0 引 言
    在過程控制和自動測量中，經常需要一些時序控制脈沖來觸發(fā)和關閉不同的控制單元和功能部件的工作。時序脈沖信號的產生，傳統上一般采用硬件方式實現，早期大多采用計數器和寄存器進行設計，近年普遍采用可編程邏輯器件(PFGA)或數字信號處理器(DSA)。采用硬件方式實現的時序脈沖信號發(fā)生器存在儀器功能單一，信號輸出通道路數較少，參數調節(jié)不方便，儀器的升級換代困難等缺點；而采用基于LabVIEW的“虛擬儀器”概念設計制作的時序脈沖發(fā)生器卻具有界面直觀、功能多樣、參數調節(jié)方便、容易升級換代等特點。

1 LabVIEW簡介
    實驗室虛擬儀器集成環(huán)境(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，LabVIEW)是美國國家儀器(National Instruments，NI)公司推出的一種基于“圖形”方式的虛擬儀器開發(fā)軟件。它具備強大的信號采集、信號發(fā)生、數據分析與存儲顯示等功能，集開發(fā)、調試、運行于一體，廣泛應用于測試測量和過程控制系統中?；贚abVIEW軟件和計算機的數據采集卡，通過簡單編程，可以方便地實現信號的采集和產生、分析和處理等功能，即“計算機+軟件”等于儀器，比如：可以實現虛擬的信號發(fā)生器、數據記錄儀、示波器等功能，具有設計靈活，界面直觀，通用性強．升級方便等特點。
    LabVIEW程序稱為“虛擬儀器”或簡稱為VI，一個LabVIEW程序由前面板和程序框圖兩部分組成。前面板用圖形方式模擬傳統儀器的操作面板，包含各種控件和指示器，用來為程序提供輸入值，并接受輸出值；程序框圖包含以圖形方式表示的程序代碼。
    LabVlEW還為編程、查錯、調試提供簡單、方便、完整的環(huán)境和工具。除了具備其他語言所提供的常規(guī)函數功能外，LabVIEW中還集成了大量生成圖形界面的模板，豐富實用的數值分析和數字處理功能，以及多種硬件設備驅動功能。
    LabVIEW面向的是沒有編程經驗的用戶，而不是編程專家，尤其適合從事科研開發(fā)的科學家和工程技術人員，所以被譽為“工程師和科學家的語言”。
    在此，基于LabVIEW軟件和NI PCI－6229數據采集卡設計制作了多路時序控制脈沖信號發(fā)生器，可以應用于各種過程的自動控制中。

2 硬件介紹
    基于LabVIEW軟件和多功能數據采集卡，可以實現模擬和數字信號的采集，以及信號產生等多種功能。性價比較高。NI公司提供了大量不同接口和不同檔次能與LabVIEW軟件很好結合的數據采集卡，使用者可以根據實際需要進行選擇。這里選擇NI公司的M系列多功能數據采集卡NI PCI－6229。采用NI公司的產品，配合NI－DAQmx測量服務軟件可以省去硬件驅動程序兼容性等麻煩。NI PCI－6229數據采集卡基于PCI接口，共有4路16位模擬輸出，輸出速率達833 kS／s，輸出電壓范圍為－10～+10 V；32路單通道或16路雙通道16位的模擬輸入，通道采樣頻率可達250 kS／s；48路數字輸入／輸出通道，輸出為TTL電平，板載10 MHz時鐘的硬件定時數字輸入／輸出，能以硬件定時精度來同步數字和模擬功能；兩個80 MHz，32位的計數器／定時器；采用兩個DMA通道，能同時執(zhí)行多個功能。該板卡具有輸入／輸出路數較多，配備板載硬件時鐘源，分辨率較高，穩(wěn)定性好，性價比較高，時鐘精度可滿足大多數系統的要求。

3 時序脈沖信號產生的方法
    基于LabVIEW的虛擬時序脈沖信號產生一般采用定時翻轉輸出狀態(tài)的方法。具體有：
3．1 狀態(tài)延時法
    如圖1所示，先輸出低電平，然后保持低電平并延時，再輸出高電平，再保持高電平并延時，一個過程可以產生一個周期脈沖信號。循環(huán)上述過程，就可以周期性地輸出脈沖信號。

    這種產生方法的脈寬和延時精度決定于高低電平的延時精度。軟件延時通過調用延時函數(即Wait函數)來實現，而LabVIEW中的Wait延時函數最小只能到毫秒級，并且受Windows操作系統中多任務運行的影響，在同時運行其他程序時，延時時間不穩(wěn)定。因此，這種方法只有在延時和脈寬調節(jié)精度不高的場合可以適用，而對穩(wěn)定性和精度要求較高的場合，并不適用。
3．2 時鐘信號法
    利用數據采集卡自帶的時鐘信號發(fā)生器直接產生周期性的脈沖波形。這種方法可以結合NI公司的DAQ Insistant(助手)方便地設置參數，產生所需的脈沖波形。由于采用板卡的時鐘信號發(fā)生器是完全基于硬件定時的，所以延時時間和脈寬調節(jié)精度及穩(wěn)定性較高，具體參數取決于板卡的時鐘頻率。但這種方法受數據采集卡的時鐘信號發(fā)生器個數和輸出的路數限制，一個時鐘信號的發(fā)生器只能輸出一路信號，而普通的數據采集卡只有一個或幾個時鐘信號發(fā)生器，所以產生信號路數較少。
3．3 數字波形法
    先通過軟件產生波形(模擬波形)，再轉換成數字波形，然后從數字通道輸出，循環(huán)上述過程，就可以連續(xù)產生一路周期性的TTL脈沖信號。如果需要產生多路的時序脈沖信號，只要采用多路數字信號序列同步輸出的方法產生即可。比如：需要產生如圖2所示的兩路脈沖信號波形，可以同步地以1 kS／s的樣本輸出速率。分別在兩個數字通道輸出如圖3所示的兩列數字波形。

