華厚強(qiáng)

（中國(guó)民用航空飛行學(xué)院航空電子電氣學(xué)院，四川廣漢，618307）

0 引言

虛擬儀器（Virtual Instrumentation, VI）技術(shù)是指將通用計(jì)算機(jī)安裝上軟件并連接好硬件，讓使用者在進(jìn)行計(jì)算機(jī)操作時(shí)就好像在進(jìn)行專用的電子儀器操作的技術(shù)。虛擬儀器利用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)硬件的功能，能實(shí)現(xiàn)”軟件即儀器”[1-4]。示波器是最常見(jiàn)的電子測(cè)量工具和儀器之一，通常模擬示波器都功能單一且結(jié)構(gòu)笨重，數(shù)字示波器雖然可以進(jìn)行多種功能擴(kuò)展，但價(jià)格相對(duì)較貴，普及到實(shí)際應(yīng)用中的困難也相對(duì)較大[5-7]。隨著現(xiàn)代虛擬儀器儀表技術(shù)的進(jìn)步，將傳統(tǒng)的儀器測(cè)量用計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的虛擬示波器系統(tǒng)具有較大應(yīng)用價(jià)值，可以提高實(shí)驗(yàn)測(cè)量?jī)x器的技術(shù)含量，并且性價(jià)比高[8]。

目前國(guó)內(nèi)很多的高檔實(shí)驗(yàn)測(cè)量?jī)x器高度依賴進(jìn)口，不僅價(jià)格昂貴，而且使用面窄，自主研究虛擬儀器儀表技術(shù)具有重大意義[9-11]。本文基于STC12C5A60S2單片機(jī)和LabVIEW 2018軟件開發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)出一種虛擬示波器，硬件部分主要是普通PC機(jī)和單片機(jī)，軟件部分則包括了前面板、串口驅(qū)動(dòng)及相關(guān)的應(yīng)用軟件（主要有頻譜分析、數(shù)字濾波、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和讀取、波形顯示等），可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多種波形顯示和輸出[12-13]。

1 總體方案設(shè)計(jì)

虛擬示波器設(shè)計(jì)有硬件和軟件兩大基本組成部分，如圖1所示。軟件部分包括上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)和下位機(jī)程序設(shè)計(jì)，下位機(jī)通過(guò)對(duì)單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)一定頻率和幅度范圍內(nèi)信號(hào)數(shù)據(jù)的采集、模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換及串口通信，上位機(jī)通過(guò)編譯LabVIEW實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)波形的顯示。

圖1 虛擬示波器組成框圖

在虛擬示波器運(yùn)行過(guò)程中，函數(shù)發(fā)生器可輸出正弦波、三角波和方波等基本波形，將其輸入至加法電路，加法電路將函數(shù)發(fā)生器輸出波形的每一點(diǎn)電壓值變正（目的是讓單片機(jī)可以采集到波形上每一點(diǎn)），通過(guò)加法電路之后將模擬輸出接至單片機(jī)模擬輸入端P1.0，最后通過(guò)單片機(jī)串口與PC機(jī)通信并且在PC機(jī)上顯示出波形。

2 硬件設(shè)計(jì)

虛擬示波器的硬件電路主要包括加法電路、主控芯片、A/D轉(zhuǎn)換模塊、串口電平轉(zhuǎn)換模塊、單片機(jī)的晶振和復(fù)位電路等。

下位機(jī)以STC12C5A60S2單片機(jī)為控制核心，主要負(fù)責(zé)信號(hào)的采集和數(shù)據(jù)上傳，片內(nèi)硬件16×16位乘法器特別適用于快速、高運(yùn)算量的使用；內(nèi)部自帶多個(gè)高精度A/D轉(zhuǎn)換器ADC完善了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性；較多的I/O端口使設(shè)計(jì)變得非常方便；+3.3V的I/O端口電平與ΜAX232C完全兼容。STC12C5A60S2單片機(jī)的串行通信引腳UATXD0、UARXD0分別通過(guò)跳線連接到ΜAX232的T2IN、R2OUT[14]。通過(guò)ADC轉(zhuǎn)換器來(lái)采集從外界輸入的模擬信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后輸出[15]。

上位機(jī)采用LabVIEW 2018平臺(tái)進(jìn)行程序開發(fā)，負(fù)責(zé)與下位機(jī)通信，對(duì)上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理和結(jié)果顯示。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)總體程序流程圖如圖2所示。先將單片機(jī)初始化后，由上位機(jī)發(fā)出開始采集命令，單片機(jī)開始A/D轉(zhuǎn)換，以及與PC機(jī)進(jìn)行串口通信，PC機(jī)讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，寫入串口緩沖區(qū)，然后讀取數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)波形的實(shí)時(shí)顯示，如果按下停止采集按鈕，PC機(jī)便不再讀取數(shù)據(jù)，停止采集。

