段廣云

青海大學機械系，青海西寧 810016

示波器是生產(chǎn)實踐和科學研究中應用十分廣泛的電子測量儀器。虛擬儀器以計算機為核心，功能由用戶定義和設計，具有虛擬面板，其測試功能由測試軟件實現(xiàn)。虛擬儀器的關鍵是用軟件來實現(xiàn)硬件的功能，實現(xiàn)“軟件即儀器”[1]。本文應用虛擬儀器開發(fā)平臺LabVIEW開發(fā)了一種虛擬示波器，不僅擴展了示波器的分析和計算能力，而且降低了儀器的價格，增強了儀器的通用性。

1 系統(tǒng)硬件設計

1.1 儀器的結構框圖

圖1 虛擬示波器結構框圖

虛擬示波器的總體結構如圖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)采集卡主要負責采集現(xiàn)場的信號，經(jīng)信號調理后由單片機控制數(shù)據(jù)的模數(shù)轉換及讀取，并把讀取的數(shù)據(jù)經(jīng)USB通信接口送入計算機。而虛擬儀器用戶界面主要完成單片機信號的接收和處理，并直觀的顯示在儀器面板上，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的儀器測量功能。

1.2 數(shù)據(jù)采集卡

鑒于經(jīng)濟性與靈活性的考慮，本系統(tǒng)采用自行設計數(shù)據(jù)采集卡。以P89S935單片機作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的控制核心，包括信號調理電路、單片機外圍電路、USB外圍電路4大部分，主要完成現(xiàn)場信號的采集、轉換及讀取，并把讀取的數(shù)據(jù)經(jīng)USB通信接口送入計算機。

1.3 虛擬示波器功能設計

虛擬示波器的設計參考了傳統(tǒng)示波器的功能，并結合虛擬儀器的特點與計算機強大的信息處理能力，在功能上進行了擴展，實現(xiàn)了波形顯示、存儲和時域、頻域參數(shù)自動測量、顯示、查詢等功能，如圖2所示。虛擬示波器的主要技術指標：

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：硬盤。

2 儀器軟件設計

2.1 虛擬儀器軟件開發(fā)工具

虛擬示波器軟件設計采用的NI公司的虛擬儀器開發(fā)工具LabVIEW。使用LabVIEW開發(fā)平臺編制的虛擬儀器程序VI包括3個部分：程序前面板、框圖程序和圖標/連接器。程序前面板用于設置輸入數(shù)值和觀察輸出量，生成模仿傳統(tǒng)儀器的控制面板[2]。每一個程序前面板都對應著一段框圖程序?？驁D程序用LabVIEW圖形編程語言編寫，類似傳統(tǒng)程序的源代碼。圖標/連接器是子程序SubVI被其它VI調用的接口。LabVIEW采用的是自上向下的模塊化編程方法，所生成的各個子程序有利于主程序的設計與實現(xiàn)[2]。這種設計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構

虛擬示波器主要由軟件來完成信號的采集、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、時基幅值控制、濾波器、信號發(fā)生器、數(shù)據(jù)存儲與回放等。主程序如圖3所示。

3 儀器前面板設計

虛擬示波器操作界面的設計總體上包括通道選擇、參數(shù)測量、信號仿真、濾波器、時基幅值控制、數(shù)據(jù)回放六部分。能實現(xiàn)對輸入信號進行濾波、模擬數(shù)據(jù)采集信號、調整頻率振幅等簡單的控制而后顯示波形。而此次研究的目的主要是針對基于USB虛擬示波器操作界面程序的設計，虛擬示波器的前面板設計模仿傳統(tǒng)示波器形式，利用軟件生成了顯示窗、調節(jié)旋鈕、開關鍵等部件，但儀器的操作、調節(jié)均由鼠標操作完成[3]。

4 結論

本文設計的虛擬示波器實現(xiàn)了波形的自動測量、分析、處理功能，節(jié)省了時間，提高了參數(shù)測量的精度，實現(xiàn)了波形、數(shù)據(jù)的存儲和顯示，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。實際應用表明，該虛擬示波器具有集成度高、功能強、操作簡單、使用方便等優(yōu)點。在實現(xiàn)傳統(tǒng)示波器功能的基礎上增加軟件設計，能輕易地實現(xiàn)頻譜分析、萬用表、頻率計等功能，實現(xiàn)儀器的一機多用。

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計[J].微計算機信息，2007，23(1-1)：151-152.

[2]楊樂平，李海濤，趙勇，等.LabVIEW高級程序設計[M]. 北京：清華大學出版社，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計與實現(xiàn)[J].微計算機信息，2005，21(9-1)：88-90.