基于虛擬儀器技術(shù)的多功能水聲信號發(fā)生器＊

李 斌 尚 超

（91388部隊94分隊 湛江 524022）

1 引言

在水聲學(xué)實驗中，獲得水聲信號源的常用方法是利用信號發(fā)生器產(chǎn)生電信號，通過功放將信號放大后送到發(fā)射換能器以發(fā)射水聲信號。傳統(tǒng)的信號發(fā)生器一般只能產(chǎn)生幾種常規(guī)的波形，不能生成我們實驗所需的復(fù)雜和特殊的信號，即便一些高檔儀器能夠?qū)崿F(xiàn)，其價格也極其昂貴，功能單一，不具備用戶對儀器定義及編程的功能。一個傳統(tǒng)的實驗室不可能同時擁有各類信號發(fā)生器，然而，虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展為解決這一問題提供了可能。

虛擬儀器[1]是應(yīng)用于通用計算機上的一種軟件與硬件的組合，以通用計算機和配備標準數(shù)字接口的測量儀器（GPIB，RS－232VXI等）為基礎(chǔ)，直接利用計算機豐富的硬件（微處理器，存儲器，顯示器等）和軟件（軟面板，圖形界面數(shù)據(jù)處理，信息交換等）資源，將計算機和測量組件等硬件資源與計算機軟件資源有機地結(jié)合起來，把傳統(tǒng)儀器的專業(yè)化功能軟件化，使之與計算機融為一體，構(gòu)成一臺從外觀到功能都完全與傳統(tǒng)硬件儀器相同，同時又充分享用計算機智能資源的全新的儀器系統(tǒng)。本文結(jié)合實驗的需要，利用 NI PCI－4461采集卡等硬件，使用 LabVIEW2010[2]虛擬儀器開發(fā)環(huán)境設(shè)計開發(fā)了一種水聲信號發(fā)生器，該信號發(fā)生器能夠為水聲學(xué)實驗提供所需的各種信號源，并可以實現(xiàn)任意波形的編輯、輸出顯示、波形分析及數(shù)據(jù)存儲。

2 虛擬水聲信號發(fā)生器的總體指標設(shè)計

虛擬水聲信號發(fā)生器的功能設(shè)計參考了常見信號發(fā)生器的功能，并結(jié)合虛擬儀器基于計算機的特點，在功能上有所擴展，實現(xiàn)的主要功能如下：

1）可產(chǎn)生10Hz～40KHz的正弦波、方波、三角波、鋸齒波、白噪聲以及任意波形；

2）任意波形的發(fā)生，任意波可實現(xiàn)公式輸入；

3）信號頻率、幅度、相位、偏移量可調(diào)可控；

4）方波占空比可調(diào)；

5）噪聲任意可加、創(chuàng)建友好界面、信號波形顯示；

6）采樣頻率和采樣點數(shù)可以隨信號頻率在檔位變化時調(diào)節(jié)。

3 虛擬水聲信號發(fā)生器的硬件組成

水聲信號信號發(fā)生器的硬件主要由PC機、D／A數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換卡及換能器組成。整個程序的軟件就是在PC機上操作，通過修改軟件的參數(shù)，就可以輕松實現(xiàn)對信號發(fā)生器功能的改變，D／A數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換卡將LabVIEW程序生成的信號數(shù)據(jù)通過BNC口傳送給換能器。換能器將信號發(fā)生器生成的電信號轉(zhuǎn)換成水聲信號發(fā)射出去，滿足我們實驗的需要。

D／A數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換卡是整個水聲信號發(fā)生器的核心，轉(zhuǎn)換卡的D／A轉(zhuǎn)換器的分辨率：24位；最高采樣率：204kS／s；兩路24位模擬輸入和輸出；具有同步觸發(fā)功能；模擬輸入范圍：±10V。