圖2 軟件總體流程圖

3.2 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)工作流程圖如圖3所示。下位機(jī)主要功能是對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集，并與PC機(jī)進(jìn)行串口通信。因此，下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)主要是針對(duì)STC12C5A60S2的A/D和串口模塊的使用，首先對(duì)單片機(jī)的A/D和串口初始化，然后啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，ADC10輸出10位轉(zhuǎn)換結(jié)果，最后將數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳送給PC機(jī)。

3.3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

3.3.1 虛擬示波器前面板設(shè)計(jì)

虛擬示波器的前面板如圖4所示。前面板包括波形顯示、參數(shù)設(shè)定和參數(shù)測(cè)量等功能模塊。

圖4 虛擬示波器前面板圖

3.3.2 虛擬示波器后面板設(shè)計(jì)

后面板程序的設(shè)計(jì)總體上可以分為數(shù)據(jù)采集程序、數(shù)據(jù)處理和波形顯示程序兩大部分，后面板總程序如圖5所示。

圖5 后面板總程序設(shè)計(jì)圖

后面板數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)如圖6所示，該程序主要功能是與單片機(jī)進(jìn)行串口通信，接收單片機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。

圖6 后面板數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)圖

后面板數(shù)據(jù)處理和波形顯示程序設(shè)計(jì)如圖7所示，該程序可以對(duì)PC機(jī)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并且實(shí)現(xiàn)波形顯示、數(shù)據(jù)緩沖的功能。

圖7 后面板數(shù)據(jù)處理和波形顯示程序設(shè) 計(jì)圖

4 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、調(diào)試與分析

完成系統(tǒng)整體后，可以根據(jù)相關(guān)器件的工作原理對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)試與集成整合。在調(diào)試過(guò)程中分別采用了硬件調(diào)試與軟件調(diào)試相結(jié)合的調(diào)試思路，力求使設(shè)計(jì)能夠正常實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能。

4.1 串口信號(hào)檢測(cè)

系統(tǒng)通過(guò)串口調(diào)試助手檢測(cè)有沒(méi)有串口信號(hào)。先以單片機(jī)STC12C5A60S2內(nèi)部模擬的方波為對(duì)象進(jìn)行檢測(cè)，用來(lái)進(jìn)行串口調(diào)試的硬件電路實(shí)物圖如圖8所示。方波串口代碼顯示結(jié)果如圖9所示。

圖8 串口調(diào)試硬件電路實(shí)物圖

圖9 方波串口代碼顯示圖

通過(guò)串口助手的顯示結(jié)果表明串口通信已實(shí)現(xiàn)，波形為方波。然后可以對(duì)單片機(jī)內(nèi)部模擬的正弦波用類似的方法進(jìn)行檢測(cè)，顯示結(jié)果表明波形為正弦波時(shí)串口通信同樣已實(shí)現(xiàn)。

4.2 通過(guò)LabVIEW顯示波形

虛擬示波器設(shè)計(jì)整體實(shí)物圖如圖10所示。虛擬示波器設(shè)計(jì)完成后，可進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試。調(diào)試過(guò)程中LabVIEW可能出現(xiàn)無(wú)法定位和加載VISA或其所需代碼庫(kù)的問(wèn)題[16]，可以安裝相應(yīng)的VISA驅(qū)動(dòng)程序來(lái)解決。通過(guò)添加清除錯(cuò)誤模塊解決了VISA讀取傳輸時(shí)發(fā)生幀錯(cuò)誤的問(wèn)題。

圖10 虛擬示波器設(shè)計(jì)整體實(shí)物圖

當(dāng)輸入信號(hào)是頻率為1kHz、幅值為4V的正弦波時(shí)，PC機(jī)上LabVIEW程序顯示結(jié)果和函數(shù)信號(hào)發(fā)生器顯示對(duì)比如圖11所示，圖(a)虛擬示波器和圖(b)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器兩者顯示結(jié)果一致，虛擬示波器對(duì)正弦波的波形顯示比較理想，無(wú)失真。

圖11 輸入1kHz、幅值為4V的正弦波時(shí)，(a)虛擬示波器和(b)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的顯示結(jié)果對(duì)比圖

