基于LabVIEW的虛擬示波器的教學運用

潘 麗

(1.西北師范大學 物理與電子工程學院，蘭州 730070；2.蘭州職業技術學院 信息工程系，蘭州 730070)

引言

電子專業教學相對于其他專業來說具有更新快、教學成本高等特點。對于電子專業在教學過程中所用到的各種教學儀器很難做到每位學生人手一臺，尤其是作為日常運用的示波器。這對于教學工作的開展以及學生實踐能力的提高有很大的局限性。然而基于LabVIEW的虛擬儀器可以很好地解決這一問題。

1 虛擬儀器概述

1.1 LabVIEW軟件的優點

LabVIEW由美國NI公司研發，是一種圖形化的編程語言，它廣泛地被工業界、學術界和研究實驗室所接受，視為一個標準的數據采集和儀器控制軟件。LabVIEW集成了與滿足GPIB、VXI、RS-232和RS-485協議的硬件及數據采集卡通訊的全部功能。它還內置了便于應用TCP/IP、ActiveX等軟件標準的庫函數。利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器，其圖形化的界面使得編程及使用過程都生動有趣，在教學過程中可以極大地調動學生的積極性。

1.2 虛擬儀器

虛擬儀器(Virtual Instrument，簡稱VI)是計算機技術與儀器技術深層次結合產生的全新概念的儀器。虛擬儀器技術就是利用高性能的模塊化硬件，結合軟件來完成各種測試、測量和自動化的應用。這是虛擬儀器近30年來始終引領測試測量行業發展的原因所在。虛擬儀器技術具有高性能、高擴展性、開發時間短、出色的集成四大優勢。這些優點也能使其在電子專業的教學過程中大展身手。

1.3 基于于LabVIEW的虛擬儀器的模型

虛擬儀器靈活高效的LabVIEW軟件能幫助用戶創建完全自定義的界面，模塊化的硬件能方便地提供全方位的系統集成，標準的軟硬件平臺能滿足對定時和同步應用的需求。這就是基于LabVIEW的虛擬儀器的模型。

1.3.1 虛擬儀器的硬件構成

虛擬儀器的硬件構成有多種方案，通常采用以下幾種：

(1)基于數據采集的虛擬儀器系統；

(2)基于通用接口總線GPIB的儀器系統；

(3)利用VXI總線儀器實現虛擬儀器系統；

(4)基于串行口或其他工業標準總線的系統。

在本設計中采用的是基于數據采集的虛擬儀器系統，這種方式借助于插入計算機內的數據采集卡與專用的軟件如LabVIEW(或LabWindows/CVI)相結合，通過A/D 變換將模擬、數字信號采集到計算機進行分析、處理、顯示等，并可通過D/A 轉換實現反饋控制，根據需要還可加入信號調理和實時DSP 等硬件模塊。本設計采用的是MPS-080102是一款基于USB總線的高性能24位信號采集卡，能采集兩路電壓信號并將數據傳送到計算機進行分析、顯示和記錄。MPS-080102集成了兩路24位高分辨率ADC，采樣率可調，最高能達到每秒9.7萬，差分輸出，量程正負10V。適合設計要求。

1.3.2 虛擬儀器的軟件體系構成

(1)I/O 接口軟件；

(2)儀器驅動程序；

(3)應用軟件開發環境。

2 示波器的制作

2.1 硬件連接

連接宿主PC 機和數據采集卡，該連接驅動程序較為簡單，在此不作詳細介紹。

2.2 設計前面板

如圖3所示，前面板設計主要是對虛擬示波器的波形進行顯示,是示波器的主體部分。它主要包括3種顯示方式:通道1,通道2；stop開關控制2個通道波形的顯示,可以根據需要打開或關閉對應的波形；按下停止采集按鈕,示波器將停止工作。

為了判讀準確、方便,在顯示區設置了網格線和光標。網格間距大小與X、Y軸刻度相同,可以由用戶自己定義,光標有2個,可以由用戶選定顏色,同時在控件下面的顯示區能夠自動顯示光標所在位置的數值,可以精確定位。

用戶可以通過波形設置的彈出菜單設定波形曲線的各種屬性,包括波形的名稱、圖形表示方式、數據點風格、線型、線寬、顏色等等。在多條波形曲線同時顯示的情況下, 通過設置波形曲線的不同屬性, 如每條波形用不同的顏色或不同的線形來表示, 或根據信號代表的實際物理量名稱給每條波形賦予了一個一目了然的名字。直觀地區分不同信號的波形通過波形顯示控件自帶的控制模板, 不但可以快捷地調準控件外觀, 還可以在程序運行中實現波形的動態調準, 如放大、縮小或移動所顯示的波形，還可以改變X、Y軸的刻度值, 從而有針對性地對波形中感興趣的部分進行詳細的觀察。

2.3 編寫程序框圖

2.3.1 繪制示波器界面

通知wait，一方面作示波延時用，另一方面監聽新的數據，如果有新的數據到來，便將上次未繪制完的數據丟棄，用新的數據來繪制。

繪制示波器界面，程序框圖如圖4、圖5所示。

2.3.2 監控運行程序塊

響應用戶操作，這部分由一個簡單的事件結構構成，根據事件選擇的不同處理不同的事務。示波器采樣頻率設置并發送到實驗箱。程序框圖如圖6、圖7所示。

2.3.3 同步采樣頻率

實現和其他AD 應用程序的采樣頻率同步，程序框圖如圖8所示。

2.3.4 連機調試

在PC端運行VI程序，連接成功后，面板狀態應有相應變化。如圖9所示。

在實驗箱的示波器信號輸入端口(CHA)輸入信號，比如正弦波：5000Hz，在前面板可觀察到如圖10所示的界面。

3 結論

如今，虛擬儀器系統廣泛地應用在通訊、自動化、半導體、航空、電子、電力、生化制藥和工業生產等各種領域。在電子專業教學成本高的前提下，PC機加數據采集卡的模式大大節約了教學成本，并且具有更好的可開發性，除了虛擬示波器，虛擬萬用表、虛擬信號發生器、虛擬IO控制、虛擬傳感器、虛擬動態信號分析儀、虛擬邏輯分析儀、虛擬頻率計、虛擬計數器、虛擬脈沖發生器、虛擬任意波形發生器等等虛擬儀器都可以實現，相信基于LabVIEW的虛擬儀器在電子實驗室及教學中運用也會隨著時間的推移越來越廣泛。

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