基于USBee DX數(shù)據(jù)采樣和LabVIEW編程的虛擬示波器

胡險峰

(四川大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610064)

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基于USBee DX數(shù)據(jù)采樣和LabVIEW編程的虛擬示波器

胡險峰

(四川大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610064)

摘要：介紹了用LabVIEW軟件對USBee DX數(shù)據(jù)采集器編程的方法，LabVIEW通過執(zhí)行系統(tǒng)命令模塊調(diào)用C可執(zhí)行程序，實(shí)現(xiàn)USBee DX的控制和采集數(shù)據(jù)與LabVIEW程序間傳遞,實(shí)現(xiàn)用計算機(jī)模擬虛擬雙蹤示波器.

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集；虛擬示波器；LabVIEW;USBee DX

利用數(shù)據(jù)采集卡或聲卡，編制程序在微機(jī)上模擬示波器[1-7]，可用于各種物理實(shí)驗(yàn). 廉價的數(shù)據(jù)采集卡或聲卡，由于數(shù)據(jù)采集速度較低，虛擬的示波器帶寬小，不能滿足信號頻率較高的場合. USBee DX數(shù)據(jù)采集器使用USB接口，采樣速率可達(dá)24 MB/s，價格便宜，有多個數(shù)字模入和模出通道，主要用于虛擬邏輯分析器；還有2個獨(dú)立的8位AD模入通道可用于虛擬示波器. 用USBee DX數(shù)據(jù)采集器使用手冊[8]介紹的API函數(shù)編寫LabVIEW庫函數(shù)節(jié)點(diǎn)調(diào)用不成功，則利用USBee DX數(shù)據(jù)采集器安裝程序提供的工具創(chuàng)建器的C原程序，修改創(chuàng)建兩通道AD變換可執(zhí)行程序，通過LabVIEW執(zhí)行系統(tǒng)命令模塊調(diào)用該可執(zhí)行程序，將USBee DX采集到的數(shù)據(jù)通過執(zhí)行系統(tǒng)命令模塊的標(biāo)準(zhǔn)輸出傳遞到LabVIEW程序中. 用For循環(huán)、字符截取模塊和字符數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊重新組織數(shù)據(jù)隊列，再從數(shù)據(jù)隊列中拆分出數(shù)字通道信號和2個AD模入通道信號. 利用LabVIEW編程進(jìn)行后續(xù)的信號處理做成虛擬示波器.

1兩通道AD變換可執(zhí)行程序

USBee DX數(shù)據(jù)采集器安裝程序提供的工具創(chuàng)建器的C原程序[8]，包含初始化功能、基本I/O功能、邏輯分析器及示波器和信號發(fā)生器等幾個程序段，刪除其中基本I/O功能和信號發(fā)生器等幾段，保留初始化功能和邏輯分析器及示波器兩段. USBee DX的采樣速率隨應(yīng)用程序的運(yùn)行環(huán)境需要做相應(yīng)調(diào)整，不然采樣速率過高采樣會失敗，需要自動回調(diào)過高的采樣速率. 添加采樣速率自動調(diào)整，以及與LabVIEW程序通過讀寫文本文件交換采樣通道、采樣速率、采樣長度、數(shù)據(jù)傳遞長度、數(shù)據(jù)傳遞間隔和3個觸發(fā)控制數(shù)據(jù)的程序段，編譯后生成可執(zhí)行程序供LabVIEW通過執(zhí)行系統(tǒng)命令模塊調(diào)用. 修改后的原程序如下，其中斜體部分為添加或修改的語句.

#include “stdio.h”

#include “conio.h”

#include “windows.h”

#define CWAV_API __stdcall

#define CWAV_IMPORT __declspec(dllimport)

CWAV_IMPORT unsigned long * CWAV_API MakeBuffer(unsigned long Size);

CWAV_IMPORT int CWAV_API DeleteBuffer(unsigned long *buffer);

CWAV_IMPORT int CWAV_API EnumerateDXPods(unsigned int *Pods);

CWAV_IMPORT int CWAV_API InitializeDXPod(unsigned int PodNumber);

CWAV_IMPORT int CWAV_API StartCapture(unsigned int Channels, unsigned int Slope, unsigned int AnalogChannel, unsigned int Level,unsigned int SampleRate, unsigned int ClockMode, unsigned long *Triggers, signed int TriggerNumber, unsigned long *buffer, unsigned long length, unsigned long poststore);

