基于高速數(shù)據(jù)采集卡DAQCard-010501的虛擬示波器設(shè)計

吳 建 王 高 王明艷 李 瑞 王珺楠

（中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 山西太原 030051）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在測量領(lǐng)域中需要不斷更新測量設(shè)備，以滿足越來越高的測量要求。近年來，世界各國的虛擬儀器公司開發(fā)了不少虛擬儀器開發(fā)平臺軟件，以便使用者利用這些儀器公司提供的開發(fā)平臺軟件組建自己的虛擬儀器或測試系統(tǒng)，并編制測試軟件[1-3]。最早和最具影響的開發(fā)軟件，是NI公司的LabVIEW軟件和LabWindwos/CVI開發(fā)軟件。LabVIEW采用圖形化編程方案，是非常實(shí)用的開發(fā)軟件[4]。LabVIEW是一種用圖標(biāo)代替文本語句創(chuàng)建應(yīng)用程序的虛擬儀器編程語言, 其中數(shù)據(jù)采集是LabVIEW最具競爭力的核心技術(shù)之一, 它提供了大量的工具和函數(shù)用于數(shù)據(jù)的采集、分析、顯示和存儲, 以及豐富的虛擬儀器圖形控件, 用來方便地創(chuàng)建用戶界面[5-7]。用LabVIEW設(shè)計的虛擬儀器可以脫離LabVIEW開發(fā)環(huán)境，最終用戶看見的是和實(shí)際的硬件儀器相似的操作面板[8-9]。

本文采用基于虛擬儀器技術(shù)設(shè)計了一臺虛擬數(shù)字存儲示波器，此儀器結(jié)構(gòu)簡單、功能豐富、價格低廉、能重復(fù)開發(fā)、具備用戶自定義的優(yōu)勢，同時能顯示記錄和存儲多通道輸入的波形，并且可以對波形進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義與實(shí)際應(yīng)用價值。

1 虛擬示波器基本原理

虛擬儀器由儀器硬件和功能模塊軟件兩部分組成。虛擬儀器軟件采用LabVIEW開發(fā)平臺，硬件主體為計算機(jī)和數(shù)據(jù)采集卡，虛擬示波器主要構(gòu)成如圖1所示。

圖1 虛擬示波器結(jié)構(gòu)圖

該示波器結(jié)構(gòu)圖被測數(shù)據(jù)首先通過數(shù)據(jù)采集卡采集到計算機(jī)系統(tǒng)中,然后由DAQCard-010501傳輸?shù)絃abVIEW 的圖形化程序中，對采集過程的控制及數(shù)據(jù)的分析、處理、顯示等功能可由操作前面板（虛擬示波器工作界面）來實(shí)現(xiàn)。

2 虛擬示波器硬件、軟件設(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)采集設(shè)備

計算機(jī)與數(shù)據(jù)采集卡組成了虛擬儀器的硬件平臺的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的任務(wù)是采集原始信號，其主要指標(biāo)有采樣精度、采樣速度數(shù)據(jù)采集卡是虛儀器的重要組成部件，其性能直接影響到整個示波器的采樣速率和精度。數(shù)據(jù)采集卡的選擇主要與采樣率、測量通道、分辨率和測量精度有關(guān)。這里數(shù)據(jù)采集使用的是DAQCard-010501數(shù)據(jù)采集卡，它主要由C8051F020和CY7C68013A組成，其中C8051F020為主控模塊，CY7C68013A為通信模塊。DAQCard-010501通過USB接口供電和傳輸數(shù)據(jù)，支持即插即用和熱插拔。提供可供用戶調(diào)用的設(shè)備驅(qū)動函數(shù)，函數(shù)封裝于DAQCard-B.dll中，可被VC、VB、LabVIEW等調(diào)用。

2.2 虛擬示波器軟件設(shè)計

創(chuàng)建虛擬儀器的過程的過程分為三步：（1）設(shè)計虛擬儀器的前面板。（2）編寫虛擬儀器流程圖。（3）確定虛擬儀器的圖標(biāo)和連接。采用模塊化的軟件設(shè)計思想編寫，每個功能的實(shí)現(xiàn)由一個模塊完成，系統(tǒng)軟件總體包括數(shù)據(jù)采集、參數(shù)測量、相位分析、數(shù)據(jù)存儲和回放等模塊，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理、記錄、顯示等功能。系軟件組成如圖2所示：

圖2 軟件組成框圖

2.2.1 前面板設(shè)計

LabVIEW前面板用于設(shè)置輸入數(shù)值和觀察輸出量，用于模擬真實(shí)示波器的前面板。由于虛擬面板直接面向用戶，是虛擬示波器控制軟件的核心。根據(jù)傳統(tǒng)示波器的面板控件的功能，利用LabVIEW中的控件選板，分別在設(shè)計面板上放入模擬實(shí)際控件的顯示器、通道選擇控件、觸發(fā)源、觸發(fā)電平、時基控制等。