圖1 虛擬水聲信號發(fā)生器硬件構(gòu)成

4 虛擬水聲信號發(fā)生器的軟件設(shè)計

4.1 虛擬水聲信號發(fā)生器的前面板設(shè)計

軟件設(shè)計是虛擬函數(shù)信號發(fā)生器設(shè)計的核心。Lab－VIEW程序由兩部分組成：前面板程序和框圖程序。整個程序基于多線程設(shè)計，即前面板和系統(tǒng)程序各占用一個線程。虛擬水聲信號發(fā)生器的前面板如圖2所示。前面板是用戶接口，即交互式界面，用戶可以通過修改前面板參數(shù)，就可實現(xiàn)對程序的改變。在前面板中，使用了各種仿真圖標，如開關(guān)、旋鈕等，并以數(shù)字或?qū)崟r趨勢圖等各種形式輸出測試結(jié)果，來模擬真實儀器的面板。在前面板中通過鼠標和鍵盤修改參數(shù)，就可以改變儀器的功能，同時，前面板上可以顯示出信號發(fā)生器生成的信號波形，便于我們觀察和監(jiān)測。

圖2 虛擬水聲信號發(fā)生器的前面板

4.2 系統(tǒng)程序設(shè)計

程序的編寫是水聲信號發(fā)生器設(shè)計的重點和難點，本系統(tǒng)利用LabVIEW圖形化編程語言進行程序編寫，程序設(shè)計主要包括三大部分：

4.2.1 信號生成和顯示

信號生成和顯示部分是整個軟件的核心部分，在應(yīng)用程序中產(chǎn)生各種信號，并可以在前面板中顯示出來，信號的生成模塊主要包括以下三個模塊：

1）基本函數(shù)波形產(chǎn)生模塊

該模塊是試驗中最常運用的模塊，是應(yīng)用波形產(chǎn)生子模板中的基本函數(shù)發(fā)生器（VI）節(jié)點來產(chǎn)生正弦波、三角波、方波、鋸齒波等四種常規(guī)信號。

圖3 基本函數(shù)波形產(chǎn)生模塊程序框圖

2）任意函數(shù)波形產(chǎn)生模塊

該模塊后面板框圖程序如圖4所示。為了能夠產(chǎn)生一些非周期信號或其它測試領(lǐng)域的特殊信號在本設(shè)計中應(yīng)用波形產(chǎn)生子模板中的公式波形VI節(jié)點來產(chǎn)生任意波形。該節(jié)點可使用指定時間函數(shù)的公式字符串生成一個函數(shù)波形。在formula端子輸入公式，用于生成輸出多頻波形信號的表達式，表達式中包含的參數(shù)有：f（輸入頻率）、a（輸入幅度）、n（采樣點數(shù)）、t（時間）和fs（采樣頻率）。

圖4 任意函數(shù)波形產(chǎn)生模塊程序框圖

3）噪聲信號產(chǎn)生模塊

該模塊可以根據(jù)需要對產(chǎn)生的波形信號進行疊加噪聲。通過選擇噪聲的標準差和種子數(shù)，可以疊加不同的高斯白噪聲。本設(shè)計中噪聲信號發(fā)生器的實現(xiàn)主要是應(yīng)用波形產(chǎn)生子模板中的Tones and Noise Wave form.VI節(jié)點來產(chǎn)生疊加在正弦波上的高斯白噪聲信號。

圖5 噪聲信號產(chǎn)生模塊程序框圖

4.2.2 采集卡數(shù)據(jù)采集生成信號部分

LabVIEW軟件生成的信號并不能直接通過換能器發(fā)送出去，必須通過與LabVIEW程序相匹配的NI公司的D／A數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換卡才能將軟件生成的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成電信號，進而通過采集卡的BNC接口將信號送給換能器。

圖6 數(shù)據(jù)采集生成部分程序框圖

4.2.3 數(shù)據(jù)存儲和處理部分

數(shù)據(jù)存儲是整個程序設(shè)計的一個重要部分，用于事后對信號做進一步的分析和處理，便于對整個實驗總結(jié)，對分析數(shù)據(jù)起著非常重要的作用。

數(shù)據(jù)處理部分的作用，就是將才產(chǎn)生出的信號通過不同形式的檢波、計算，得出規(guī)定的不同結(jié)果。在本設(shè)計中需要顯示信號的頻率、峰值和平均值。

