基于LabVIEW的虛擬數字示波器設計

黃為　付宏濤

摘 要：利用LabVIEW集成開發環境，給出了虛擬數字示波器的具體設計思路與方法。所設計的虛擬示波器除了具有傳統數字示波器通用功能外，還增加了許多擴展功能，如：濾波及加窗函數處理、頻譜分析、信號相關性分析、失真分析、波形的運算等等，其成本低廉，功能可根據應用的需要不斷地擴展。在相關的工程應用以及電子、通信類學科的教學中有普遍的借鑒作用。

關鍵詞：LabVIEW;虛擬儀器;虛擬數字示波器;

0 引言

虛擬技術、計算機通信技術及網絡技術被稱為21世紀科學技術中的三大核心技術。隨著大規模集成電路技術、信號分析與處理技術、計算機技術和網絡技術的迅速發展及其在電子測量技術與儀器上的應用，電子測量儀器的功能和作用發生了質的變化[1-2]，從傳統的模擬儀器發展到數字化儀器，再到智能儀器及虛擬儀器。

傳統的儀器是由儀器廠家設計并定義好功能的一個的實體裝置，每種儀器只能實現一類特定的測量功能。數字化儀器的出現使測量儀器的應用更加的靈活方便、精準可靠，其中數字示波器是最典型的、通用的、精密的一種測量與分析儀器，它在工農業、軍事、科教中得到了廣泛的應用。本設計中的虛擬示波器不僅實現了實際數字示波器的波形顯示及參數測量功能，而且還包含了許多傳統的數字示波器所不具備的功能，并且還可以根據需要有許多特定的功能擴展。

1 虛擬儀器

虛擬儀器是虛擬技術的一個很重要的組成部分，虛擬儀器系統總體上是有硬件和軟件兩部分構成，它最大限度的利用計算機系統的軟、硬件資源，用功能強大的軟件去代替傳統儀器的大部分硬件功能來完成對信號數據的采集、運算、分析及處理工作，實現了軟件即是儀器的思想，使測量儀器在系統開發、系統集成及功能擴展等等方面得到了很大的進步。

虛擬儀器具有研發周期短、成本低、性能高以及組建系統靈活等特點，而且易于實現網絡化，特別適應于現代科學技術及科學研究所要求的測量與控制需求[3-4]。

虛擬儀器根據采用總線方式的不同大致可分為五種類型：PC總線插卡型虛擬儀器、并行口型虛擬儀器、GPIB總線式虛擬儀器、VXI總線式虛擬儀器及PXI總線式虛擬儀器。

虛擬儀器的開發軟件包括LabVIEW、LabWindows/CVI、VEE等，而以LabVIEW應用最為廣泛[5-7]。LabVIEW是一種圖形化的編程語言，它用圖標表示函數，用連線表示數據流。LabVIEW中包含了大量的工具與函數用于數據采集、分析、顯示、存儲及打印等等功能[8]。它的出現很大程度上把工程師及科研人員從繁雜的編程工作中解放出來，從而有更多的精力用于工程設計本身。

2 虛擬示波器硬件構架

該虛擬示波器就是基于PXI總線式虛擬儀器來設計的。其硬件由PXIe-1071、PXIe-8840、 PXIe-6341及SCB-68A構成的，如圖1所示。PXIe-1071是一個4槽機箱，接口是PXIe接口。PXIe-8840是用于PXI系統的嵌入式2.6GHZ四核處理器，它包含兩個10/100/1000BASE-TX以太網端口、兩個USB3.0端口和四個USB2.0端口以及一個集成硬盤驅動器、串行端口和其他外設I/O。PXIe-6341是一個PXI多功能I/O模塊，它提供了模擬I/O、數字I/O和四個32位計數器/定時器，用于PWM、編碼器、頻率、事件計數等應用。SCB-68A用于DAQ設備的屏蔽式68針接線盒。它包括兩排I/O接線端，2個通用面包板區域以及板載冷端溫度補償傳感器。它用來連接傳感器及其他外來的測量信號。

