設(shè)計(jì)基于LabVIEW的虛擬儀器系統(tǒng)

　　本文將介紹如何在LabVIEW下快速搭建基于MSP-060101的虛擬示波器和頻譜分析軟件。

　　一、硬件部分

　　本文中所用到的MSP-060101是一款16bit、500ksps的單通道USB數(shù)據(jù)采集卡。它具有接口簡(jiǎn)單、量程可選（±1V與±10V）、速度快、精度高、驅(qū)動(dòng)函數(shù)接口簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，非常適合用來(lái)快速實(shí)現(xiàn)虛擬示波器和頻譜分析功能。

　　MSP-060101硬件連接非常簡(jiǎn)單，將采集卡插入PC的USB接口，按說(shuō)明安裝好驅(qū)動(dòng)程序，就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)采集了，不需要外接電源和其他繁瑣的設(shè)備。MSP-060101前端接信號(hào)的端口只有兩個(gè)，分別接到差分輸入信號(hào)的正端和負(fù)端即可，簡(jiǎn)單明了，一目了然。

　　二、底層函數(shù)

　　連接好硬件，接下來(lái)了解該卡驅(qū)動(dòng)函數(shù)的使用。該卡驅(qū)動(dòng)函數(shù)只有兩個(gè)，封裝于MSP-16bitDAQCard.dll中，用戶可通過(guò)調(diào)用DLL的方式來(lái)執(zhí)行函數(shù)。函數(shù)定義如下：

　　int SetSampleRate (int SampleRate, int DeviceNumber)

　　int GetVoltage(float *DataArray, int ArraySize, float mult, float Offset, int DeviceNumber)

　　SetSampleRate 函數(shù)用來(lái)設(shè)置采集卡的采樣率。其參數(shù)為 SampleRate（采樣率，1K-500K范圍內(nèi)任意設(shè)置） 和 DeviceNumber（設(shè)備序號(hào)，同時(shí)支持10塊采集卡）。

　　GetVoltage 函數(shù)用來(lái)采集電壓數(shù)據(jù)。其參數(shù)為DataArray（緩存數(shù)組）、ArraySize（緩存長(zhǎng)度）、mult（增益系數(shù)）、Offset（偏移量）和DeviceNumber（設(shè)備序號(hào)）。

　　這兩個(gè)函數(shù)都有返回值，如果函數(shù)執(zhí)行成功，則返回1，否則返回0。

　　在LabVIEW中，是通過(guò)Call Library Function Node來(lái)調(diào)用DLL函數(shù)的。為了便于使用，我們將調(diào)用DLL的代碼做成子VI函數(shù)，子VI主要有兩個(gè)，即采集數(shù)據(jù).VI 和 頻率設(shè)置.VI。其內(nèi)部程序框圖如下：

　　三、軟件編寫

　　編寫好子VI，接下來(lái)的工作就是按照LabVIEW的程序設(shè)計(jì)方法來(lái)設(shè)計(jì)應(yīng)用軟件。本文以基本的示波軟件為例，并結(jié)合頻譜分析，示范如何利用LABVIEW的高效控件來(lái)編寫測(cè)試軟件。

　　軟件的整體設(shè)計(jì)思路大致如下：軟件執(zhí)行為一個(gè)無(wú)限循環(huán)，每次循環(huán)分為三個(gè)步驟，一是設(shè)置采集卡的采樣率，二是連續(xù)采集一段長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)，三是進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。因此，程序的主體框架就是一個(gè)while循環(huán)內(nèi)嵌套一個(gè)順序結(jié)構(gòu)。

　　下面我們來(lái)看每次循環(huán)的第一個(gè)步驟，設(shè)置采樣率。采樣率的設(shè)置很簡(jiǎn)單，直接調(diào)用子VI即可。但為了讓程序運(yùn)行的穩(wěn)定，防止由于采集卡無(wú)響應(yīng)造成的程序死機(jī)，同時(shí)也使軟件更人性化，在這里需要加入一個(gè)硬件檢查報(bào)錯(cuò)機(jī)制。其思路是調(diào)用設(shè)置采樣率的函數(shù)，如果采集卡硬件沒(méi)有連好，或是硬件工作不正常，函數(shù)執(zhí)行不成功，將返回0，則通過(guò)判斷返回值是否為0，就可以判斷采集卡硬件是否出現(xiàn)問(wèn)題。如果出現(xiàn)問(wèn)題，則向用戶報(bào)錯(cuò)，提示用戶檢查硬件，并停止程序，不再向下執(zhí)行。如果硬件正常，則繼續(xù)執(zhí)行數(shù)據(jù)采集程序。

　　接下來(lái)是第二個(gè)步驟，采集一定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)。這部分也較為簡(jiǎn)單，直接調(diào)用采集函數(shù)即可。數(shù)據(jù)采集的同時(shí)可以設(shè)置數(shù)據(jù)的增益系數(shù)和偏移量，以便獲得更好的波形效果，也可以用來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)校準(zhǔn)。

　　對(duì)于一個(gè)數(shù)據(jù)采集軟件來(lái)講，重點(diǎn)在于第三個(gè)步驟，即數(shù)據(jù)的處理。本例中，目的是要顯示一個(gè)穩(wěn)定的波形，并對(duì)其頻譜做初步的分析。這里將用到一個(gè)比較重要的功能，即軟件的內(nèi)觸發(fā)。該功能是通過(guò)判斷波形在某一個(gè)特定電平（觸發(fā)電平）點(diǎn)上是上升還是下降（觸發(fā)極性）來(lái)決定后續(xù)顯示波形的起始點(diǎn)。經(jīng)過(guò)內(nèi)觸發(fā)后，每次采集得到的波形都將從相同的電壓點(diǎn)，按相同的變化趨勢(shì)開(kāi)始，因此對(duì)于周期變化的信號(hào)來(lái)說(shuō)，波形就能較為穩(wěn)定的重復(fù)出現(xiàn)，便于人們進(jìn)行觀察和分析。在本例中，內(nèi)觸發(fā)功能被做成了功能子VI，通過(guò)調(diào)用該VI就可以將波形進(jìn)行軟件觸發(fā)。

　　波形經(jīng)過(guò)觸發(fā)后，基本已經(jīng)有了一個(gè)較為穩(wěn)定的顯示效果。接下來(lái)需要給波形數(shù)據(jù)加入時(shí)間特性。其方法是根據(jù)采樣率算出采樣間隔時(shí)間Δt，并通過(guò)建立波形的控件將Δt賦給波形數(shù)據(jù)。

　　至此，我們已經(jīng)得到了一個(gè)較為完整的顯示波形，簡(jiǎn)單示波器的功能就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了。

　　想要給軟件加上頻譜分析的功能，在LabVIEW中也是很容易實(shí)現(xiàn)的。只需將我們前面得到的波形數(shù)據(jù)直接送入FFT函數(shù)中，就可以得到波形的頻域數(shù)據(jù)。但為了便于分析，我們希望能自動(dòng)從頻域中提取信號(hào)的主頻。其算法也很簡(jiǎn)單，就是由低到高依次掃描不同頻率的功率分布值，找到最大值后，根據(jù)最大值所在的位置序號(hào)來(lái)推算主頻。值得注意的是掃描時(shí)不能從頻率0點(diǎn)開(kāi)始，不然0頻率可能對(duì)應(yīng)的是最大的功率分布，一般要把前幾個(gè)點(diǎn)排除在外。