基于LabVIEW的虚拟示波器的设计与实现12

电子测量技术ＥＩ．ＥＣＴＲＯＮＩＣＭ匣ＡＳＵＲＥＭ［ＥＮＴ第３４卷第３期ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２００９年３月一目ｉ＝；；＝＝＝＿●＝＝＝＝＝＝＝＝；－Ｅ目自ｔｊｌ＝＿－●＿ｌｌ；；●｜＝＿＿＿＝＝＝＝＝；；＿ｌ●基于ＬａｂＶＩＥＷ的虚拟示波器的设计与实现集秋明田梦君（西北工业大学机电学院西安７１００７２）摘要：虚拟仪器是当今仪器技术的发展热点，本文是在美国Ｍ公司开发的ＬａｂＶＩＥＷ的软件平台上设计了多功能的虚拟示波器，此示波器主要由参数测量、频谱分析、加窗和波形显示等模块组成。与以往的虚拟示波器不同之处在于，所设计的仪器不仅具有实时采集、波形显示、测量参数等功能，并且增加了存储、打印的功能，示波器的采样频率也在很大程度上进行改进，使其更加接近真实示波器显示的波形。关键词：示波器；虚拟仪器；数据采集中圈分类号：ＴＰ３９１．９文献标识码：ＡＤｅｓｉｇｎａｎｄｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆｖｉｒｔｕａｌｏｓｃｉｌｌｏｓｃｏｐｅｂａｓｅｄＬｉａｎｇＱｉｕｒｒｄｎｇ（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＰｒｏｐｕｌｓｉｏｎａｎｄｏｎＬａｂＶＩＥＷＴｉａｎＭｅｎｇｊｕｎＥｎｅｒｇｙ。Ｎｏｒｔｈｗ∞ｔ锄ＰｏｌｙｒｅｃｈｒｄｃＭＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ⅺ’ａｎ７１００７２）ｓｐｏｔＡｂｓｔｒａｃｔｌＶｉｒｔｕａｌＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｉｓｔｈｅｈｏｔｉｎｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ａｉｎＭｕｌｔｉｆｕｎｃｔｉｏｒｍｌＶｉｒｔｕａｌＯｓｃｉｌｌｏｓｃｏｐｅｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄａｎｄｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ，ａｎｄｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｌｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇｇｒａｐｈｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇｌａｎｇｕａｇｅ“ＬａｂＶＩＥＷ＂ｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｉｎｄｅｔａｉｌ．Ｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｓａｎｄｆｅａｔｕｒｅｓｏｆｔｈｅｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｉｎｃｌｕｄｅｂｏｔｈｗａｖｄｏｒｒｎｄｉｓｐｌａｙ，ｓｔｏｒｅ，ｐｒｉｎｔａｎｄｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｐａｒａｍｅｔｅｒｄｉｓｐｌａｙｉｎｄｉｇｉｔａＬＫｅｙｗｏｒｄｓ，ｓｃｉｌｌｏｓｃｏｐｅｊＶｉｒｔｕａｌＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ０引育应着一段框图程序。