基于LabVIEW的虛擬數(shù)字存儲示波器的研究

　　摘 要：示波器是在科學(xué)研究和工程設(shè)計中廣泛應(yīng)用的一種通用儀器?；谔摂M儀器技術(shù)，開發(fā)了一種新型示波器—虛擬數(shù)字存儲示波器。通過采集卡完成數(shù)據(jù)采集任務(wù)，借助于LabVIEW軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析和結(jié)果輸出存儲等功能，是對傳統(tǒng)示波器的有效更新與變革。
　　關(guān)鍵詞：示波器 虛擬儀器 數(shù)據(jù)采集 LabVIEW
　　中圖分類號：TP216文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1672-3791（2012）09（a）-0021-03
　　隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，測試領(lǐng)域需要不斷更新檢測設(shè)備，以滿足工業(yè)生產(chǎn)及科研開發(fā)需求。在我國，傳統(tǒng)測試儀器自動化程度較低，其測量精度和可靠性均低于國外，而高檔測試儀器基本上依靠國外進(jìn)口，不但造價高，而且功能單一、適用范圍窄。虛擬儀器技術(shù)的出現(xiàn)，徹底改變了這種局面?！败浖褪莾x器”的概念，使用戶能夠從實際需求出發(fā)設(shè)計相應(yīng)的儀器系統(tǒng)，以滿足多種多樣的應(yīng)用需求。
　　以虛擬儀器技術(shù)為依托，本文設(shè)計并實現(xiàn)了一個虛擬數(shù)字存儲示波器。通過計算機(jī)與數(shù)據(jù)采集卡相配合的簡單硬件設(shè)備，融入示波器功能的LabVIEW軟件程序開發(fā)，使得該設(shè)備對于教學(xué)與科研具有較大實用價值和參考意義。
　　1 虛擬儀器技術(shù)
　　電子測量儀器發(fā)展至今，大體可以分為四代：即模擬儀器、數(shù)字化儀器、智能儀器和虛擬儀器。虛擬儀器（Virtual Instrument，簡稱VI）是現(xiàn)代儀器技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)深層次結(jié)合的產(chǎn)物，由儀器硬件和功能模塊軟件兩部分組成，是當(dāng)今計算機(jī)輔助測試（Computer Aided TestCAT）重要技術(shù)。其構(gòu)成方式如圖1所示。
　　與傳統(tǒng)儀器相比虛擬儀器主要有以下優(yōu)點。
　　（1）虛擬儀器面板上的顯示元件和操作元件的種類與形式由編程來實現(xiàn)，不受“標(biāo)準(zhǔn)件”和“加工工藝”的限制?？梢詫崿F(xiàn)功能操作的單純化與面板布置的簡捷化，從而提高操作的正確性與便捷性。
　?。?）在通用硬件平臺確定后，由軟件取代傳統(tǒng)儀器中的硬件來完成儀器的功能。
　?。?）儀器的功能是用戶根據(jù)需要由軟件來定義的，而不是事先由廠家定義好的。
　　（4）儀器性能的改進(jìn)和功能擴(kuò)展只需要更新相關(guān)軟件設(shè)計而不需要購買新的儀器。
　?。?）研制周期較傳統(tǒng)儀器大為縮短。
　?。?）虛擬儀器開放、靈活，可與計算機(jī)同步發(fā)展，與網(wǎng)絡(luò)及其他周邊設(shè)備互聯(lián)。
　　2 示波器硬件平臺
　　計算機(jī)與數(shù)據(jù)采集卡組成了虛擬示波器的硬件平臺。數(shù)據(jù)采集卡是虛擬示波器的重要組成部件，其性能指標(biāo)直接影響虛擬示波器的采樣速率、精度等，計算機(jī)CPU運(yùn)行速度及內(nèi)存大小影響示波器處理數(shù)據(jù)速度，硬盤大小決定了數(shù)據(jù)存儲的容量。
　　數(shù)據(jù)采集卡的選擇主要與采樣率、分辨率、測量通道和測量精度有關(guān)。
　　本文選取的研華PCI1711卡是一種基于PCI總線的數(shù)據(jù)采集卡，可直接插在IBM-PC/AT或與之兼容的計算機(jī)內(nèi)的任一PCI插槽中，構(gòu)成實驗室、產(chǎn)品質(zhì)量檢測中心等各種領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集、波形分析和處理系統(tǒng)，也可構(gòu)成工業(yè)生產(chǎn)過程監(jiān)控系統(tǒng)。PCI1711卡上裝有12 Bit分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器，為用戶提供了8雙/16單的模擬輸入通道和2路模擬輸出通道，輸入信號幅度可以經(jīng)程控增益儀表放大器調(diào)到合適的范圍，保證最佳轉(zhuǎn)換精度。A/D轉(zhuǎn)換器輸入信號范圍：士5V、士10V、0～10V，D/A轉(zhuǎn)換器輸入信號范圍：士5V、士10V、0～10V，根據(jù)需要進(jìn)行選擇。
　　3 軟件設(shè)計
　　3.1 LabVIEW簡介
