祝高锋_A1122班_虚拟示波器的设计

1、JIU JIANG UNIVERSITY 毕 业 论 文（设 计）题 目 基于LabVIEW的虚拟示波器的设计 英文题目 The Design of Virtual Oscilloscope Based on LabVIEW 院 系 电子工程学院 专 业 电子信息工程 姓 名 祝高锋 年 级 2011级 指导教师 谢新文 2015年 6 月九江学院学士学位论文摘要随着电子计算机技术和软件开发技术的飞速发展，电子计算机在数据的分析，处理，显示和存贮等方面的优势与传统的仪器相比越来越明显。与此同时，计算机性价比的不断提升，传统仪器的价格又长期居高不下，再加上传统仪器的功能单一，发展虚拟仪器已经成为

2、一个不可阻挡的历史潮流。美国NI公司在这种大环境下，率先发起了对虚拟仪器的研究开发，并推出了LabVIEW软件开发平台。这次的课题是通过学习LabVIEW并用它来设计出虚拟示波器。硬件部分通过数据采集卡采集信号，对输入的信号放大并进行A/D转换，再调用一个子VISI函数将信号读取写入到LabVIEW中。在LabIEW软件中设计出一个与传统示波器功能相似的虚拟示波器，来对波形进行测量、调节、显示。所以，这次设计我分为了信号采集模块，双通道波形选择模块，幅值调节模块，水平分度调节模块，波形显示等模块。 关键词：虚拟仪器；虚拟示波器；A/D转换；数据采集卡The Design of the Virt

3、ual Oscilloscope Based on LabVIEWAbstractWith the rapid development of the computer technology and software technology, electronic computer in the analysis of the data, processing, display and storage and other aspects of the advantages and the traditional instrument in is more and more obvious. At

4、the same time, the continuous improvement of the performance of computer, traditional instrument prices high and long-term, the function of a single and traditional instruments, development of virtual instrument has become an irresistible historical trend. NI company in this environment, the first t

5、o launch the research and development of virtual instrument, and launched the LabVIEW software development platform.The subject of this problem is to design the virtual oscilloscope by studying LabVIEW and using it. Through the data acquisition signal acquisition card, the input signal amplification

6、 and A/D conversion, transmitted to the computer, design a similar to the traditional oscilloscope function of virtual oscilloscope in LabIEW software. The waveform measurement, adjustment, display. So, this design I points to signal acquisition module, dual channel waveform selection module, amplit

7、ude adjustment module, the level of the adjustment module, waveform display module.Keywords:Virtual instrument；Virtual oscilloscope；A/D conversion；Data acquisition card目 录摘要IIAbstractIII第1章 绪论11.1虚拟仪器的概述11.2LabVIEW概述11.3虚拟示波器的研究意义3第2章 设计方案42.1设计功能要求42.2设计方案思路4第3章 系统硬件63.1数据采集卡6第4章 软件设计84.1 信号采集模块84.

8、2信号仿真模块94.3双通道波形测量模块104.4幅值调节模块114.5水平分度调节模块124.6前面板设计14第5章 信号的仿真与采集155.1双通道信号的仿真155.2实际信号的采集16结束语18参考文献19附录20致谢21I九江学院学士学位论文第1章 绪论1.1虚拟仪器的概述随着科学技术与信息的高速发展，用户对信息的处理速度要求越来越高，对电子系统的功能要求也越来越强，传统的电子测量仪器显然已经不足以满足各方面的要求。所以，一种全新的电子测量仪器虚拟仪器出现了。虚拟仪器是通过计算机硬件加上软件来仿真出传统测量仪器的设备。以测量、分析显示为主，控制为辅的计算机仪器系统。借助一块通用的数据采

9、集卡，用户就可以通过软件构造出自己所需功能的仪器，可以是示波器、电压表、函数信号发生器或其他仪器。与传统仪器相比，虚拟仪器具有以下特点：（1） 虚拟仪器的构建更简便。因为软件是虚拟仪器的核心，用户通过软件平台即可构造所需仪器。（2） 虚拟仪器的性价比更高，且测量性质更稳定。虚拟仪器能同时对多个参数进行测量，其信号的传输和数据的处理几乎都是靠数字信号或软件来实现的。所以它大大降低了环境干扰和系统误差的影响。（3） 用户可以根据自己所需要求来设计虚拟仪器，不再局限于生产厂家。这也让构建自己的实验室成为了可能。（4） 传统仪器的功能有时较为单一，而虚拟仪器可以把多种功能结合与一个前面板中。比如说，再

