基于LabVIEW的虛擬數(shù)字示波器設(shè)計(jì)

黃為　付宏濤

摘 要：利用LabVIEW集成開發(fā)環(huán)境，給出了虛擬數(shù)字示波器的具體設(shè)計(jì)思路與方法。所設(shè)計(jì)的虛擬示波器除了具有傳統(tǒng)數(shù)字示波器通用功能外，還增加了許多擴(kuò)展功能，如：濾波及加窗函數(shù)處理、頻譜分析、信號(hào)相關(guān)性分析、失真分析、波形的運(yùn)算等等，其成本低廉，功能可根據(jù)應(yīng)用的需要不斷地?cái)U(kuò)展。在相關(guān)的工程應(yīng)用以及電子、通信類學(xué)科的教學(xué)中有普遍的借鑒作用。

關(guān)鍵詞：LabVIEW;虛擬儀器;虛擬數(shù)字示波器;

0 引言

虛擬技術(shù)、計(jì)算機(jī)通信技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)被稱為21世紀(jì)科學(xué)技術(shù)中的三大核心技術(shù)。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)、信號(hào)分析與處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展及其在電子測量技術(shù)與儀器上的應(yīng)用，電子測量儀器的功能和作用發(fā)生了質(zhì)的變化[1-2]，從傳統(tǒng)的模擬儀器發(fā)展到數(shù)字化儀器，再到智能儀器及虛擬儀器。

傳統(tǒng)的儀器是由儀器廠家設(shè)計(jì)并定義好功能的一個(gè)的實(shí)體裝置，每種儀器只能實(shí)現(xiàn)一類特定的測量功能。數(shù)字化儀器的出現(xiàn)使測量儀器的應(yīng)用更加的靈活方便、精準(zhǔn)可靠，其中數(shù)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(nóng)業(yè)、軍事、科教中得到了廣泛的應(yīng)用。本設(shè)計(jì)中的虛擬示波器不僅實(shí)現(xiàn)了實(shí)際數(shù)字示波器的波形顯示及參數(shù)測量功能，而且還包含了許多傳統(tǒng)的數(shù)字示波器所不具備的功能，并且還可以根據(jù)需要有許多特定的功能擴(kuò)展。

1 虛擬儀器

虛擬儀器是虛擬技術(shù)的一個(gè)很重要的組成部分，虛擬儀器系統(tǒng)總體上是有硬件和軟件兩部分構(gòu)成，它最大限度的利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟、硬件資源，用功能強(qiáng)大的軟件去代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的大部分硬件功能來完成對信號(hào)數(shù)據(jù)的采集、運(yùn)算、分析及處理工作，實(shí)現(xiàn)了軟件即是儀器的思想，使測量儀器在系統(tǒng)開發(fā)、系統(tǒng)集成及功能擴(kuò)展等等方面得到了很大的進(jìn)步。

虛擬儀器具有研發(fā)周期短、成本低、性能高以及組建系統(tǒng)靈活等特點(diǎn)，而且易于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化，特別適應(yīng)于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)及科學(xué)研究所要求的測量與控制需求[3-4]。

虛擬儀器根據(jù)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(fā)軟件包括LabVIEW、LabWindows/CVI、VEE等，而以LabVIEW應(yīng)用最為廣泛[5-7]。LabVIEW是一種圖形化的編程語言，它用圖標(biāo)表示函數(shù)，用連線表示數(shù)據(jù)流。LabVIEW中包含了大量的工具與函數(shù)用于數(shù)據(jù)采集、分析、顯示、存儲(chǔ)及打印等等功能[8]。它的出現(xiàn)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(shè)計(jì)本身。

2 虛擬示波器硬件構(gòu)架

該虛擬示波器就是基于PXI總線式虛擬儀器來設(shè)計(jì)的。其硬件由PXIe-1071、PXIe-8840、 PXIe-6341及SCB-68A構(gòu)成的，如圖1所示。PXIe-1071是一個(gè)4槽機(jī)箱，接口是PXIe接口。PXIe-8840是用于PXI系統(tǒng)的嵌入式2.6GHZ四核處理器，它包含兩個(gè)10/100/1000BASE-TX以太網(wǎng)端口、兩個(gè)USB3.0端口和四個(gè)USB2.0端口以及一個(gè)集成硬盤驅(qū)動(dòng)器、串行端口和其他外設(shè)I/O。PXIe-6341是一個(gè)PXI多功能I/O模塊，它提供了模擬I/O、數(shù)字I/O和四個(gè)32位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器，用于PWM、編碼器、頻率、事件計(jì)數(shù)等應(yīng)用。SCB-68A用于DAQ設(shè)備的屏蔽式68針接線盒。它包括兩排I/O接線端，2個(gè)通用面包板區(qū)域以及板載冷端溫度補(bǔ)償傳感器。它用來連接傳感器及其他外來的測量信號(hào)。

3 虛擬示波器的軟件設(shè)計(jì)

