基于LabVIEW的虚拟数字存储示波器的研究

　　摘 要：示波器是在科学研究和工程设计中广泛应用的一种通用仪器。基于虚拟仪器技术，开发了一种新型示波器—虚拟数字存储示波器。通过采集卡完成数据采集任务，借助于LabVIEW软件实现数据分析和结果输出存储等功能，是对传统示波器的有效更新与变革。
　　关键词：示波器 虚拟仪器 数据采集 LabVIEW
　　中图分类号：TP216文献标识码：A文章编号：1672-3791（2012）09（a）-0021-03
　　随着科学技术的飞速发展，测试领域需要不断更新检测设备，以满足工业生产及科研开发需求。在我国，传统测试仪器自动化程度较低，其测量精度和可靠性均低于国外，而高档测试仪器基本上依靠国外进口，不但造价高，而且功能单一、适用范围窄。虚拟仪器技术的出现，彻底改变了这种局面。“软件就是仪器”的概念，使用户能够从实际需求出发设计相应的仪器系统，以满足多种多样的应用需求。
　　以虚拟仪器技术为依托，本文设计并实现了一个虚拟数字存储示波器。通过计算机与数据采集卡相配合的简单硬件设备，融入示波器功能的LabVIEW软件程序开发，使得该设备对于教学与科研具有较大实用价值和参考意义。
　　1 虚拟仪器技术
　　电子测量仪器发展至今，大体可以分为四代：即模拟仪器、数字化仪器、智能仪器和虚拟仪器。虚拟仪器（Virtual Instrument，简称VI）是现代仪器技术和计算机技术深层次结合的产物，由仪器硬件和功能模块软件两部分组成，是当今计算机辅助测试（Computer Aided TestCAT）重要技术。其构成方式如图1所示。
　　与传统仪器相比虚拟仪器主要有以下优点。
　　（1）虚拟仪器面板上的显示元件和操作元件的种类与形式由编程来实现，不受“标准件”和“加工工艺”的限制。可以实现功能操作的单纯化与面板布置的简捷化，从而提高操作的正确性与便捷性。
　　（2）在通用硬件平台确定后，由软件取代传统仪器中的硬件来完成仪器的功能。
　　（3）仪器的功能是用户根据需要由软件来定义的，而不是事先由厂家定义好的。
　　（4）仪器性能的改进和功能扩展只需要更新相关软件设计而不需要购买新的仪器。
　　（5）研制周期较传统仪器大为缩短。
　　（6）虚拟仪器开放、灵活，可与计算机同步发展，与网络及其他周边设备互联。
　　2 示波器硬件平台
　　计算机与数据采集卡组成了虚拟示波器的硬件平台。数据采集卡是虚拟示波器的重要组成部件，其性能指标直接影响虚拟示波器的采样速率、精度等，计算机CPU运行速度及内存大小影响示波器处理数据速度，硬盘大小决定了数据存储的容量。
　　数据采集卡的选择主要与采样率、分辨率、测量通道和测量精度有关。
　　本文选取的研华PCI1711卡是一种基于PCI总线的数据采集卡，可直接插在IBM-PC/AT或与之兼容的计算机内的任一PCI插槽中，构成实验室、产品质量检测中心等各种领域的数据采集、波形分析和处理系统，也可构成工业生产过程监控系统。PCI1711卡上装有12 Bit分辨率的A/D转换器和D/A转换器，为用户提供了8双/16单的模拟输入通道和2路模拟输出通道，输入信号幅度可以经程控增益仪表放大器调到合适的范围，保证最佳转换精度。A/D转换器输入信号范围：士5V、士10V、0～10V，D/A转换器输入信号范围：士5V、士10V、0～10V，根据需要进行选择。
　　3 软件设计
　　3.1 LabVIEW简介
　　LabVIEW是目前应用最广泛、发展最快、功能最强的图形化软件开发环境，是一个开放式的虚拟仪器开发系统应用软件，可以大大简化程序的设计。其特点如以下几点。
