基于USBee DX數據采樣和LabVIEW編程的虛擬示波器

胡險峰

(四川大學 物理科學與技術學院，四川 成都 610064)

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基于USBee DX數據采樣和LabVIEW編程的虛擬示波器

胡險峰

(四川大學 物理科學與技術學院，四川 成都 610064)

摘要：介紹了用LabVIEW軟件對USBee DX數據采集器編程的方法，LabVIEW通過執行系統命令模塊調用C可執行程序，實現USBee DX的控制和采集數據與LabVIEW程序間傳遞,實現用計算機模擬虛擬雙蹤示波器.

關鍵詞：數據采集；虛擬示波器；LabVIEW;USBee DX

利用數據采集卡或聲卡，編制程序在微機上模擬示波器[1-7]，可用于各種物理實驗. 廉價的數據采集卡或聲卡，由于數據采集速度較低，虛擬的示波器帶寬小，不能滿足信號頻率較高的場合. USBee DX數據采集器使用USB接口，采樣速率可達24 MB/s，價格便宜，有多個數字模入和模出通道，主要用于虛擬邏輯分析器；還有2個獨立的8位AD模入通道可用于虛擬示波器. 用USBee DX數據采集器使用手冊[8]介紹的API函數編寫LabVIEW庫函數節點調用不成功，則利用USBee DX數據采集器安裝程序提供的工具創建器的C原程序，修改創建兩通道AD變換可執行程序，通過LabVIEW執行系統命令模塊調用該可執行程序，將USBee DX采集到的數據通過執行系統命令模塊的標準輸出傳遞到LabVIEW程序中. 用For循環、字符截取模塊和字符數據轉換模塊重新組織數據隊列，再從數據隊列中拆分出數字通道信號和2個AD模入通道信號. 利用LabVIEW編程進行后續的信號處理做成虛擬示波器.

1兩通道AD變換可執行程序

USBee DX數據采集器安裝程序提供的工具創建器的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生器等幾個程序段，刪除其中基本I/O功能和信號發生器等幾段，保留初始化功能和邏輯分析器及示波器兩段. USBee DX的采樣速率隨應用程序的運行環境需要做相應調整，不然采樣速率過高采樣會失敗，需要自動回調過高的采樣速率. 添加采樣速率自動調整，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、數據傳遞長度、數據傳遞間隔和3個觸發控制數據的程序段，編譯后生成可執行程序供LabVIEW通過執行系統命令模塊調用. 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函數允許的最小采樣速率為1 MB/s，最小采樣長度為65 536. 當信號頻率低時，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通過執行系統命令模塊調用，來傳遞數據的時間太長，程序運行速度很慢. 對于低頻信號，C可執行程序按最低采樣速率1 MB/s采樣，盡管采樣長度會到數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. 在數據傳遞時增大步長，即數據間隔，虛擬地調整采樣速率，可以減少數據傳遞量，縮短數據傳遞時間. 在LabVIEW程序中相應調大繪圖點的時間間隔，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構，第一級是打開與C可執行程序交換數據的文本文件，并初始化運行參量;第二級中嵌入一個While循環，其中又嵌入兩級平鋪式順序結構，這個平鋪式順序結構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條件語句框根據示波器掃描時基，設定USBee DX的采樣速率、采樣長度、數據傳遞長度和傳遞間隔，與通道選擇和觸發控制參量組成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，即繪圖點之間的間隔. 若選擇固定的基本標尺時間長度，掃描時基增大，Δt的值相應減小. 例如標尺長度T，分度10格，則時基為0.1T/div，若采樣速率為SR，1個標尺長度時間里采樣點數為TSR，數據點時間間隔等于1/SR,取Δt=1/SR，在標尺長度內可繪完全部采樣點. 若增加采樣點數為2TSR，數據點時間間隔仍為1/SR,而標尺長度變為2T，時基為0.2T/div，標尺長度增大1倍，保持繪圖窗體不變，要縮小繪圖點之間的間隔Δt，取Δt=1/2SR，仍然可以在1個標尺長度T內繪完全部采樣點，繪圖窗體不變，總時長還是2T，時基還是0.2T/div. 若數據傳遞間隔Δτ大于采樣間隔1/SR,則傳遞的數據點數為2TSR/Δτ，則繪圖間隔要調整為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，相應的游標位置也要隨之變化. 由于觸發控制模塊Trigger在篩選滿足觸發條件的數據點時，會篩除數據隊列前面不滿足觸發條件的部分數據，實際傳遞數據的時間長度要大于繪圖數據的時間長度，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1個For 循環語句框，將C可執行程序傳遞的16進制字符串重新分割成8個字符1組,即4 Bytes 1組的數據隊列，其中低16位為16個數字通道的信號，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據轉換模塊重新組織數據隊列，再經拆分數字模塊，從數據隊列中拆分出數字通道信號和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，經過Trigger模塊后進行增益控制和垂直位移控制. 最后用捆綁模塊將數據隊列和時基數據捆綁成信號簇送波形圖模塊顯示信號波形. 數據隊列變換成動態數據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]介紹的數字和模擬信號采集函數StartCapture編寫USBee DX采集卡采樣觸發控制參量，生成的C可執行程序沒有觸發控制功能. 觸發控制由LabVIEW程序實現，虛擬示波器主程序中觸發控制模塊Trigger，虛擬示波器觸發同步功能，改編自LabVIEW資源庫中數字虛擬示波器示例，將其中的觸發同步程序創建成新的IV子模塊，取名“Trigger”模塊，該模塊可以選擇觸發源、觸發電平和觸發極性.

主程序框左側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，通過控制和讀取波形圖模塊的游標屬性，決定游標是否可見，以及顯示游標之間的差值.

虛擬示波器前面板見圖2，時基和增益調節分度均按傳統示波器分度值設置，手動調節縮放. 起用波形圖模塊的游標功能，還可以拖動游標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　程序運行前面板

在Windows XP SP3系統下，Tualatin Celeron 1.2 GHz CPU，Geforce4 MX 440 顯卡，768 MB SDROM 內存的老舊計算機可以充當一臺雙蹤示波器用，采樣率最大可達到6 MB/s；若選擇單蹤顯示，采樣率最大可達到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可執行程序向LabVIEW程序傳遞數據的速率大約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結束語

USBee DX數據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函數不支持LabVIEW的庫函數節點調用，不便于結合LabVIEW強大的信號處理分析功能. 通過LabVIEW調用可執行程序功能，可以實現USBee DX采樣數據與LabVIEW程序對接，發揮USBee DX數據采集器的價格低、采樣速率高、LabVIEW信號處理分析功能強的優勢. 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夠用. 對于信號幅度為幾V的調相信號，如外腔調制激光二極管自混合干涉信號，可以進一步設計成傅里葉分量提取、解調和信息分析的虛擬儀器，解調出來的位移信號可達到與12位AD卡相同的位移分辨率.

參考文獻：

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[4]胡險峰,朱世國. 激光二極管反饋干涉的實驗觀測[J]. 物理實驗,2006,26(3):3-7，15.

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[7]陳映純,吳先球. 基于虛擬儀器的楊氏模量實驗中共振頻率的測量[J]. 物理實驗,2012,32(5):40-41，45.

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

[責任編輯：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，四川大學物理科學與技術學院副教授，碩士，主要從事基礎物理實驗教學.

中圖分類號：TM935.37

文獻標識碼：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