框图程序用ＬａｂＶＩＥＷ图形编程语言编写，类似传统程序的源代码。１．２虚拟示波器的软件结构本文的虚拟示波器的设计在功能上是参照双通道台式数字存储示波器的功能完成的。该示波器的主要功能包括，多通道信号输入、通道控制、触发控制、波形显示、参数测量、频谱分析、加窗、快速希尔伯特变换等。主程序结构框图如图１所示。虚拟仪器是一种基于计算机的自动化测试仪器系统。虚拟仪器的突出优点在于能够与计算机技术结合，将计算机资源与仪器硬件，数字信号处理技术与不同功能的软件模块结合，组成不同的仪器功能。用户可根据测试的需要，自己设计所需要的仪器系统，即利用数据采集卡及计算机外围硬件进行信号的采集与检测，然后用计算机所编的软件来实现对信号的处理、计算和分析以及对测试结果进行显示‘１］。１虚拟示波器设计虚拟仪器由通用仪器硬件平台和应用软件两大部分构成。硬件平台完成被测信号调理与信号采集，即获取被测信号。软件平台完成信号的前期处理以及参数测量、频谱分析等功能［２］。１．１虚拟仪器软件开发工具虚拟示波器软件设计采用的ＮＩ公司的虚拟仪器开发工具ＬａｂＶＩＥＷ。使用ＬａｂＶＩＥＷ开发平台编制的虚拟仪１．３虚拟示波器前面板设计前面板用来提供用户与虚拟示波器的接口，通过一个友好的图形界面，模拟传统仪器操作，实现对虚拟仪器的控制，显示处理结果。文中设计的虚拟示波器前面板如图２所示。根据仪器的功能，在虚拟示波器前面板上设置实时波形显示窗口、数据采集配置、触发控制、通道选择、模图１主程序结构框图器程序Ⅵ包括３个部分：程序前面板、框图程序和图标／连接器［３］。程序前面板用于设置输入数值和观察输出量，生成模仿传统仪器的控制面板。每一个程序前面板都对・１５８・万方数据梁秋明等：基于ＬａｂＶＩＥＷ的虚拟示波器的设计与实现第３期式选择和数据处理等控制窗口［钉。与传统示波器相比，虚拟示波器利用ＬａｂＶＩＥＷ强大的数据分析和文件处理功能对所选通道采集的数据进行分析和保存。图２虚拟示波器前面板１．４虚拟示波器各个模块设计对于一台虚拟示波器来讲，所有模块中重要的模块有３个，分别是ｔ通道选择模块、触发模块、采样模块。１．４．１通道选择模块通道选择模块主要是控制虚拟示波器采集卡的通道数，本设计的通道控制可以分为ＣＨＡ，ＣＨＢ，ＣＨＡ＆ＣＨＢ。可以单独一个通道采集数据，也可以２个通道同时采集数据。该模块用了一个３帧数字Ｃａｓｅ结构。将Ａ通道设置为Ｏ，Ｂ通道设置为１。首末通道号均显示为０时表示Ａ通道选通，首末通道号均显示为１时表示Ｂ通道选通。末通道数大于首通道数即Ａ通道为０，Ｂ通道为１时两通道同时选通。１．４．２触发模块为了使扫描信号与被测信号同步，可以设定一些条件，将被测信号不断地与这些条件相比较，只有当被测信号满足这些条件时才启动扫描，使得扫描的频率与被测信号相同或存在整数倍的关系，从而达到同步。触发控制包括触发源，触发电平控制。此模块用了两个布尔型Ｃａｓｅ结构完成，其中核心为电平比较部分，将其做成子Ⅵ在此模块中调用，有利于框图程序的简化［５］。１．４．３采样模块数据采集模块是最为关键的一个程序模块，这个模块中应用程序会通过采集卡的驱动程序和硬件进行通信，要发出各种控制字、参量字到仪器中去，同时又要对硬件的工作状态进行判断和处理，然后读取采样值。