基于LabVIEW的示波器采集系統設計

（西京學院，陜西 西安 710000）

0 引言

示波器作為信號測量領域的高精度儀器，廣泛應用于信號采集、材料老化測試等領域。其優點為波形測量的精度和采樣頻率高。但在材料老化測試等領域應用卻有其局限性。

（1）單次顯示時間短：示波器最大顯示采樣時間僅有50 s，對于長時間的波形觀測，需要對前次波形回放，但波形回放操作煩瑣，必須要24 h不停監測。

（2）距離設備現場近：示波器的探頭線長有限，不能遠離設備現場，考慮到設備運行有一定危險性，要求測試人員能夠遠程讀取示波器。

針對以上局限，文章提出了一種示波器采集存儲系統的設計，該系統可以通過TCP協議遠程對示波器進行實時讀取、參數設定等，并且能夠方便地保存及回放波形[1]。

1 LabVIEW與示波器

1.1 LabVIEW與VISA協議

LabVIEW是由美國國家儀器（NI）公司研制開發的一種程序開發環境，相較于C和Python等文本編程語言，LabVIEW使用的圖形化編程語言—G語言，讓用戶能夠較快掌握。其程序的框架易于讀取，后期維護較為方便。

N I公司參與制定的虛擬儀器軟件結構（Virtual Instrument Software Architecture，VISA）是VXI plug&play聯盟制定的I/O接口軟件標準及其規范的總稱。作為一種通用的規范，它獨立于操作系統、硬件設備、編程語言等，因此可以廣泛適用于各種儀器接口。而LabVIEW自帶的VISA庫包含各種VISA函數，可以方便快捷地與示波器等硬件進行通信。

1.2 示波器與可編程儀器標準命令

示波器的控制指令是基于可編程儀器標準命令（Standard Commands for Programmable Instruments，SCPI）,SCPI是一種建立在現有標準IEEE 488.1和IEEE 488.2基礎上，遵循了IEEE 754標準中浮點運算規則、ISO646信息交換7位編碼符號等多種標準的標準化儀器編程語言。它規定了在控制器到儀器和儀器到控制器之間信息交換層消息的內容和構造，從而以一種標準的方式來描述各種各樣的儀器功能，其目的在于減少自動測試設備的程序開發時間。

2 LabVIEW波形采集的實現

LabVIEW的VISA庫如圖1所示，包含VISA寫入、VISA讀取、高級VISA等函數，使用這些函數能夠簡化與示波器建立通信的操作。另一方面，示波器與PC間的通信協議為RS232，將PC與示波器用USB線連接后，硬件環境搭建完畢，此時運行程序即可讀取到示波器所采集的波形。

圖1 LabVIEW的VISA函數庫

設定采集通道為CH2，信號源為標準5 V/1 kHZ的脈沖信號，運行程序以讀取采集到的波形，可以看到，波形與示波器屏幕顯示的波形完全一致。圖2為與示波器屏幕1∶1的波形顯示。

圖2 上位機波形顯示

在實際應用過程中，測試人員希望能夠直接在PC端設定示波器的參數，從而達到較好的顯示效果[2]。示波器可設置的參數包括：電壓檔位、偏移量；時基檔位、偏移量；觸發通道以及電壓等，通過相應的SCPI指令可以分別對其設定，可以達到遠程對示波器操作的目的[3]。其操作界面如圖3所示。

3 波形存儲及回放

示波器檢測設備工作狀態情況下，需要長時間對設備進行檢測。但是測試人員希望能夠將波形保存，并且在期望的時候回放歷史波形。示波器能夠回放波形，但是操作較為煩瑣，而且保存設定需要在示波器界面進行設定。本設計中示波器返回的點不僅用于實時顯示，還將數據值以幀為單位保存為逗號分隔符（.csv）文件。測試人員可以按頁讀取歷史波形，從而方便快捷地瀏覽歷史波形。圖4為示波器主界面。

在使用過程中，并不能保證每次保存的波形，都能較好地反應出期望的變化范圍。這種情況下，人們希望可以對某一幀的波形進行縮放和調整。如本設計中的電壓檔位為5 V，界面上邊緣的電壓為20 V，但在波形回放時候希望能夠放大某一部分的變化。例如設定Y軸上下限的值，可以得到較好的顯示效果。圖5是對Y軸上下限設定過后的波形顯示。

4 遠端控制及TCP通信

RS232的通信距離僅有數米，示波器的探頭長度更短。因此，若要同時監控多臺設備的工作狀態，就必須利用遠端通信，擺脫距離的限制。本設計采用TCP/IP通信協議作為遠程通信方式。TCP/IP傳輸協議，即傳輸控制/網絡協議，也叫作網絡通信協議。它是在網絡中最基本的通信協議。通過TCP/IP協議和本地網絡接線，測試人員就可以在總控室而非現場工作。

LabVIEW中TCP/IP函數庫包含打開連接、讀取數據、寫入數據和關閉連接等函數[4]，如圖6所示。

通過這些函數，可以搭建一個TCP/IP通信框架，從而實現遠程讀取及控制。

圖3 示波器參數設置界面

圖4 示波器主界面

圖5 對Y軸上下限設定的波形顯示

圖6 TCP/IP函數庫

5 結語

本文提出了基于LabVIEW的示波器采集系統的設計，利用LabVIEW的硬件通信，給用戶提供了簡潔明了的界面和完備的波形回放功能，以及方便快捷的參數設置，實現了對設備的遠程監控。通過測試，本設計能夠較好地達到預期要求。