于亞萍, 康冠朋，趙　輝 ,2，王志斌，李留安

(1.天津農(nóng)學(xué)院 工程技術(shù)學(xué)院， 天津　300384; 2.天津大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院， 天津　300072; 3.天津農(nóng)學(xué)院 動(dòng)物科學(xué)與動(dòng)物醫(yī)學(xué)學(xué)院， 天津　300384)

?

基于LabVIEW伏安型電子舌系統(tǒng)激勵(lì)信號(hào)源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

于亞萍1, 康冠朋1，趙輝1,2，王志斌1，李留安3

(1.天津農(nóng)學(xué)院 工程技術(shù)學(xué)院， 天津300384; 2.天津大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院， 天津300072; 3.天津農(nóng)學(xué)院 動(dòng)物科學(xué)與動(dòng)物醫(yī)學(xué)學(xué)院， 天津300384)

伏安型電子舌系統(tǒng)最大優(yōu)點(diǎn)是測量方法的多樣性，它主要靠激勵(lì)信號(hào)的多樣性來實(shí)現(xiàn);但是伏安型電子舌系統(tǒng)所需的大部分激勵(lì)信號(hào)在電化學(xué)工作站中無法實(shí)現(xiàn);文章利用虛擬儀器技術(shù)，采用數(shù)據(jù)采集卡USB-6008結(jié)合LabVIEW軟件，針對(duì)伏安型電子舌系統(tǒng)的需求，設(shè)計(jì)一種多功能的激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器，主要實(shí)現(xiàn)了電壓范圍0～0.5 V，步進(jìn)電壓0.1 V，頻率分別為1 Hz、10 Hz和100 Hz的復(fù)頻調(diào)幅脈沖；電壓范圍0～0.8 V, 步進(jìn)為0.1 V的大幅脈沖、小幅脈沖、階梯波脈沖和電壓范圍為0～1.2 V的三角波;詳細(xì)論述了不同波形產(chǎn)生和實(shí)現(xiàn)過程;測試結(jié)果顯示：該激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的波形穩(wěn)定，方式靈活，適應(yīng)于便攜式伏安型電子舌測試系統(tǒng)。

虛擬儀器技術(shù)；USB-6008；激勵(lì)信號(hào)；復(fù)頻調(diào)幅脈沖；三角波

0　引言

伏安型電子舌是在工作電極和參比電極之間加一個(gè)激勵(lì)信號(hào)，記錄工作電極和輔助電極之間產(chǎn)生的電流響應(yīng)，把響應(yīng)的電流值作為待分析數(shù)據(jù)，并結(jié)合多變量分析技術(shù)對(duì)樣品進(jìn)行定性、定量判別的系統(tǒng)[1]。伏安型電子舌不僅具有敏感性高、簡易性和魯棒性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，而且它可以通過使用不同方式激勵(lì)電壓信號(hào)獲得更多的樣品信息。目前，可以進(jìn)行伏安測試的商業(yè)化儀器有電化學(xué)工作站，但是，電化學(xué)工作站存在如下問題：(1)設(shè)備功能繁多，價(jià)格昂貴，伏安法測量僅是其一小部分功能；(2)伏安型電子舌測量和電化學(xué)測量的區(qū)別在于伏安型電子舌按照一定的時(shí)間間隔進(jìn)行信息的提取，而電化學(xué)方法僅提取脈沖結(jié)束時(shí)所產(chǎn)生的法拉第電流[2]；(3)有一些在伏安型電子舌測試中常用的波形，電化學(xué)工作站不具備這些功能，如復(fù)頻調(diào)幅脈沖、大幅脈沖和小幅脈沖等。針對(duì)以上問題，利用“軟件即是儀器”的虛擬儀器的核心概念[3]。本文采用數(shù)據(jù)采集卡USB-6008結(jié)合虛擬儀器技術(shù)，設(shè)計(jì)一種激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器[4]，主要實(shí)現(xiàn)復(fù)頻調(diào)幅脈沖、大幅脈沖[5]、小幅脈沖、三角波[6]、階梯波脈沖等信號(hào),這些信號(hào)中大部分激勵(lì)信號(hào)是伏安型電子舌測試系統(tǒng)中常用而在電化學(xué)工作站中無法實(shí)現(xiàn)的。

LabVIEW是一種基于圖形化的虛擬儀器編程語言,在測試與測量[7]、數(shù)據(jù)采集[8]、儀器控制[9]、數(shù)字信號(hào)分析和工業(yè)自動(dòng)化[10]等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用；而USB技術(shù)具有即插即用、速度快和自動(dòng)檢測的優(yōu)點(diǎn)。因此，本設(shè)計(jì)通過在上位機(jī)對(duì)波形、幅值、頻率等參數(shù)的設(shè)計(jì)，通過USB-6008將信號(hào)輸送出去。該激勵(lì)信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活，而且波形多樣化，適合應(yīng)用于進(jìn)行便攜式伏安型電子舌測試系統(tǒng)。