此模块利用ＬａｂⅥＥｗ中的ＣｒｅａｔｅＤｅｖｉｅｅ创建设备对象后，用ＩｎｉｔＤｅｖｉｃｅＰｒｏＡＤ函数初始化ＡＤ部件，关于采样通道、频率等的参数的设置是由这个函数的ｐＰａｒａ参数结构体决定的，只需要对这个ｐＰａｒａ参数结构体的各个成员简单赋值即可实现所有硬件参数和设备状态的初始化。然后设备被启动，开始ＡＤ采样，接着便可用ＲｅａｄＤｅｖｉｃｅＰｒｏＡＤ＿ＮｏｔＥｍｐｔｙ反复读取ＡＤ数据以实现连万方数据续不问断采样。完成采样后用ＲｅｌｅａｓｅＤｅｖｉｅｅＰｒｏＡＤ实现对ＡＤ设备的停止及关闭‘６１。２运行结果与分析在系统搭建完成之后。接下来的任务即是检验此虚拟示波器是否可以正常工作并正确的反映波形的特性。下面分别从波形显示、参数测量、频谱分析３方面来测试此系统的功能。２．１波形显示打开程序后，点击窗口左上角的“连续运行”按钮，即可显示出Ａ、Ｂ通道的波形，通过改变通道选择按钮选择通道，其中Ａ通道为方波，Ｂ通道为正弦波，波形显示如图３所示。（ｂ）Ｂｉｉｌｉｉ的波形显示图图３波形显示图２．２参数测量当波形被显示以后，可通过调节频率与幅值旋钮改变所显示波形的频率与幅值，同时在参数测量模块（前面板右下方）实时显示当前波形的频率、幅值、周期、最大值、最小值、峰峰值的具体数值（精确到小数点后５位），由此也可见虚拟示波器测量在精确度上的优势。其中旋钮的范围可在运行前直接在前面板上改变。以图３中Ａ通道中的方波为例，其最大值为０．８１０９４、最小值为一Ｏ．８１０９４、峰峰值为１．６２１８９、周期为０．２８３２２、频率为３．５３０７２。如图４所示。・１５９・篁坠童垒重型兰垫查；；一：：一．．。一一图４参数测量的显示图２．３频谱分析以图３中的Ａ、Ｂ通道中的方波和正弦波（频率、幅值不改变）为例，分别做频谱分析，如图５所示。图５Ａ、Ｂ通道的频谱分析显示图以图３中的Ａ、Ｂ通道中的方波和正弦波（频率、幅值不改变）为例，分别做希尔伯特变换，如图６所示。・１６０・万方数据图６Ａ、Ｂ通道的频谱分析显示图以图３中的Ａ、Ｂ通道中的方波和正弦波（频率、幅值图７Ａ、Ｂ通道的加窗显示图不改变）为例，分别做加窗，如图７所示。梁秋明等：基于ＬａｂＶＩＥＷ的虚拟示波器的设计与实现第３期３关于仪器采样频率的提高根据采样定理，最低采样频率必须是信号频率的２倍。反过来说，如果给定了采样频率，那么能够正确显示信号而不发生畸变的最大频率叫做恩奎斯特频率，它是采样频率的一半。如果信号中包含频率高于奈奎斯特频率的成分，信号将在直流和恩奎斯特频率之间畸变‘７１。（ａ）过低采样率所得结果（ｂ）充足采样率所得结果图８不同采样率的采样结果图８显示了一个信号分别用合适的采样率和过低的采样率进行采样的结果。故采样频率对于一台虚拟示波器的精确度来讲是至关重要的，为此，本仪器中特别添加了２１种采样频率的选择，满足各种不同条件下对波形的测量要求，当然高采样频率的实现也取决于硬件系统的性能指标［８］。本仪器给出了２０ｋＳ／ｓ～２６．７ＧＳ／ｓ采样频率（Ｓａｍｐｌｅｒａｔｅ）选项。最高的２６．７Ｇ剐ｓ是根据硬件部分的实际情况给出的，因硬件部分改变而改变。４结论本文介绍的虚拟示波器不仅具有一般台式数字示波器的功能，而且充分发挥了计算机强大的功能和软件设计的灵活性，主要技术特点表现在。１）用图形化编程语言ＬａｂⅥＥＷ和面向对象编程技术，软件开发效率高，可操作性和可维护性好Ｉ２）充分利用了计算机的存储与外设连接的能力，测量结果和波形可直接打印输出或通过网络共享，３）硬件具有开放性，允许通过升级硬件来提高其性能；万方数据４）在相同硬件条件下，可以通过修改或增加软件模块形成新的仪器功能。