圖7 數(shù)據(jù)存儲模塊

5 實驗室實驗結(jié)果

為了驗證虛擬水聲信號發(fā)生器的可靠性，實驗室利用虛擬水聲信號發(fā)生器發(fā)出30KHz的調(diào)制信號，周期是1s，脈寬10ms。水聲信號經(jīng)發(fā)射換能器從水中發(fā)射出去，利用監(jiān)測水聽器接收換能器發(fā)射的水聲信號，以此來驗證虛擬水聲信號發(fā)生器產(chǎn)生的信號的有效性。圖8為監(jiān)測水聽器采集的部分信號。此系統(tǒng)已經(jīng)過多次實驗的考驗，在不同的實驗中很好地完成了不同類型，不同功率的信號產(chǎn)生任務(wù)。在這些實際使用中已經(jīng)證明，此基于虛擬儀器技術(shù)的水聲信號發(fā)生器功能強大，性能穩(wěn)定，用途多樣，操作使用簡單，可以在大量的水聲學(xué)實驗中，作為通用的水聲信號發(fā)射平臺使用。

圖8 監(jiān)測水聽器采集的部分信號

6 結(jié)語

本文介紹了如何利用虛擬儀器技術(shù)開發(fā)水聲信號發(fā)生器，并對信號發(fā)生器的每個模塊進行了詳細的論述。該水聲信號發(fā)生器具有產(chǎn)生信號精度高、功能強、使用方便、設(shè)備費用低、用戶自定義功能及操作方便靈活等優(yōu)點，而且由于虛擬儀器的功能是由軟件來完成的，軟件即儀器，儀器功能的修改和升級很方便。實踐證明，采用LabVIEW開發(fā)平臺開發(fā)各種用途的虛擬儀器是儀器領(lǐng)域的一個重要發(fā)展方向，隨著計算機技術(shù)和測控技術(shù)的高速發(fā)展，虛擬儀器將逐步取代傳統(tǒng)儀器，而且虛擬儀器必將在更多的領(lǐng)域發(fā)揮其重要作用。

[1]張桐，陳國順，王正林.精通LabVIEW 程序設(shè)計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[2]林正盛.虛擬儀器技術(shù)及其應(yīng)用[J].電子技術(shù)應(yīng)用，1997（3）.

[3]王俊峰.基于LabVIEW的信號處理虛擬實驗系統(tǒng)[J].國外電子測量技術(shù)，2006（10）.

[4]蔡國英，張宏群.基于LabVIEW的信號產(chǎn)生與分析系統(tǒng)[J].國外電子測量技術(shù)，2007，26（7）：12－14.

[5]連海洲，趙英俊.基于LabVIEW技術(shù)的虛擬儀器系統(tǒng)[J].儀器與測控，2001（8）：21－23.

[6]佟春明，王天利.基于LabVIEW的信號處理系統(tǒng)開發(fā)[J].遼寧工學(xué)院學(xué)報，2003，23（6）：17－20.

[7]張旭，張春梅，王尚錦.虛擬儀器軟件LabVIEW和數(shù)據(jù)采集[J].微機發(fā)展，2004（3）：77－79.

[8]劉麗桑.基于LabVIEW的虛擬信號處理系統(tǒng)[J].工業(yè)控制計算機，2007（9）：53－54.

[9]封金鑫，丁士圻.水下運動目標長基陣定位解算研究[J].聲學(xué)學(xué)報，1996（5）.

[10]李曉峰，張紅民，梅康平.基于LabVIEW的多通道多參數(shù)虛擬儀器設(shè)計[J].計算機與數(shù)字工程，2008，36（3）.

[11]趙政春，鄧曙光，譚躍.基于LABVIEW的數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)[J].計算機與數(shù)字工程，2010，38（5）.

[12]朱春峰，張立民，張兵強.基于仿真信號的虛擬示波器的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機與數(shù)字工程，2008，36（12）.

[13]于平.兩種水聲導(dǎo)航定位算法的應(yīng)用與分析[J].靶場試驗與測量，2004（1）：21－23.