10、设计虚拟示波器的时候，可以在另一个选项卡中设计一个函数信号发生器。这样仿真信号就变得可调可选择。更能直观的实现仿真演示。1.2LabVIEW概述LabVIEW是一款图形化编程软件，这种图形化语言又被称作G语言。LabVIEW编程在人们看来就是将一个个小的功能方块按照一定的逻辑思维连接起来，从而实现功能仪器的构建。图形化语言与文本编程语言（如 C、Basic、Java 等）相比，它在编程过程中有着更详细的提示信息，如函数的功能结构、参数类型等等，编写程序时程序员不再需要去记忆这些枯燥的信息了。并且一款编写风格良好的图形程序代码往往要比文本代码更加清晰直观、便于阅读。一般来说，一个完整的LabVI

11、EW编写程序包括：前面板和程序框图。前面板，它模拟了物理仪器的旋钮、按钮、图形及其他输入控件和显示输出控件。如图1.1所示的是一个仿真信号调幅显示的前面板。图中有4个控件：波形图表，频率显示，调幅旋钮，控制开关。设置是一个频率为30.1Hz的正弦信号，调幅旋钮用来改变波形幅值，控制开关用来控制运行和停止。图1.1仿真信号调幅显示的前面板框图是VI（虚拟仪器）的源代码，是实际可执行的程序（连接各部分原件的框图）。图1.2所示的是仿真信号调幅显示的现实的程序框图（与图1.2相对应）。图1.2仿真信号调幅显示程序框图上图中，在while循环中设置一个频率为30Hz的正弦信号，连接到波形图（银色）中，

12、完成调幅，频率显示。1.3虚拟示波器的研究意义虚拟示波器的研究意义有很多：首先它能够很好的替代传统示波器实现实验教学的教学、仿真，能够直观的演示结果；其次传统的示波器缺乏相应的计算机接口，配合数据采集及数据处理比较困难，而虚拟仪器是以软件为核心，分析处理数据则更方便快捷；并且用户可以根据自己的所需功能要求来自行设计虚拟仪器，这让实现自己的实验室成为了可能；还有虚拟仪器研制成本更低，周期短，容易扩展和改进仪器的一些功能，增加某种测试功能只要增加小量的模块功能即可。第2章 设计方案2.1设计功能要求1.学习并使用LabVIEW设计虚拟示波器、能够完成传统示波器的基本功能2.本设计的虚拟示波器主要的

13、功能包括:数据的仿真和采集双通道接入信号波形的测量（能够数字化测量波形的幅值、频率）能够较好的调节波形的振幅、周期波形的叠加能够较好的完成波形的显示 2.2设计方案思路本次设计是基于LabVIEW的虚拟示波器。设计分为硬件和软件两个部分，硬件部分信号的采集用数据采集卡来实现，软件部分是通过LabVIEW平台编写程序来构建虚拟仪器。将所要测量的信号通过数据采集卡采集，调用一个采集信号读写的子程序，输入到LabVIEW中完成信号的测量、调节、显示。信号采集时，通过函数信号发生器，来产生测试信号。仿真时，程序内部已设置好仿真信号。本设计的信号采集是由USB_DAQ_PIC18F_V01数据采集卡实现

14、。总设计流程图如下图2.1所示。图2.1系统设计流程框图虚拟示波器程序部分的设置具有双通道信号控制输入，波形的叠加显示，信号仿真或测量信号的接入控制，信号的数字化测量，幅值的调节，水平分度的调节，波形的显示等功能模块。其软件功能框图如图2.2所示。图2.2软件部分功能框图第3章 系统硬件虚拟仪器系统硬件部分是数据采集卡，对于虚拟仪器来说，信号的采集是虚拟仪器的核心技术之一。信号只有经过采集才能将模拟信号转变为数字信号，也就是A/D转换。通过采集卡读写程序，将采集到的数组信号写入LabVIEW中，转换成波形信号进行显示、测量、调节等。3.1数据采集卡数据采集卡是可以从传感器或其它设备中自动采集待