1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1　信號(hào)發(fā)生器硬件系統(tǒng)框圖

計(jì)算機(jī)在軟件平臺(tái)LabVIEW上實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬信號(hào)數(shù)據(jù)的產(chǎn)生，程序里的虛擬信號(hào)通過數(shù)據(jù)采集卡變成物理信號(hào)，進(jìn)而應(yīng)用于測試的元件，如圖1所示。本系統(tǒng)采用的數(shù)據(jù)采集卡為USB-6008，數(shù)據(jù)采集卡的各種參數(shù)如虛擬通道的選擇、采樣頻率、觸發(fā)設(shè)置等均有由DAQmx控制。本系統(tǒng)的重點(diǎn)在于根據(jù)自己的實(shí)際需要進(jìn)行不同方式的波形設(shè)計(jì)及參數(shù)的確定。

2　波形信號(hào)模型的構(gòu)建

2.1脈沖波形

伏安型電子舌常用的脈沖激勵(lì)信號(hào)有大幅脈沖、小幅脈沖、階梯波和復(fù)頻調(diào)幅脈沖，如圖2所示。復(fù)頻調(diào)幅脈沖法是在調(diào)幅脈沖法的基礎(chǔ)上提出來的[11]。本設(shè)計(jì)中復(fù)頻調(diào)幅脈沖電壓范圍設(shè)定為0～0.5 V，步進(jìn)為0.1 V，設(shè)置3個(gè)掃描頻率: 1 Hz、10 Hz和100 Hz; 大幅脈沖、小幅脈沖、階梯波脈沖電壓范圍0～0.8 V, 步進(jìn)為0.1 V，具體的波形如圖2所示。

圖2　脈沖波形圖

產(chǎn)生上述幾種波形信號(hào)的數(shù)學(xué)模型是相同的，為：

(1)

其中：UM是電壓變量，根據(jù)需求對(duì)激勵(lì)信號(hào)的多個(gè)電壓幅值取值；N是同一頻率下一個(gè)信號(hào)周期電壓變換值的個(gè)數(shù)，不同的波形對(duì)N設(shè)定的值不同，在本設(shè)計(jì)中，復(fù)頻調(diào)幅脈沖N取值為18；大幅脈沖N取值為16；小幅脈沖N取值為16；階梯波脈沖N取值為18，其頻率由軟件定時(shí)時(shí)間決定。

2.2三角波的數(shù)學(xué)模型

三角波用于循環(huán)伏安法測定的激勵(lì)信號(hào)波形，設(shè)每個(gè)周期的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)為N個(gè)，三角波上升階段的采樣點(diǎn)數(shù)為N/2個(gè)[12-14]，波形如圖3所示。

圖3　三角波形圖

產(chǎn)生三角波信號(hào)的數(shù)學(xué)模型為：

(2)

其中：U是三角波的幅值，本設(shè)計(jì)中設(shè)定為1.2 V，當(dāng)掃描頻率為50 mV/s時(shí)，N取480，其中通過設(shè)定N值的大小更改掃描頻率。

3　系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)

由于USB-6008是NI公司生產(chǎn)的USB接口數(shù)據(jù)采集卡,故在使用LabVIEW進(jìn)行程序設(shè)計(jì)時(shí)可以不考慮硬件的底層驅(qū)動(dòng)問題[15]。主要部分是程序框圖的設(shè)計(jì)，首先創(chuàng)建虛擬通道，根據(jù)輸出波形的類型來設(shè)置物理通道的性質(zhì)，可以設(shè)置波形的一些基本參數(shù)[16]；這里詳細(xì)介紹復(fù)頻調(diào)幅脈沖和三角波，其余的方法類似，不同波形設(shè)計(jì)方法采用上述提到的數(shù)學(xué)模型。

3.1復(fù)頻調(diào)幅脈沖設(shè)計(jì)

