2 2 基于 LabVIEW 8. 2 的多用虚拟电压表设计 (1. 滨州技术学院 　山东 滨州 　256603 ;2. 河南理工大学 电气工程与自动化学院 　河南 焦作 　454000) 范 　强1 ,付永丽2 《现代电子技术》2009 年第 24 期总第 311 期 　 新型元器件 摘 　要 :为了满足不同测量的要求传统的电压表分别做成独立的仪表 ,包括峰值电压表 、平均值电压表和有效值电压 表 。在此 ,提出采用虚拟仪器同时实现三种示值电压表的方案 ;介绍了虚拟仪器软件平台 LabV IEW 的特点 。对虚拟数字电 压表的设计和实现进行了详细描述 ,包括基于 LabV IEW 8. 2 的虚拟信号发生器的实现过程 ,它能产生正弦 、方波 、三角波及 由输入数学公式确定的复杂自编辑波形 。最后 ,对设计的虚拟电压表运行结果进行分析 ,验证了虚拟电压表设计方法的正 确性 。 关键词 :LabV IEW 8. 2 ;虚拟仪器 ;电压表 ;复杂自编辑波形 中图分类号 : TM930. 9 　　　　　文献标识码 :B 　　　　　文章编号 :1004 373X(2009) 24 183 03 Design of All purpose Virtual Voltmeter Based on LabVIEW 8. 2 FAN Qiang1 ,FU Yongli2 (1. Binzhou Institute of Technology ,Binzhou ,256603 ,China ;2. School of Elect rical Engineering & Automation , Henan Polytechnic University ,Jiaozuo ,454000 ,China) Abstract :Custom voltmeters include the peak value meter , the average meter and the RMS meter , they are made of instrument s independently for different requirement . A scheme that integrated these three kinds of voltmeter using virtual in strument and LabV IEW are introduced. The design and realization of virtual voltmeter are described in detail ,including the re alization of virtual signal generator based on LabV IEW8. 2 ,this signal generator can genetate the waveform of sine ,triangle , square and complex self editable waveform determined by the inp ut formula. The operating result is discussed to validate cor rectness of the design method of virtual instrument . Keywords :LabV IEW8. 2 ;virtual instrument ;voltmeter ;complex self editable waveform 0 　引 　言 虚拟仪器是随着计算机技术 、电子测量技术和通信 技术发展起来的一种新型仪器 。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[ 1 ] 。 电压是电路中常用的电信号 ,通过电压测量 ,利用基 本公式可以导出其他的参数。因此 ,电压测量是其他许 多电参数和非电参数量的基础。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。模拟 电压表根据检波方式的不同 ,分为峰值电压表、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 ,而测量非正弦波时 ,必须经过换算才能得到 正确的测量结果 ,从而给实际工作带来不便。 收稿日期 :2009 06 25 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显示在一块面板上 ,测量时可根据 波形在面板上选择仪表 ,用户仅通过面板指示值就能对 测量结果进行分析比较 ,大大简化了测量步骤 。 1 　虚拟电压表的设计思路 LabV IEW 8. 2 版本的工程技术比以往任何一个版 本都丰富 ,它采用了中文界面 ,各个控件的功能一目了 然 。利用它全新的用户界面对象和功能 ,能开发出专业 化 、可完全自定义的前面板 。LabV IEW 8. 2 对数学 、信 号处理和分析也进行了重大的补充和完善 ,信号处理分 析和数学具有更为全面和强大的库 ,其中包括 500 多个 函数 。所以在 LabV IEW 8. 2 版本下能够更方便地实 现虚拟电压表的设计[ 2 ] 。 虚拟电压表是基于计算机和标准总线技术的模块 化系统 ,通常它由控制模块 、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 , 操作人员只要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 ,就能根据自己的需要 381 