从上面虚拟仪器实现步骤可以看出，在计算机和仪器等硬件资源确定的情况下，对应不同的应用程序，就有不同的虚拟仪器。通过软件来实现仪器的部分或全部功能，这就是设计虚拟仪器的核心思想。同时，随着未来测控技术的发展，虚拟仪器必将会在更多的领域发挥重要作用。◆考文献口］李翼，王小海．基于ＬＡＢＶＩＥＷ的虚拟示波器的设计与应用ＥＪ－Ｉ．江南大学学报，２００６，５（３）ｔ１－３．髓］李震，柯旭贵，汪云祥．虚拟仪器的发展历史研究现状与展望ＥＪ－１．安徽工程科技学院学报，２００３。１８（４）１－４．口］谢启，温晓行，高琴妹，等．Ｉａｂ、砸研软件中菜单形式的用户界面设计与实现ＥＪ］．微计算机信息，２００５，９（１）：８８－９０．Ｈ］张爱平．ＬａｂＶＩＥＷ入门与虚拟仪器ＥＭ］．北京ｔ电子工业出版社，２００４．５．口］王常廷．组建自己的虚拟仪器ＥＪｌ．国外电子测量技术，１９９６（６）１２５－２８．∞］陈海滨．基于ＰＣＩ－６０２４Ｅ的虚拟仪器测试系统ＥＪ］．电子技术，２００３（３）：１１－１４．口］路林吉，尧家明．虚拟仪器概述［Ｊ］．电子技术，２０００（１）１４４—４７．作者筒介粱秋明，男，１９８５年出生，工学硕士，主要研究领域为探测系统与智能化信号检测。Ｅ－ｍａｉｌｌＩｑｍ８５１０１０＠ｙａｈｏｏ．ｃｎ田梦君，女，陕西天水人，副教授，硕士生导师，主要研究方向为电工电子技术、计算机应用和机电控制、生物医学工程等领域的教学与研究。・１６１・基于LabVIEW的虚拟示波器的设计与实现作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期：被引用次数：梁秋明，田梦君，LiangQiuming，TianMengjun西北工业大学机电学院,西安,710072电子测量技术ELECTRONICMEASUREMENTTECHNOLOGY2009，32(31次参考文献(7条1.李翼.王小海基于LABVIEW的虚拟示波器的设计与应用2006(032.李震.柯旭贵.汪云祥虚拟仪器的发展历史研究现状与展望[期刊论文]-安徽工程科技学院学报2003(043.谢启.温晓行.高琴妹LabVIEW软件中菜单形式的用户界面设计与实现[期刊论文]-微计算机信息2005(014.张爱平LabVIEW入门与虚拟仪器20045.王常廷组建自己的虚拟仪器1996(066.陈海滨基于PCI-6024E的虚拟仪器测试系统[期刊论文]-电子技术2003(037.路林吉.尧家明虚拟仪器概述[期刊论文]-电子技术2000(01相似文献(10条1.期刊论文王峥.胡仁杰.王慧.WANGZheng.HURen-jie.WANGHui基于虚拟仪器平台的示波器设计-电工电气2009(4介绍了基于虚拟仪器平台的示波器的设计过程.底层硬件电路上采用现场可编程门阵列作为逻辑控制器件,上层使用LabVIEW软件进行PC机上应用软件的开发,通过USB总线实现通信.该示波器可以实现2通道波形的显示,读取波形幅值并存储波形.它在功能、易用性、精度上都达到了很好的效果.2.期刊论文王丽君.刘悦.黄永亮.葛临东.WANGLi-jun.LIUYue.HUANGYong-liang.GELin-dong基于LabVIEW的虚拟信号发生器及示波器的设计-华北水利水电学院学报2010,31(3为了弥补传统仪器功能单一、不易升级和携带不便等缺陷,利用虚拟仪器"软件即是仪器"的特性,开发设计了虚拟信号发生器和示波器.