復(fù)頻調(diào)幅脈沖程序流程圖如圖4所示。

圖4　復(fù)頻調(diào)幅脈沖流程圖

圖4根據(jù)復(fù)頻調(diào)幅脈沖的數(shù)學(xué)模型，同時(shí)進(jìn)行輸出電壓幅值和頻率的選擇。利用while循環(huán)內(nèi)變量i的不斷增加，對(duì)一個(gè)周期的電壓改變次數(shù)N進(jìn)行取余，即MOD(i/N)，利用取余后的結(jié)果對(duì)每個(gè)周期的電壓值進(jìn)行選擇，然后將幅值輸出到采集卡；同時(shí)，取余的結(jié)果MOD(i/N)每一次取0的時(shí)候，一個(gè)頻率信號(hào)結(jié)束，對(duì)變量x+1，根據(jù)x的值可區(qū)分是復(fù)頻調(diào)幅脈沖的第幾個(gè)頻率信號(hào)，x對(duì)3取余的結(jié)果對(duì)應(yīng)用于3種定時(shí)時(shí)間，分別對(duì)應(yīng)于1 Hz,10 Hz和100 Hz的信號(hào)頻率，當(dāng)取余結(jié)果不為0時(shí)，利用上一次的MOD(x/3)所選擇的定時(shí)時(shí)間輸出，這樣就可連續(xù)輸出3種不同頻率的復(fù)頻調(diào)幅脈沖波形。

其具體的程序框圖如圖5。主要由取余、分支和延時(shí)程序組成；波形圖輸出時(shí)，需要加上動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，將變量轉(zhuǎn)化為一維數(shù)組，程序中注意局部變量的應(yīng)用。

圖5　復(fù)頻調(diào)幅脈沖程序框圖

3.2三角波設(shè)計(jì)

三角波的程序流程圖如圖6所示。

圖6　三角波流程圖

圖6根據(jù)三角波信號(hào)的數(shù)學(xué)模型產(chǎn)生三角波信號(hào)，首先，對(duì)三角波周期采樣點(diǎn)數(shù)N進(jìn)行取余，即MOD(i/N)，若0<=MOD(i/N) <=N/2，產(chǎn)生三角波的上升信號(hào)，若大于N/2將產(chǎn)生三角波的下降信號(hào)。設(shè)置模擬信號(hào)的通道數(shù)及采樣數(shù)，這里采用模擬波形1通道1采樣，然后運(yùn)行，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)對(duì)波形周期的需求控制程序循環(huán)次數(shù)。其具體的程序框圖如圖7所示。

圖7　三角波程序框圖

4　系統(tǒng)的前面板設(shè)計(jì)

前面板是用戶操作界面,由輸入控件和顯示控件組成，用以設(shè)置控制參數(shù)并觀察輸出量。本系統(tǒng)的前面板主要由以下部分組成：信號(hào)的幅值；波形的顯示部分；各個(gè)波形類型的選擇等；系統(tǒng)的前面板如圖8 所示。

圖8　程序的前面板

在圖8中，可根據(jù)選項(xiàng)卡選擇所需輸出的波形，只需在每一個(gè)選項(xiàng)卡上輸入各個(gè)波形的參數(shù)，如幅值，數(shù)據(jù)采集卡的參數(shù)等。

5　測試的結(jié)果與分析

根據(jù)以上的設(shè)計(jì)，成功的實(shí)現(xiàn)了伏安型電子舌系統(tǒng)激勵(lì)信號(hào)源，示波器采集的波形如圖9所示。

圖9　波形測試結(jié)果

以大幅脈沖波形為例 測量產(chǎn)生波形頻率準(zhǔn)確度，如表1所示。從表中看出信號(hào)頻率最大誤差為0.2%，可以滿足設(shè)計(jì)要求。

表1　設(shè)定頻率、實(shí)測頻率與頻率誤差

從上述的圖形可以看到伏安型電子舌激勵(lì)信號(hào)源實(shí)現(xiàn)了這幾種常用的波形。信號(hào)的幅值，頻率都可以根據(jù)參數(shù)進(jìn)行改變，且信號(hào)頻率動(dòng)態(tài)范圍幅值也可調(diào)，靈活性較高，能夠滿足伏安型電子舌的測試與開發(fā)的需要。本系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)采集卡USB-6008，它具有軟件定時(shí)功能，輸出的頻率由表1可以看出非常精確。

6　結(jié)論

本文從設(shè)計(jì)伏安型電子舌掃描電壓的實(shí)際需求出發(fā)，采用LabVIEW軟件設(shè)計(jì)了基于USB-6008的便攜、易用的伏安型電子舌的激勵(lì)信號(hào)源，主要利用了LabVIEW軟件開發(fā)工具設(shè)計(jì)了波形的應(yīng)用程序, 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了復(fù)頻調(diào)幅脈沖，其電壓范圍0～0.5 V，步進(jìn)電壓0.1 V，頻率分別為1 Hz、10 Hz和100 Hz；電壓范圍0～0.8 V, 步進(jìn)為0.1 V的大幅脈沖、小幅脈沖、階梯波脈沖和電壓范圍為0～1.2 V的三角波。該信號(hào)源準(zhǔn)確，設(shè)計(jì)方式靈活，并且能在此基礎(chǔ)上擴(kuò)展其它需要的波形信號(hào)。

[1]Winquist F. Voltammetric electronic tongues-basic principles and applications[J]. Microchimica Acta, 2008, 163(1-2): 3-10.

