摘 要：根據(jù)高等工科院校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中實(shí)驗(yàn)設(shè)備緊張的現(xiàn)實(shí)，介紹虛擬平臺(tái)下虛擬儀器的開發(fā)，并用LabVIEW軟件結(jié)合PCI-6024E數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一款虛擬數(shù)字存儲(chǔ)示波器，該示波器具有波形顯示、讀寫、存儲(chǔ)、打印和測(cè)量參數(shù)數(shù)字顯示功能。實(shí)際使用結(jié)果表明，示波器精度和穩(wěn)定性都能滿足使用要求。在此基礎(chǔ)上增加軟件設(shè)計(jì)，還可實(shí)現(xiàn)頻譜分析儀，萬(wàn)用表，頻率計(jì)等功能，實(shí)現(xiàn)儀器的一機(jī)多用。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器；數(shù)字示波器；數(shù)據(jù)采集；LabVIEW

中圖分類號(hào)：TM935 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1004-373X(2008)02-180-03

Design and Implementation of the Oscilloscope with Virtual Instrumentation

HU Yaqi1，XIA Baohua2

(1.School of Electronic and Information Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou，730070，China;

[JZ]2.The First Middle School of Northwest Normal University，Lanzhou，730070，China)[HJ1*5][HJ]

[HJ*2]Abstract：In view of the fact that equipments are deficient in engineering colleges′experimental teaching，the development of virtual instrument on virtual platform is introduced.With LabVIEW software and data acquisition card PCI-6024E，a virtual digital storage oscilloscope is designed and implemented.This oscilloscope provides the functionalities of waveform display，I/O，storage，print and digital display of measurement parameters.The actual application result shows that the accuracy and stability of the virtual oscilloscope meet the requirement.With more software enhancement，the virtual oscilloscope achieves multi-purpose and can be used as spectrum analyzer，multimeter，frequency meter and so on.

Keywords：virtual instrumentation;digital oscilloscope;data acquisition;LabVIEW[HJ1*3][HJ]

在高等院校理工科教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是整個(gè)教學(xué)過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，特別是基礎(chǔ)課、專業(yè)基礎(chǔ)課的實(shí)驗(yàn)教學(xué)在本科教學(xué)中尤為重要，他對(duì)學(xué)生的專業(yè)知識(shí)起著有效的支撐作用。但是，近年來(lái)隨著學(xué)生人數(shù)的增加、實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革不斷深入，原有實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備和規(guī)模難以滿足發(fā)展的需要。虛擬儀器的出現(xiàn)很好地解決了這些問(wèn)題。虛擬儀器是以計(jì)算機(jī)為核心，功能由用戶定義和設(shè)計(jì)，具有虛擬面板，其測(cè)試功能由測(cè)試軟件實(shí)現(xiàn)。虛擬儀器的關(guān)鍵是用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)硬件的功能，實(shí)現(xiàn)“軟件即儀器”。本文應(yīng)用虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)LabVIEW開發(fā)了一種多功能虛擬示波器，不僅擴(kuò)展了示波器的分析和計(jì)算能力，還降低了儀器的價(jià)格，增強(qiáng)了儀器的通用性，實(shí)現(xiàn)了波形顯示、存儲(chǔ)、打印和讀取以及多個(gè)測(cè)量參數(shù)自動(dòng)顯示、相位差自動(dòng)計(jì)算等功能。

1 虛擬儀器的系統(tǒng)構(gòu)成

虛擬儀器由硬件和軟件2大部分構(gòu)成(見(jiàn)圖1)。

虛擬儀器硬件通常包括通用計(jì)算機(jī)和外圍設(shè)備。外圍硬件設(shè)備可以選擇GPIB系統(tǒng)、VXI系統(tǒng)、PXI系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)或其他系統(tǒng)，也可選擇由2種或2種以上系統(tǒng)構(gòu)成的混合系統(tǒng)。其中，最簡(jiǎn)單、最廉價(jià)的形式是采用基于ISA或PCI總線的數(shù)據(jù)采集卡，及基于RS 232或USB總線的便攜式數(shù)據(jù)采集模塊。

虛擬儀器的軟件包括操作系統(tǒng)、儀器驅(qū)動(dòng)器和應(yīng)用軟件3個(gè)層次。操作系統(tǒng)可以選擇Windows 2000/NT/XP/Me，SUNOS，Linux等。儀器驅(qū)動(dòng)器軟件是直接控制各種硬件接口的驅(qū)動(dòng)程序，應(yīng)用軟件通過(guò)儀器驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)與外圍硬件模塊的通信連接。應(yīng)用軟件包括實(shí)現(xiàn)儀器功能的軟件程序和實(shí)現(xiàn)虛擬面板的軟件程序，用戶通過(guò)虛擬面板與虛擬儀器進(jìn)行交流。為了方便儀器制造商和用戶進(jìn)行儀器驅(qū)動(dòng)器和應(yīng)用軟件的開發(fā)，HP，NI等公司推出了專用于虛擬儀器開發(fā)的集成開發(fā)環(huán)境，目前流行的有HP VEE，LabVIEW，LabWindows/CVI等。

