LabVIEW图形化环境下虚拟电压表的设计

摘 要：虚拟仪器与传统仪器不同，传统仪器是由生产厂家定义制造的，具有固定的外观和功能；虚拟仪器通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机地融合为一体，从而把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，大大缩小了仪器硬件的成本和体积，并通过软件实现对数据的显示、存储以及分析处理. 本文描述了虚拟仪器软件平台LabVIEW的特点，重点对基于LabVIEW的虚拟电压表的设计和实现进行了讨论。

关键词：LabVIEW；虚拟仪器；传统仪器；电压表

引 言

现代计算机技术和信息技术的迅猛发展，引起了测量仪器和测试技术的巨大变革。人们曾为测量仪器从模拟化、数字化到智能化的进步而欣喜，也为自动测试技术的日新月异的发展所鼓舞，当今虚拟仪器技术的出现又使得测量仪器步入了高科技的殿堂。它充分利用计算机系统强大的数据处理和显示能力，利用软件完成数据的采集、控制、数据分析和处理以及测试结果的显示等，通过软、硬件的配合实现传统仪器的各种功能，真正实现了“软件即仪器”的概念，用户可以方便地对仪器进行维护和扩展。

电压是电路中常用的电信号，通过电压测量，利用基本公式可以导出其它的参数。因此，电压测量是其他许多电参数和非电参数量测量的基础，测量电压相当普及的一种测量仪表就是电压表。但常用的是模拟电压表，其根据检波方式的不同，有峰值电压表、均值电压表和平均值电压表，它们都各自做成独立的仪表，这样，使用模拟电压表进行交流电压测量时，必须根据测量要求选择仪表。另外，多数电压表的表头是按正弦交流有效值刻度的，测量非正弦波时，必须经过换算才能得到正确的测量结果，这对一般用户，尤其对学生做实验整理数据来说是很麻烦的一件事.而采用虚拟电压表，可将表征交流电压特征的峰值、平均值和有效值集中在一块面板上显示，测量时可根据波形在面板上选择仪表，用户可通过面板指示值对测量结果进行分析比较，大大简化了测量步骤。

开发环境的选择

虚拟仪器应用程序的开发环境主要有两种：一种是基于传统的文本语言的软件开发环境，常用的有Lab Windows/CVI、 Visual BASIDC =VC++等；一种是基于图形化语言的软件开发环境，常用的有Lab VIEW和HP VEE。其中LabVIEW图形化软件开发系统是用工程人员所熟悉的术语和图形化符号代替常规的文本语言编程，界面友好，操作简便，可大大缩短系统开发周期，深受专业人员的青睐. 所以，虚拟电压表的设计平台采用NI公司的LabVIEW 6i进行。采用LabVIEW编程设计的虚拟电压表，显示出的波形比传统电压表更清晰，而且在图形用户界面上，可随意调整输入波形和输入量的大小，方便用户进行比对，使虚拟电压表的设计开发具有现实意义和实用价值。

设计过程

传统电压表
传统电压表一般由阻抗变阻器、放大器、检波器和表头四大部分组成。按对波形响应的输出量分为峰值电压表、均值电压表和有效值电压表. 它们的工作原理类似，只是检波电路参数有所不同。其中峰值电压表采用二级管峰值检波器，表头偏转正比于被测电压(任意波形)的峰值；均值电压表一般都采用二极管全波或桥式整流电路作为检波器，表头偏转正比于被测电压的平均值；有效值电压表则经常采用两种方法进行变换，即模拟计算电路来实现测量.因此，对不同的测量对象必须选用不同的测量仪表。另外，传统仪器大都具有固定的装置，有外壳、操作面板、信号输入输出接线端子，还有开关、旋钮等. 测试结果由指针式仪表、数字仪表、图表或打印等几种形式输出。因此，传统仪器的面板和功能只能由仪器厂家来定义、制造，用户无法改变. 如用户选择了均值检波电压表，那么电压表不管波形如何，测量的都是平均值，而且该类电压表只适合测量高频交流电压，我们是无法改变的。 如果要求测量有效值，一是利用波形因数进行换算，另一种方法则是换用有效值检波的电压表. 显然，无论哪种方法，都是比较麻烦的。

虚拟电压表
虚拟仪器(Virtual Instrument)是基于计算机和标准总线技术的模块化系统，通常它是由控制模块、仪器模块和软件组成，由软件编程来实现仪器的功能。在虚拟仪器中，计算机显示器是惟一的交互界面，物理的开关、按键、旋钮以及数码管等显示器件均由与实物外观相似的图形控件来代替，操作人员通过鼠标或键盘操作虚拟仪器面板上的旋钮、开关、按键等，设置各种参数，根据自己的需要来定义仪器的功能. 在虚拟电压表的设计中，考虑到仪器主要用于教学和实验，使用对象是学生，我们将上述三种检波方式的仪器合为一体，既简化了面板和操作，又便于直接对比。

虚拟电压表的设计
根据使用的目的，本电压表主要用于电路分析和模拟电子技术等实验课教学的测量仪器，主要是让学生掌握电压的测量和电压表对正弦波形和非正弦波形的不同响应。因此，我们确定虚拟电压表应具有电源开关控制、波形选择、峰值、有效值和平均值三种结果显示，且输入信号的大小可调节等功能。

