基于單片機和LabVIEW的虛擬示波器設計

華厚強

（中國民用航空飛行學院航空電子電氣學院，四川廣漢，618307）

0 引言

虛擬儀器（Virtual Instrumentation, VI）技術(shù)是指將通用計算機安裝上軟件并連接好硬件，讓使用者在進行計算機操作時就好像在進行專用的電子儀器操作的技術(shù)。虛擬儀器利用軟件來實現(xiàn)硬件的功能，能實現(xiàn)”軟件即儀器”[1-4]。示波器是最常見的電子測量工具和儀器之一，通常模擬示波器都功能單一且結(jié)構(gòu)笨重，數(shù)字示波器雖然可以進行多種功能擴展，但價格相對較貴，普及到實際應用中的困難也相對較大[5-7]。隨著現(xiàn)代虛擬儀器儀表技術(shù)的進步，將傳統(tǒng)的儀器測量用計算機技術(shù)實現(xiàn)的虛擬示波器系統(tǒng)具有較大應用價值，可以提高實驗測量儀器的技術(shù)含量，并且性價比高[8]。

目前國內(nèi)很多的高檔實驗測量儀器高度依賴進口，不僅價格昂貴，而且使用面窄，自主研究虛擬儀器儀表技術(shù)具有重大意義[9-11]。本文基于STC12C5A60S2單片機和LabVIEW 2018軟件開發(fā)平臺設計出一種虛擬示波器，硬件部分主要是普通PC機和單片機，軟件部分則包括了前面板、串口驅(qū)動及相關(guān)的應用軟件（主要有頻譜分析、數(shù)字濾波、數(shù)據(jù)存儲和讀取、波形顯示等），可以實現(xiàn)對多種波形顯示和輸出[12-13]。

1 總體方案設計

虛擬示波器設計有硬件和軟件兩大基本組成部分，如圖1所示。軟件部分包括上位機軟件設計和下位機程序設計，下位機通過對單片機編程實現(xiàn)一定頻率和幅度范圍內(nèi)信號數(shù)據(jù)的采集、模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換及串口通信，上位機通過編譯LabVIEW實現(xiàn)對信號波形的顯示。

圖1 虛擬示波器組成框圖

在虛擬示波器運行過程中，函數(shù)發(fā)生器可輸出正弦波、三角波和方波等基本波形，將其輸入至加法電路，加法電路將函數(shù)發(fā)生器輸出波形的每一點電壓值變正（目的是讓單片機可以采集到波形上每一點），通過加法電路之后將模擬輸出接至單片機模擬輸入端P1.0，最后通過單片機串口與PC機通信并且在PC機上顯示出波形。

2 硬件設計

虛擬示波器的硬件電路主要包括加法電路、主控芯片、A/D轉(zhuǎn)換模塊、串口電平轉(zhuǎn)換模塊、單片機的晶振和復位電路等。

下位機以STC12C5A60S2單片機為控制核心，主要負責信號的采集和數(shù)據(jù)上傳，片內(nèi)硬件16×16位乘法器特別適用于快速、高運算量的使用；內(nèi)部自帶多個高精度A/D轉(zhuǎn)換器ADC完善了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性；較多的I/O端口使設計變得非常方便；+3.3V的I/O端口電平與ΜAX232C完全兼容。STC12C5A60S2單片機的串行通信引腳UATXD0、UARXD0分別通過跳線連接到ΜAX232的T2IN、R2OUT[14]。通過ADC轉(zhuǎn)換器來采集從外界輸入的模擬信號，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后輸出[15]。

上位機采用LabVIEW 2018平臺進行程序開發(fā)，負責與下位機通信，對上傳的數(shù)據(jù)進行相關(guān)處理和結(jié)果顯示。

3 軟件設計

3.1 軟件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)總體程序流程圖如圖2所示。先將單片機初始化后，由上位機發(fā)出開始采集命令，單片機開始A/D轉(zhuǎn)換，以及與PC機進行串口通信，PC機讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，寫入串口緩沖區(qū)，然后讀取數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進行處理，最終實現(xiàn)對波形的實時顯示，如果按下停止采集按鈕，PC機便不再讀取數(shù)據(jù)，停止采集。