2 虛擬儀器平臺(tái)下示波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，示波器使用最為廣泛。傳統(tǒng)示波器功能比較單一、測(cè)試準(zhǔn)確度較差，而目前的數(shù)字存儲(chǔ)示波器雖然測(cè)試準(zhǔn)確度較好，且具有較強(qiáng)的數(shù)字化處理能力，但是這種示波器價(jià)格昂貴，儀器功能模塊固定，不具備用戶對(duì)儀器進(jìn)行定義和用戶編程的功能。本文介紹根據(jù)實(shí)際教學(xué)的需要，開發(fā)研制的虛擬示波器。

2.1 設(shè)計(jì)要求

根據(jù)實(shí)際需要，示波器的設(shè)計(jì)參考了傳統(tǒng)示波器的功能，并結(jié)合虛擬儀器的特點(diǎn)與計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的信息處理能力，在功能上進(jìn)行擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)了波形顯示、存儲(chǔ)、打印和時(shí)域、頻域參數(shù)自動(dòng)測(cè)量、顯示、查詢以及相位差的自動(dòng)計(jì)算功能。結(jié)構(gòu)如圖2所示。

主要技術(shù)指標(biāo)：采樣速率200 kb/s;采樣位數(shù)12 b;波形顯示模式雙通道X-Ymode;定位標(biāo)尺2個(gè);數(shù)據(jù)存儲(chǔ)硬盤或軟盤。

2.2 硬件組成

本設(shè)計(jì)采用PCI-DAQ的構(gòu)成方式，由數(shù)據(jù)采集（Date Acquisition，DAQ），接口總線、硬件驅(qū)動(dòng)程序和虛擬示波器軟件構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

信號(hào)檢測(cè)電路通過(guò)多路傳感器檢測(cè)各種被測(cè)信號(hào)的物理量，然后經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)采集卡所需的信號(hào)送入數(shù)據(jù)采集卡（由硬件程序驅(qū)動(dòng)），通過(guò)系統(tǒng)總線送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。巡回采集并由可編程放大器放大信號(hào)，經(jīng)采樣保持和ADC單元被量化成數(shù)字信號(hào)，進(jìn)入微機(jī)相應(yīng)的儲(chǔ)存單元，在屏幕上顯示出測(cè)量波形。

數(shù)據(jù)采集卡采用美國(guó)NI公司生產(chǎn)的多功能接口卡PCI-6024E，他集12位A/D。12位D/A，16路單端接地的模擬輸入通道，8位或者24位并引輸入/輸出線及2路24位定時(shí)/計(jì)數(shù)器為一體。支持DMA方式和雙緩沖區(qū)模式，保證了實(shí)時(shí)信號(hào)不間斷采集和存儲(chǔ)，在雙極性時(shí)，輸入電壓范圍選擇有100 mV，1 V，10 V，20 V四種，他的最高采樣速率為200 kb/s。PCI-6024E為數(shù)據(jù)采集卡用Date Acquisition子模板實(shí)現(xiàn)對(duì)他的驅(qū)動(dòng)，在軟件驅(qū)動(dòng)前利用Measurement and Automation 軟件對(duì)他進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。

2.3 軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

軟件設(shè)計(jì)是虛擬示波器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。在本設(shè)計(jì)中采用LabVIEW作為軟件開發(fā)工具，LabVIEW是一種基于G語(yǔ)言的虛擬儀器軟件開發(fā)工具，應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集和控制，數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)表達(dá)等方面。利用LabVIEW設(shè)計(jì)虛擬儀器軟件主要有外部硬件與驅(qū)動(dòng)程序，儀器面板與儀器功能程序2部分。虛擬示波器軟件設(shè)計(jì)主要包括前面板和框圖程序的設(shè)計(jì)，前面板是用來(lái)操作各種控件和觀測(cè)輸入信號(hào)的波形及頻譜的用戶界面；框圖程序用來(lái)控制數(shù)據(jù)的流動(dòng)方向，完成系統(tǒng)的編程，虛擬示波器的軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

