基于LabVIEW 的數字式虛擬示波器

趙 婕

(太原大學 計算機工程系，山西 太原 030032)

基于LabVIEW 的數字式虛擬示波器

趙 婕

(太原大學 計算機工程系，山西 太原 030032)

虛擬儀器是虛擬現實技術在儀器業中的應用，是一種較先進的儀器設計技術。LabVIEW是針對虛擬儀器開發而設計的開發平臺，它的出現大大方便了虛擬儀器的設計和開發。將先進的儀器開發軟件LabVIEW與普通數據采集卡結合使用，構建數字式虛擬示波器，不但可以實現傳統示波器，而且還增加了小波消噪等功能。

虛擬儀器;示波器;傳感器;信號處理;信號測量

0 引言

虛擬儀器是隨著計算機技術、現代測量技術發展起來的新型高科技產品，代表著當今儀器發展的一個新方向［1，2］。LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是美國國家儀器公司NI推出的用于虛擬儀器開發的工程軟件包，是一種圖形化的編程語言即 G語言(Graphics Language)［3］。

本文所述的是基于USB數據采集卡，以Lab-VIEW為軟件開發平臺的虛擬實驗儀器的開發和研究。文章圍繞虛擬示波器設計信號處理、數據讀取與存儲模塊，設計了小波處理模塊，實現對歷史信號的處理。

圖1 數據采集系統的硬件基本組成

1 數據采集與數據采集卡

數據采集是測試測量的首要任務，而數據采集技術是LabVIEW的核心技術之一，也是Lab-VIEW與其他編程語言相比的優勢所在。使用LabVIEW語言中的DAQ技術，可以編寫出強大的數據采集應用軟件，方便測試的進行。由于數據采集系統的核心是計算機，它對整個系統進行控制和數據處理。

計算機數據采集系統包括硬件和軟件兩大部分，硬件部分又可分為模擬部分和數字部分，計算機數據采集系統的硬件基本組成如圖1所示。

本文所用的是MP422數據采集卡。它是一款USB2.0總線16位中速采集模塊，具有16路模擬輸入、開關量16路輸入/16路輸出、二路12位DA。采用USB2.0總線，支持即插即用、實時采集。MP422內置512K Byte DFIFO，采集支持內、外部觸發采集模式。MP422針對LabVIEW用戶給出了相應的接口函數，這些接口函數被集成在動態鏈接庫中［4，5］，可以通過 LabVIEW 中的Call Library Function Node節點調用。

2 虛擬示波器設計

本文采用實時采樣顯示的方法，可以對任意的波形進行測量。所設計的虛擬示波器是利用USB接口的數據采集卡以及計算機進行數據的采集、存儲、處理以及相應的顯示。工作原理框圖如圖2所示。

圖2 虛擬示波器工作原理框圖

在設計虛擬示波器時參考了傳統示波器的功能，同時結合了虛擬儀器的特點和計算機強大的信息處理能力，在儀器功能上進行了擴展，可實現波形的顯示、存儲和時域、頻域參數的測量、顯示。主要的技術參數為：采樣速率：100kHz;采樣位數：16位;波形顯示模式：可單通道顯示、雙通道［6］顯示以及波形的相加、相減;游標：根據使用可設置為自由拖拽或者在相應的曲線上滑動;數據存儲方式：使用LabVIEW中的特有存儲格式(lvm)，也可存儲為表格的形式;數據直接保存在計算機硬盤當中。

3 虛擬示波器軟件設計

虛擬示波器主要由數據采集卡完成信號的采集，并傳輸給計算機;軟件主要包括數據采集卡的參數設置、數據處理、波形顯示、參數測量、數據記錄等模塊。主要的程序結構框圖如圖3所示，虛擬示波器的前面板顯示如圖4所示，采集、處理、顯示部分程序框圖如圖5所示。

圖3 虛擬示波器軟件結構框圖

圖4 虛擬示波器的前面板顯示

圖5 采集、處理、顯示部分程序框圖

4 小波消噪模塊

在LabVIEW中，可以通過MATLAB腳本節點，使用MATLAB進行部分的數據處理，實現與MATLAB之間的數據交換［7］。本文在設計虛擬示波器時，加入了小波模塊，可以實現小波消噪。其中所使用的幾種簡單的小波函數如下：1)Haar小波，2)Daubechies(dbN)小波系，3)SymletsA(symN)小波系，4)Coiflet(coifN)小波系。

5 虛擬儀器性能測試

1)常規波形測試

主要使用虛擬儀器平臺部分中的虛擬示波器以及信號分析部分對常規波形如正弦波、三角波、鋸齒波進行波形的采集;同時使用常規示波器進行采集對比，檢測虛擬儀器對波形測量的精度以及可能出現的一些問題。

用于測試虛擬示波器性能的主要試驗儀器為：計算機、虛擬示波器、Tektronix TDS210示波器、Tektronix AFG310信號發生器。虛擬示波器與TDS210示波器所采集到的信號波形及參數顯示如圖6所示。為方便對比，將采集的信號參數列入表格如表1所示。

圖6 50Hz～1V，正弦信號，虛擬示波器與TDS210示波器采集波形及參數顯示

表1 虛擬示波器與TDS210示波器常規波形采集對比

通過表1可知，當所需采集的信號為常規波形信號且頻率較低時，虛擬示波器與TDS210示波器所測量的信號參數基本一致;通過圖6的波形對比和表1的數據對比，可以認為這時虛擬示波器和TDS210示波器采集結果是一致的，即在采集低頻信號時，虛擬示波器可以替代常規示波器進行信號采集。