15、测信号，通过串行方式将信号传送到计算机中处理；也可以将计算机中的控制信号通过采集卡传送到外部设备。所以数据采集卡的主要任务就是负责计算机与外部设备的信息交流。通用数据采集卡一般由多路开关（MUS）、放大器、采样保持电路以及A/D转换等部分组成。图3.1数据采集卡结构图现在市面上比较好的是Ni公司生产的采集卡，优点是品种繁多，性能稳定，且在LabVIEW平台上有专门的控件可以使用，使用容易上手。这次设计所用的数据采集卡是一款采用USB接口数据的USB_DAQ_PIC18F_V01采集卡。该采集卡处理器是基于Microchip公司的PIC18F4553，由12位高精度单片机开发的。这款采集卡只能提

16、供10V以下交流电压测量，测量时必须加上偏置电压，并且偏置电压要大于测量电压1V以上，这样方便得到测量的电压的波形。该采集卡是通过VISA541进行控制。VISA541是NI公司专门为labVIEW软件设计的一款I/O口驱动控制程序。所以使用这款数据采集卡可以很方便的调用labview软件范例中的VISA读取、VISA写入、VISA置触发有效、VISA清空和VISA读取STB等子vi。数据采集卡如图3.2所示。图3.2数据采集卡数据采集卡集成了直流电压测量，TTL（8通道）输出，TTL（3通道）输入,以及PWM或可编程直流电压信号输出模块。这次设计只需用到8通道模拟信号测量部分，该部分有DC1

17、DC8共8个模拟输入通道。当USB接通电源后，电源指示灯会保持常亮，供电正常，DC1和DC8接入采集信号。该采集卡的控件软件是基于labVIEW 2013版本进行设置的，在USB接入计算机后要在计算机中对其端口进行波特率设置，波特率固定为460800。只要设置一次，下次会自动默认。设置如图3.3示。图3.3数据采集卡端口设置第4章 软件设计系统的程序分为了信号采集，信号仿真，波形测量，幅值调节水平分度调节等功能模块。在本章将以图文结合的方式来进行介绍系统的程序设计。4.1 信号采集模块（1）串口设置采集模块，主要就是为了把信号采集过来，传输到计算机中。在这里调用一个采集卡的子程序用来读取采集信

18、号并将其写入到labVIEW中。配置采集卡串口时，波特率设置为460800，流控制和奇偶设置为“None”。数据比特位为8位，停止位为1。把他们和VISA中的配置串口连接，这样才能采集数据。图3.1为配置串口程序。 图4.1 VISA配置串口 图4.2 VISA的写入（2）VISA的写入配置串口后，将八维数组信号写入，经过50ms延时读取16字节。采集电压用的是DC1接线端，另一端DC8接地，选择端选DC1就可以。该款采集卡采样频率有500Hz、1KHz、10KHz三个档位。采样频率要根据采集信号选择，当输入频率为2Hz-20Hz时，选500Hz采样速度；20Hz-200Hz频率选2KHz采样

19、速度； 200Hz-6KHz频率选10KHz；采样速度为并且根据采样定理，只有采样频率大于或等于信号频率的2倍才能保持波形不失真。采样频率设置完后把采集的数据写入VISA的设备中，VISI是采集卡中调用的子函数，用来将采集到的信号读取写入LabVIEW中。（3）数据读取从VISA中读取数据，设计程序，利用各种运算，通过转换，把字符串变成数组形式。程序如图4.3。图4.3 字符串转换为数组程序段（4）采集的输入数组信号对数组进行各种处理和运算，因为使用的采集卡不能直接采集交流信号。在采集电压信号的时候，需要在信号发生器上添加偏置电压，才能完整采集到交流电压，让波形稳定显示。在测试时，所加偏置电压

20、的大小为4V，所以在程序中要减去偏置电压。程序如图4.3示。最后面是利用创建波形函数得到波形，输出后对波形进行处理。程序中，用了选择结构控制电压采集，为真则采集交流电压，为假则采集直流。输出的采集八维数组信号，接入到示波器模块。图4.4 转换成八维数组信号4.2信号仿真模块信号仿真模块由布尔开关连接选择结构，控制两种状态。采集的八维数组数据通过索引数组提取成两个通道的元素信号进行测量。当布尔开关按下时，选择双通道的数组信号，后续测量模块对其进行测量。当关布尔开关时，选择结构为“假”，仿真信号输入后面测量模块中。这里的仿真信号为1kHz的正弦信号。仿真信号接入时，两个通道的波形信号一样。图4.5