圖2 軟件總體流程圖

3.2 下位機軟件設計

下位機工作流程圖如圖3所示。下位機主要功能是對信號進行采集，并與PC機進行串口通信。因此，下位機軟件設計主要是針對STC12C5A60S2的A/D和串口模塊的使用，首先對單片機的A/D和串口初始化，然后啟動A/D轉(zhuǎn)換，ADC10輸出10位轉(zhuǎn)換結(jié)果，最后將數(shù)據(jù)通過串口傳送給PC機。

3.3 上位機軟件設計

3.3.1 虛擬示波器前面板設計

虛擬示波器的前面板如圖4所示。前面板包括波形顯示、參數(shù)設定和參數(shù)測量等功能模塊。

圖4 虛擬示波器前面板圖

3.3.2 虛擬示波器后面板設計

后面板程序的設計總體上可以分為數(shù)據(jù)采集程序、數(shù)據(jù)處理和波形顯示程序兩大部分，后面板總程序如圖5所示。

圖5 后面板總程序設計圖

后面板數(shù)據(jù)采集程序設計如圖6所示，該程序主要功能是與單片機進行串口通信，接收單片機發(fā)送的數(shù)據(jù)以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。

圖6 后面板數(shù)據(jù)采集程序設計圖

后面板數(shù)據(jù)處理和波形顯示程序設計如圖7所示，該程序可以對PC機采集到的數(shù)據(jù)進行處理，并且實現(xiàn)波形顯示、數(shù)據(jù)緩沖的功能。

圖7 后面板數(shù)據(jù)處理和波形顯示程序設 計圖

4 系統(tǒng)實驗、調(diào)試與分析

完成系統(tǒng)整體后，可以根據(jù)相關(guān)器件的工作原理對其進行相應的調(diào)試與集成整合。在調(diào)試過程中分別采用了硬件調(diào)試與軟件調(diào)試相結(jié)合的調(diào)試思路，力求使設計能夠正常實現(xiàn)相關(guān)功能。

4.1 串口信號檢測

系統(tǒng)通過串口調(diào)試助手檢測有沒有串口信號。先以單片機STC12C5A60S2內(nèi)部模擬的方波為對象進行檢測，用來進行串口調(diào)試的硬件電路實物圖如圖8所示。方波串口代碼顯示結(jié)果如圖9所示。

圖8 串口調(diào)試硬件電路實物圖

圖9 方波串口代碼顯示圖

通過串口助手的顯示結(jié)果表明串口通信已實現(xiàn)，波形為方波。然后可以對單片機內(nèi)部模擬的正弦波用類似的方法進行檢測，顯示結(jié)果表明波形為正弦波時串口通信同樣已實現(xiàn)。

4.2 通過LabVIEW顯示波形

虛擬示波器設計整體實物圖如圖10所示。虛擬示波器設計完成后，可進行系統(tǒng)調(diào)試。調(diào)試過程中LabVIEW可能出現(xiàn)無法定位和加載VISA或其所需代碼庫的問題[16]，可以安裝相應的VISA驅(qū)動程序來解決。通過添加清除錯誤模塊解決了VISA讀取傳輸時發(fā)生幀錯誤的問題。

圖10 虛擬示波器設計整體實物圖

當輸入信號是頻率為1kHz、幅值為4V的正弦波時，PC機上LabVIEW程序顯示結(jié)果和函數(shù)信號發(fā)生器顯示對比如圖11所示，圖(a)虛擬示波器和圖(b)函數(shù)信號發(fā)生器兩者顯示結(jié)果一致，虛擬示波器對正弦波的波形顯示比較理想，無失真。