结果表明,虚拟仪器不仅具有传统仪器的基本功能,还具有实现信号类型多、组合灵活、信号处理功能强大、易于扩展和升级等特性.3.期刊论文王赟松基于虚拟仪器的汽车示波器的设计-山东交通学院学报2002,10(2介绍虚拟仪器的基本组成,并通过虚拟汽车示波器的设计开发,阐述基于图形化编程语言LabVIEW的虚拟仪器编程方法与实现技术.4.期刊论文张丽梅.李海明.ZHANGLi-mei.LIHai-ming基于LabVIEW和模块化仪器设计示波器检测系统-仪器仪表用户2010,17(3为了保证示波器的量值溯源,在LabVIEW环境下利用NI模块化仪器建立示波器检测系统来实现示波器的现场计量测试.根据虚拟仪器的设计思想,将NI功能模块利用PXI总线连接起来,利用VISA函数进行USB、RS-232、GPIB等各种接口的仪器通信,采用IVI驱动被测示波器,实现各种接口的模拟示波器和数字示波器的检测.在此基础上,通过模块化仪器的组合使用能够实现示波器、信号源、数字万用表、频率计等通用仪器的检测,系统功能可以得到极大扩展,推广应用前景广泛.5.学位论文周传德基于智能控件化虚拟仪器的显示系统2003图形显示是虚拟仪器三大功能部分——信号攫取、数字分析和结果表达的重要组成部分，也是虚拟仪器软件开发的难点之一，然而大部分虚拟仪器的显示都有很多相同之处，所以开发一种通用性好、功能强大和人性化的智能虚拟显示器，是很有必要的。本文回顾了虚拟仪器的发展历程和趋势，包括虚拟仪器概念的提出，虚拟仪器得到广泛认可，Agilent、Tektronix等国际大公司采用虚拟仪器改造传统硬件仪器(infiniium58400和TDS5000系列示波器以及虚拟仪器的国际、国内现状和发展。并介绍了一种全新的虚拟仪器开发模式——智能控件化虚拟仪器。智能控件化虚拟仪器的主要思想是：将一些虚拟控件经“功能赋予”后与仪器功能进行“测试融合”，从而形成“智能仪器单元”，通过“积木式拼搭”，构成各种各样的虚拟仪器供用户使用。其本质是通过智能虚拟控件来体现的。本文通过研究虚拟仪器中各种不同显示模式的数据特点和显示方法，提出了一种统一的显示器数据结构，包括显示器外观参数、通道数及窗口布局、通道波形数据和显示参数等，来统一一维、二维和三维，波形图、XY图、直方图、色谱图和地形图的操作和存储。并创造性的基于软件适配器和区域配置的方法，从软件工程的角度，大大减少编程难度，增加代码的可维护性，可以很容易的添加、删除、修改一种显示模式；从功能上讲，解决各种不同模式和单/多通道的自由智能切换，多通道窗口的灵活布局，满足复杂仪器对显示器的要求。根据显示设备和人体视觉特征，为了满足实时显示，加速显示、克服闪烁等要求，本文提出或采用了包括多次细化在内的多种方法。研制成功了一台功能强大、人机交互接口丰富灵活、有记忆和自适应功能、能自由切换模式和随机置位的即插即用性智能虚拟显示器。本文最后介绍了基于虚拟智能显示器的记忆示波器的拼搭。它具有示波、FFT分析、参数测量、存储、打印、波形运算等功能。6.期刊论文吴俊杰.盛文.WUJun-jie.SHENGWen基于DataSocket技术的网络化示波器的实现-仪表技术2006(2在介绍虚拟仪器和网络化虚拟仪器概念的基础上,利用DataSocket技术实现了一个网络化示波器.利用该示波器,用户可以通过网络对测量数据进行共享,并可对示波器进行远程控制.7.学位论文周密基于USB总线接口的一组虚拟仪器设计与实现2006虚拟仪器有不断发展的强大计算机技术作为后盾，具备随需求改变系统或扩充的灵活性。