21、仿真和采集的选择框图4.3双通道波形测量模块波形测量和数字化测量模块中，完成信号的幅值(有效值)、频率的测量。这里可以调用一个波形测量的子VI.波形测量的子VI如图4.3所示。图4.6波形测量子VI该模块中调用了一个平均直流-均方根子VI，用来计算信号直流分量的大小和信号的均方根。图4.7均方根子VI图4.5测量模块框图该设计的为双通道虚拟示波器，通道DO-0与DO-1设计一样。4.4幅值调节模块幅值调节功能用来对示波器显示波形的幅度进行调节，实波形能够完整的在示波器中显示。该模块中我的设计是由布尔按键开关、两个旋钮连接到条件选择结构。旋钮开关连接一个加法器用来改变波形的纵坐标，从而可对波形进

22、行上下移动。调幅旋钮接一个乘法器用来拉伸或压缩波形，从而完成幅值分度调节。图4.6波形幅值调节与波形的叠加当布尔开关按下时，通道打开采集信号接入。当布尔开关关闭时，选择结构为“假”仿真信号接入，这里的仿真信号为1KHz的直流信号。两个通道采集的信号输出后连接到一个波形叠加模块。波形叠加中，在一个选择结构中连接一个加法器。当叠加开关按下时，条件为真，波形进行“叠加”。当为“假”时，直接对两个波形进行“合并”显示。4.5水平分度调节模块水平分度调节模块时让我大花心血的一个模块。因为这期间遇到许多问题，几经改进才实现这部分模块功能。水平分度调节功能模块为的是在x轴方向上对波形进行调节，只是改变波形的

23、周期，就能合理的在示波器中显示所要观察的波形段。图4.7利用属性节点设置周期调节在具体实现这个功能模块时，我是将时间旋钮作为输入连接一个公式节点，并公式节点中写入程序，创建一个32位输入输出变量。当x<1时，输出的y为1。该部分就是创建5个与旋钮对应的档位值。也就是说，该示波器只有5个档位调节。输出变量y连接选择结构，并在选择结构中创建5个分支，在分支中创建簇常量作为波形控件标尺范围属性节点的设定值。这里的属性节点为X标尺范围中的“全部元素”XScale.Range.输入数据类型为簇5元素，从上到下依次为最小值、最大值、增量、二级增量和起始值。但是以上设计方法还有一定缺陷，由于x轴的值在

24、不同的变化，导致波形不能稳定的显示，一直在跳动。所以，我把水平分度调节模块放入到一个事件结结构中，如下图4.8示。图4.8改进后的周期调节模块框图当周期调节按钮按下时，周期的值发生改变，执行该模块。每当周期调节按钮调到一个档位时，它的值就固定了。周期值不改变该模块不再继续执行。x轴的范围值也就不随之跳动了，波形也不再跟随跳动。这样就能很好的解决波形的稳定显示问题了。4.6前面板设计虚拟示波器前面板我设置了两个调幅旋钮，两个上下移动波形旋钮，一个周期调节旋钮，两个通道开关和一个波形叠加开关，中间采用一个波形图（银色）完成显示。示波器右侧设置两个通道波形的测量显示。示波器右下角设置了3个开关。分别

25、是“仿真”和“采集”选择开关，电源开关，退出（停止程序运行）开关。电源开关的设置时，只需在示波器程序框图外面加一个选择结构即可完成。通道1和通道2用来选择是否接入采集信号。右侧的两个通道测量模块是用数字化来显示波形的数据进行测量。当退出键按下时停止运行。图4.9 虚拟示波器前面板第5章 信号的仿真与采集5.1双通道信号的仿真在虚拟示波器系统中，仿真信号可以用正弦波、三角波和锯齿波。这里我把仿真信号设置为正弦波进行仿真，该仿真信号频率1000Hz，幅值为3.3V。图5.1正弦信号仿真由仿真图可知该信号幅值为3.3V，有效值为2.33V，频率为1000Hz的正弦波。当按下叠加键时，波形进行叠加，如

26、下图5.2所示。图5.2波形的叠加5.2实际信号的采集设置连接好数据采集卡之后，采集时，用函数信号发生器产生一个100Hz，峰峰值为4.0V的正弦信号，通过采集卡连接到虚拟示波器。如下图5.3所示。图5.3正弦波采集信号由示波器信息可知，信号幅值为2V（即有效值为1.41V），频率为100Hz的正弦信号。如下图5.4所示。图5.4实际采集信号结束语本次的虚拟示波器设计主要以数据采集卡USB_DAQ_PIC18F_V01实现硬件信号采集部分，软件部分以LabVIEW为平台编写程序框图。构建示波器时，我把它分成了信号采集，双通道选择与波形叠加，幅值调节，水平分度调节，波形显示等几个模块。初步完成了

