基于labview的頻譜儀虛擬儀器技術(shù)

基于labview的頻譜儀虛擬儀器技術(shù)

0虛擬儀器和基于平臺(tái)的設(shè)計(jì)技術(shù)一體化土壤測試系統(tǒng)是系統(tǒng)項(xiàng)目的重要組成部分，在正式啟動(dòng)和運(yùn)營之前，完成了所有系統(tǒng)指標(biāo)的測試和測試結(jié)果的存儲(chǔ)。直方孔道系統(tǒng)復(fù)雜，系統(tǒng)指標(biāo)測試任務(wù)繁重。對(duì)于直方孔道的地面測試系統(tǒng)，手動(dòng)操作臺(tái)賬儀的效率低，數(shù)據(jù)分析和存儲(chǔ)方便，因此基于軟件的自動(dòng)測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)非常重要。頻譜儀是合成孔徑雷達(dá)地面集成測試系統(tǒng)的必需儀器,它的功能較多,實(shí)現(xiàn)難度較大.本文重點(diǎn)論述應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)和LabVIEW開發(fā)工具實(shí)現(xiàn)頻譜儀軟件控制設(shè)計(jì).虛擬儀器(VirtualInstruments,VIS)是以計(jì)算機(jī)硬件為平臺(tái),由傳感器、模塊化硬件接口卡以及測量軟件庫構(gòu)成虛實(shí)并存的測量系統(tǒng).是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和儀器系統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物.利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的強(qiáng)大功能和突出的性價(jià)比,結(jié)合相應(yīng)的硬件,大大突破了傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、顯示、傳送和存儲(chǔ)方面的限制,是儀器智能化、集成化、遠(yuǎn)程化及測控一體化的典型范例.虛擬儀器技術(shù)以其可視化、低成本的優(yōu)勢正在被越來越多的工程測試人員所采用,成為未來儀器發(fā)展的主流方向.LabVIEW是美國國家儀器公司(NationalInstruments,NI公司)推出的可視化的虛擬儀器系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái),是一種流行的圖形化編程工具.它囊括了幾乎所有測試工程所需要的功能,從最低層的儀器通信visa命令,到高級(jí)的信號(hào)處理以及各種數(shù)據(jù)報(bào)告生成(reportgeneration)工具包.和流行的通用可視化編程工具VB,VC相比,LabVIEW作為測試系統(tǒng)專用開發(fā)工具具有學(xué)習(xí)簡單、便于掌握的優(yōu)點(diǎn),測試人員可以在短時(shí)間內(nèi)熟練應(yīng)用這一編程軟件.而且,運(yùn)用LabVIEW可以設(shè)計(jì)出形象逼真的用戶界面,充分體現(xiàn)了“軟件就是儀器”的虛擬儀器概念.目前,NI公司正在全球推行基于計(jì)算機(jī)的集成測試系統(tǒng)、LabVIEW開發(fā)平臺(tái)、模塊化儀器與GPIB、VXI或PCI/PXI相結(jié)合的可以開發(fā)出功能全面、小型化、速度快、費(fèi)用低的先進(jìn)集成測試系統(tǒng).1虛擬儀器測試根據(jù)工程需要,頻譜儀控制必須具有如下功能:1)完全脫離手動(dòng)操作儀器面板,測試人員通過鍵盤和鼠標(biāo)完成對(duì)頻譜儀的操作;2)快速刷新虛擬儀器顯示波形;3)實(shí)時(shí)跟蹤測試參數(shù),頻率、幅度、VBW、RBW和掃描時(shí)間設(shè)置;4)波形和參數(shù)以測試日期和測試時(shí)間為文件名,以JEPG圖像文件格式保存;5)虛擬儀器具有良好的用戶界面,顯示測試時(shí)間,測試模式(在線測試、地面測試和標(biāo)準(zhǔn)測試),可以觀察測試波形的局部信息;6)易于和其它測試儀器(示波器、功率計(jì)等)組成集成測試系統(tǒng).2頻譜儀主界面合成孔徑雷達(dá)地面集成測試系統(tǒng)組成如圖1所示,頻譜儀控制系統(tǒng)組成如圖2所示.