用虚拟仪器技术实现传统测量仪器的功能，是现代仪器设备的一个发展趋势，也是计算机软硬件技术研究的重要应用领域。鉴于总线技术和计算机软件技术的发展，以及当前传统仪器设备所存在的不足，本课题提出了基于USB接口的虚拟仪器系统的模型，并在LabVIEW7的平台上实现了示波器、心电图仪等仪器的功能。USB的优良特性提供了外设与计算机接口良好的解决方案。USB建立了一套连接和访问外围设备的方法，可以有效地降低成本，简化设备的连接和配置，解决外围设备与PC机接口所存在的技术问题。它不仅可以与台式计算机相连接进行数据传输，同时也可以方便地与笔记本计算机相连接进行通信，以便构成移动式的测控系统。依据本模型建立的简易、廉价、便携的虚拟示波器和医用心电仪器，可以监测普通的电信号，也可以监测生物电信号，用于各种医疗用生物电数据采集和处理。医生通过这些生理数据直观地判定患者的健康状况，并可及时提供医疗、医药方面的建议。本课题研究的系统具有很强的实用性。能在PC机上实现普通示波器的功能，以及对被测信号进行频谱分析，从而构成虚拟示波器。虚拟仪器在测控技术中具有传统仪器无可比拟的优势。本研究将对开发中低速数据采集产品具有积极的参考价值。8.会议论文李仪.陈长龄.江冈示波器虚拟仪器驱动器设计本文对示波器虚拟仪器驱动器设计进行了研究。本驱动器设计主要有两个部分：一个是模仿示波器物理面板的仪器软面板,它提供图形用户接口作为仪器控制台；一个是为用户编写测试应用程序提供软件接口的仪器驱动函数库。9.会议论文王珅.黄瑜.侯国屏示波器控制程序设计本文介绍了采用虚拟仪器开发环境LabVIEW编写的用于Tektronix系列示波器的仪器控制程序的设计和实现。在完成对仪器参数的计算机端控制的同时,该程序还展示利用计算机的计算分析能力增强和扩展仪器功能的思路和方法。10.学位论文宁歆基于LabVIEW的虚拟数字示波器的设计与实现2006由于电子技术、计算机技术的高速发展及其在电子测量技术和仪器领域中的应用，新的测试理论、新的测试方法、新的测试领域以及新的仪器结构不断出现。电子测量仪器的功能和作用已经发生质的变化。在先进的测控系统中，不仅希望设备能够单独进行测试，还希望他们之间能够互相通信，构成测试系统，甚至是测试网络系统，实现信息共享，以便对众多的被测信号进行对比、综合和自动分析、从而得出准确的判断。这是电子行业本身给测试设备提出的要求，传统的测试仪器在此方面受到很大的限制。由于上述原因，并且随着电子技术和计算机技术的快速发展以及价格不断下降，改变了传统的电子技术设计观念，使原来部分由硬件完成的功能，现在能由软件实现。例如仪器面板和数字滤波等，实现硬件软件化。而不少硬件难以实现的功能，例如复杂的信号分析，数据统计和三维图像显示等，在计算机中则较容易实现。在市场的需求和相关技术支持下，促使了基于个人计算机的测控仪器——虚拟仪器的发展。虚拟仪器利用计算机强大的处理能力，使得它成为了一种很好的工具，其应用范围也越来越广泛。与传统仪器相比，虚拟仪器在智能化程度、处理能力和可操作性等方面均具有明显的技术优势。示波器是在科学研究和工程设计中广泛应用的一种通用仪器。目前研制一种结构简单、操作方便、生产技术要求不高、费用低的数字示波器是非常必要的。本文介绍了一种新型的示波器：虚拟数字存储示波器。虚拟数字存储示波器是虚拟仪器技术的一种具体应用。该虚拟仪器基于计算机平台，将虚拟仪器硬件和软件紧密结合，实现比传统仪器更强大的功能。虚拟数字存储示波器系统由数据采集