虚 拟 仪 器 范 　强等 :基于 LabV IEW 8. 2 的多用虚拟电压表设计 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 ,因此将引言中 提到的三种检波方式的仪器合为一体 ,既简化了面板操 作 ,又便于直接对比 。 该电压表主要用于电路分析和模拟电子技术等实 验课的教学和测量仪器 ,能够使学习者了解和掌握电压 的测量和电压表对各种波形的不同响应 。因此 ,虚拟电 压表应具备电源开关控制 、波形选择 ,以及显示峰值 、有 效值和平均值三种结果 ,且输入信号的大小可调节等功 能 。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 仪器系统进行通信 ,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件 。 在此 ,用软件虚拟了一个信号发生器[ 3 ,4 ] 。该信号发生 器可产生正弦波 、方波和三角波 ,还可以输入公式 ,产生 任意波形 。根据需要 ,可调节面板上的控件来改变信号 的频率和幅度等可调参数 ,然后检测电压表的运行情 况 。因此 ,在 LabV IEW 图形语言环境下设计的虚拟电 压表主要分为两个部分 :第一部分是虚拟电压表前面板 的设计 ;第二部分是虚拟电压表流程图的设计 。 2 　前面板的设计 前面板模拟真实电压表的前面板 ,用于设置输入数 值和观察输出量 。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 控件来控制虚拟电压表进行测量工作 。根据传统电压 表面板控件的功能 ,利用 LabV IEW 中的控制模板[ 5 ] , 分别在设计面板上放入模拟实际电压表控件的数据输 入控件 、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 ;数据输入控件主要用于输入被 测信号的信号频率 、采样频率 、采样数 、振幅和相位 ;数 据输出控件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 有 效 显 示 。打 开 LabV IEW 前面板的编辑窗口 ,点击鼠标右键 ,显示控 制模板 ,选择图形 →波形图 ,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 ,例如 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 ,对示波器横 (时间) 、纵 (幅度) 坐标的刻度进 行重新设置 。用 Grap h 控件设计的示波器是完全同步 的 ,且波形稳定 。 选择控件 →数值 →数值输入控件/ 数值显示控件 , 作为电压表参数设置中输入和测试结果的数据显示 。 481 选择控件 →下拉列表与枚举 →菜单下拉列表 ,放置 对输入波形选择开关 ,在下拉列表中单击鼠标右键 ,选 择“编辑项”对其进行编辑 。 “电源开关”控件选择经典 →经典布尔 →方形按钮 , 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 。 图 1 　虚拟电压表的前面板 3 　流程图的设计 每一个前面板都对应一个流程图程序 。前面板的 设计完成后 , 可对流程图程序进行 设计 。打开 Lab V IEW 设计环境中的窗口 →显示程序框图 ,进入流程图 编辑窗口 ,与前面板各控件对应的端口图标自动出现在 流程图编辑窗口中 。利用 LabV IEW 中的功能模块 ,根 据虚拟示波器前面板各控件的作用和联系 ,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 ,在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 。 3. 1 　虚拟信号发生器的实现 由于虚拟电压表主要用于演示 ,所以为了方便 ,可直 接利用 LabVIEW 软件产生仿真信号。在该设计中 ,设置 了正弦波、方波和三角波以及由公式确定的任意波形。 在程序设计框图中 ,使用一个 Case (选择) 语句对四种波 形进行选择。Case 语句中[6 ,7 ] ,每一个数字 (0 ,1 ,2 ,3 ,4) 都代表一种波形 ,与前面板控件中 5 种状态相对应。至 于 Case 语句的制作 ,只需将 4 个图标中的一个 ,例如正 弦波发生程序 ,用 Case 框起来 ,然后在上面的空白处写 上相应的数字 ,例如 1 ;然后点击箭头 ,可以设置第二个图 标 ,如果要添加一个 Case 的话 ,可以点击鼠标右键 ,直接 添加 ,编辑相应的基本信号发生器[8 ] VI 中相应的节点即 可。在添加公式波时 ,要把基本信号发生器 VI 换成公式 波形 VI ,0 代表默认状态 ,表示无任何波形输入。本文给 

