（电力系统及其自动化专业论文）基于labview的多路信号发生器软件开发.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 针对电力系统仿真实验、电力电子装置实验等多种用途的需要，本文提出了一 种多路信号发生器的设计思路：应用数字信号处理( d s p ) 技术，以s e e d - d e c 2 8 1 2 开发板为核心构建硬件系统；在p c 端用软件对硬件系统进行控制：采用通用串行 总线( u s b ) 技术解决通讯问题。从而达到多种和多路常用信号输出，信号的幅度、 频率、相位在一定范围内任意可调的要求。 文中详细分析了在l a b v i e w 环境下开发软件的方法和过程，解决了在l a b v i e w 环境下调用l a b v l e w 不直接支持的u s b 硬件驱动程序的问题，对多路信号发生器 的通讯和数据传输的问题进行了实验并达到预期效果。最后对经过滤波后的p w m 输出波形失真进行了讨论，提出了一种波形补偿方法，并通过实验验证了这种补偿 方法的可行性。 关键词：多路信号发生器，l a b v i e w ，u s b ，波形补偿 a b s i r a c i a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to fp o w e rs y s t e ms i m u l a t i o ne x p e r i m e n t ，t h i sp a p e r p u t sf o r w a r dan e wi d e ao fd e s i g n i n gam u l t i c h a n n e ls i g n a lg e n e r a t o rw h i c hs p e c i a l l y u s e di nl a b o r a t o r y ：b a s e d0 1 1t h es e e d d e c 2 812d e v e l o pb o a r d ，a d o p t i n gd i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n g ( d s p ) t e c h n i q u et oc o n s t r u c th a r d w a r es y s t e m ，w h i c hc o n t r o l l e dt h eh a r d w a r e s y s t e mb yt h ea p p l i c a t i o no nt h ep c ；a d o p t i n gu n i v e r s a ls e r i a lb u s ( u s b ) t e c h n i q u et o c o m m u n i c a t et h e m t h e r e b yi tc a np r o d u c em u l t i w a v e f o m aa n dm u l t i c h a n n e lo u t p u t s i g n a ! w h o s ef r e q u e n c ya n da m p l i t u d e 、p h a s ec a nb ec h a n g e df r e e l yi ns o m er a n g e t h ep a p e rd i s s e c t st h em e t h o da n d p r o c e s s o fd e v e l o p i n ga p p l i c a t i o nw i t h l a b v i e wi nd e t a i l a n ds o l v e st h ep r o b l e mo fc a l l i n gau s bd r i v e rw h i c hi sn o t s u p p o r t e dd i r e c t l yb yl a b v i e 彤t h r o u g he x p e r i m e n t st o s o l v et h em u l t i - c h a n n e ls i g n a l g e n e r a t o r sc o m m u n i c a t i o na n dd a t at r a n s m i s s i o n f i n a l l y ，t h i sp a p e rd i s c u s s e st h e p r o b l e mo fw a v ed i s t o r t i o na f t e rt h ep w mo u t p u tp r o c e s s e db yf i l t e rc i r c u i t ，a n dp u t s f o r w a r dam e t h o dt oe q u a l i z ew a v e f o r m ，a n dt h e np r o v e st h ef e a s i b i l i t yo ft h em e t h o db