3 虛擬示波器的軟件設計

本虛擬示波器主要由采集通道模塊、信號發生器模塊、波形測量模塊、波形顯示、運算及分析等模塊組成，在前面板中設計了CH1和CH2兩個信道，分別由兩個布爾開關來控制通斷，用一個選項卡控件分別放置了仿真信號測量、實際信號測量、其它測量功能和其它擴展功能四個選項，其中其它擴展功能項可以作為今后示波器新增功能設計時備用，仿真信號測量項可以在CH1和CH2兩通道分別給出Sine、sawtoot、square、triangle等類型信號進行測量并顯示，實際信號測量項是用于從采集卡輸入的實際信號的顯示與測量的。每個選項中包含有各自的參數設置。淡藍框區域為波形顯示區域，顯示的波形可以沿時間軸進行方便的時移。左下部分為信號參數測量部分，對信號的頻率、幅值、均值、最高低電平等等參數進行測量并顯示其測量值。右中部分為時基調整旋鈕和一些開關控件以及CH1、CH2兩通道的幅值和偏移量調整旋鈕，由于旋鈕調整不易實現精準調整，所以分別都增加了一個用于細調的輸入控件，只要把光標放在某一個位數上，再按左邊的上下加減按鈕就可以實現對波形的細微調整。右下部分為MATH功能區，也具有幅值和偏移量的粗、細調功能。在設計中還將CH1/CH2/MATH通道的波形以及其相應的旋鈕分別用藍紅綠三種不同顏色來區分，使得觀測者一目了然。如圖2所示。

在通道設計中用一個選項卡控件和一個條件結構控件來實現測量方式選擇功能，再用一個CH1和CH2開關控件和條件結構控件來實現測量通道選擇功能，用波形發生器來產生仿真波形。如圖3所示。利用旋鈕控件和公式控件來對波形信號的幅值和偏移量粗調，同時使用獲取波形成分和創建波形控件以及一些算術運算操作來實現幅值和偏移量的細調。如圖4所示。

在MATH功能模塊設計中利用了幾個嵌套的條件結構控件，并將CH1、CH2兩個布爾控件所產生的局部變量作為判斷條件來進行相應的MATH運算，這樣可以避免在程序運行當中在MATH開關開啟時，若是先關掉CH1或CH2開關就會出現dt不同的錯誤而造成程序意外終止的情況，程序設計如圖5所示。解決這種問題的另一個辦法是在條件結構判斷前面先調整給定兩通道信號一致的dt值。

4 虛擬示波器信號實測

對于本虛擬示波器，我們進行了實際信號的測量檢驗。將信號發生器用信號線連接到采集卡的模擬輸入螺栓端子上，將模擬輸入通道設置為螺栓端子對應的端口，待信號發生器輸出信號后即可用采集卡采集輸入信號，并顯示在波形圖上。信號發生器給定的信號是幅值2V、頻率50Hz的Sine和Square，用此虛擬示波器測得的信號參數和顯示的波形完全準確。

5 結束語

利用虛擬技術設計的本虛擬示波器，設計界面清晰、簡潔，操作簡單方便、可靠，對實際信號能夠進行準確測量、顯示，并可以對其進行各種數據分析和處理，且精度高，重復性好。本虛擬示波器留有擴展區域，在此基礎上可根據工程實際需要添加其它特定功能，并把它集成到系統中，從而能更好地滿足工程需求。此設計對相應專業的學生及工程應用人員具有一定的借鑒作用。

參考文獻：

[1] 張毅剛. 虛擬儀器技術介紹. 國外電子測量技術[J]，2006，25（6）：1-6.

[2] 伍星華，王旭. 國內虛擬儀器技術的應用研究現狀及展望. 現代科學儀器[J]，2011，（4）：112-116.

[3] 李國原，馮啟高.虛擬儀器技術及其開發與應用. 自動化儀表[J]， 2002，23（7）：4-6.

[4] 姜志玲.虛擬儀器技術在自動測試系統中的應用. 現代電子技術[J]， 2004，（12）：82-83.

[5] 杜子焓. 基于虛擬儀器的竊電預警系統設計. 電力與能源進展[J]， 2018， 6（4）： 152-160.

[6] 董瀚駿， 伍天澤， 黃渝強. 基于虛擬儀器的智能家居系統設計與實現. 計算機科學與應用[J]， 2016， 6（8）： 477-484.

[7]陳慧濤.基于LabVIEW陀螺電機自動化測試系統設計研究[D].華中科技大學，2016.

[8] 候國屏等. LabVIEW編程與虛擬儀器設計[M]. 北京：清華大學出版社，2005.

作者簡介：

黃為（1967-），男，漢族，湖北武漢人，華中科技大學人工智能與自動化學院，高級工程師，主要研究方向為傳感器技術、檢測技術應用及虛擬儀器研究。