基于LabVIEW的虛擬數字存儲示波器的研究

　　摘 要：示波器是在科學研究和工程設計中廣泛應用的一種通用儀器。基于虛擬儀器技術，開發了一種新型示波器—虛擬數字存儲示波器。通過采集卡完成數據采集任務，借助于LabVIEW軟件實現數據分析和結果輸出存儲等功能，是對傳統示波器的有效更新與變革。
　　關鍵詞：示波器 虛擬儀器 數據采集 LabVIEW
　　中圖分類號：TP216文獻標識碼：A文章編號：1672-3791（2012）09（a）-0021-03
　　隨著科學技術的飛速發展，測試領域需要不斷更新檢測設備，以滿足工業生產及科研開發需求。在我國，傳統測試儀器自動化程度較低，其測量精度和可靠性均低于國外，而高檔測試儀器基本上依靠國外進口，不但造價高，而且功能單一、適用范圍窄。虛擬儀器技術的出現，徹底改變了這種局面。“軟件就是儀器”的概念，使用戶能夠從實際需求出發設計相應的儀器系統，以滿足多種多樣的應用需求。
　　以虛擬儀器技術為依托，本文設計并實現了一個虛擬數字存儲示波器。通過計算機與數據采集卡相配合的簡單硬件設備，融入示波器功能的LabVIEW軟件程序開發，使得該設備對于教學與科研具有較大實用價值和參考意義。
　　1 虛擬儀器技術
　　電子測量儀器發展至今，大體可以分為四代：即模擬儀器、數字化儀器、智能儀器和虛擬儀器。虛擬儀器（Virtual Instrument，簡稱VI）是現代儀器技術和計算機技術深層次結合的產物，由儀器硬件和功能模塊軟件兩部分組成，是當今計算機輔助測試（Computer Aided TestCAT）重要技術。其構成方式如圖1所示。
　　與傳統儀器相比虛擬儀器主要有以下優點。
　　（1）虛擬儀器面板上的顯示元件和操作元件的種類與形式由編程來實現，不受“標準件”和“加工工藝”的限制。可以實現功能操作的單純化與面板布置的簡捷化，從而提高操作的正確性與便捷性。
　　（2）在通用硬件平臺確定后，由軟件取代傳統儀器中的硬件來完成儀器的功能。
　　（3）儀器的功能是用戶根據需要由軟件來定義的，而不是事先由廠家定義好的。
　　（4）儀器性能的改進和功能擴展只需要更新相關軟件設計而不需要購買新的儀器。
　　（5）研制周期較傳統儀器大為縮短。
　　（6）虛擬儀器開放、靈活，可與計算機同步發展，與網絡及其他周邊設備互聯。
　　2 示波器硬件平臺
　　計算機與數據采集卡組成了虛擬示波器的硬件平臺。數據采集卡是虛擬示波器的重要組成部件，其性能指標直接影響虛擬示波器的采樣速率、精度等，計算機CPU運行速度及內存大小影響示波器處理數據速度，硬盤大小決定了數據存儲的容量。
　　數據采集卡的選擇主要與采樣率、分辨率、測量通道和測量精度有關。
　　本文選取的研華PCI1711卡是一種基于PCI總線的數據采集卡，可直接插在IBM-PC/AT或與之兼容的計算機內的任一PCI插槽中，構成實驗室、產品質量檢測中心等各種領域的數據采集、波形分析和處理系統，也可構成工業生產過程監控系統。PCI1711卡上裝有12 Bit分辨率的A/D轉換器和D/A轉換器，為用戶提供了8雙/16單的模擬輸入通道和2路模擬輸出通道，輸入信號幅度可以經程控增益儀表放大器調到合適的范圍，保證最佳轉換精度。A/D轉換器輸入信號范圍：士5V、士10V、0～10V，D/A轉換器輸入信號范圍：士5V、士10V、0～10V，根據需要進行選擇。
　　3 軟件設計
　　3.1 LabVIEW簡介