軟面板程序用來提供用戶與虛擬示波器的接口。當(dāng)按下“開始采集”按鈕，然后運(yùn)行程序就可以開始采集信號。用戶可以進(jìn)行單通道和雙通道的任意切換；各種功能模塊的實(shí)現(xiàn)在面板上都對應(yīng)著相應(yīng)的按鈕，按下該按鈕就可以調(diào)出該模塊子程序。在子程序中按下返回鍵就回到主程序面板。設(shè)計的前面板如圖3所示：

圖3 虛擬示波器前面板

2.2.2 信號采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊是虛擬示波器軟件的核心，主要完成數(shù)據(jù)的采集。包括觸發(fā)控制、通道控制和時基控制等。通道控制主要控制單通道或者是雙通道測量。時基控制主要控制采集卡的掃描率及采樣數(shù)。圖4為模擬信號采集程序框圖。

2.2.3 參數(shù)測量模塊

參數(shù)測量模塊包括Vrms等12個電壓參數(shù)和頻率、周期等7個時間參數(shù)的測量并顯示其測量結(jié)果。主要測量的參數(shù)為:交流電壓AC、直流電壓DC、均方根電壓、采樣周期、上升時間、下降時間、平均電壓、最大壓差、最高電壓、最低電壓、峰值電壓等。它主要用到的節(jié)點(diǎn)有:交直流分量估計節(jié)點(diǎn)、均方根節(jié)點(diǎn)、平均值節(jié)點(diǎn)、脈沖參數(shù)節(jié)點(diǎn)。

圖4 模擬信號采集程序

參數(shù)測量的前面板如圖5(a)所示:

圖5 (a) 參數(shù)測量前面板

程序框圖如圖5(b)所示：

圖5 (b) 參數(shù)測量程序

2.2.4 數(shù)據(jù)存儲和讀取

LabVIEW有豐富的文件操作函數(shù)庫，可以方便進(jìn)行文件的讀寫(I/O)操作。

數(shù)據(jù)存儲前面板、程序框圖分別如圖6(a)、6(b)所示：

數(shù)據(jù)存儲模塊主要用到的程序是Write To Spreadsheet File.Vi

圖6 (a)數(shù)據(jù)存儲前面板圖

圖6 （b）數(shù)據(jù)存儲程序

圖7 （a）數(shù)據(jù)讀取前面板

圖7 (b)數(shù)據(jù)讀取程序

數(shù)據(jù)讀取前面板、程序框圖分別如圖7(a)、7(b) 所示：

數(shù)據(jù)讀取主要用到的是程序Read From Spreadsheet File.Vi

在實(shí)際測試中，使用哪種采樣方法取決于信號的類型。對于周期性信號，實(shí)時和非實(shí)時采樣方法都可以使用，主要由被測信號的頻率來決定。而對于非周期性信號和瞬態(tài)信號，通常要使用實(shí)時采樣的方法。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

虛擬示波器是由數(shù)據(jù)采集模塊、參數(shù)測量模塊、數(shù)據(jù)存儲和讀取模塊等組成，主要功能包括雙通道信號輸入、通道控制、觸發(fā)控制、時基控制、波形顯示、波形存儲和讀取等。采集到的波形直接在虛擬示波器的主面板上顯示。已經(jīng)完成的虛擬示波器軟件，通過改變A、B通道信號來驗(yàn)證虛擬示波器系統(tǒng)軟件的可行性。采用信號發(fā)生器的信號作為輸入信號，直接從計算機(jī)顯示器上觀察波形的改變情況。

當(dāng)通道選擇處于 A狀態(tài)時，采樣頻率25kHz，分別輸入幅值為2V，頻率為250Hz，觸發(fā)電平為0的方波、三角波、正弦波，波形顯示如圖8所示

當(dāng)波形顯示如圖8 (c)時，調(diào)節(jié)控制面板上的按鈕，改變波形形狀，如圖9所示

當(dāng)選擇通道為A&B時，A通道輸入2V正弦波，B通道輸入1V三角波，觸發(fā)源為A通道，采樣率為25KHz，輸入的波形如圖10所示

當(dāng)通道A頻率為250HZ時，波形如圖11所示：

當(dāng)按下主面板上的電壓測量按鈕時候，則完成所選通道的參數(shù)測量，同時顯示。測量結(jié)果如圖12所示：

按下寫盤按鈕時，對顯示的波形以文本設(shè)計檔的格式存至D:wave.txt，當(dāng)按下讀盤按鈕時，讀取存儲的波形，如圖13所示：

圖8 A通道波形

圖9 A通道參數(shù)改變

4 結(jié)論

本文主要以LabVIEW軟件平臺作為軟件開發(fā)環(huán)境開發(fā)了虛

圖10 A&B通道波形

圖11 A通道波形

圖12 A通道測量結(jié)果

圖13 數(shù)據(jù)存儲和讀取

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