控制系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分,硬件由Agilent8563EC頻譜儀、GPIB總線和工控機(jī)組成.GPIB作為頻譜儀和工控機(jī)之間的接口總線,雷達(dá)模擬信號(hào)由頻譜儀的信號(hào)輸入端輸入.軟件用LabVIEW編寫,主要由主控界面和測試參數(shù)設(shè)置子界面組成,子界面包括:觸發(fā)模式設(shè)置、頻率設(shè)置、幅度設(shè)置和Marker設(shè)置.頻譜儀主控界面如圖3所示:中間為波形顯示區(qū)域;左側(cè)是工程需要的頻譜儀功能及數(shù)據(jù)分析、存儲(chǔ)功能按鍵;右側(cè)是測試模式說明,波形分析按鍵(波形局部放大或縮小),坐標(biāo)變換;上方是Maker顯示(峰值等);下方是參數(shù)跟蹤顯示,包括起始頻率和終止頻率或者中心頻率和帶寬,視頻帶寬(VBW),分辨率帶寬(RBW),掃描時(shí)間以及測試時(shí)間;最下方是調(diào)用集成測試系統(tǒng)中其它測試儀器按鍵.3基于不同性能的應(yīng)用,方便實(shí)現(xiàn)快速測試許多虛擬儀器設(shè)計(jì)人員認(rèn)為,LabVIEW編程不夠靈活,速度較慢,不適合復(fù)雜的工程應(yīng)用.本文對(duì)LabVIEW的幾種常用技術(shù)賦于新的應(yīng)用表明,LabVIEW同樣可以應(yīng)用于大規(guī)模集成測試系統(tǒng).3.1融資環(huán)境下的fig信號(hào)檢測算法傳統(tǒng)的LabVIEW有三種基本循環(huán)結(jié)構(gòu):順序結(jié)構(gòu)、While循環(huán)和For循環(huán).對(duì)儀器控制采用循環(huán)查詢方式,While或For循環(huán)中嵌套順序結(jié)構(gòu).對(duì)于功能復(fù)雜的控制,要對(duì)每一個(gè)程序塊查詢一遍,儀器對(duì)程序的響應(yīng)速度較慢,這樣的控制沒有實(shí)用價(jià)值.本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)用LabVIEW6.1以上版本的新增功能Eventstructure作為基本程序結(jié)構(gòu),提高控制速度.EventStructure是事件驅(qū)動(dòng)編程技術(shù),這種結(jié)構(gòu)能夠響應(yīng)Notify(通告)事件.Notify事件通知LabVIEW一個(gè)動(dòng)作已經(jīng)發(fā)生,EventStructure得到該事件發(fā)生的通知,立即進(jìn)入相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序.當(dāng)沒有任何事件發(fā)生時(shí),EventStructure處于睡眠狀態(tài),直到一個(gè)或多個(gè)預(yù)先設(shè)定的事件發(fā)生時(shí),EventStructure才會(huì)自動(dòng)蘇醒,程序不會(huì)一直處于循環(huán)查詢狀態(tài).頻譜儀控制系統(tǒng)中設(shè)置15個(gè)布爾型控件按鈕值改變事件,用來驅(qū)動(dòng)觸發(fā)模式設(shè)置,頻率設(shè)置、幅度設(shè)置、Marker設(shè)置、曲線選擇(TraceA或B)設(shè)置、波形顯示、波形存儲(chǔ)、切換到其它測試儀器設(shè)置和測試退出設(shè)置等功能.如果用傳統(tǒng)的順序查詢結(jié)構(gòu),程序?qū)?5個(gè)控件按鈕值查詢一遍,然后響應(yīng)已改變了按鈕值的控件事件所對(duì)應(yīng)的程序塊,執(zhí)行一次設(shè)置約需要2min時(shí)間,遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足測試系統(tǒng)的要求.