y s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t l iy i n g ( e l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f , z h a n gy i g o n g k e yw o r d s ：m u l t i c h a n n e ls i g n a lg e n e r a t o r ，l a b v i e w ，u s b ，w a v e f o r me q u a l i z e r 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于l a b v i e w 的多路信号发生 器软件开发，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研 究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名 日期：坦墨兰兰 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文：同意学校可以用不同方式在不 同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名 曰期：妒誓叫 导师签名： 日期 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题的研究背景 第一章绪论 进行电力系统仿真实验、电力电子装置实验以及其他很多场合，经常会需要输入三 相电压或电流信号。通常在这种情况下，对于信号源的要求是：信号同步且相位之间有 配合、可以提供电压信号或电流信号输出、提供多种波形信号。对于以上要求，普通实 验室的信号发生器是很难满足的。首先单个信号发生器只能输出单路信号，难以满足多 路的需要；而用多个普通的信号发生器实现多路，信号之间很难做到同步，相位又很难 以配合，很不方便；而且普通信号发生器产生的信号波形种类有限，如作电力系统仿真 实验中，为模拟真实波形，常需在基波上叠加多次谐波或加入白噪声干扰等，这时普通 的信号发生器就很难做到了。而市场上大部分的多路信号发生器存在体积庞大、接口不 灵活、系统封闭、功能固定、价格昂贵等缺点。因此，我们考虑设计一种满足电力系统 仿真试验输入信号要求的多路信号发生器。该信号发生器能产生多路包括正弦、方波、 三角波、脉冲等各种波形的电压和电流信号，信号相位可调，信号的幅值、频率在硬件 允许的范围内任意可调。 测量仪器从宏观上可分为两大类，即激励和检测【lj 。激励仪器主要是信号发生器， 信号发生器是一种常用的信号源，它是一种为电子测量和计量工作提供电信号的设备， 它和示波器、电压表、计数器等仪器一样是应用最广泛的电子仪器之一，几乎所有的电 参量的测量都需要信号发生器。在各种实验应用和实验测试处理中，它不是测量仪器， 而是根据使用者的要求，作为激励源，仿真各种测试信号，提供给被测电路，以满足测 量或各种实际需要。 信号源有很多种，包括正弦波信号源、函数发生器、脉冲发生器、扫描发生器、任 意波形发生器、合成信号源等。随着电子技术的迅速发展和科研、生产对信号源的广 泛需求，信号发生器发展迅速，性能日益提高，功能也越来越丰富。 早期的信号发生器主要是由模拟振荡电路构成，这种信号发生器输出的信号稳定度 不高，用电位器调节给定的参数误差较大，不能担当复杂系统的调试与测试工作。1 9 8 0 年代出现了单片机，信号发生器逐渐向数字化发展，发展趋势是以单片机、d s p 、c p l d 、 f p g a 等可编程器件为平台，结合直接数字合成( d o s ) 技术，将合成后的信号通过 d a 转换为模拟信号，再加上滤波电路而形成的数字信号发生器，它具有高精度、稳定 性好、输出灵活的特点。 信号发生器是一种最悠久的测量仪器，早在1 9 2 0 年代电子设备刚出现时它就产生 了。随着通讯和雷达技术的发展1 9 4 0 年代出现了主要用于测试各种接收机的标准信号 发生器，使信号发生器从定性分析的测试仪器发展成定量分析的测量仪器。同时还出现 华北电力大学硕士学位论文 了可用来测量脉冲电路或用作脉冲调制器的脉冲信号发生器。由于早期的信号发生器机 械结构比较复杂，功率比较大，电路比较简单，因此发展速度比较慢。直到1 9 6 4 年才 出现第一台全晶体管的信号发生器【2 j 。 自1 9 6 0 年代以来信号发生器有了迅速的发展，出现了函数发生器，这个时期的波 形发生器多采用模拟电子技术，由分立元件或模拟集成电路构成，其电路结构复杂，且 仅能产生正弦波、方波、锯齿波和三角波等几种简单波形，由于模拟电路的漂移较大， 使其输出的波形的幅度稳定性差，而且模拟器件构成的电路存在着尺寸大、价格贵、功 耗大等缺点，并且要产生较为复杂的信号波形则电路结构非常复杂。 自从1 9 7 0 年代微处理器的出现以后，利用微处理器、模数转换器和数模转换器、 硬件和软件使信号发生器的功能扩大，产生比较复杂的波形。这时期的信号发生器多以 软件为主，实质是采用微处理器对d a c 的程序控制，就可以得到各种简单的波形。