《现代电子技术》2009 年第 24 期总第 311 期 　 新型元器件 出了 Case 结构的一个分支 ,公式波形的流程图如图 2 所 示。该子 VI 可使用指定时间函数的公式字符串生成 一个函数波形 ,它要求公式的自变量必须是 t ,它所支持 的运算符和常用的函数详见参考文献[9 ] 。 时间的窗 ;erroe in 是在该 V I 运行之前描述错误环境 , 默认值为 no error 。如果错误已经发生 ,该 V I 在 error out 端返回错误代码 ,子 V I 在无错误时才正常运行 。 3. 3 　开关部分 用一个 while 条件语句设计整个框图程序 ,当模拟 电压开关为“1”时 ,虚拟电压表工作 ,条件语句中的程序 开始运行 ;当模拟开关为“0”即关时 ,条件语句中的程序 停止运行 ,虚拟电压表不工作 。设计好的流程图如图 4 所示 。 图 2 　公式波形的流程图 另外 ,在模拟状态下 ,信号频率以赫兹或者每秒周 期数为单位 。但是在数字系统中 ,通常使用数字频率 , 它是信号频率与采样频率的比值 ,被称为标准频率 。所 以 ,在框图程序中 ,应当在信号频率与采样频率之间加 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 将波形直接输入波形显示控件 ,那将是错误的 。因为波 形显示控件 ,并不像数据显示控件那样只需要一个或 一组数据 ,因此波形能否按规定显示出来 ,取决于输入 的几组不同且具有决定性的数据 ,例如周期 、相位等 。 在该设计中 ,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件中 。 3. 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 。在该设 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 ,正半周期信号与负半周期信号对称 ,U 的平均值等于零 ,所以一般不直接测量平均值 。在设计 时 ,按函数 →数值 →绝对值取交流电压的绝对值 ,然后 求平均值 ,取全波平均值 。交流电压中的最大值 ,即为 峰值 。可以通过比较数据求出最大值 ,这需要使用波形 最大 、最小子虚拟仪器[ 10 ] 来处理框图 。有效值显示 :在 函数 →信号处理 →波形测量中选择基本平均直流均方 根 。其框图符号如图 3 所示 。 图 4 　虚拟电压表的流程图 4 　结 　语 经过实际使用 ,虚拟电压表所有的控制键和功能正 常 ,符合使用要求 。需要指出的是 ,在设计该虚拟电压 表时 ,签于教学使用的目的 ,仅从功能上考虑 ,并未对虚 拟电压表的技术指标进行深入研究 。事实上 ,峰值是取 样值的最大值 ,而取样点不可能取得太多 ,否则运行速 度太慢 , 因此显示的峰值与理论值是有差别的 ,在设计 时应注意合理选择参数 。 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 ,以组建自己的仪器。这对测量者 ,尤其是高 等院校的实验室是非常方便的。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为教学服务。 如何针对不同的教学目的 ,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整的设 计 ,信号的后期处理程序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在现和离线分析 ,既满 足了学生的要求 ,又避免了设备的重复购置。 图 3 　有效值和平均值输出子程序框图 参 　考 　文 　献 图 3 中 , DC value 为 测 量 的 直 流 分 量 ; RMS 为 value测量有效值 ; reset 用于重启过去记录的时间信 号 、平均测量的参数 ;averaging t ype 是测量中的平均类 型 ,在单个模块 V I 中 ,可依据输入记录长度自动设置 平均时间 ; Window 是在 DC/ RMS 计算之前 ,用于记录 [1 ] 王海宝. LabV IEW 虚拟仪器程序设计与应用 [ M ]. 成都 :西 南交通大学出版社 ,2005. [ 2 ] 岂兴明 ,周建兴 ,矫津毅. LabV IEW 8. 2 中文版入门与典型 实例[ M ]. 北京 :人民邮电出版社 ,2008. (下转第 188 页) 　 581 