應(yīng)用EventStructure結(jié)構(gòu),程序不會(huì)對(duì)15個(gè)控件按鈕值進(jìn)行循環(huán)查詢,如果控件按鈕值都沒有改變,則程序一直處于睡眠狀態(tài).一旦用鼠標(biāo)點(diǎn)擊了某一個(gè)控件,則程序立即進(jìn)入相應(yīng)的程序塊.實(shí)驗(yàn)表明,引入EventStructure功能后,儀器對(duì)程序的響應(yīng)速度大大提高,完全可以滿足測試要求.3.2在頻設(shè)置參數(shù)跟蹤小環(huán)LabVIEW的全局變量技術(shù)是控制系統(tǒng)參數(shù)跟蹤功能得以實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù).全局變量有兩個(gè)功能:①把兩個(gè)獨(dú)立的VI聯(lián)系起來,實(shí)現(xiàn)不同VI之間的通信,使得異步的任務(wù)可以共享信息;②全局變量存放在一個(gè)單獨(dú)的VI中,可以是任何類型的數(shù)據(jù),在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)可以讀寫,并且所有的調(diào)用者可以訪問同樣的數(shù)據(jù).一般全局變量和寄存器一起應(yīng)用.在頻譜儀控制設(shè)計(jì)中,賦于全局變量新的應(yīng)用.在參數(shù)設(shè)置VI中對(duì)一個(gè)布爾型全局變量進(jìn)行True和False讀寫操作,主控界面VI共享這個(gè)布爾型全局變量的值,作為局部程序控制的條件,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)參數(shù)設(shè)置數(shù)據(jù)跟蹤顯示.以頻率設(shè)置參數(shù)跟蹤為例分析全局變量技術(shù)的應(yīng)用.參數(shù)設(shè)置在圖4所示的頻率設(shè)置子界面VI中完成,跟蹤顯示在圖3所示的主控界面VI中完成,這兩個(gè)VI各自獨(dú)立運(yùn)行,彼此的控件變量互不相干.引入三個(gè)全局變量StartFrequency,StopFrequency和SetRun實(shí)時(shí)跟蹤頻率參數(shù)設(shè)置(如圖5和圖6箭頭所指區(qū)域).圖4頻率設(shè)置界面上,輸入起始頻率和終止頻率值,在圖5中,程序把輸入值寫入全局變量StartFrequency和StopFrequency.圖6中,While循環(huán)體的startfrequency和stopfrequency指示器控件實(shí)時(shí)讀出全局變量StartFrequency和StopFrequency的值,并在圖3界面上顯示.全局變量SetRun作為頻率跟蹤循環(huán)的控制條件,如圖5所示,在進(jìn)入數(shù)據(jù)跟蹤之前先被賦值為True,While循環(huán)程序執(zhí)行,跟蹤開始.在EventStructure結(jié)構(gòu)中,FrequencySetCase的SetRun全局變量在While循環(huán)體外只被賦值一次.頻率設(shè)置完畢,返回頻譜儀主控界面前,頻率設(shè)置程序?qū)θ肿兞抠x值為False,如圖5所示.圖6中的While循環(huán)檢測到控制條件為False,退出循環(huán),跟蹤結(jié)束.實(shí)驗(yàn)表明,應(yīng)用全局變量使系統(tǒng)測試參數(shù)跟蹤得到有效的實(shí)現(xiàn),而且使程序簡化,條理清楚.4建立單次測量狀態(tài)存儲(chǔ)機(jī)制LabVIEW擁有完善的數(shù)據(jù)文件和圖像文件讀寫VIS,可以方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)測量原始數(shù)據(jù)和測量狀態(tài)的存儲(chǔ).測量狀態(tài)包括主控界面上的波形、參數(shù)設(shè)置、測量時(shí)間以及測量說明的存儲(chǔ).4.1生成文本字符WriteCharactersToFile.vi和WritetoSpreadsheetFile.vi是LABVIEW常用的數(shù)據(jù)文件寫入VIS.