软 件控制波形的一个最大缺点就是输出波形的频率低，这主要是由c p u 的工作速度决定 的，如果想提高频率可以改进软件程序减少其执行周期时间或提高c p u 的时钟周期， 但这些办法是有限度的，根本的办法还是要改进硬件电路。 随着现代电子、计算机和信号处理等技术的发展，极大促进了数字化技术在电子测 量仪器中的应用，使原有的模拟信号处理逐步被数字信号处理所代替，从而扩充了仪器 信号的处理能力，提高了信号测量的准确度、精度和变换速度，克服了模拟信号处理的 诸多缺点，数字信号发生器随之发展起来。目前信号发生器的基础就是直接数字合成技 术，用高速存储器做查询表，通过数字形式存入的波形，由高速数模转换器产生所需要 的波形。 1 2 课题的解决方案 考虑到经济性和实用性相结合的原则，既充分利用实验室现有的资源，又能满足上 述要求，提出如下解决方案： 1 采用p c 作为上位机，控制软件采用n i 公司的l a b v i e w 语言编写。控制软 件可以选择性地产生正弦波( 可叠加任意次谐波) 、方波、三角波、锯齿波信号的 波形点数组，并将信号波形的特征( 幅值、频率) 与波形点数组一起传递给下位机 进行数据处理，同时在前面板上显示波形供用户参考。 2 多路信号发生器的硬件设计以合众达公司的s e e d d e c 2 8 1 2 开发板为核心， 辅以滤波和放大电路。开发板上集成了t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 d s p 芯片，做为下 位机的处理核心，其软件用c 语言在t i 公司的c c s 开发环境进行编写。上位机发 送过来信号特征和波形点在事件发生器( e v ) 的p w m 模块中进行处理，产生相应 的波形输出。d s p 的2 个e v 各有5 路输出，共1 0 路，其中6 路独立，可以满足信 号发生器的多路输出要求。 华北电力大学硕士学位论文 3 上位机与下位机之间通过u s b 总线进行通讯和数据传输。s e e d d e c 2 8 1 2 开发板上集成了c y p r e s s 公司的c y 7 c 6 8 0 0 1 u s b 接口芯片，可用u s b 延长线直接 连接到p c 机的h u b 上，该芯片支持u s b 2 0 协议，最高传输速率可达4 8 0 m b i t s ； 即使在1 1 的工作标准下也可以达到1 5 m b i t s s ，完全可以满足课题中数据传输速率 的需求。由于合众达公司提供的s e e d d e c 2 8 1 2 开发板u s b 驱动程序 ( u s b f o r d e c s y s ) 为内核模式，在l a b v i e w 环境下无法直接进行调用，而且n i 公 司不提供对非n i 公司的u s b 硬件的软件支持，无法用l a b v i e w 中的u s b 函数进 行读写操作，因此采用动态链接库调用开发板的u s b 驱动程序，然后用l a b v i e w 提供的c a l ll i b r a r yf u n c t i o n 节点调用动态链接库的方式实现通讯。动态链接库用 m i c r o s o f t 公司的v c + + 6 ，0 进行编写。 系统结构如图1 1 所示。 图1 1 多路信号发生器的系统结构图 1 3 课题所完成的工作 多路信号发生器的课题分为两大部分，一部分是设计上位机软件和解决通讯问 题；另一部分是硬件设计和操作系统移植。本课题是针对第一部分，即完成上位机 软件设计和解决通讯问题，所要完成的工作和研究内容包括： 1 在l a b v l e w 环境下编写界面： 2 在c c s 环境下编写下位机的u s b 驱动模块： 3 在v c + + 环境下编写动态链接库； 4 完成各部分的连接调试程序并实现仿真成功； 5 经过滤波后的波形失真进行分析，提出补偿方法，并通过实验验证。 华北电力大学硕士学位论文 第二章多路信号发生器上位机控制软件设计 2 1l a b v i e w 开发平台 l a b v i e w ( 1 a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ) 是一种图形化的 编程语言和开发环境，被公认为是标准的数据采集和仪器控制软件。它为设计者提 供了一个便捷、轻松韵设计环境，利用它设计者可以象搭积木一样，轻松组建一个 测量系统或数据采集系统，并任意构造自己的仪器面板，而无需进行任何繁琐的计 算机程序代码的编写，从而可以大大简化程序的设计。l a b v i e w 与v c + + 、v i s u a l b a s i c 、l a b w i n d o w s c v i 等编程语言不同，后者采用的是基于文本语言的程序代码， 而l a b v i e w 则是使用图形化程序设计语言g ，用方框图代替了传统的程序代码。 l a b v i e w 所运用的设备图标与科学家、工程师们习惯的大部分图标基本一致，这使 得编程过程和思维过程非常相似“3 。用l a b v i e w 设计的虚拟仪器可以脱离l a b v i e w 开发环境，最终用户看见的是和实际的硬件仪器相似的操作面板。 l a b v i e w 包含有专门用于设计数据采集程序和仪器控制程序的功能库和开发 工具库。