CWAV_IMPORT int CWAV_API CaptureStatus(char *breaks, char *running, char *triggered, long *start, long *end, long *trigger, char *full);

CWAV_IMPORT int CWAV_API StopCapture(void);

int main()

{unsigned int PodNumber, PodID[10], NumberOfPods;

int ReturnVal;

NumberOfPods = EnumerateDXPods(PodID);

if (NumberOfPods == 0) {

printf(“No USBee DX Pods found ”);

return 0;

}

PodNumber = PodID[0];

ReturnVal = InitializeDXPod(PodNumber);

if (ReturnVal != 1) {

printf(“Failure Initializing the Pod ”);

return 0;

}

unsignedlongx,y,z;

unsignedlonglabview[8];

FILE*fp;

fp=fopen(“C:\ProgramFiles\USBeeDxLabViewOSC\data\labview.txt”,“r+”);

y=8

for(x= 0;x

{fscanf(fp, “%d”, &labview[x]);

}

long Channels =labview[0];

unsigned char Slope =labview[1];

unsigned char AnalogTriggerChannel =labview[2];

unsigned char Level =labview[3];

unsigned char Rate =labview[4];

unsigned char ClockMode = 2;

unsigned long Triggers[2];

Triggers[0]= 0;.

Triggers[1]= 0;

char NumberOfTriggers = 1;

long SampleBufferLength =labview[5]* 65536;

unsigned long *SampleBuffer;

*SampleBuffer =MakeBuffer(SampleBufferLength);

long PostStore = SampleBufferLength;

char Breaks, Running, Triggered, Full;

long Start, End, Trigger;

SR: ReturnVal = StartCapture(Channels, Slope,

AnalogTriggerChannel, Level, Rate, ClockMode,

Triggers, NumberOfTriggers, SampleBuffer,

SampleBufferLength, PostStore);

if (ReturnVal != 1) {

printf(“Failure Starting Capture ”);

return 0;

}

do {

Sleep(50);

ReturnVal = CaptureStatus(&Breaks, &Running,

&Triggered, &Start, &End, &Trigger, &Full);

if (Running && (Breaks != 0)) {

break;

}

} while (Running && (Breaks == 0));

StopCapture();

if(Breaks==0)

{gotoI;}

if(Rate==247)

{Rate=167;gotoSR;}

if(Rate==167)

{Rate=127;gotoSR;}

if(Rate==127)

{Rate=87;gotoSR;}

if(Rate==87)

{Rate=67;gotoSR;}

if(Rate==67)

{Rate=47;gotoSR;}

if(Rate==47)

{Rate=37;gotoSR;}

if(Rate==37)

{Rate=27;gotoSR;}

if(Rate==27)

{Rate=17;gotoSR;}

I:y=labview[6];

z=labview[7];

for(x= 0;x

{printf(“%8x”,SampleBuffer[x]);

}

DeleteBuffer(SampleBuffer);

return Rate;

}

由于USBee DX提供的API函數(shù)允許的最小采樣速率為1 MB/s，最小采樣長度為65 536. 當(dāng)信號頻率低時，要測量到幾個周期的信號，要增大采樣時間，則采樣長度太長，用printf方式和LabVIEW通過執(zhí)行系統(tǒng)命令模塊調(diào)用，來傳遞數(shù)據(jù)的時間太長，程序運(yùn)行速度很慢. 對于低頻信號，C可執(zhí)行程序按最低采樣速率1 MB/s采樣，盡管采樣長度會到數(shù)倍或幾十倍最小采樣長度，由于采樣速率高耗時還可以接受. 在數(shù)據(jù)傳遞時增大步長，即數(shù)據(jù)間隔，虛擬地調(diào)整采樣速率，可以減少數(shù)據(jù)傳遞量，縮短數(shù)據(jù)傳遞時間. 在LabVIEW程序中相應(yīng)調(diào)大繪圖點(diǎn)的時間間隔，以保持繪圖和采樣的總時長一致.