圖標(biāo)如圖7和8所示.根據(jù)VI的輸入?yún)?shù),WriteCharacterToFile.vi將一個(gè)字符串寫入新的字節(jié)流文件或向現(xiàn)存文件添加字符串.WritetoSpreadsheetFile.vi將二維或一維單精度數(shù)組轉(zhuǎn)換為文本字符串并將這個(gè)字符串寫入一個(gè)新的文本字節(jié)流文件中,或?qū)⑵涮砑拥浆F(xiàn)存文件中.說明部分的內(nèi)容由ConcatenateStringsVI組合成一個(gè)字符串,通過WriteCharactersToFile.vi添加到一個(gè)現(xiàn)存文件中.頻譜儀測試狀態(tài)存儲(chǔ)流程圖片斷如圖9所示.原始數(shù)據(jù)由頻率點(diǎn)值和對(duì)應(yīng)的幅度值通過BuildArrayVI組成二維數(shù)組,由WriteSpreadsheetFile.vi保存在一個(gè)現(xiàn)存文件中,輸入文件名端點(diǎn)(filepath[dialogifempty])和前面的WriteCharacterToFile.vi的輸出文件路徑端點(diǎn)(newfilepath[NotAPathi…]相連接.原始數(shù)據(jù)存儲(chǔ)流程圖片斷如圖10所示.4.2vis創(chuàng)建及其存儲(chǔ)存儲(chǔ)前面板有兩個(gè)重要環(huán)節(jié):①獲取前面板圖像,②獲取寫入圖像文件的VI.獲取前面板圖像就是對(duì)VI的InvokeNode方法節(jié)點(diǎn)的調(diào)用,具體操作:ShowFunctionsPalette→ApplicationControl→InvokeNode→→SelectClass→VIServer→VI→→GetPanelImage→.獲取寫入圖像文件的VIS,就是調(diào)用WriteJEPGFile.vi或WriteBMPFile.vi.具體操作:ShowFunction→Palette→Graphics&Sound→GraphicsFormats→WriteJEPGFile.Vi或WriteBMPFile.vi.存儲(chǔ)虛擬頻譜儀主界面VI流程圖片斷如圖11所示.用ConcatenateStringsVI創(chuàng)建文件名,imagedepth指定圖像為8b彩色格式.實(shí)驗(yàn)表明,LabVIEW的文件存儲(chǔ)功能可以方便有效地完成測試文件及圖形的存檔.5虛擬和利用先式電路的信號(hào)仿真及測試基于LabVIEW的頻譜儀控制系統(tǒng)有兩個(gè)基本功能:①根據(jù)工程測試需要,應(yīng)用虛擬儀器技術(shù),選擇頻譜儀的部分功能,設(shè)計(jì)虛擬頻譜儀人機(jī)界面(VI前面板),其外形盡量模仿臺(tái)式頻譜儀的外形;②實(shí)現(xiàn)由虛擬頻譜儀人機(jī)界面遠(yuǎn)程控制臺(tái)式頻譜儀的參數(shù)設(shè)置及測試波形數(shù)據(jù)的讀取.第二個(gè)功能是該控制系統(tǒng)的核心,在測試過程中,對(duì)合成孔徑雷達(dá)回波信號(hào)的頻譜分析仍然是由臺(tái)式頻譜儀完成.GPIB作為臺(tái)式頻譜儀和工控機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸總線,通過GPIB和頻譜儀硬件驅(qū)動(dòng)程序,軟件控制對(duì)臺(tái)式頻譜儀數(shù)據(jù)的讀寫,然后把從臺(tái)式頻譜儀中讀取的數(shù)據(jù)在工控機(jī)的人機(jī)界面上顯示出來.以分析一個(gè)模擬基帶信號(hào)為例,對(duì)虛擬和臺(tái)式頻譜儀進(jìn)行比較分析,基帶信號(hào)參數(shù):中心頻率為0,帶寬100MHz,圖12和圖13分別表示該信號(hào)在虛擬和臺(tái)式頻譜儀上的波形及參數(shù)顯示.RBW和VBW相同,等于1.0MHz,掃描時(shí)間1s.由圖12和圖13可以看出,虛擬頻譜儀跟蹤臺(tái)式頻譜儀的波形及參數(shù)顯示,