類似地，當(dāng)輸入信號(hào)是頻率為1kHz、幅值為4V的三角波和方波時(shí)，PC機(jī)上LabVIEW程序顯示結(jié)果和函數(shù)信號(hào)發(fā)生器顯示對(duì)比分別如圖12和圖13所示，在兩圖中，圖(a)虛擬示波器和圖(b)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的顯示結(jié)果均保持一致，虛擬示波器對(duì)三角波和方波的波形顯示比較理想，無(wú)失真。

圖12 輸入1kHz、幅值為4V的三角波時(shí)，(a)虛擬示波器和(b)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的顯示結(jié)果對(duì)比圖

圖13 輸入1kHz、幅值為4V的方波時(shí)，(a)虛擬示波器和(b)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的顯示結(jié)果對(duì)比圖

綜合以上來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果表明：當(dāng)輸入頻率為1kHz、幅值為4V的正弦波、三角波和方波信號(hào)時(shí)，虛擬示波器和函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的顯示結(jié)果都能保持一致，波形顯示比較理想，無(wú)失真。說(shuō)明針對(duì)此時(shí)來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)較合理。

若降低輸入信號(hào)的頻率，當(dāng)輸入信號(hào)是頻率為10Hz、幅值為5V的方波時(shí)，PC機(jī)上LabVIEW程序顯示結(jié)果和函數(shù)信號(hào)發(fā)生器顯示對(duì)比如圖14所示，兩者顯示結(jié)果一致。系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果表明：當(dāng)輸入為較低頻率信號(hào)時(shí)，虛擬示波器對(duì)方波的波形顯示比較理想，無(wú)失真，此時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)較合理。

圖14 輸入10Hz、幅值為5V的方波時(shí)，(a)虛擬示波器和(b)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的顯示結(jié)果對(duì)比圖

若升高輸入信號(hào)的頻率，當(dāng)輸入信號(hào)是頻率為5KHz、幅值為5V的方波時(shí)，PC機(jī)上LabVIEW程序顯示結(jié)果和函數(shù)信號(hào)發(fā)生器顯示對(duì)比如圖15所示。系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果表明：當(dāng)輸入為較高頻率信號(hào)時(shí)，虛擬示波器對(duì)方波的波形顯示失真比較嚴(yán)重，無(wú)法正確顯示，說(shuō)明此虛擬示波器設(shè)計(jì)只適用于較低頻率范圍的輸入信號(hào)顯示。

圖15 輸入5kHz、幅值為5V的方波時(shí)，(a)虛擬示波器和(b)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的顯示結(jié)果對(duì)比圖

本虛擬示波器設(shè)計(jì)結(jié)果還不夠理想。由于受制于單片機(jī)的串口通訊速率，采集的信號(hào)只能是低頻的，可以嘗試采集頻率更高的信號(hào)，但對(duì)硬件需要做一些調(diào)整。另外，能采集電壓的幅度也受到了參考電壓的限制，可以通過(guò)添加外電路來(lái)采集幅值更高的電壓。

可以從兩個(gè)方面對(duì)本虛擬示波器設(shè)計(jì)進(jìn)行進(jìn)一步研究和改進(jìn)：（1）提高ADC的采樣速率。針對(duì)單片機(jī)內(nèi)ADC采樣速率低、帶寬窄，從而影響示波器分辨率和波形顯示的問(wèn)題，可以選用高性能的采集卡或ADC來(lái)搭建虛擬示波器。（2）使虛擬示波器具備網(wǎng)絡(luò)功能。將虛擬示波器與網(wǎng)絡(luò)及遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)資源共享。隨著嵌入式系統(tǒng)和PC技術(shù)的融合發(fā)展，示波器等虛擬儀器可以具備嵌入式和實(shí)時(shí)功能。

5 結(jié)論

本文基于STC12C5A60S2單片機(jī)及LabVIEW平臺(tái)，通過(guò)軟、硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集、處理和顯示的虛擬示波器系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行單通道連續(xù)采集，串口模塊通過(guò)串口將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送至PC機(jī)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同頻率、不同幅度的波形進(jìn)行顯示與分析等功能。隨著高速率A/D芯片和高性能ADC的發(fā)展和運(yùn)用，安裝有虛擬示波器等虛擬儀器軟件的計(jì)算機(jī)，可作為多功能測(cè)量?jī)x器站在網(wǎng)絡(luò)上共享使用，具備低成本且高擴(kuò)充性，在工業(yè)測(cè)試與自動(dòng)化、航空航天和汽車等諸多領(lǐng)域都會(huì)有廣闊的應(yīng)用前景。