本虛擬示波器主要由采集通道模塊、信號(hào)發(fā)生器模塊、波形測量模塊、波形顯示、運(yùn)算及分析等模塊組成，在前面板中設(shè)計(jì)了CH1和CH2兩個(gè)信道，分別由兩個(gè)布爾開關(guān)來控制通斷，用一個(gè)選項(xiàng)卡控件分別放置了仿真信號(hào)測量、實(shí)際信號(hào)測量、其它測量功能和其它擴(kuò)展功能四個(gè)選項(xiàng)，其中其它擴(kuò)展功能項(xiàng)可以作為今后示波器新增功能設(shè)計(jì)時(shí)備用，仿真信號(hào)測量項(xiàng)可以在CH1和CH2兩通道分別給出Sine、sawtoot、square、triangle等類型信號(hào)進(jìn)行測量并顯示，實(shí)際信號(hào)測量項(xiàng)是用于從采集卡輸入的實(shí)際信號(hào)的顯示與測量的。每個(gè)選項(xiàng)中包含有各自的參數(shù)設(shè)置。淡藍(lán)框區(qū)域?yàn)椴ㄐ物@示區(qū)域，顯示的波形可以沿時(shí)間軸進(jìn)行方便的時(shí)移。左下部分為信號(hào)參數(shù)測量部分，對信號(hào)的頻率、幅值、均值、最高低電平等等參數(shù)進(jìn)行測量并顯示其測量值。右中部分為時(shí)基調(diào)整旋鈕和一些開關(guān)控件以及CH1、CH2兩通道的幅值和偏移量調(diào)整旋鈕，由于旋鈕調(diào)整不易實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)整，所以分別都增加了一個(gè)用于細(xì)調(diào)的輸入控件，只要把光標(biāo)放在某一個(gè)位數(shù)上，再按左邊的上下加減按鈕就可以實(shí)現(xiàn)對波形的細(xì)微調(diào)整。右下部分為MATH功能區(qū)，也具有幅值和偏移量的粗、細(xì)調(diào)功能。在設(shè)計(jì)中還將CH1/CH2/MATH通道的波形以及其相應(yīng)的旋鈕分別用藍(lán)紅綠三種不同顏色來區(qū)分，使得觀測者一目了然。如圖2所示。

在通道設(shè)計(jì)中用一個(gè)選項(xiàng)卡控件和一個(gè)條件結(jié)構(gòu)控件來實(shí)現(xiàn)測量方式選擇功能，再用一個(gè)CH1和CH2開關(guān)控件和條件結(jié)構(gòu)控件來實(shí)現(xiàn)測量通道選擇功能，用波形發(fā)生器來產(chǎn)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(hào)的幅值和偏移量粗調(diào)，同時(shí)使用獲取波形成分和創(chuàng)建波形控件以及一些算術(shù)運(yùn)算操作來實(shí)現(xiàn)幅值和偏移量的細(xì)調(diào)。如圖4所示。

在MATH功能模塊設(shè)計(jì)中利用了幾個(gè)嵌套的條件結(jié)構(gòu)控件，并將CH1、CH2兩個(gè)布爾控件所產(chǎn)生的局部變量作為判斷條件來進(jìn)行相應(yīng)的MATH運(yùn)算，這樣可以避免在程序運(yùn)行當(dāng)中在MATH開關(guān)開啟時(shí)，若是先關(guān)掉CH1或CH2開關(guān)就會(huì)出現(xiàn)dt不同的錯(cuò)誤而造成程序意外終止的情況，程序設(shè)計(jì)如圖5所示。解決這種問題的另一個(gè)辦法是在條件結(jié)構(gòu)判斷前面先調(diào)整給定兩通道信號(hào)一致的dt值。

4 虛擬示波器信號(hào)實(shí)測

對于本虛擬示波器，我們進(jìn)行了實(shí)際信號(hào)的測量檢驗(yàn)。將信號(hào)發(fā)生器用信號(hào)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(shè)置為螺栓端子對應(yīng)的端口，待信號(hào)發(fā)生器輸出信號(hào)后即可用采集卡采集輸入信號(hào)，并顯示在波形圖上。信號(hào)發(fā)生器給定的信號(hào)是幅值2V、頻率50Hz的Sine和Square，用此虛擬示波器測得的信號(hào)參數(shù)和顯示的波形完全準(zhǔn)確。

5 結(jié)束語

利用虛擬技術(shù)設(shè)計(jì)的本虛擬示波器，設(shè)計(jì)界面清晰、簡潔，操作簡單方便、可靠，對實(shí)際信號(hào)能夠進(jìn)行準(zhǔn)確測量、顯示，并可以對其進(jìn)行各種數(shù)據(jù)分析和處理，且精度高，重復(fù)性好。本虛擬示波器留有擴(kuò)展區(qū)域，在此基礎(chǔ)上可根據(jù)工程實(shí)際需要添加其它特定功能，并把它集成到系統(tǒng)中，從而能更好地滿足工程需求。此設(shè)計(jì)對相應(yīng)專業(yè)的學(xué)生及工程應(yīng)用人員具有一定的借鑒作用。

參考文獻(xiàn)：

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

[2] 伍星華，王旭. 國內(nèi)虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用研究現(xiàn)狀及展望. 現(xiàn)代科學(xué)儀器[J]，2011，（4）：112-116.

[3] 李國原，馮啟高.虛擬儀器技術(shù)及其開發(fā)與應(yīng)用. 自動(dòng)化儀表[J]， 2002，23（7）：4-6.

[4] 姜志玲.虛擬儀器技術(shù)在自動(dòng)測試系統(tǒng)中的應(yīng)用. 現(xiàn)代電子技術(shù)[J]， 2004，（12）：82-83.

[5] 杜子焓. 基于虛擬儀器的竊電預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì). 電力與能源進(jìn)展[J]， 2018， 6（4）： 152-160.

[6] 董瀚駿， 伍天澤， 黃渝強(qiáng). 基于虛擬儀器的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn). 計(jì)算機(jī)科學(xué)與應(yīng)用[J]， 2016， 6（8）： 477-484.

[7]陳慧濤.基于LabVIEW陀螺電機(jī)自動(dòng)化測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[D].華中科技大學(xué)，2016.

[8] 候國屏等. LabVIEW編程與虛擬儀器設(shè)計(jì)[M]. 北京：清華大學(xué)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(xué)人工智能與自動(dòng)化學(xué)院，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)閭鞲衅骷夹g(shù)、檢測技術(shù)應(yīng)用及虛擬儀器研究。