6 60 1 8 0 3 1 9 3 0 4o 1 7 6 5 0 9 3 3 50 1 7 6 2 5 7 3 7 30 1 7 6 2 4 2 1 8 9 2 0 4 8 0 1 8 3 1 9 1 7 4 60 0 9 6 9 5 4 9 2 90 ，0 8 8 7 1 5 5 8 90 0 8 8 1 5 9 6 40 0 8 8 1 2 2 6 7 l 4 0 9 6o 1 6 6 5 3 6 7 0 l0 0 5 9 1 6 7 3 50 ，0 4 5 2 4 1 4 6 10 0 4 4 1 3 3 2 5 70 ，0 4 4 0 6 4 7 0 7 8 1 9 20 1 6 2 3 7 9 2 3 90 0 4 5 8 5 9 4 1 800 2 4 2 6 9 3 7 60 0 2 2 17 5 2 9 4旺0 2 2 0 3 8 8 5 9 表3 一i 给出了d a 宇长和每周期数据输出点数与总谐波失真+ 噪声之问的关系。从表中可以看出， 当每周期输出点数较小时，d a 字长对输出信号波形质量影响不大，提高每周期点数对提高波形质量 有明显效果；当每周期输出点数较大时，d a 字长对输出信号波形质量的影响加强，而每周期输出点 数的改变对波形质量的影响变小：当每周期点数在1 0 2 4 点以上，d a 字蘸在1 2 位以上时，每周期点 数和d a 字长这两个因素的改变对输出波形的质量影响不大。 在选择d a 器件时，需要选择适当的d a 字长，从而取得合理的性能价格比。字长太低，则输出 波形质量太差，无法满足要求。字长高能明显提高波形质量，但d a 字长提高后，d a 器件的成本也 随之提高。结合表3 - 1 ，综合考虑d a 字长和每周期点数对信号质量的影响，在任意波形发生器的数 模转换部分我们选择了1 2 位的d a 转换器件，波形存储器选择1 6 k 字的容量，这已经可以满足要求。 3 1 3 输出信号幅度分辨率 输出信号的幅度分辨率也是任意波形发生器的重要指标之一。 d a 转换通道的分辨率取决于d a 转换器的字长。对d a 转换器 分辨率k 是= 2 一c 通道分辨力为v 。f i 5 2p c 端应用软件框架 第二章中曾详细介绍了虚拟仪器的软件开发。虚拟仪器的软件结构是分层次的。在p c 端软件 的规划中，我们把基于虚拟仪器技术的任意波形发生器的p c 端软件分为三个层次：应用程序、仪 器驱动、接口控制。如图5 - 2 所示。 图5 - 2p c 端软件框架 最上层为应用软件，它主要包括图形用户界面、主程序控制、回调函数等。 中间一层为仪器驱动，它主要包括对仪器的特定控制，如参数设定、波形数据下传、波形发生 功能的启动， 亭止等。 最下层为接口控制，在我们设计的任意波形发生器中是串行口的控制，如串行口的初始化、读 操作、写操作等。 5 3 软面板的设计 l a b w i n d o w s c v i 虚拟仪器软件的设计首先要做的工作是图形用户界面的设计，它是程序设计的 起点。 5 3 1 软面板层次规划 根据我们设计的任意波形发生器的功能，对任意波形发生器图形用户界面作了具体规划。软面 板分成两级，第一级是主软面板，第二级为若干子软面板。如表5 】所示。 主软面板上主要是对仪器的动作控制、部分参数的设定，打开二级面板等。 序号为2 1 3 的二级面板用于波形数据的设置。例如，“自动发生方式通道1 波形数据设置面板 0 ”完成自动发生方式下通道1 采用“调用标准函数库”方式时波形数据的生成。 波形编辑器子面板用于编辑波形，在该面板中，在波形数据输出框输入波形数据，生成波形数 据文件。 波形序列生成器用于波形序列的生成。波形序列是指由正弦波、方波、三角波等组成的一串波 形。 波形串行口设置面板用于串行口参数的设置，包括串行臼的选择、波特率的设置等。 3 7 第5 章任意波形发生器软件设计东南大学硕士学位论文 表5 - 1 软面扳层次规划 序号 一级面板二级面板 c o n s t a n tn a m e 备注 l主面板m a r np 2 自动发生方式通道l 波形数据设置面板0ac h a n ip 0调用标准函数库 3自动发生方式通道l 波形数据设置面扳1ac h a n lp j公式输入 4 自动发生方式通道1 波形数据设置面板2ac h a n lp 2手绘输入 5自动发生方式通道l 波形数据设置面板3ac h a n tp 3 波形文件输入 6 自动发生方式通道2 波形数据设置面板0ac h a n 2p 0调用标准函数库 7 自动发生方式通道2 波形数据设置面板1ac h a n 2p 】公式输入 8 自动发生方式通道2 波形数据设置面扳2ac h a n 2p 2手绘输入 9 自动发生方式通道2 波形数据设置面板3ac h a n 2p 3波形文件输入 1 0 程序发生方式通道1 波形数据设置面板0pc h a n lp 0调用标准函数库 1 1 程序发生方式通道1 波形数据设置面板1pc h a n lp 1公式输入 1 2程序发生方式通道1 波形数据设置面板2pc h a n lp 2手绘输入 1 3 程序发生方式通道1 波形数据设置面板3pc h a n lp 3 波