李 辉 张持健 安徽师范大学物理与电子信息学院 安徽 芜湖 241000
摘 要：虚拟仪器是仪器与计算机结合的产物，具有智能化、软件化等优点。本文基于Labview平台开发了虚拟信号源和传感信号采集系统。实验表明系统体现了虚拟仪器的特性，满足了电子工程专业对虚拟仪器实验教学的要求且成本低廉，具有较大的实用价值。
关键词：Labview 信号源 信号采集
一、Labview简介
虚拟仪器是测试仪器与计算机结合的产物，是在以计算机为核心的平台上，由软件实现测试功能的智能仪器系统。自从美国国家半导体公司（National Semiconductor，NI）于70年代提出虚拟仪器的概念以来，虚拟仪器因其软件化、模块化、通用化等优点，大大突破了传统仪器在灵活性以及数据处理、显示、存储等方面的不足，在通信、汽车、测控等行业得到了广泛的应用。虚拟仪器最常用的编程语言为labview，是NI公司基于图形化编程语言的虚拟仪器开发工具，内置信号采集、测量分析与数据显示功能，集开发、调试、运行于一体，可以非常容易的与各种数据采集硬件无缝集成，利用它可以轻松组建一个测试系统而无需进行繁琐的代码编写。本文就将对利用Labview进行电子工程实验教学做一些研究与探讨。
二、虚拟信号源设计
信号源是电子实验室必备的设备，其主要功能是产生实验所需的各种信号。利用Labview设计虚拟信号源可以加深学生对各种信号特征的理解，同时训练学生虚拟仪器开发的技巧。将Labview与NI公司的专用虚拟仪器信号处理板结合可以方便地进行信号的合成，如USB600X、USB92XX系列。这类板卡虽然性能优良，配套软件齐备，但是一般价格较贵，普遍在千元以上，相对高校或个人而言实验成本较高。一般声卡采样位数可以达到12bit，并不逊于常用的数据采集卡；而且主流声卡在音频（20～20KHz）都具有较好的幅频特性，所以当采样率设为44.1KHz时可作为音频信号源。笔者就利用声卡结合Labview设计了一款低成本虚拟信号源。
Labview音频输出的相关函数为：SO Config.vi和SO Start.vi分别用于配置和开启声卡；SO Clear.vi用于释放已经打开的声卡；SO Set Num Buffers.vi申请适当大小的缓冲区，调用此函数可准备好波形音频数据块，一旦数据准备好，就可调用SO Write.vi将其传给声卡驱动程序进行播放输出，SO Wait.vi则完成声卡接收到的所有数据播放完毕之前的等待工作；最后函数SO Volume.vi用于设定波形输出设备的音量。虚拟信号源的Labview框图程序和前面板是对应的，框图程序相当于传统程序的源代码。程序需要实现各控件参数的初始化、输出通道和精度选择、信号生成等功能。初始化主要是运行几个控制控件和声卡缓冲区大小的设置。输出通道包括mono和stereo，输出精度是由声卡的位数（8位和16位）决定的，因此有四种组合：单声道8位、单声道16位、双声道8位和双声道16位。信号生成部分实现各种信号的生成，是整个系统的核心。Labview程序具有模块化特征，可以将一个大的VI设计成几个模块，这样有利于程序的开发和维护。首先根据用户在前面板中设置的各种参数调用不同的子VI生成需要的信号数据，主要包括仿真信号和噪声两个子VI。仿真信号子VI主要用于基本周期信号的生成，使用Basic Function Generator.vi来产生基本的周期信号（正弦波、方波、三角波和锯齿波）；噪声子VI的作用是产生不同幅度的白噪声。前面板是程序的交互式图形化用户界面，应根据仪器所实现的功能，模仿实际的仪器面板来设计。设计完成的虚拟信号源面板与信号输出结果如图1所示，面板左右分别显示2个独立的输出通道，每个通道都可独立设置信号的幅度、频率、初相等参数。
本实验系统集成了温度与光强传感器，同时可以扩展传感器接口。其中温度传感器为数字温敏器件DS18B20，能够在-55°～125°C的范围内提供0.5°C的精度，其优点在于能够直接提供数字温度值，可以与后端MCU直接接口，省去了调理电路。光强传感器则使用光敏电阻。数据采集使用12位ADC器件TLC2543，该器件具有11位模拟输入端，可通过控制字灵活选择不同的输入端口，适合于多传感器输入应用。器件控制字输入和转换数据输出都为串行模式，可以与51单片机以尽可能少的连线接口。51单片机与上位机使用USB接口通信。USB接口基于单一的总线接口来满足多种应用领域的需求，其即插即用、支持热插拔、易于扩展等特性极大地方便了用户，已逐渐成为现代数据传输的主流。由于51单片机自身不拥有USB接口，所以需要外接USB控制器。本系统使用PL2303来实现USB和RS-232串行端口之间的转换。PL2303使用两个独立的大型缓冲进行两种总线的连接，可以安装在电缆中，用户只需将其连入主机USB就可以实现与单片机RS-232串口的通信。
Labview通过调用VISA函数来实现USB设备的控制和通信。VISA（Virtual Instrument Software Architecture）是NI公司开发的一种用来与各种仪器总线进行通信的高级应用编程接口，可用来对USB、GPIP、串口、VXI、PXI和以太网系统进行配置、编程和调试。在这里主要使用了VISA Open、VISA Write、VISA Read、VISA Close这4个VISA函数。与USB设备的通信过程分为4个步骤：1.由VISA Open函数打开VISA resource name端口指定的USB设备；2.通过VISA Write函数向USB设备发送控制命令启动设备工作，USB设备接收到控制命令后开始采集数据并将采集到的数据按要求发送到数据缓冲区；3.通过VISA Read函数将数据读出；4.通过VISA Close函数关闭设备。
四、小结
本文基于Labview虚拟仪器开发平台，结合声卡和单片机数据采集板设计了虚拟信号源和传感器信号采集系统，系统可生成正弦、方波、三角波、白噪声等多种波形，采集温度等常见的传感信号。实验表明整个系统通用性好，软件升级灵活，具有很高的性价比，有力地验证了“软件就是仪器”的设计思想，具有在高校实验室推广的潜力。
参考文献
[1]刘君华 郭会军 基于labview的虚拟仪器设计[M].北京：电子工业出版社，2003。
[2]陈锡辉 张银鸿 LABVIEW程序设计[M].北京：清华大学出版社，2007。
[3]DALLAS SEMICONDUCTOR 单片机与数字温度传感器DS18B20的接口设计[J].计算机测量与控制，2002，10，（4）。
[4]Teas Instruments AD芯片TLC2543与51系列单片机的接口设计[J].广东工业大学学报，2006，23，（3）。
[5]苏全 PL-2303HX芯片的功能与应用[J].微计算机信息，2005年，7期。
[6]邝永明 基于Labview的多功能虚拟仪器的应用开发[J].广西大学学报，2006，31，（4）。
本文受电子信息工程国家级特色专业建设项目支持。
论文作者:李 辉 张持健
论文发表刊物:《教育学》2015年8月总第82期供稿
论文发表时间:2015-6-19
标签：信号源论文; 信号论文; 声卡论文; 虚拟仪器论文; 函数论文; 数据论文; 单片机论文; 《教育学》2015年8月总第82期供稿论文;