　　LabVIEW是目前應用最廣泛、發展最快、功能最強的圖形化軟件開發環境，是一個開放式的虛擬儀器開發系統應用軟件，可以大大簡化程序的設計。其特點如以下幾點。
　　（1）圖形化的編程方式，設計者無需寫任何文本格式的代碼，是真正的工程師的語言。
　　（2）提供了豐富的數據采集、分析及存儲的庫函數。
　　（3）32bit的編譯器編譯生成32bit的編譯程序，保證用戶數據采集、測試和測量方案的高速執行。
　　（4）囊括了DAQ，GPIB，PXI，VXI，RS-232/485在內的各種儀器通信總線標準的所有功能函數，使得不懂總線標準的開發者也能夠驅動不同總線標準接口設備與儀器。
　　（5）提供大量與外部代碼或軟件進行連接的機制，諸如DLLs（動態連接庫）、DDE（共享庫）、ActiveX等。
　　（6）強大的Internet功能，支持常用網絡協議，方便網絡、遠程測控儀器的開發。
　　3.2 虛擬示波器程序開發
　　通過對LabVIEW前面板的編排設計，可以得到虛擬示波器的顯示界面。用戶借助于鍵盤和鼠標操作前面板中的開關、旋鈕等，可以實現虛擬示波器測試測量控制。前面板設計如圖2所示。
　　本虛擬示波器具有雙通道信號輸入、觸發極性和電平控制、通道控制、直流增益控制、掃描因素控制、垂直靈敏度控制等功能及多種顯示模式，主要包括數據采集、波形顯示、參數測量三大模塊，其功能框圖如圖3所示。
　　數據采集模塊是虛擬數字示波器的核心，完成仿真信號的產生和外部實際數據的采集。仿真信號由編程實現的虛擬信號發生器產生，主要用于生成正弦波、方波、三角波和鋸齒波信號。由于實際輸入采用了雙通道，對應的仿真信號也是雙通道的，分別為A、B通道信號，可任意設置波形的類型、頻率和幅度，該子VI前面板如圖4所示。
　　外部數據采集由采集卡PCI1711完成，按雙通道示波器設計，任意選擇了AI0和AI1作為信號輸入端。仿真信號與實際信號的選取由Case結構控制，在前面板上設計有選擇開關。
　　顯示模塊有三種波形顯示模式：（1）A、B、A&B模式。通過按鍵選擇，可以任意顯示某一通道或兩通道輸入信號的波形。（2）XY模式。當量通道都處于選通的狀態時，使用此模式來顯示李沙育圖形，測量相位差或頻率。（3）A+B或A-B模式。當量通道都處于選通狀態時，用此模式來顯示兩通道信號代數相加減后的波形。波形顯示模塊的程序流程圖如圖5所示，程序框圖如圖6所示。
　　LabVIEW提供的大量波形測量子VI，幫助我們比較輕松地完成電壓（振幅）、時間、頻率等測量模塊的程序設計。如圖7所示。
　　4 結論
　　虛擬儀器的出現是儀器領域的一個突破，從根本上更新了測量儀器的概念。充分利用虛擬儀器技術不僅可以簡化儀器系統結構，而且能有效的降低生產成本和縮短開發時間。本文所研制的虛擬示波器，充分發揮了計算機強大的運算功能和軟件設計的靈活性，與傳統示波器相比，它具有波形可存儲讀取、測量準確度高、波形均勻穩定、無閃爍性、資金投入少、即時升級等一系列優點，可作為高校科研開發與教學中的有效輔助工具。作者聲明：作者對本文版權全權負責，無抄襲。
　　本文作者創新點：擯棄了示波器設計中傳統的純硬件、單一功能實現。通過計算機與采集卡的組合，配置了盡量少的硬件設備；利用軟件編程的方式，集成了測試測量中示波器的大部分功能，構建了具有實用價值的示波測試儀器。
　　參考文獻
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