2 2 2 2 虚 拟 仪 器 王天辉等 :基于 LabV IEW 的存储器检测系统研究 同的 March 算法进行测试 。实验结果表示 ,该系统具 有自动测试性强 ,容易操作 ,可扩展性强等特点 ,有效提 高了对某装备存储器的测试效率 。 据库 Access。测试时 ,根据不同的测试算法 ,将不同测试 数据编绘到数据库中。测试时主程序通过 SQL 语言对 数据库进行调用[10 ] ,控制数字信号的输入/ 输出 ,从而实 现测试内容的可扩展性。根据 March 算法的规则 ,设计 数据表时 ,要设计编号、读/ 写操作、地址、数据和结束标 志 5 列。编号用来实现 March 算法的顺序执行 ;读/ 写操 作用于主程序中判断数据的读/ 写操作 ;地址用于存储地 址信息 ;数据用于存储数据信息 ;结束标志用于结束本算 法的测试。数据库存储表格如图 4 所示。第一行表示 第一次读/ 写操作 ,向 0 地址写入数据 80 。 图 4 　数据库存储表格 参 　考 　文 　献 [ 1 ] 陈思 ,黄亚宇. 虚拟仪器技术概述 [J ]. 机电产品开发与创 新 ,2007 (20) :51 53. [ 2 ] 卢松升 ,刘正之. 基于 LabV I EW 和数字 I/ O 卡的逻辑分析 技术[J ]. 微计算机信息 ,2006 ,22 (20) :85 86. [ 3 ] 田勇 ,孙晓凌 ,申华. 基于 FP GA 的 SRAM 测试电路的设计 与实现[J ]. 电子工程师 ,2008 ,34 (12) :57 59. [ 4 ] Niraj J ha ,Sandeep Gupta. Test of Digital Systems[ M ]. Eng land :Cambridge University Press ,2003. [5 ] 左正军 ,程新明 ,李加庆 ,等. 基于 March 算法的存储器测试 控制器设计[J ]. 微计算机信息 ,2007 ,23 (23) :107 109. [ 6 ] 孙华义 ,郑学仁 ,闾晓晨 ,等. 嵌入式存储器内建自测试的 一种新型应用[J ]. 中国集成电路 ,2007 (11) :82 86. [ 7 ] 冯国臣 ,沈绪榜 ,刘春燕. 基于 MarchX 算法的 SRAM BIST 的设计[J ]. 微电子学与计算机 ,2005 (22) :44 47. [ 8 ] 刘贵喜 ,邵明礼 ,刘先红. 基于 PXI 平台的弹上计算机自动 测试系统[J ]. 仪器仪表学报 ,2005 (8) :265 266. [ 9 ] 胡金华 ,袁湘辉 ,张卫 ,等. LabV IEW 中数据采集系统的开 发应用[J ]. 仪表技术 ,2008 (7) :21 23. [10 ] 陈锡辉 ,张银鸿. LabV IEW 8. 20 程序设计[ M ]. 北京 :清华 大学出版 ,2007. 图 3 　读/ 写程序程序框图 4 　结 　语 采用 N I 系列 PXI 板卡及灵活方便的LabV IEW软 件平台 ,构建了一套某装备存储器的检测系统 。通过数 据库实现了测试算法与测试程序的独立性 ,可以根据不 作者简介 　王天辉 　男 ,河北任丘人 ,硕士研究生 。主要研究方向为发射控制系统检测与故障诊断 。 马立元 　男 ,山东临朐人 ,教授 ,博士生导师 。主要研究方向为武器系统仿真和发射控制系统检测与故障诊断等 。 (上接第 185 页) [3 ] 陆绮荣. 基于虚拟仪器技术个人实验室的构建[ M ]. 北京 :电 [ 7 ] 马双宝 ,王攀 ,曾勇. 基于 LabV IEW 7. 0 虚拟信号发生器的 子工业出版社 ,2006. 实现[J ]. 传感器与仪器仪表 ,2005 ,21 (1) :89 90. [ 4 ] 谢水珍. 基于 LabV IEW 的虚拟函数信号发生器的设计 [J ]. [ 8 ] 刘祥楼 ,吴贺. 基于 LabV IEW 新型虚拟函数信号发生器的 传感器与仪器仪表 ,2007 ,23 (1) :181 183. 开发[J ]. 仪器仪表 ,2005 (6) :65 67. [5 ] 时秋兰 ,赵伟 ,侯国屏. 基于 LabV IEW 环境开发虚拟仪器的 [ 9 ] 杨乐平. LabV IEW 程序设计与应用 [ M ]. 北京 :电子工业出 几点体会[J ]. 电测与仪表 ,2001 (12) :29 33. 版社 ,2005. [ 6 ] 张凯 ,郭栋. LabV IEW 虚拟仪器工程设计与开发[ M ]. 北京 : [10 ] [美 ] Robert H Bishop . LabV IEW 8 实用教程[ M ]. 乔瑞萍 , 国防工业出版社 ,2004. 林欣 ,译. 北京 :电子工业出版社 ,2006. 作者简介 　范 　强 　男 ,1977 年出生 ,山东济阳人 ,工程硕士 ,讲师 。主要从事机电教学及科研工作 。 881