l a b v i e w 的程序设计实质上就是设计一个个的“虚拟仪器”，即“v i s ( v i r t u a l i n s t r u m e n t s ) ”。在计算机显示屏幕上利用功能库和开发工具库产生一个前面板( f r o n t p a n e l ) ：在后台则利用图形化编程语言编制用于控制前面板的程序。程序的前面板 具有与传统仪器类似的界面，可接受用户的鼠标指令。一般来说，每个v i 都可 以作为其它v i 的调用对象，其功能类似于文本语言的子程序。 l a b v i e w 是带有可扩展功能库和子程序库的通用程序设计系统。它提供了用于 g p i b 设备控制、v x 总线控制、串行口设备控制、以及数据分析、显示和存储的 应用程序模块“3 。l a b v i e w 可调用w i n d o w s 动态链接库和用户自定义的动态链接库 中的函数。l a b v i e w 的c i n 节点使用户可以使用由其它语言，如a n s i c ，编译的 程序模块，使l a b v i e w 成为一个开放的开发平台。l a b v i e w 还直接支持动态数据 交换( d d e ) 、结构化查询语言( s q l ) 、t c p 和u d p 网络协议等。此外，l a b v i e w 还提供了专门用于程序开发的工具箱，使得用户能够设置断点，动态执行程序来观 察数据的传输过程，以及进行方便的调试。 l a b v i e w 的运行机制就宏观上讲已经不再是传统上的冯诺依曼计算机体系结 构的执行方式。传统的计算机语言( 如c ) 中的顺序执行结构在l a b v i e w 中被并行 机制所代替：从本质上讲，它是种带有图形控制流结构的数据流模式，这种方式 确保程序中的节点只有在获得它的全部数据后才能执行。也就是说，在这种数据流 程序的概念中，程序的执行是数据驱动的，它不受操作系统、计算机等因素的影响 靶 d 华北电力大学硕士学位论文 l a b v i e w 程序是数据流驱动的。数据流程序设计规定，一个目标只有当它的所 有输入有效时才能执行；而目标的输出，只有当它的功能完全时才是有效的。这样， l a b v i e w 中被连接的方框图之间的数据流控制着程序的执行次序，而不象文本程序 受到行顺序执行的约束。从而可以通过相互连接功能方框图快速简洁地开发应用程 序，甚至还可以有多个数据通道同步运行。 l a b v i e w 的核心是v i 。v i 有一个人机对话的用户界面一前面板( f r o n tp a n e l ) 以及类似于源代码功能的方框图( d i a g r a m ) 。前面板接受来自方框图的指令。在v i 的前面板中，控制器( c o n t r o l s ) 模拟了仪器的输入装置并把数据提供给v i 的方框图； 而指示器( i n d i c a t o r s ) 则模拟了仪器的输出装置并显示由方框图获得或产生的数据。 当把一个控件或指示器放置到前面板上时，l a b v i e w 在方框图中相应地放置了一个 端口( t e r m i n a l s ) ，这个从属于控件或指示器的端口不能随意删除，只有删除它对应 的控件或指示器时它才随之一起被删除。 用l a b v i e w 编制方框图程序时，不必受常规程序设计语法细节的限制。首先， 从功能菜单中选择需要的功能方框，将之置于面板上适当的位置；然后用导线( w i r e s ) 连接各功能方框在方框图中的端口，用来在功能方框之间传输数据。这些方框包括 了简单的算术功能，高级的采集和分析v i 以及用来存储和检索数据的文件输入输 出功能和网络功能。 用l a b v i e w 编制出的图形化v i 是分层次和模块化的“1 。我们可以将之用于顶 层( t o pl e v e l ) 程序，也可用作其它程序或子程序的子程序。一个v i 用在其它v i 中， 称之为s u b v i ，s u b v i 在调用它的程序中同样是以一个图标的形式出现的。l a b v i e w 依附并发展了模块化程序设计的概念。用户可以把一个应用题目分解为一系列的子 任务，每个子任务还可以进一步分解成许多更低一级的子任务，直到把一个复杂的 题目分解为许多子任务的组合。首先设计s u b v i 完成每个子任务，然后将之逐步组 合成能够解决最终问题的v i 。 归纳起来l a b v i e w 软件开发平台具有以下优点： 图形化的编程方式，设计者无需写任何文本格式的代码，是真正的工程师的 语言。 提供了丰富的数据采集、分析及存储的库函数。 既提供了传统的程序调试手段，如设置断点、单步运行，同时提供有独到的 高亮执行工具，使程序动画式运行，利于设计者观察程序运行的细节，使程序的调 试和开发更为便捷。 3 2 b i t 的编译器编译生成3 2 b i t 的编译程序，保证用户数据采集、测试和测量 方案的高速执行。 囊括了d a q 、g p i b 、p x i 、v x i 、r s 2 3 2 4 8 5 在内的各种仪器通信总线标准 华北电力大学硕士学位论文 的所有功能函数，使得不懂总线标准的开发者也能够驱动不同总线标准接口设备与 仪器。 