2.3.1 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

（1） SelcetDevicePop.Vi用戶選擇數(shù)據(jù)采集卡，DeviceOpen.Vi加載設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序到內(nèi)存，并確定設(shè)備的類型，完成對(duì)設(shè)備的類型，完成對(duì)設(shè)備的初始化，使設(shè)備做好I/O準(zhǔn)備工作。若設(shè)備驅(qū)動(dòng)成功返回一個(gè)非0的設(shè)備句柄，若失敗則返回0。利用MAIConfig.Vi配置多通過(guò)模擬輸入所需的參數(shù)。

（2） 利用一個(gè)While循環(huán)以及MAIVohageIn.Vi將采集到的數(shù)據(jù)不停地從設(shè)備的緩存中讀出。

（3） 完成數(shù)據(jù)采集后，利用DeviceClose.Vi關(guān)閉打開的設(shè)備，如果程序出錯(cuò)，提示信息顯示在Errmsg指示中。 2.3.2 波形實(shí)時(shí)顯示設(shè)計(jì)

通過(guò)LabView的Waveform Chant控件實(shí)現(xiàn)波形的實(shí)時(shí)顯示；旋轉(zhuǎn)位置旋鈕時(shí)可以調(diào)整波形的位置，旋轉(zhuǎn)VOLTS/DIV旋鈕時(shí)可以調(diào)整波形的幅值比例；調(diào)整SEC/DIV旋鈕時(shí)可調(diào)整波形的時(shí)間分度值。

2.3.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模擬設(shè)計(jì)

利用Open/Creat/Replace.Vi建立存放數(shù)據(jù)文件的路徑、格式、名稱，Write File控件把采集的數(shù)據(jù)寫入事先建好的數(shù)據(jù)文件內(nèi)；Get Date/Time String控件是用來(lái)獲取每個(gè)時(shí)刻存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的時(shí)間；Array To Spreadsheet String控件是把采集卡采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行格式整理，輸出到Concatenate Strings控件內(nèi)，在此控件內(nèi)把采集的數(shù)據(jù)再次整理，形成可回放顯示的字符串，為回放測(cè)量模塊做準(zhǔn)備。

在程序運(yùn)行開始時(shí)先設(shè)定好存儲(chǔ)路徑，在需要存儲(chǔ)時(shí)，按下存儲(chǔ)按鈕，便立刻對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存；當(dāng)按下停止按鈕停止存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的及時(shí)存取。

2.3.4 打印輸出模塊設(shè)計(jì)

打印輸出模塊主要對(duì)圖形曲線打印。該模塊主要有New Report.Vi，Append Comtrol Image to Report.Vi，Print Report.Vi，Dispose Report.Vi四個(gè)Sub.Vi實(shí)現(xiàn)。New Report.Vi創(chuàng)建一個(gè)打印報(bào)告，Append Comtrol Image to Report.Vi.把要打印的數(shù)據(jù)映射到報(bào)告內(nèi)，Print Report.Vi執(zhí)行打印報(bào)告，Dispose Report.Vi執(zhí)行關(guān)閉打印報(bào)告。虛擬示波器程序流程圖如圖5。

2.4 前面板設(shè)計(jì)

前面板設(shè)計(jì)模仿傳統(tǒng)示波器形式，利用軟件生成了顯示窗、調(diào)節(jié)按鈕、開關(guān)鍵等部件，但儀器的操作、調(diào)節(jié)均由鼠標(biāo)操作完成，示波器的前面板如圖6所示。

3 結(jié)果分析

本文中的虛擬示波器設(shè)計(jì)參考HP公司的雙通四臺(tái)式數(shù)字存儲(chǔ)示波器HP54603B的功能，并在儀器分析和處理功能上有所擴(kuò)展。本系統(tǒng)中的虛擬示波器與HP54603B的功能比較如表1所示。本虛擬示波器不僅具有一般臺(tái)式數(shù)字存儲(chǔ)示波器的功能，而且充分發(fā)揮了計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的功能和軟件設(shè)計(jì)的靈活性，在顯示、參數(shù)測(cè)量、存儲(chǔ)等方面優(yōu)于傳統(tǒng)示波器。其具有很好的擴(kuò)展性，可以通過(guò)修改或增加軟件模塊，形成新的儀器功能。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］楊樂(lè)平，李海濤.LabVIEW程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用［M］.2版.北京：電子工業(yè)出版社，2004.

［2］趙全兵.虛擬儀器技術(shù)規(guī)范與系統(tǒng)集成［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2003.

［3］周求諶.虛擬儀器與LabVIEWTM7 Express程序設(shè)計(jì)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

［4］NI.NI DAQ User Manual for PC Compatibles［M］.USA:National Instrument Corporation，2001.

［5］Jeffry Travis.Intemet Applications in LabVIEW［M］.Prentice-Hall，2000.

［6］ [美]Richard G Lyons.Understanding Digital Signal Processing［M］.2nd Edition.Pearson Education Asia Ltd，2005.

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注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。