圖11 輸入1kHz、幅值為4V的正弦波時，(a)虛擬示波器和(b)函數(shù)信號發(fā)生器的顯示結(jié)果對比圖

類似地，當輸入信號是頻率為1kHz、幅值為4V的三角波和方波時，PC機上LabVIEW程序顯示結(jié)果和函數(shù)信號發(fā)生器顯示對比分別如圖12和圖13所示，在兩圖中，圖(a)虛擬示波器和圖(b)函數(shù)信號發(fā)生器的顯示結(jié)果均保持一致，虛擬示波器對三角波和方波的波形顯示比較理想，無失真。

圖12 輸入1kHz、幅值為4V的三角波時，(a)虛擬示波器和(b)函數(shù)信號發(fā)生器的顯示結(jié)果對比圖

圖13 輸入1kHz、幅值為4V的方波時，(a)虛擬示波器和(b)函數(shù)信號發(fā)生器的顯示結(jié)果對比圖

綜合以上來說，系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果表明：當輸入頻率為1kHz、幅值為4V的正弦波、三角波和方波信號時，虛擬示波器和函數(shù)信號發(fā)生器的顯示結(jié)果都能保持一致，波形顯示比較理想，無失真。說明針對此時來說，系統(tǒng)設計較合理。

若降低輸入信號的頻率，當輸入信號是頻率為10Hz、幅值為5V的方波時，PC機上LabVIEW程序顯示結(jié)果和函數(shù)信號發(fā)生器顯示對比如圖14所示，兩者顯示結(jié)果一致。系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果表明：當輸入為較低頻率信號時，虛擬示波器對方波的波形顯示比較理想，無失真，此時系統(tǒng)設計較合理。

圖14 輸入10Hz、幅值為5V的方波時，(a)虛擬示波器和(b)函數(shù)信號發(fā)生器的顯示結(jié)果對比圖

若升高輸入信號的頻率，當輸入信號是頻率為5KHz、幅值為5V的方波時，PC機上LabVIEW程序顯示結(jié)果和函數(shù)信號發(fā)生器顯示對比如圖15所示。系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果表明：當輸入為較高頻率信號時，虛擬示波器對方波的波形顯示失真比較嚴重，無法正確顯示，說明此虛擬示波器設計只適用于較低頻率范圍的輸入信號顯示。

圖15 輸入5kHz、幅值為5V的方波時，(a)虛擬示波器和(b)函數(shù)信號發(fā)生器的顯示結(jié)果對比圖

本虛擬示波器設計結(jié)果還不夠理想。由于受制于單片機的串口通訊速率，采集的信號只能是低頻的，可以嘗試采集頻率更高的信號，但對硬件需要做一些調(diào)整。另外，能采集電壓的幅度也受到了參考電壓的限制，可以通過添加外電路來采集幅值更高的電壓。

可以從兩個方面對本虛擬示波器設計進行進一步研究和改進：（1）提高ADC的采樣速率。針對單片機內(nèi)ADC采樣速率低、帶寬窄，從而影響示波器分辨率和波形顯示的問題，可以選用高性能的采集卡或ADC來搭建虛擬示波器。（2）使虛擬示波器具備網(wǎng)絡功能。將虛擬示波器與網(wǎng)絡及遠程監(jiān)控技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)資源共享。隨著嵌入式系統(tǒng)和PC技術(shù)的融合發(fā)展，示波器等虛擬儀器可以具備嵌入式和實時功能。

5 結(jié)論

本文基于STC12C5A60S2單片機及LabVIEW平臺，通過軟、硬件設計實現(xiàn)對信號進行采集、處理和顯示的虛擬示波器系統(tǒng)，能實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換模塊對信號進行單通道連續(xù)采集，串口模塊通過串口將數(shù)據(jù)實時傳送至PC機上，實現(xiàn)對不同頻率、不同幅度的波形進行顯示與分析等功能。隨著高速率A/D芯片和高性能ADC的發(fā)展和運用，安裝有虛擬示波器等虛擬儀器軟件的計算機，可作為多功能測量儀器站在網(wǎng)絡上共享使用，具備低成本且高擴充性，在工業(yè)測試與自動化、航空航天和汽車等諸多領(lǐng)域都會有廣闊的應用前景。