2)小波消噪測試

對于小波處理部分，可以進行簡單的消噪處理，這里使用了由LabVIEW中的波形生成模塊產生一個含噪信號，信號及噪聲見圖7。

圖7 原始信號、噪聲及加噪信號

使用小波模塊進行處理，選擇不同的小波，圖8是采用Haar小波進行處理時的結果，分解層數為2層。

圖8 Haar小波2層分解處理結果

圖9 db4小波處理結果

選取不同的小波對原始信號進行消噪處理，發現，當采用db4小波進行處理時，效果較好，結果如圖9所示。

6 虛擬儀器平臺性能分析

1)頻率錯誤

圖10 USR3信號，虛擬示波器與TDS210示波器采集波形及參數顯示

加入圖10所示USR3信號，虛擬示波器采集的波形出現圖10中的現象。

當信號頻率過高時，虛擬示波器出現失真現象，這是由于所使用的數據采集卡采集的最高采集速率為200kHz，而當采用雙通道時，單一通道的最高頻率為100kHz。根據采樣定理可知，在進行模擬/數字信號的轉換過程中，當采樣頻率fs.max大于信號的最高頻率fmax的2倍時，即：fs.max＞=2fmax，則采樣之后的數字信號完整地保留了原始信號中的信息。當信號發生器輸出USR3信號時，其信號中包含的最高頻率約為60kHz，采樣頻率 fs.max ＜ =2fmax，因此發生了信號失真現象，而所測得的信號的信息已經變為錯誤信號的參數。因此，在實際應用中保證采樣頻率為信號最高頻率的5～10倍，才能不影響對波形信號的觀測。

2)數據點丟失

使用虛擬示波器可以對所采集的信號進行存儲，存儲格式為LVM格式，而當對存儲的數據文件進行讀取還原波形時，會出現圖11中的情況。

所存儲的波形為700Hz的正弦波，由圖11可以看出，讀取的數據文件在0.3s時(圖中矩形框部分)波形銜接出現了問題，顯示的不再是完整的周期性正弦曲線，而是由兩部分正弦曲線連接而成的。此時對頻率的測量基本正確。

軟件設計中，設置的AD采集時長越長，所丟失的數據點數越多，因此在能獲取足夠的點數進行波形的顯示時，應盡量的減少AD采集時長。這樣能減少數據點的丟失，但是不能完全避免。要解決數據點丟失，波形無法正確銜接的問題，即需要使用雙緩沖區的數據采集卡。當對一個緩沖區A內的數據進行讀取時，AD轉換繼續進行，并將轉換后的數據存儲在另一緩沖區B內，在下次讀取時，硬件電路將選擇緩沖區B讀取數據，而AD轉換的數據將存儲在緩沖區A中。這樣交替進行數據的存儲和讀取，實現波形的無間斷采集。

圖11 對存儲的數據文件進行讀取時所還原的波形

7 結束語

能夠將先進的儀器開發軟件LabVIEW與普通數據采集卡很好的結合起來使用，是很多工程技術人員所希望的。在本文中，設計了以MP422數據采集卡為硬件平臺，基于LabVIEW的數字式虛擬示波器。除了能夠實現傳統示波器的功能外，還設計了濾波、頻譜分析以及相關的參數測量模塊，可以對記錄的數據文件進行波形的還原以及相關的處理，并添加了小波模塊。最后對虛擬示波器進行了測試，發現并解決了出現的問題，為虛擬儀器的使用提供了保障。

［1］李青霞，任焱晞.虛擬儀器綜述［J］.現代科學儀器，1999(4).

［2］楊忠仁，等.基于LabVIEW數據采集系統［J］.重慶大學學報(自然科學版)，2004，27(2)：32 －35.

［3］尹秉奎，徐敏，黃鎮昌.基于LabVIEW的噪聲測試分析儀［J］.現代制造工程，2006(9)：87－89.

［4］葉子郁，朱目成.基于動態鏈接庫的LabVIEW高級應用［J］.儀器儀表用戶，2005(2).

［5］賴永泉，王毅，曹銀強.基于DLL的虛擬儀器系統開發技術［J］.自動化技術與應用，2005(4).

［6］羅光坤，張令彌.多通道虛擬動態測試分析系統的設計［J］.振動測試與診斷，2007，27(1)：40 －44.

［7］江煒煒，呂曄，王代強.虛擬儀器中基于小波包變換的信號去噪［J］.重慶工學院學報(自然科學版)，2008，22(5)：88－90.

Virtual Digital Oscilloscope Base on LabVIEW

ZHAO Jie
(Department of Computer Engineering，Taiyuan University，Taiyuan 030032，China)

Virtual instrument is an application of virtual reality technology in instrument industry.And it is a more advanced instrument design technology.LabVIEW is the platform for virtual instrument development.The appearance of it facilitates the design and development.Using advanced development software LabVIEW and general data acquisition card，digital virtual oscilloscope is built.Not only the traditional oscilloscope is realized，but also the wavelet denosing functions etc.have been added.

virtual instrument;oscilloscope;sensor;signal processing;signal measurement

TM935.3;TP391.9

A

1671－5977(2011)04－0122－04

2011-10-20

趙 婕(1978-)，女，山西孝義人，太原大學計算機工程系講師。

袁太生］