(1)基本框架结构
虚拟电压表由硬件设备与接口、设备驱动软件和虚拟仪器面板组成. 其中硬件设备与接口包括仪器接口设备和计算机，设备驱动软件是直接控制各种硬件接口的驱动程序，虚拟仪器通过底层设备驱动软件与真实的仪器系统进行通讯；并以虚拟仪器面板的形式在计算机屏幕上显示与真实仪器面板操作相对应的各种控键。由于设备驱动软件在一般情况下都是由硬件设备或接口板的厂家提供，为简单起见，我们用软件虚拟了一个信号发生器，此信号发生器可产生正弦波、方波和三角波，根据需要，可调节面板上的控键，改变信号的频率与幅度，然后检测电压表的运行情况。因此，在LabVIEW图形语言环境下设计的虚拟电压表主要为三个部分，第一部分是虚拟电压表面板的设计；第二部分是虚拟电压表流程图的设计；第三部分是虚拟信号源的设计。

(2)面板的设计
前面板用于设置输入数值和观察输出量，用于模拟真实电压表的前面板。由于虚拟面板直接面向用户，是虚拟电压表控制软件的核心。设计这部分时，主要考虑界面美观、操作简洁，用户能通过面板上的各种按钮、开关等控键来控制虚拟电压表进行测量工作。

根据传统电压表面板控键的功能，利用LabVIEW中的控制模板，分别在设计面板上放入模拟实际电压表控键的数据输入控键、显示器、数据输出控件、开关、选择器. 显示器用于显示输入的信号波形；数据输入控键主要用于输入被测信号的信号频率、采样频率、采样数、振幅和相位；数据输出控键则用于输出被测信号经过处理后得到的峰值、平均值和有效值及标准频率的数据显示。

打开LabVIEW前面板编辑窗口，点击鼠标右键，显示控制模板，选择Graph>>Waveform Graph，作为电压表的显示器. 在显示器模板上点击鼠标右键，对其进行属性设置，如根据示波器的频率与幅度值的变化，利用工具模板中的文字工具，对显示器横(时间)、纵(幅度)坐标的刻度重新设置. 用Graph控键设计的示波器是完全同步的，波形稳定。选择Control>>Numeric>>Digital control，作为电压表参数设置的输入和测试结果的数据显示.选择Control>>Class Controls>>Numeric>>Vertical slider，放置对输入波形选择开关.“电源开头”控键选择BooleaN>> Push Button，当按下开关时，虚拟电压表开始运行，同时电源开关的指示灯亮. 同样，当弹起开关时，虚拟电压表停止运行. 前面板如图1所示.



(3)流程图的设计
每一个前面板都对应着一个流程图程序. 前面板的设计完成后，可进行流程图程序的设计。打开LabVIEW 设计环境中的Windows>>Show Diagram，进入流程图编辑窗口，与前面板各控键对应的端口图标自动出现在流程图编辑窗口中.利用LabVIEW中的功能模板，根据虚拟示波器前面板各控件的作用与联系，虚拟示波器运作后数据流的控制，分别在流程图设计面板中放置各个功能模块，合理摆放后，用连线工具依次连接，以实现虚拟示波器的功能. 数据流的编辑主要是对端口图标的连接，用连线工具进行连线时，如果端口闪烁，说明相连的数据类型匹配，否则不能连接。

1)波形发生与显示
由于虚拟电压表主要用于演示，直接利用了LabVIEW软件产生仿真信号。在此设计中，设计了正弦波、方波和三角波三种波形，在程序设计框图中，使用一个case (选择)语句来对三种波形进行选择。Case语句中，每一个数字(1、0、2)代表一种波形，和前面板的控键的三种状态相对应(至于case语句的制作，只需将三个图表中的一个，例如正弦波发生程序，用case框起来，然后在上面的空白处协商相应的数字，例如1，然后点击箭头，可以进行设置第二个图表，如果要添加一个case的话，可以点击鼠标右键，直接添加即可.另外，在模拟状态下，信号频率以Hz或者每秒周期数为单位。但是在数字系统中，通常使用数字频率，它是信号频率和采样频率的比值，被称为标准频率。所以，在框图程序中，应当在信号频率和采样频率之间加载一个除法器.在波形发生程序按照规定的参数产生波形后，如果直接将波形输入波形显示控件，那将是错误的。因为波形显示控键，并不像数据显示控件一样只需要一个或一组数据，波形能否按规定显示出来，取决于输入的几组不同的具有决定性的数据，例如周期、相位等. 所以在这个设计中，我们需要将x轴起始坐标、周期、波形捆绑成一个数组同时输入到波形显示控键中。

2)数据处理部分
数据处理部分的作用，就是将产生出的信号通过不同形式的检波、计算，得出规定的不同的结果.在此设计中同时显示交流有效值、峰值和平均值。对于一个纯粹的交流电压，正半周期信号和负半周期信号对称，平均值U等于零，所以，一般我们不直接测量平均值。在设计时，按Functions>>Numeric>>Absolute取交流电压的绝对值，然后求平均值，即全波平均值.交流电压中的最大值，即为峰值. 可以把数据进行比较求出最大值，需要使用到Waveform MinMax来进行处理框图。

交流电压有效值的公式为


3)开关部分
用一个while条件语句设计整个框图程序，当模拟电源开关为“1”时，即虚拟电压表工作，条件语句中的程序则开始运行，当模拟开关为“0”时，即关，条件语句中的程序则停止运行，虚拟电压表不工作。

结束语

可见，在LabVIEW图形化语言环境下设计的虚拟仪器简单快捷，用户完全可根据测试功能的需要，调用不同功能的软件模块，组建自己的仪器，这对测量者，尤其是在高等院校实验室是非常方便的。我们可在同一台计算机中，根据不同的教学层次，设计不同档次的仪器来为教学服务，如可针对不同的教学目的，可分别对硬件驱动程序部分、虚拟面板部分、信号的后期处理部分进行部分或完善的设计，信号的后期处理程序还可以设计成一个独立的功能模块，能够对采样信号进行非实时的再现和离线分析，既满足了学生的要求，又避免了设备的重复购置。