27、传统示波器的要求，实现了示波器的基本功能。但受自己对LabVIEW知识的限制，示波器的触发器功能，波形的存储回放并没有很好的完成。仿真能够较好的显示，前面板设计的也比较美观合乎情理。但信号采集还不能很好的显示，信号能够采集进去，但可能是采样频率或读取波形方面出了点问题，导致波形时不规整的波形。毕业设计，从当初的选题，开题答辩，再到中后期的论文修改，以及毕业答辩。我们做了很多工作，期间也收获了不少。在这当中的设计中我也遇到了一些问题，一度导致我的设计停滞不前。比如说，由于自己的粗心，之前在仿真信号设置时，当通道关闭时想当然的把它设置成了常数0信号，而忘了此时它应该是一个直流信号。数据采集与信号的

28、接入调试让我大花心血，那段时间我们同学几个基本上一整天都是待在电子实验室。还有水平分度调节模块的设置，我也是从书本上才知道属性节点的用法，我给x轴设定一个区间的初始值与最大值，只要改变最大值，波形的水平方向就可以进行拉伸收缩变化。这种方法的思想是正确的，但是并不能让波形较好的稳定下来显示，导致仿真调试时波形一直在跳动，所以我就把水平分度调节模块放入一个事件结构，当“周期值”改变时才运行这个模块。周期旋钮不调节时，x轴不发生变化，故较好的完成了水平分度的调节。修改论文的任务也是极其繁重，不断的修改，查重，可谓字字推敲。在老师的指点下，论文也修改的合乎要求了。我很感谢在这次毕业季能够跟随谢新文老师

29、学习LabVIEW及相关知识。老师和同学给了我太多帮助。他们对学术知识的求真探索精神深深的打动我，让我明白，凡事要认真对待，付出终有回报。参考文献1岂兴明，田京，.夏宁. LabVIEW入门与实战开发100例. 北京：电子工业出版社，2011.32 陈绮荣，基于虚拟仪器技术个人实验室的构建. 北京：电子工业出版社，2006.103 汪敏生，等. LabVIEW基础教程北京：电子工业出版社，2002.4 杨灵，周正达，张蕴玉  基于USB和LabVIEW开发平台的虚拟仪器的设计J. 计算机与数字工程. 2007(03) .5 刘晓明， 基于LabVIEW的USB多通

30、道数采卡实时测试系统开发J. 仪器仪表标准化与计量. 2005(06).6 刘君华，等编著.虚拟仪器图形化编程语言LabVIEW教程M. 西安电子科技大学出版社, 2001.7 龙华伟，顾永刚. LabVIEW8.2.1与DAQ数据采集. 北京：清华大学出版社，2008.8 陈锡辉，张银鸿. LabVIEW8.2.0程序设计从入门到精通. 北京：清华大学出版社，2007.9 刘刚，王立香，张连俊. LabVIEW8.2.0中文版编程及应用. 北京：电子工业出版社，2005.10 段国艳. 电子技术虚拟实验系统研究与开发D.西南交通大学，2013.11 张桐，陈国顺，王正林.精通LabVIEW程

31、序设计.北京：电子工业出版社，2008.12 黄文军. 基于LabVIEW的低频虚拟示波器研究与实现D.广西师范大学，2010.13 王欢. 基于LabVIEW的实时控制与仿真技术应用研究D.南京航空航天大学，2009.14 范寿康. 基于LabVIEW平台的虚拟仪器实验室的实现J. 三江学院学报(综合版)，2005.Z1:92-96.15 Robert H.Bishop著，乔瑞萍，林欣等译. LabVIEW6i实用教程. 北京：电子工业出版社，2003.16 陈绮荣，吴有恩，等.电子测量技术.北京：电子工业出版社，2003.17 张凯. LabVIEW虚拟仪器工程设计与开发.北京：国防工业出版社，2004.18 杨乐平，李海涛，赵勇等. LabVIEW程序设计与应用.北京：电子工业出版社，200119 A.N. Nithyaa,R. Premkumar,S. Dhivya,M. Vennila. A Real Time Foot Pressure Measurement for Early Detection of Ulcer Formation in Diabetics Patients Using LabviewJ. Procedia Engineering,2013,64:.20 Mahmoud Abdul