提供大量与外部代码或软件进行连接的机制，诸如d l l ( 动态连接库) 、 d d e ( 共享库) 、a c t i v e x 等 强大的i n t e r n e t 功能，支持常用网络协议，方便网络、远程测控仪器的开发“1 。 图形化程序设计编程简单、直观、开发效率高。随着虚拟仪器技术的不断发展， 图形化的编程语言必将成为测试和控制领域内最流行的发展趋势。 2 2 控制软件的主要功能和模块 2 2 1 多路信号发生器控制软件的主要功能 控制软件的功能包括： 1 对每路信号的波形进行选择，并输入波形特征( 包括幅值、频率、相位以 及谐波次数、频率、幅值) ； 2 根据相应的波形以及所输入的特征，生成原始的波形数据； 3 将原始的波形数据用波形显示出来，供用户进行参考； 4 根据d s p 进行p w m 控制所需的数据格式，对原始的波形数据进行处理； 5 将处理后的数据传输给a p i ( 调用驱动的动态链接库) 。 2 2 2 控制软件的模块划分 波形选择和特征 输入模块 i 波形显示 飘模块 一，i 一一 f 、j 波形数据产匕 - 7 生模块、 、。1 数据处理一j 数据传输 模块 “ 模块 图2 1 多路信号发生器控制软件各模块之问的关系 按照软件的功能，可将程序划分成几大模块： 1 波形选择和特征输入模块； 2 波形数据产生模块； 3 数据处理模块； 4 显示模块： 5 数据传输模块。 各模块之间的关系如图2 1 所示。 华北电力大学硕士学位论文 2 3 程序设计 2 3 1 波形数据产生和处理模块设计 作为实例，本文中的多路信号发生器产生4 种常用的波形：正弦波( 带任意次 谐波) 、方波、三角波、锯齿波，下面将分别阐述这几种波形数据产生模块的设计 方法。 2 3 1 1 正弦波形数据产生模块 正弦波形是电力系统最常见的、仿真和实验中最常用到的波形，针对实际系统 中可能存在的多次谐波，设计中添加了产生任意次谐波，以便实验及仿真中使用。 1 单一波形数据的产生 在l a b v i e w 环境下，产生正弦波的方法有很多，包括使用s i m u l a t es i g n a l e x p r e s sv i 、s i n ev i 、公式节点等，考虑到数据的精确性和控制方便，设计中使用 了公式节点。 l a b v i e w 的程序描述能力虽然足够强大，但对于一些复杂算法完全依赖图形代 码来实现会过于繁琐，而公式节点( f o r m u l an o d e ) 正好可以补充这个缺点。公 式节点是一种结构，允许用户使用类似于多数文本编程语言的句法，所使用的语句 类似于c 语言代码。1 ，提供参数的输入和输出接口，输入或者输出的参数必须是数 值型数据。 在l a b v i e w 的对话框中，放置公式节点，在节点中间的代码输入框中输入如 下代码： y 。s i n ( a + t + b ) + e 4 s i n ( d + a + t + f ) ； 其中参数a 代表角频率，由频率乘以2n 得来；参数b 代表相位，由用户输入 的相位( 0 - 3 6 0 ) 除以1 8 0 并乘以得来；参数d 代表谐波次数；参数e 代表谐波分 量；参数f 代表谐波相位，采用与相位相同的处理方法；参数t 代表时间参量，由 频率的倒数除以循环总次数并乘以循环因子。 这样产生的波形数据幅值为1 ，这样做是为了方便数据进行进一步处理。 2 波形点数组的产生 首先要初始化一个一维包含3 6 0 个元素的数组，数组所有元素为0 ，将数组引 入到循环次数为3 6 0 次的f o r 循环中。f o r 循环有种特殊的功能，称为自动索引 ( a u t o i n d e x i n g ) 功能。当数组连接到循环结构的边框时，将默认打开自动索引功能， 数组将在每次循环中顺序输入一个值，该值在原数组中索引与当次循环的重复端子 值相同，也就是说数组在循环内部将变为标量元素“1 。将标量元素与上面生成的y 值相加，所得的值将按照索引值顺序保存在自动索引中，当循环结束，即可生成新 华北电力大学硕士学位论文 的、幅值为l 的波形数据数组，从自动索引的输出端子引出。 图2 - 2s i n e 子v i 后面板部分1 图2 3s i n e 子v i 后面板部分2 所得到的数组，根据d s p 处理数据的需要，将数组元素控制在0 - 7 5 0 0 之间。 首先采用a r r a ym a x & m i n 函数，提取数组元素中的最大值，引入一个新的3 6 0 次 的循环，用数组元素逐一除以最大值后，乘以3 7 5 0 再加上3 7 5 0 并取整，输出循环 后就生成新的波形数值数组。 华北电力大学硕士学位论文 用i n s e r t i n t o a r r a y 函数分别将幅值和频率分别添加到数组的前两个位置，数组 元素变成3 6 2 个。 由于频率需要进行除法运算，如果为0 ，将会产生程序错误。同时，由于在产 生单一波形数据时没有引入幅值，这样即使幅值为0 同样会产生相应的数据。为确 保数组元素产生的可靠性，避免误输入引起的错误数据，程序中使用了选择结构 ( c a s es t r u c t u r e ) ，对幅值和频率是否等于0 做出判断，只有当幅值和频率同时不为 0 时，数组将被按照上述方法进行处理：如果幅值或频率为0 时，数组将不被处理。 