基于LabVIEW的示波器采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（西京學(xué)院，陜西 西安 710000）

0 引言

示波器作為信號(hào)測(cè)量領(lǐng)域的高精度儀器，廣泛應(yīng)用于信號(hào)采集、材料老化測(cè)試等領(lǐng)域。其優(yōu)點(diǎn)為波形測(cè)量的精度和采樣頻率高。但在材料老化測(cè)試等領(lǐng)域應(yīng)用卻有其局限性。

（1）單次顯示時(shí)間短：示波器最大顯示采樣時(shí)間僅有50 s，對(duì)于長時(shí)間的波形觀測(cè)，需要對(duì)前次波形回放，但波形回放操作煩瑣，必須要24 h不停監(jiān)測(cè)。

（2）距離設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)近：示波器的探頭線長有限，不能遠(yuǎn)離設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)，考慮到設(shè)備運(yùn)行有一定危險(xiǎn)性，要求測(cè)試人員能夠遠(yuǎn)程讀取示波器。

針對(duì)以上局限，文章提出了一種示波器采集存儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)可以通過TCP協(xié)議遠(yuǎn)程對(duì)示波器進(jìn)行實(shí)時(shí)讀取、參數(shù)設(shè)定等，并且能夠方便地保存及回放波形[1]。

1 LabVIEW與示波器

1.1 LabVIEW與VISA協(xié)議

LabVIEW是由美國國家儀器（NI）公司研制開發(fā)的一種程序開發(fā)環(huán)境，相較于C和Python等文本編程語言，LabVIEW使用的圖形化編程語言—G語言，讓用戶能夠較快掌握。其程序的框架易于讀取，后期維護(hù)較為方便。

N I公司參與制定的虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu)（Virtual Instrument Software Architecture，VISA）是VXI plug&play聯(lián)盟制定的I/O接口軟件標(biāo)準(zhǔn)及其規(guī)范的總稱。作為一種通用的規(guī)范，它獨(dú)立于操作系統(tǒng)、硬件設(shè)備、編程語言等，因此可以廣泛適用于各種儀器接口。而LabVIEW自帶的VISA庫包含各種VISA函數(shù)，可以方便快捷地與示波器等硬件進(jìn)行通信。

1.2 示波器與可編程儀器標(biāo)準(zhǔn)命令

示波器的控制指令是基于可編程儀器標(biāo)準(zhǔn)命令（Standard Commands for Programmable Instruments，SCPI）,SCPI是一種建立在現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)IEEE 488.1和IEEE 488.2基礎(chǔ)上，遵循了IEEE 754標(biāo)準(zhǔn)中浮點(diǎn)運(yùn)算規(guī)則、ISO646信息交換7位編碼符號(hào)等多種標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)化儀器編程語言。它規(guī)定了在控制器到儀器和儀器到控制器之間信息交換層消息的內(nèi)容和構(gòu)造，從而以一種標(biāo)準(zhǔn)的方式來描述各種各樣的儀器功能，其目的在于減少自動(dòng)測(cè)試設(shè)備的程序開發(fā)時(shí)間。

2 LabVIEW波形采集的實(shí)現(xiàn)

LabVIEW的VISA庫如圖1所示，包含VISA寫入、VISA讀取、高級(jí)VISA等函數(shù)，使用這些函數(shù)能夠簡化與示波器建立通信的操作。另一方面，示波器與PC間的通信協(xié)議為RS232，將PC與示波器用USB線連接后，硬件環(huán)境搭建完畢，此時(shí)運(yùn)行程序即可讀取到示波器所采集的波形。

圖1 LabVIEW的VISA函數(shù)庫

設(shè)定采集通道為CH2，信號(hào)源為標(biāo)準(zhǔn)5 V/1 kHZ的脈沖信號(hào)，運(yùn)行程序以讀取采集到的波形，可以看到，波形與示波器屏幕顯示的波形完全一致。圖2為與示波器屏幕1∶1的波形顯示。

圖2 上位機(jī)波形顯示

在實(shí)際應(yīng)用過程中，測(cè)試人員希望能夠直接在PC端設(shè)定示波器的參數(shù)，從而達(dá)到較好的顯示效果[2]。示波器可設(shè)置的參數(shù)包括：電壓檔位、偏移量；時(shí)基檔位、偏移量；觸發(fā)通道以及電壓等，通過相應(yīng)的SCPI指令可以分別對(duì)其設(shè)定，可以達(dá)到遠(yuǎn)程對(duì)示波器操作的目的[3]。其操作界面如圖3所示。

3 波形存儲(chǔ)及回放

示波器檢測(cè)設(shè)備工作狀態(tài)情況下，需要長時(shí)間對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)。但是測(cè)試人員希望能夠?qū)⒉ㄐ伪４?，并且在期望的時(shí)候回放歷史波形。示波器能夠回放波形，但是操作較為煩瑣，而且保存設(shè)定需要在示波器界面進(jìn)行設(shè)定。本設(shè)計(jì)中示波器返回的點(diǎn)不僅用于實(shí)時(shí)顯示，還將數(shù)據(jù)值以幀為單位保存為逗號(hào)分隔符（.csv）文件。測(cè)試人員可以按頁讀取歷史波形，從而方便快捷地瀏覽歷史波形。圖4為示波器主界面。

在使用過程中，并不能保證每次保存的波形，都能較好地反應(yīng)出期望的變化范圍。這種情況下，人們希望可以對(duì)某一幀的波形進(jìn)行縮放和調(diào)整。如本設(shè)計(jì)中的電壓檔位為5 V，界面上邊緣的電壓為20 V，但在波形回放時(shí)候希望能夠放大某一部分的變化。例如設(shè)定Y軸上下限的值，可以得到較好的顯示效果。圖5是對(duì)Y軸上下限設(shè)定過后的波形顯示。

4 遠(yuǎn)端控制及TCP通信

RS232的通信距離僅有數(shù)米，示波器的探頭長度更短。因此，若要同時(shí)監(jiān)控多臺(tái)設(shè)備的工作狀態(tài)，就必須利用遠(yuǎn)端通信，擺脫距離的限制。本設(shè)計(jì)采用TCP/IP通信協(xié)議作為遠(yuǎn)程通信方式。TCP/IP傳輸協(xié)議，即傳輸控制/網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，也叫作網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。它是在網(wǎng)絡(luò)中最基本的通信協(xié)議。通過TCP/IP協(xié)議和本地網(wǎng)絡(luò)接線，測(cè)試人員就可以在總控室而非現(xiàn)場(chǎng)工作。

LabVIEW中TCP/IP函數(shù)庫包含打開連接、讀取數(shù)據(jù)、寫入數(shù)據(jù)和關(guān)閉連接等函數(shù)[4]，如圖6所示。

通過這些函數(shù)，可以搭建一個(gè)TCP/IP通信框架，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程讀取及控制。

圖3 示波器參數(shù)設(shè)置界面

圖4 示波器主界面

圖5 對(duì)Y軸上下限設(shè)定的波形顯示

圖6 TCP/IP函數(shù)庫

5 結(jié)語

本文提出了基于LabVIEW的示波器采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，利用LabVIEW的硬件通信，給用戶提供了簡潔明了的界面和完備的波形回放功能，以及方便快捷的參數(shù)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控。通過測(cè)試，本設(shè)計(jì)能夠較好地達(dá)到預(yù)期要求。