　　（1）图形化的编程方式，设计者无需写任何文本格式的代码，是真正的工程师的语言。
　　（2）提供了丰富的数据采集、分析及存储的库函数。
　　（3）32bit的编译器编译生成32bit的编译程序，保证用户数据采集、测试和测量方案的高速执行。
　　（4）囊括了DAQ，GPIB，PXI，VXI，RS-232/485在内的各种仪器通信总线标准的所有功能函数，使得不懂总线标准的开发者也能够驱动不同总线标准接口设备与仪器。
　　（5）提供大量与外部代码或软件进行连接的机制，诸如DLLs（动态连接库）、DDE（共享库）、ActiveX等。
　　（6）强大的Internet功能，支持常用网络协议，方便网络、远程测控仪器的开发。
　　3.2 虚拟示波器程序开发
　　通过对LabVIEW前面板的编排设计，可以得到虚拟示波器的显示界面。用户借助于键盘和鼠标操作前面板中的开关、旋钮等，可以实现虚拟示波器测试测量控制。前面板设计如图2所示。
　　本虚拟示波器具有双通道信号输入、触发极性和电平控制、通道控制、直流增益控制、扫描因素控制、垂直灵敏度控制等功能及多种显示模式，主要包括数据采集、波形显示、参数测量三大模块，其功能框图如图3所示。
　　数据采集模块是虚拟数字示波器的核心，完成仿真信号的产生和外部实际数据的采集。仿真信号由编程实现的虚拟信号发生器产生，主要用于生成正弦波、方波、三角波和锯齿波信号。由于实际输入采用了双通道，对应的仿真信号也是双通道的，分别为A、B通道信号，可任意设置波形的类型、频率和幅度，该子VI前面板如图4所示。
　　外部数据采集由采集卡PCI1711完成，按双通道示波器设计，任意选择了AI0和AI1作为信号输入端。仿真信号与实际信号的选取由Case结构控制，在前面板上设计有选择开关。
　　显示模块有三种波形显示模式：（1）A、B、A&B模式。通过按键选择，可以任意显示某一通道或两通道输入信号的波形。（2）XY模式。当量通道都处于选通的状态时，使用此模式来显示李沙育图形，测量相位差或频率。（3）A+B或A-B模式。当量通道都处于选通状态时，用此模式来显示两通道信号代数相加减后的波形。波形显示模块的程序流程图如图5所示，程序框图如图6所示。
　　LabVIEW提供的大量波形测量子VI，帮助我们比较轻松地完成电压（振幅）、时间、频率等测量模块的程序设计。如图7所示。
　　4 结论
　　虚拟仪器的出现是仪器领域的一个突破，从根本上更新了测量仪器的概念。充分利用虚拟仪器技术不仅可以简化仪器系统结构，而且能有效的降低生产成本和缩短开发时间。本文所研制的虚拟示波器，充分发挥了计算机强大的运算功能和软件设计的灵活性，与传统示波器相比，它具有波形可存储读取、测量准确度高、波形均匀稳定、无闪烁性、资金投入少、即时升级等一系列优点，可作为高校科研开发与教学中的有效辅助工具。作者声明：作者对本文版权全权负责，无抄袭。
　　本文作者创新点：摈弃了示波器设计中传统的纯硬件、单一功能实现。通过计算机与采集卡的组合，配置了尽量少的硬件设备；利用软件编程的方式，集成了测试测量中示波器的大部分功能，构建了具有实用价值的示波测试仪器。
　　参考文献
　　[1] Robert H.Bishop.LabVIEW 7实用教程[M].电子工业出版社，2004.
　　[2] 周求湛.虚拟仪器与Labview7 Express程序设计[M].北京航空航天大学出版社，2004.
　　[3] 陈晓玲，师学明，等.基于声卡和LabVIEW的地震信号采集系统[J].微计算机信息，2010（1），4-1：62-6