从而有效地保证了数据的准确性。 3 创建子v i 图2 - 4 正弦子v i 前面板 图2 5 编辑s i n e 子v i 图标 由于产生正弦波形的v i 在主程序中将被做为子v i 使用，因此有必要创建相应 华北电力大学硕士学位论文 的接口。l a b v i e w 提供了连接器来帮助创建子v i ，将前面板控制器和指示器都配 置好，将对话框按照上面所述连接好，保存为s i n e v i 。右键点击前面板右上角的小 图标，在下拉菜单中选择s h o wc o n n e c t o r ，如图2 4 ，分别按照输入和输出端子，用 鼠标对控制器和指示器与c o n n e c t o r 的端子进行连接。然后右键点击图标，再下拉菜 单中选择e d i ti c o n ，在图框中编辑图标，如图2 - 5 ，然后保存文件。这样在主程序中 就可以调用了s i n e 子v i 了。 2 3 1 ，2 其他三种波形数据产生模块 方波、三角波、锯齿波的波形数据处理方式与正弦波相同，所不同的正弦波是 用公式计算而来，而这三种波形采用是在公式节点内采用编程语言描述波形特征。 1 方波 公式节点中的程序代码如下： f l o a td ： d = t + c ； i f ( d = a 、 d = d - a ： i f ( d a 2 ) y 。一l ： 参数t 为输入时间因子，c 为输入偏移量，参数a 为周期，y 为输出波形点数值， d 为定义的浮点变量。考虑到时间因子t 加上偏移量c ，可能会大于a ，因此如果大 于a ，将用d 减去a ，保证d 小于a 。 2 三角波 公式节点中的程序代码： f l o a td ； d = t + c ； i f ( d = a ) d = d - a ； i f ( d a 2 ) y 2 ( 1 一( 4 4 ( d a a ) ) a ) ； 参数与方波参数相同，不再赘述。 3 锯齿波 华北电力大学硕士学位论文 公式节点中的程序代码： f l o a td ； d = t + c ： i f ( d = a 、 d = d a ： y = ( ( 2 + d ) a 一1 ) ； 参数与方波参数相同，不再赘述。 2 3 2 波形显示模块设计 波形显示模块，是按照所输入的波形特征将波形按照时间t 和波形点y 值显示 出来，供用户参考。 课题中采用x yg r a p he x p r e s sv i 来显示完整的曲线数据。x yg r a p h 不要求水 平坐标等间隔分布，并且可以描述一对多的映射关系。 在绘制单曲线时，可以接受两种数据组织格式： ( 1 ) 由x 数组和y 数组打包生成的簇( l a b v i e w 中一种数据格式，和c + + 的 结构类似) 。绘制曲线时把相同索引的x 和y 数组元素值作为一个点，按索引顺序 连接所有的点，生成波形图。 ( 2 ) 由簇组成的数组，每个数组元素都是由一个x 坐标值和一个y 坐标值打 包生成。绘制曲线时，按照数组索引顺序连接数组元素解包后组合而成的数据坐标 点。 图2 - 6 显示模块的对话框设计 设计中将采用第一种方案。在循环中波形点数据y 将乘以幅值，然后从循环中 引出，将在自动索引那里生成一个波形点数组；同时将时间因子t 也将从循环中引 出，生成一个时间点数组。把t 数组和y 数组用c o n v e r tt od y n a m i cd a t a 将数组打 包成簇，引入到x yg r a p he x p r e s sv i ，绘制波形。对话框设计如图2 - 6 ，前面板显 示如图2 7 。 华北电力大学硕士学位论文 图2 7 显示模块的前面板设计 2 3 3 波形选择和数据输入模块设计 这两部分模块是控制程序中重要部分，用户在使用多路信号发生器的控制程序 时，首先需要前面板中控制按钮中，选择相应的波形，然后点击输入参数，在弹出 的对话框中输入相应的参数，程序将按照参数产生相应的波形数据数组，并在x y g r a p h 的前面板指示器中绘制出对应的波形。 2 3 3 1 数据输入模块 在数据输入模块中，我们采用了p r o m p tu s e rf o ri n p u te x p r e s sv i ，p r o m p tu s e r f o ri n p u te x p r e s sv i 的功能是当输入的b o o l 型变量为t u r e 时，弹出对话框。在对框 中输入参数，参数的输出端子通过连线连接到相应子v i 的输入端子上。 图2 8p r o m p tu s e rf o ri n p u te x p r e s sv i 的设置对话框 在主程序的对话框中双击p r o m p tu s e rf o ri n p u te x p r e s sv i ，弹出设置对话框 华北电力大学硕士学位论文 如图2 8 所不。 m e s s a g et od i s p l a y 可供用户添加提示信息；i n p u t s 用于指定需要用户输入参数 的名称和数据类型；b u t t o n st od i s p l a y 指定对话框中的第一按钮的名称及第二按钮 是否被显示和它的名称。