虚拟仪器平台下示波器的设计与实现

摘 要：根据高等工科院校实验教学中实验设备紧张的现实，介绍虚拟平台下虚拟仪器的开发，并用LabVIEW软件结合PCI-6024E数据采集卡设计实现了一款虚拟数字存储示波器，该示波器具有波形显示、读写、存储、打印和测量参数数字显示功能。实际使用结果表明，示波器精度和稳定性都能满足使用要求。在此基础上增加软件设计，还可实现频谱分析仪，万用表，频率计等功能，实现仪器的一机多用。

关键词：虚拟仪器；数字示波器；数据采集；LabVIEW

中图分类号：TM935 文献标识码：B 文章编号：1004-373X(2008)02-180-03

Design and Implementation of the Oscilloscope with Virtual Instrumentation

HU Yaqi1,XIA Baohua2

(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学中，实验教学是整个教学过程中的重要环节，特别是基础课、专业基础课的实验教学在本科教学中尤为重要，他对学生的专业知识起着有效的支撑作用。但是，近年来随着学生人数的增加、实验教学改革不断深入，原有实验室的设备和规模难以满足发展的需要。虚拟仪器的出现很好地解决了这些问题。虚拟仪器是以计算机为核心，功能由用户定义和设计，具有虚拟面板，其测试功能由测试软件实现。虚拟仪器的关键是用软件来实现硬件的功能，实现“软件即仪器”。本文应用虚拟仪器开发平台LabVIEW开发了一种多功能虚拟示波器，不仅扩展了示波器的分析和计算能力，还降低了仪器的价格，增强了仪器的通用性，实现了波形显示、存储、打印和读取以及多个测量参数自动显示、相位差自动计算等功能。

1 虚拟仪器的系统构成

虚拟仪器由硬件和软件2大部分构成(见图1)。

虚拟仪器硬件通常包括通用计算机和设备。硬件设备可以选择GPIB系统、VXI系统、PXI系统、数据采集系统或其他系统，也可选择由2种或2种以上系统构成的混合系统。其中，最简单、最廉价的形式是采用基于ISA或PCI总线的数据采集卡，及基于RS 232或USB总线的便携式数据采集模块。

虚拟仪器的软件包括操作系统、仪器驱动器和应用软件3个层次。操作系统可以选择Windows 2000/NT/XP/Me，SUNOS，Linux等。仪器驱动器软件是直接控制各种硬件接口的驱动程序，应用软件通过仪器驱动器实现与硬件模块的通信连接。应用软件包括实现仪器功能的软件程序和实现虚拟面板的软件程序，用户通过虚拟面板与虚拟仪器进行交流。为了方便仪器制造商和用户进行仪器驱动器和应用软件的开发，HP，NI等公司推出了专用于虚拟仪器开发的集成开发环境，目前流行的有HP VEE，LabVIEW，LabWindows/CVI等。

2 虚拟仪器平台下示波器的设计与实现

在实验教学中，示波器使用最为广泛。传统示波器功能比较单一、测试准确度较差，而目前的数字存储示波器虽然测试准确度较好，且具有较强的数字化处理能力，但是这种示波器价格昂贵，仪器功能模块固定，不具备用户对仪器进行定义和用户编程的功能。本文介绍根据实际教学的需要，开发研制的虚拟示波器。

2.1 设计要求

根据实际需要，示波器的设计参考了传统示波器的功能，并结合虚拟仪器的特点与计算机强大的信息处理能力，在功能上进行扩展，实现了波形显示、存储、打印和时域、频域参数自动测量、显示、查询以及相位差的自动计算功能。结构如图2所示。

主要技术指标：采样速率200 kb/s;采样位数12 b;波形显示模式双通道X-Ymode;定位标尺2个;数据存储硬盘或软盘。

2.2 硬件组成

本设计采用PCI-DAQ的构成方式，由数据采集（Date Acquisition，DAQ），接口总线、硬件驱动程序和虚拟示波器软件构成，其结构如图3所示。

信号检测电路通过多路传感器检测各种被测信号的物理量，然后经过信号调理转换为数据采集卡所需的信号送入数据采集卡（由硬件程序驱动），通过系统总线送入计算机进行处理。巡回采集并由可编程放大器放大信号，经采样保持和ADC单元被量化成数字信号，进入微机相应的储存单元，在屏幕上显示出测量波形。