    如果是多路時序脈沖，只需要增加同步輸出路數就可以實現。然而時序脈沖信號的延時精度和脈寬精度調節(jié)取決于每個數字通道的樣本輸出速率，如采用1 MS／s的樣本輸出速率，則可以實現1μs(1 s／1 MHz)的調節(jié)精度，延時時間和脈沖寬度調節(jié)則通過改變延時數字樣本數和脈寬數字樣本數實現，具體關系為：
    延時時間一精度×延時數字個數，
    脈沖寬度一精度×脈沖寬度數字個數
    采用數字波形法來產生時序脈沖波形。由于NIPCI－6229數據采集卡數字I／O的同步時鐘采用板卡自帶的硬件時鐘定時，所以不受計算機操作系統多任務運行時的影響，穩(wěn)定性好。PCI－6229共有48路DIO通道，因此時序脈沖輸出路數擴充方便。在此，采用數字波形法和PCI－6229數據采集卡，實現了多路時序脈沖信號發(fā)生器，其延時和脈寬調節(jié)精度可以穩(wěn)定地達到微秒數量級。

4 軟件編程
4．1 程序框圖
    圖4為兩路脈沖信號發(fā)生器的程序框圖，多路脈沖發(fā)生器只需增加相應的輸入端即可。

    先用Pulse Pattern．vi子模板產生一個模擬脈沖波形，其中延時、脈寬、周期(即樣本數)用控件調節(jié)，再用Analog to　Digital Waveform．vi子模板將模擬脈沖波形轉換成數字波形，同時設定正負邏輯轉換開關。再把各單路數字波形用bundle函數進行捆綁，再通過DAQmx Write．vi子模板從選定的數字I／O通道寫出，故在各個數字輸出通道產生脈沖波形。然而時序脈沖信號的周期性通過For Loop循環(huán)實現，一次循環(huán)產生一個脈沖波形，即實現一次控制過程，如果需要進行多次控制，只要設定循環(huán)次數即可。
    數字信號輸出過程中的關鍵是數字通道的樣本輸出速率。樣本輸出速率通過一個樣本時鐘控制，在本發(fā)生器中由計數器／定時器通過編程輸出設定頻率的連續(xù)矩形脈沖，再從數據采集卡的PFI12接口輸入，作為控制各路數字波形輸出的同步時鐘，控制各數字通道同步輸出波形。其中，同步時鐘脈沖的周期就是時序脈沖延時和脈寬調節(jié)精度。實際測量表明，在該數據采集卡中最小可達到0．5μs的調節(jié)精度。

4．2 前面板圖
    圖5所示為四路時序脈沖發(fā)生器的前面板圖。其中，時鐘頻率為延時和脈寬調節(jié)精度，也就是數字通道的樣本輸出速率，如頻率為1 kHz，即為1 ms，在該發(fā)生器中最大可以穩(wěn)定達到2 MHz，即最小延時可達0．5μs。其中，各通道的周期在本發(fā)生器中相同，設定為統一調整(也可以設定為不同的周期)。每個通道的延時時間，脈沖寬度可調，并設有正負邏輯開關，可以輸出正脈沖或負脈沖波形。信號周期數為過程控制的次數。同時設有產生波形的圖形顯示(圖示為一個周期的波形)，所見即所得，非常直觀。

5 脈沖信號的硬件輸出
    信號發(fā)生器產生的脈沖信號通過數據采集卡的相應數字I／O通道輸出，可以使用專用連接電纜連接到接線盒，再由接線盒從相應的端口輸出到相關控制設備。其中，輸出為TTL信號電平，如不能直接驅動設備，則需要根據具體設備情況連接相應的接口電路。
    設計開發(fā)完成的時序脈沖發(fā)生器產生的時序脈沖信號經示波器實際測試，信號的延時最小值可以穩(wěn)定地達到0．5 μs，而脈沖信號的上升沿可以達到50 ns。完全能滿足大多數控制的要求。

6 結 語
    基于LabVIEW軟件和數據采集卡可以方便地實現虛擬的多路時序脈沖信號發(fā)生器，具有一定的通用性，可以廣泛地應用到各種自動測量和過程控制中，與傳統基于硬件設計的脈沖信號發(fā)生器相比，具有時序脈沖延時和脈寬調節(jié)精度高，脈沖上升沿時間短，路數較多，界面友好，調節(jié)方便等優(yōu)點。選用不同功能的數據采集卡，還可以實現更復雜的控制場合。另外，利用數據采集卡的模擬I／O，還可以產生同步的模擬控制信號，控制不同的設備。因此，基于LabVIEW的時序信號發(fā)生器不失為一種實現自動控制的好方法。