2LabVIEW程序

LabVIEW程序外層為兩級平鋪式順序結(jié)構(gòu)，第一級是打開與C可執(zhí)行程序交換數(shù)據(jù)的文本文件，并初始化運(yùn)行參量;第二級中嵌入一個While循環(huán)，其中又嵌入兩級平鋪式順序結(jié)構(gòu)，這個平鋪式順序結(jié)構(gòu)的第一級為虛擬示波器主程序，第二級則向文本文件寫入采樣速率和采樣長度等參量. 虛擬示波器主程序如圖1所示，其中t_Scale條件語句框根據(jù)示波器掃描時基，設(shè)定USBee DX的采樣速率、采樣長度、數(shù)據(jù)傳遞長度和傳遞間隔，與通道選擇和觸發(fā)控制參量組成8個字符串的隊列寫入文本文件LabVIEW.txt中，C可執(zhí)行程序讀該文件取得這些參量.

改變掃描時基也就是改變繪圖模塊橫向標(biāo)尺的時間長度，而繪圖窗體長度不變，則要改變繪圖模塊的Δt，即繪圖點(diǎn)之間的間隔. 若選擇固定的基本標(biāo)尺時間長度，掃描時基增大，Δt的值相應(yīng)減小. 例如標(biāo)尺長度T，分度10格，則時基為0.1T/div，若采樣速率為SR，1個標(biāo)尺長度時間里采樣點(diǎn)數(shù)為TSR，數(shù)據(jù)點(diǎn)時間間隔等于1/SR,取Δt=1/SR，在標(biāo)尺長度內(nèi)可繪完全部采樣點(diǎn). 若增加采樣點(diǎn)數(shù)為2TSR，數(shù)據(jù)點(diǎn)時間間隔仍為1/SR,而標(biāo)尺長度變?yōu)?T，時基為0.2T/div，標(biāo)尺長度增大1倍，保持繪圖窗體不變，要縮小繪圖點(diǎn)之間的間隔Δt，取Δt=1/2SR，仍然可以在1個標(biāo)尺長度T內(nèi)繪完全部采樣點(diǎn)，繪圖窗體不變，總時長還是2T，時基還是0.2T/div. 若數(shù)據(jù)傳遞間隔Δτ大于采樣間隔1/SR,則傳遞的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)為2TSR/Δτ，則繪圖間隔要調(diào)整為Δt=Δτ/2SR，則保持繪圖窗體不變. 也可以選擇繪圖窗體的時間長度隨掃描時基增大，則繪圖模塊的Δt也要隨之增大，相應(yīng)的游標(biāo)位置也要隨之變化. 由于觸發(fā)控制模塊Trigger在篩選滿足觸發(fā)條件的數(shù)據(jù)點(diǎn)時，會篩除數(shù)據(jù)隊列前面不滿足觸發(fā)條件的部分?jǐn)?shù)據(jù)，實(shí)際傳遞數(shù)據(jù)的時間長度要大于繪圖數(shù)據(jù)的時間長度，選擇采樣的時間長度是繪圖的時間長度的2倍.

圖1　虛擬示波器主程序

經(jīng)1個For 循環(huán)語句框，將C可執(zhí)行程序傳遞的16進(jìn)制字符串重新分割成8個字符1組,即4 Bytes 1組的數(shù)據(jù)隊列，其中低16位為16個數(shù)字通道的信號，高16位為2個模擬通道信號，這其中低8位為1號模擬通道信號，高8位為2號模擬通道信號. 用字符截取模塊和字符數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊重新組織數(shù)據(jù)隊列，再經(jīng)拆分?jǐn)?shù)字模塊，從數(shù)據(jù)隊列中拆分出數(shù)字通道信號和2個AD模入通道信號. 再按采樣的電壓分辨率換算成電壓值后，經(jīng)過Trigger模塊后進(jìn)行增益控制和垂直位移控制. 最后用捆綁模塊將數(shù)據(jù)隊列和時基數(shù)據(jù)捆綁成信號簇送波形圖模塊顯示信號波形. 數(shù)據(jù)隊列變換成動態(tài)數(shù)據(jù)送單頻測量模塊和幅值電平測量模塊，測量顯示信號的頻率和峰-峰值.