数据采集卡采用美国NI公司生产的多功能接口卡PCI-6024E，他集12位A/D。12位D/A，16路单端接地的模拟输入通道，8位或者24位并引输入/输出线及2路24位定时/计数器为一体。支持DMA方式和双缓冲区模式，保证了实时信号不间断采集和存储，在双极性时，输入电压范围选择有100 mV，1 V，10 V，20 V四种，他的最高采样速率为200 kb/s。PCI-6024E为数据采集卡用Date Acquisition子模板实现对他的驱动，在软件驱动前利用Measurement and Automation 软件对他进行参数设置。

2.3 软件设计及实现

软件设计是虚拟示波器设计的关键。在本设计中采用LabVIEW作为软件开发工具，LabVIEW是一种基于G语言的虚拟仪器软件开发工具，应用于数据采集和控制，数据分析、数据表达等方面。利用LabVIEW设计虚拟仪器软件主要有外部硬件与驱动程序，仪器面板与仪器功能程序2部分。虚拟示波器软件设计主要包括前面板和框图程序的设计，前面板是用来操作各种控件和观测输入信号的波形及频谱的用户界面；框图程序用来控制数据的流动方向，完成系统的编程，虚拟示波器的软件结构框图如图4所示。

2.3.1 数据采集模块设计

（1） SelcetDevicePop.Vi用户选择数据采集卡，DeviceOpen.Vi加载设备驱动程序到内存，并确定设备的类型，完成对设备的类型，完成对设备的初始化，使设备做好I/O准备工作。若设备驱动成功返回一个非0的设备句柄，若失败则返回0。利用MAIConfig.Vi配置多通过模拟输入所需的参数。

（2） 利用一个While循环以及MAIVohageIn.Vi将采集到的数据不停地从设备的缓存中读出。

（3） 完成数据采集后，利用DeviceClose.Vi关闭打开的设备，如果程序出错，提示信息显示在Errmsg指示中。 2.3.2 波形实时显示设计

通过LabView的Waveform Chant控件实现波形的实时显示；旋转位置旋钮时可以调整波形的位置，旋转VOLTS/DIV旋钮时可以调整波形的幅值比例；调整SEC/DIV旋钮时可调整波形的时间分度值。

2.3.3 数据存储模拟设计

利用Open/Creat/Replace.Vi建立存放数据文件的路径、格式、名称，Write File控件把采集的数据写入事先建好的数据文件内；Get Date/Time String控件是用来获取每个时刻存储数据的时间；Array To Spreadsheet String控件是把采集卡采集的数据进行格式整理，输出到Concatenate Strings控件内，在此控件内把采集的数据再次整理，形成可回放显示的字符串，为回放测量模块做准备。

在程序运行开始时先设定好存储路径，在需要存储时，按下存储按钮，便立刻对所采集的数据进行保存；当按下停止按钮停止存储数据，实现了数据存储的及时存取。

2.3.4 打印输出模块设计

打印输出模块主要对图形曲线打印。该模块主要有New Report.Vi,Append Comtrol Image to Report.Vi,Print Report.Vi,Dispose Report.Vi四个Sub.Vi实现。New Report.Vi创建一个打印报告，Append Comtrol Image to Report.Vi.把要打印的数据映射到报告内，Print Report.Vi执行打印报告，Dispose Report.Vi执行关闭打印报告。虚拟示波器程序流程图如图5。

2.4 前面板设计

前面板设计模仿传统示波器形式，利用软件生成了显示窗、调节按钮、开关键等部件，但仪器的操作、调节均由鼠标操作完成，示波器的前面板如图6所示。

3 结果分析

本文中的虚拟示波器设计参考HP公司的双通四台式数字存储示波器HP54603B的功能，并在仪器分析和处理功能上有所扩展。本系统中的虚拟示波器与HP54603B的功能比较如表1所示。本虚拟示波器不仅具有一般台式数字存储示波器的功能，而且充分发挥了计算机强大的功能和软件设计的灵活性，在显示、参数测量、存储等方面优于传统示波器。其具有很好的扩展性，可以通过修改或增加软件模块，形成新的仪器功能。

参 考 文 献

［1］杨乐平，李海涛.LabVIEW程序设计与应用［M］.2版.北京：电子工业出版社，2004.

［2］赵全兵.虚拟仪器技术规范与系统集成［M］.北京：清华大学出版社,2003.

［3］周求谌.虚拟仪器与LabVIEWTM7 Express程序设计［M］.北京：北京航空航天大学出版社，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.

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。