以锯齿波的设置为例，如上图所示，三个输入参数的名称 分别为幅值、频率、相位，将数据类型都选择为n u m b e r ，在f i r s tb u a o n n a m e 的图 框中填写确定，将d i s p l a ys e c o n db u t t o n 前边的图框用鼠标选中，在s e c o n db u t t o n n a n l e 的图框中填写取消，在w i n d o wt i t i e 中填入输入波形特征，然后点击确定，完 成设置，在程序运行的时候就可以显示如图2 - 9 的对话框。 图2 - 9 锯齿波输入参数对话框 程序中，采用p u s hb u t t o n 作为前面板上的触发按钮，命名为“参数输入”， 该按钮为b o o l 型，默认值为f a l s e ，当程序运行时，按下该按钮，输入值改变为t u r e ， 放开后输入值再次变为f a l s e 。在对话框中，将它与p r o m p t u s e r f o r i n p u t e x p r e s s v i 的输入用连线连接，当程序进入循环后，点击参数输入按钮就可触发p r o m p tu s e rf o r i n p u te x p r e s sv i ，弹出对话框。 p r o m p t u s e r f o r i n p u t e x p r e s s v i 的输出端口中“确定”输出为b o o l 型数值，当 输入完参数，点击确定时，该值变为t u r e 。将该输出端口与c a s es t r u c t u r e 的c a s e s e l e c t o r 端子相连接，将对应的波形子v i 放置在c a s es t r u c t u r e 中，在t u r e 的框图 中，引入的参数与波形子v i 的输入相连接；在f a l s e 的框图中，引入的参数和子 v i 的输入不相连。这样，当按下参数输入按钮，输入完参数，点击确定之后，参数 就被送入到相应的子v i 中，完成参数输入的过程。 以上过程需要程序在循环中实现，为此，我们采用定时循环( t i m e dl o o p ) 来实 现，右键点击定时循环的边框，在菜单中选择c o n f i g u r et i m e dl o o p ，在弹出的对 话框中将定时源( t i m e ds o u r c e ) 、循环周期( p e r i o d ) 、循环启动偏移( o f f s e t ) 、优 先级( p r i o r i t y ) 、循环名称( l o o pn a m e ) 和延迟循环处理模式( m o d e ) 按照需要 进行设置，然后将上面所述的全部的框图放置到定时循环内，就可以实现参数输入 华北电力大学硕士学位论文 了。 为了保证程序可以跳出循环，程序中设置了s t o p 按钮，在程序进入无限循环时 点击该按钮即可退出循环。 图2 1 0 正弦波形参数输入子v i 的对话框 2 3 3 2 波形选择模块 图2 1 1 波形选择和参数输入模块的对话框 首先在前面板上放置一个m e n ur i n g 按钮，命名为波形选择，右键点击按钮， 在菜单中选择p r o p e r t i e s ，弹出对话框，在e d i ti t e m 选项卡中，分别填入正弦波、 方波、三角波、锯齿波，对应的值分别为0 、1 、2 、3 ，完成配置后，在对话框中用 连线将波形选择与c a s es t r u c t u r e 的c a s es e l e c t o r 相连接，这样c a s es t r u c t u r e 中就 会有4 种c a s e ，分别将相对应波形产生子v i 放置到对应的c a s e 中。比如：正弦波 华北电力大学硕士学位论文 的值为0 ，在c a s e 0 中放置产生正弦波的子v i 。 波形选择模块不能独立作为一个子v i ，需要配合参数输入模块一起完成任务。 首先在对话框中放置定时循环，将c a s es t r u c t u r e 放置在循环中，然后在前面板放置 m e n ur i n g 按钮，命名为a 相波形选择，将对话框中对应的端子与c a s es t r u c t u r e 的c a s es e l e c t o r 连接。完成前面板按钮的编辑后，在对应的c a s e 下放置对应的波形 参数输入模块，同时将参数输入引出到波形选择之外，这样就完成了两个模块之间 的连接。 2 3 4 数据传输模块设计 产生的波形数据数组需要传递给下位机进行处理，由合众达公司提供的d s p 开 发板的u s b 驱动为s y s 内核模式，而l a b v i e w 无法直接调用内核模式的驱动，因 此必须使用a p i ，连接驱动和l a b v i e w ，关于如何编写以及使用a p i 将在后面章节 中阐述。这里我们选择用动态链接库( d l l ) 作为a p i ，在l a b v i e w 中用c a l l l i b r a r y f u n c t i o n 节点调用d l l 文件。 