段廣云

青海大學(xué)機(jī)械系，青海西寧 810016

示波器是生產(chǎn)實(shí)踐和科學(xué)研究中應(yīng)用十分廣泛的電子測(cè)量?jī)x器。虛擬儀器以計(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)鍵是用軟件來實(shí)現(xiàn)硬件的功能，實(shí)現(xiàn)“軟件即儀器”[1]。本文應(yīng)用虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)LabVIEW開發(fā)了一種虛擬示波器，不僅擴(kuò)展了示波器的分析和計(jì)算能力，而且降低了儀器的價(jià)格，增強(qiáng)了儀器的通用性。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 儀器的結(jié)構(gòu)框圖

圖1 虛擬示波器結(jié)構(gòu)框圖

虛擬示波器的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由數(shù)據(jù)采集卡、通信接口和和虛擬儀器用戶界面組成。其中數(shù)據(jù)采集卡主要負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)，經(jīng)信號(hào)調(diào)理后由單片機(jī)控制數(shù)據(jù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換及讀取，并把讀取的數(shù)據(jù)經(jīng)USB通信接口送入計(jì)算機(jī)。而虛擬儀器用戶界面主要完成單片機(jī)信號(hào)的接收和處理，并直觀的顯示在儀器面板上，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的儀器測(cè)量功能。

1.2 數(shù)據(jù)采集卡

鑒于經(jīng)濟(jì)性與靈活性的考慮，本系統(tǒng)采用自行設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集卡。以P89S935單片機(jī)作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的控制核心，包括信號(hào)調(diào)理電路、單片機(jī)外圍電路、USB外圍電路4大部分，主要完成現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的采集、轉(zhuǎn)換及讀取，并把讀取的數(shù)據(jù)經(jīng)USB通信接口送入計(jì)算機(jī)。

1.3 虛擬示波器功能設(shè)計(jì)

虛擬示波器的設(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)行了擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)了波形顯示、存儲(chǔ)和時(shí)域、頻域參數(shù)自動(dòng)測(cè)量、顯示、查詢等功能，如圖2所示。虛擬示波器的主要技術(shù)指標(biāo)：

采樣速率：100kb/s；

采樣精度：0.390625%；

波形顯示模式：雙通道A、B；

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：硬盤。

2 儀器軟件設(shè)計(jì)

2.1 虛擬儀器軟件開發(fā)工具

虛擬示波器軟件設(shè)計(jì)采用的NI公司的虛擬儀器開發(fā)工具LabVIEW。使用LabVIEW開發(fā)平臺(tái)編制的虛擬儀器程序VI包括3個(gè)部分：程序前面板、框圖程序和圖標(biāo)/連接器。程序前面板用于設(shè)置輸入數(shù)值和觀察輸出量，生成模仿傳統(tǒng)儀器的控制面板[2]。每一個(gè)程序前面板都對(duì)應(yīng)著一段框圖程序?？驁D程序用LabVIEW圖形編程語(yǔ)言編寫，類似傳統(tǒng)程序的源代碼。圖標(biāo)/連接器是子程序SubVI被其它VI調(diào)用的接口。LabVIEW采用的是自上向下的模塊化編程方法，所生成的各個(gè)子程序有利于主程序的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[2]。這種設(shè)計(jì)方法可大大減小虛擬儀器開發(fā)的難度，利于儀器開發(fā)人員之間的分工協(xié)作。

圖2 虛擬示波器功能框圖

2.2 虛擬示波器的軟件結(jié)構(gòu)

虛擬示波器主要由軟件來完成信號(hào)的采集、處理和輸出。系統(tǒng)軟件包括前面板生成、儀器主要功能包括：通道選擇、時(shí)基幅值控制、濾波器、信號(hào)發(fā)生器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與回放等。主程序如圖3所示。

3 儀器前面板設(shè)計(jì)

虛擬示波器操作界面的設(shè)計(jì)總體上包括通道選擇、參數(shù)測(cè)量、信號(hào)仿真、濾波器、時(shí)基幅值控制、數(shù)據(jù)回放六部分。能實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行濾波、模擬數(shù)據(jù)采集信號(hào)、調(diào)整頻率振幅等簡(jiǎn)單的控制而后顯示波形。而此次研究的目的主要是針對(duì)基于USB虛擬示波器操作界面程序的設(shè)計(jì)，虛擬示波器的前面板設(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)旋鈕、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[3]。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的虛擬示波器實(shí)現(xiàn)了波形的自動(dòng)測(cè)量、分析、處理功能，節(jié)省了時(shí)間，提高了參數(shù)測(cè)量的精度，實(shí)現(xiàn)了波形、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和顯示，具有波形的濾波與顯示功能。虛擬示波器的波形仿真、暫停等功能也為儀器的使用帶來了方便。實(shí)際應(yīng)用表明，該虛擬示波器具有集成度高、功能強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)示波器功能的基礎(chǔ)上增加軟件設(shè)計(jì)，能輕易地實(shí)現(xiàn)頻譜分析、萬用表、頻率計(jì)等功能，實(shí)現(xiàn)儀器的一機(jī)多用。

圖3 虛擬示波器程序框圖

[1]唐求，騰召勝，黃鴻鳴.基于LabVIEW 多功能虛擬示波器設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2007，23(1-1)：151-152.

[2]楊樂平，李海濤，趙勇，等.LabVIEW高級(jí)程序設(shè)計(jì)[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2003.

[3]謝啟，溫曉行，高琴妹，等.LabVIEW 軟件中菜單形式的用戶界面設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2005，21(9-1)：88-90.