　　LabVIEW是目前應(yīng)用最廣泛、發(fā)展最快、功能最強(qiáng)的圖形化軟件開發(fā)環(huán)境，是一個開放式的虛擬儀器開發(fā)系統(tǒng)應(yīng)用軟件，可以大大簡化程序的設(shè)計。其特點如以下幾點。
　?。?）圖形化的編程方式，設(shè)計者無需寫任何文本格式的代碼，是真正的工程師的語言。
　?。?）提供了豐富的數(shù)據(jù)采集、分析及存儲的庫函數(shù)。
　?。?）32bit的編譯器編譯生成32bit的編譯程序，保證用戶數(shù)據(jù)采集、測試和測量方案的高速執(zhí)行。
　?。?）囊括了DAQ，GPIB，PXI，VXI，RS-232/485在內(nèi)的各種儀器通信總線標(biāo)準(zhǔn)的所有功能函數(shù)，使得不懂總線標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)者也能夠驅(qū)動不同總線標(biāo)準(zhǔn)接口設(shè)備與儀器。
　?。?）提供大量與外部代碼或軟件進(jìn)行連接的機(jī)制，諸如DLLs（動態(tài)連接庫）、DDE（共享庫）、ActiveX等。
　　（6）強(qiáng)大的Internet功能，支持常用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，方便網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程測控儀器的開發(fā)。
　　3.2 虛擬示波器程序開發(fā)
　　通過對LabVIEW前面板的編排設(shè)計，可以得到虛擬示波器的顯示界面。用戶借助于鍵盤和鼠標(biāo)操作前面板中的開關(guān)、旋鈕等，可以實現(xiàn)虛擬示波器測試測量控制。前面板設(shè)計如圖2所示。
　　本虛擬示波器具有雙通道信號輸入、觸發(fā)極性和電平控制、通道控制、直流增益控制、掃描因素控制、垂直靈敏度控制等功能及多種顯示模式，主要包括數(shù)據(jù)采集、波形顯示、參數(shù)測量三大模塊，其功能框圖如圖3所示。
　　數(shù)據(jù)采集模塊是虛擬數(shù)字示波器的核心，完成仿真信號的產(chǎn)生和外部實際數(shù)據(jù)的采集。仿真信號由編程實現(xiàn)的虛擬信號發(fā)生器產(chǎn)生，主要用于生成正弦波、方波、三角波和鋸齒波信號。由于實際輸入采用了雙通道，對應(yīng)的仿真信號也是雙通道的，分別為A、B通道信號，可任意設(shè)置波形的類型、頻率和幅度，該子VI前面板如圖4所示。
　　外部數(shù)據(jù)采集由采集卡PCI1711完成，按雙通道示波器設(shè)計，任意選擇了AI0和AI1作為信號輸入端。仿真信號與實際信號的選取由Case結(jié)構(gòu)控制，在前面板上設(shè)計有選擇開關(guān)。
　　顯示模塊有三種波形顯示模式：（1）A、B、A&B模式。通過按鍵選擇，可以任意顯示某一通道或兩通道輸入信號的波形。（2）XY模式。當(dāng)量通道都處于選通的狀態(tài)時，使用此模式來顯示李沙育圖形，測量相位差或頻率。（3）A+B或A-B模式。當(dāng)量通道都處于選通狀態(tài)時，用此模式來顯示兩通道信號代數(shù)相加減后的波形。波形顯示模塊的程序流程圖如圖5所示，程序框圖如圖6所示。
　　LabVIEW提供的大量波形測量子VI，幫助我們比較輕松地完成電壓（振幅）、時間、頻率等測量模塊的程序設(shè)計。如圖7所示。
　　4 結(jié)論
　　虛擬儀器的出現(xiàn)是儀器領(lǐng)域的一個突破，從根本上更新了測量儀器的概念。充分利用虛擬儀器技術(shù)不僅可以簡化儀器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，而且能有效的降低生產(chǎn)成本和縮短開發(fā)時間。本文所研制的虛擬示波器，充分發(fā)揮了計算機(jī)強(qiáng)大的運(yùn)算功能和軟件設(shè)計的靈活性，與傳統(tǒng)示波器相比，它具有波形可存儲讀取、測量準(zhǔn)確度高、波形均勻穩(wěn)定、無閃爍性、資金投入少、即時升級等一系列優(yōu)點，可作為高?？蒲虚_發(fā)與教學(xué)中的有效輔助工具。作者聲明：作者對本文版權(quán)全權(quán)負(fù)責(zé)，無抄襲。
　　本文作者創(chuàng)新點：擯棄了示波器設(shè)計中傳統(tǒng)的純硬件、單一功能實現(xiàn)。通過計算機(jī)與采集卡的組合，配置了盡量少的硬件設(shè)備；利用軟件編程的方式，集成了測試測量中示波器的大部分功能，構(gòu)建了具有實用價值的示波測試儀器。
　　參考文獻(xiàn)
　　[1] Robert H.Bishop.LabVIEW 7實用教程[M].電子工業(yè)出版社，2004.
　　[2] 周求湛.虛擬儀器與Labview7 Express程序設(shè)計[M].北京航空航天大學(xué)出版社，2004.
　　[3] 陳曉玲，師學(xué)明，等.基于聲卡和LabVIEW的地震信號采集系統(tǒng)[J].微計算機(jī)信息，2010（1），4-1：62-6