按照USBee DX使用手冊[8]介紹的數(shù)字和模擬信號采集函數(shù)StartCapture編寫USBee DX采集卡采樣觸發(fā)控制參量，生成的C可執(zhí)行程序沒有觸發(fā)控制功能. 觸發(fā)控制由LabVIEW程序?qū)崿F(xiàn)，虛擬示波器主程序中觸發(fā)控制模塊Trigger，虛擬示波器觸發(fā)同步功能，改編自LabVIEW資源庫中數(shù)字虛擬示波器示例，將其中的觸發(fā)同步程序創(chuàng)建成新的IV子模塊，取名“Trigger”模塊，該模塊可以選擇觸發(fā)源、觸發(fā)電平和觸發(fā)極性.

主程序框左側(cè)中下部分的程序用于控制4個分別綁定在信號曲線上的游標(biāo)，通過控制和讀取波形圖模塊的游標(biāo)屬性，決定游標(biāo)是否可見，以及顯示游標(biāo)之間的差值.

虛擬示波器前面板見圖2，時基和增益調(diào)節(jié)分度均按傳統(tǒng)示波器分度值設(shè)置，手動調(diào)節(jié)縮放. 起用波形圖模塊的游標(biāo)功能，還可以拖動游標(biāo)線測量信號的電壓差和時間差. 主程序包含自動測量2個通道信號的峰-峰值和頻率的功能，在前面板上自動顯示信號的峰-峰值和頻率.

圖2　程序運(yùn)行前面板

在Windows XP SP3系統(tǒng)下，Tualatin Celeron 1.2 GHz CPU，Geforce4 MX 440 顯卡，768 MB SDROM 內(nèi)存的老舊計算機(jī)可以充當(dāng)一臺雙蹤示波器用，采樣率最大可達(dá)到6 MB/s；若選擇單蹤顯示，采樣率最大可達(dá)到12 MB/s. 最高測量到頻率約600 kHz或1.2 MHz的信號，這時波形略微有些失真. 從C可執(zhí)行程序向LabVIEW程序傳遞數(shù)據(jù)的速率大約50 kB/s. 信號頻率低到幾十Hz，信號刷新速度也還可以接受. 當(dāng)時基為1 s/div擋，信號波形刷新時間約24 s，要測量幾Hz的信號，波形刷新過慢. 虛擬的示波器適合在幾十Hz到幾百kHz使用.

3結(jié)束語

USBee DX數(shù)據(jù)采集器的價格比市面上的一些USB接口或PCI接口的AD卡要低，而采樣速率要高得多. 雖然，該AD卡提供的API函數(shù)不支持LabVIEW的庫函數(shù)節(jié)點(diǎn)調(diào)用，不便于結(jié)合LabVIEW強(qiáng)大的信號處理分析功能. 通過LabVIEW調(diào)用可執(zhí)行程序功能，可以實(shí)現(xiàn)USBee DX采樣數(shù)據(jù)與LabVIEW程序?qū)樱l(fā)揮USBee DX數(shù)據(jù)采集器的價格低、采樣速率高、LabVIEW信號處理分析功能強(qiáng)的優(yōu)勢. 盡管該AD口只有8位的采樣分辨率，輸入范圍-10～10 V，電壓分辨率僅有約78 mV, 配上10∶1的測量筆，對幾V到幾十V的電壓信號，這個電壓分辨率已經(jīng)夠用. 對于信號幅度為幾V的調(diào)相信號，如外腔調(diào)制激光二極管自混合干涉信號，可以進(jìn)一步設(shè)計成傅里葉分量提取、解調(diào)和信息分析的虛擬儀器，解調(diào)出來的位移信號可達(dá)到與12位AD卡相同的位移分辨率.

參考文獻(xiàn)：

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[8]CWAV. USBee DX Test Pod User’s Manual [DB/OL]. 2008. www.usbee.com.

[責(zé)任編輯：尹冬梅]

收稿日期：2016-02-22；修改日期：2016-03-04

作者簡介：胡險峰(1962-),男，江西玉山人，四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院副教授，碩士，主要從事基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué).

中圖分類號：TM935.37

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1005-4642(2016)07-0012-05

Virtual oscilloscope based on USBee DX data sampling and LabVIEW programming

HU Xian-feng

(Physics College, Sichuan University, Chengdu 610064， China)

Abstract:A programming method of USBee DX data acquisition with LabVIEW software was introduced. LabVIEW program called a C executable program by the System Exec.vi, to realize the exchange of control and sample data between USBee DX and LabVIEW. A double trace oscilloscope was virtualized.

Key words:data acquisition; virtual oscilloscope; LabVIEW; USBee DX