图2 1 2c a l ll i b r a r yf u n c t i o n 节点的设置对话框 l a b v i e w 是通过生成的c 语言的函数与d l l 的输出接口函数进行数据传递， 两者必须同名，参数个数、类型均相同。首先，在对话框中放置一个c a l ll i b r a r y f u n c t i o n 节点，右键点击，在菜单里选择c o n f i g u r e ，弹出对话框，对节点进行配置， 如图2 1 2 。在l i b r a r y n a m eo r p a t h 中添加d l l 文件的路径和名称：在f u n c t i o n n a m e 中填入p a s s d a t a ，命名传递函数；在c a l l i n gc o n v e n t i o n s 的下拉菜单中选择c ；在 p a r a m e t e r 中分别命名e r r o r ( 类型为v o i d ) 和w a v e p o i n t ( 类型为一维整型数组) ， 点击o k 完成配置。右键点击节点，选择c r e a t e cf i l e ，保存文件后可以生成函数 原型，为编写d l l 的导出函数提供函数原型。 最后将通道号添加到数组的首元素中，这样d s p 处理数据的时候就可以判断是 华北电力大学硕士学位论文 那相的波形数据了。对话框如图2 1 3 。 图2 1 3 数据传递模块的对话框设计 2 3 5 程序的集成与调试 图2 1 4 多路信号发生器的前面板 将组建好的各功能模块按照逻辑关系集成，为相应的控制器和指示器命名，就 形成了一个功能完善的信号发生器控制界面。将对话框循环内的框图分别复制两份 并放入循环中，为新的控制器和指示器命名，分成a 、b 、c 三相，就形成了可以 输出3 相信号的多路信号发生器的控制界面，如图2 1 4 ，根据需要还可以扩充输出。 运行界面主程序，a 相选择正弦波，幅值2 2 0 ，频率5 0 ，相位6 0 ；b 相选择方 波，幅值2 2 0 ，频率5 0 ，相位6 0 ；c 相选择三角波，幅值2 2 0 ，频率5 0 ，相位6 0 ； 观察波形，如图2 1 4 。波形符合要求，表明界面程序中除数据传输模块外均正常运 华北电力大学硕士学位论文 行，数据传送模块部分的调试则在后面章节说明。 在程序集成时需要注意的问题有： 1 数据流向问题 在上文中已经提到过，由于l a b v i e w 是数据流驱动式编程语言，因此在将各 个功能模块集成时，更应注意数据流向的问题。尤其是使用到弹出式对话框的模块， 很容易引起数据流的混乱，造成错误。在必要时，应使用s e q u e n c e 结构控制数据流 向，使它按照设计者的意愿传递数据。 2 数据的内聚与祸合问题 同其它模块化编程语言一样，l a b v i e w 同样存在着模块的内聚与耦合问题。高 内聚、低耦合是模块化编程遵循的一个基本原则，只有如此程序才可能有较好的可 维护性。在使用循环结构时，要特别注意在何种情况下循环内部的变量才可以被外 部引用，而不影响内部的参量，不改变内部结构。尤其为增加仪器功能而添加功能 函数或子v i s 时，因慎重考虑模块的内聚与耦合问题。 任何较大型的程序的调试都是一件烦琐的事情。l a b v i e w 虽然为我们提供了功 能完善的调试工具，但仍然存在着许多隐含在程序内部的错误无法发现。这就要求 我们在开发程序的过程中一定要仔细地把好每一关，在模块内部将错误清除，才能 减轻最终程序调试的难度。 华北电力大学硕士学位论文 第三章多路信号发生器通讯问题的解决方案 多路信号发生器的上位机为p c 机，下位机的核心部件是t i 公司的d s p 芯片 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ，为实现上位机对下位机的控制并保证波形数据的传输，必须有效地 解决通讯问题。 s e e d d e c 2 8 1 2 开发板提供了串口和u s b 接口，与串口相比，u s b 接口具有 如下优势： 使用方便：即插即用，支持热插拔； 传输速度快：u s b l 1 支持1 5 m b p s 和1 2 m b p s 两种传输速率，u s b 2 0 最高速 率可达4 8 0 m b p s ”3 。 因此选用u s b 接口来解决通讯问题。 3 1 下位机的u s b 驱动程序 下位机以s e e d d e c 2 8 1 2 开发板为核心，处理器为t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ，由它进行 数据处理，并调用在开发板上集成的u s b 接口芯片c y 7 c 6 8 0 0 1 。这一部分将分别 介绍两种芯片，并说明如何在c c s 的环境下开发u s b 驱动程序。 3 1 1t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片简介 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 数字信号处理器是t i 公司推出的3 2 位定点d s p 控制器，其频 率为1 5 0 m h z 。它集中了数字信号处理的诸多优点特性，具有精简指令集( r i s c