[2]Patrik Ivarsson, Susanne Holmin, Nils-Erik Hojer, Christina Krantz-Rülcker, Fredrik Winquist. Discrimination of tea by means of a voltammetric electronic tongue and different applied waveforms[J]. Sensors and Actuators B, 2001,76:449-454.

[3]劉君華. 基于 LabVIEW 的虛擬儀器設(shè)計(jì)[M].北京:電子工業(yè)出版社, 2003 .

[4]National Instruments.NI USB-6008 User Guide and Specifica-tions[Z].National Instruments Corporation,2008.

[5]Arunangshu Ghosh, Bipan Tudu, Pradip Tamuly, Nabarun Bhattacharyya, Rajib Bandyopadhyay. Prediction of the aflavin and the arubigin content in black tea using a voltammetric electronic tongue[J]. Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems, 2012,116:57-66.

[6]Kamalika Tiwari, Bipan Tudu, Rajib Bandyopadhyay, Anutosh Chatterjee . Identification of monofloral honey using voltammetric electronic tongue[J]. Journal of Food Engineering, 2013, 117: 205-210.

[7]張俊紅, 馬文朋, 李林潔, 等. 航空發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用, 2014, 50(16): 232-236.

[8]李琳芳, 賈蕓芳, 李國厚. 基于 LabVIEW 的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 河南科技學(xué)院學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版), 2015,2: 012.

[9]寇雪芹, 谷立臣, 閆小樂, 等. 基于虛擬儀器的超聲信號(hào)測量及測距研究[J]. 計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用, 2012, 48(6):17-20.

[10]劉榮榮. 基于 LabVIEW 的自動(dòng)鋸床位置控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置, 2014 (6): 34-36.

[11]韋真博.伏安型電子舌的研發(fā)及其在食品檢測中的應(yīng)用[D].杭州：浙江大學(xué)，2011.

[12]戴成梅, 戴成建, 周啟龍. 基于 LabVIEW 多功能信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 國外電子測量技術(shù), 2010,(6): 57-61.

[13]趙江濱,劉世元,胡友民,等.組件化虛擬儀器軟件系統(tǒng)性能研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2009,30(10):2131-2138.

[14]趙立新,郭利強(qiáng),盛振旗.信號(hào)發(fā)生器中的寬帶調(diào)頻技術(shù)研究[J].國外電子測量技術(shù),2009,28(5):35-57.

[15]廖傳書,黃道斌,孫旦均,等. LabVIEW與USB的直接數(shù)據(jù)通信[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2007,20(259):4-6.

[16]李良華,王洪亮,王洪雷.基于LabVIEW虛擬信號(hào)發(fā)生器的研究與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)測量與控制, 2009,17(9):1866-1868.

Design and Realization of Excitation Signal Source in Voltammetric Electronic Tongue System Based on LabVIEW

Yu Yaping1，Kang Guanpeng1, Zhao Hui1,2, Wang Zhibin1, Li Liuan3

(1.College of Engineering and Technology, Tianjin Agricultural University, Tianjin300384, China；2. School of Electrical Engineering & Automation, Tianjin University, Tianjin300072, China；3.College of Animal Science and Veterinary Medicine, Tianjin Agricultural University, Tianjin300384, China)

One of main advantages of voltammetric electronic tongue system is the diversity of measurement method, which depends on the multiple excitation signals. Most test excitation signals used in voltammetric electronic tongue system can not be implemented in an electrochemical workstation. In this paper, by using virtual instrument technology, USB-6008 data acquisition card is adopted combining with LabVIEW software to design a versatile excitation signal generator. Multi-frequency multi-amplitude pulse with the voltage range of 0～0.5 V, step voltage of 0.1 V, and frequency of 1 Hz,10 Hz,100 Hz; large amplitude pulse voltammetry, small amplitude pulse voltammetry, staircase pulse, with the same voltage range 0～0.8 V, step voltage of 0.1 V; and triangle voltammetry of voltage range 0～1.2 V are realized and the design processes of different waveforms are discussed in detail. The results show these waveforms are stable and flexible, which is suitable for voltammetric electronic tongue system.

virtual instrument; USB-6008; excitation signal; multi-frequency multi-amplitude pulse; triangular wave

2015-07-22；

2015-09-16。

天津市大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201510061093)；天津市自然科學(xué)基金項(xiàng)目(14JCYBJC30400)。

于亞萍(1979-)，女，河南禹州人，副教授，在讀博士，主要從事控制科學(xué)與工程方向的研究。

趙輝(1963-)，男，天津人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事控制科學(xué)與工程領(lǐng)域方向的研究。

1671-4598(2016)01-0324-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.01.090

TP311

A