虛擬數(shù)字示波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要： 結(jié)合一個(gè)虛擬數(shù)字示波器的設(shè)計(jì)開發(fā)，介紹了虛擬儀器的基本組成，并重點(diǎn)介紹了基于圖形化編程語言LabVIEW的虛擬儀器編程方法與實(shí)現(xiàn)技術(shù)。

關(guān)鍵詞： 虛擬儀器 數(shù)字示波器 LabVIEW

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)儀器開始向計(jì)算機(jī)化的方向發(fā)展。虛擬儀器是９０年代提出的新概念。虛擬儀器技術(shù)的提出與發(fā)展，標(biāo)志著二十一世紀(jì)自動(dòng)測試與電子測量儀器領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。所謂虛擬儀器，就是在通用的計(jì)算機(jī)平臺(tái)上定義和設(shè)計(jì)儀器的測試功能，使用者操作這臺(tái)計(jì)算機(jī)，就象是在使用一臺(tái)專門設(shè)計(jì)的電子儀器。

傳統(tǒng)臺(tái)式儀器是由儀器廠家設(shè)計(jì)并定義好功能的一個(gè)封閉結(jié)構(gòu)，它有固定的輸入／輸出接口和儀器操作面板，每種儀器實(shí)現(xiàn)一類特定的測量功能，并以確定的方式提供給用戶。從一般的儀器設(shè)計(jì)模型看，一種儀器無非是由數(shù)據(jù)采集、分析處理、人機(jī)交互和顯示等幾部分功能模塊組成的整體。因此，我們可以設(shè)想在必要的數(shù)據(jù)采集硬件和通用計(jì)算機(jī)支持下，通過軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)儀器的全部功能，這就是虛擬儀器設(shè)計(jì)的核心。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器除了在性能、易用性、用戶可定制性等方面具有更多優(yōu)點(diǎn)外，在工程應(yīng)用和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益方面也具有突出優(yōu)勢。一方面，目前我國高檔臺(tái)式儀器如數(shù)字示波器、頻譜分析儀、邏輯分析儀等還主要依賴進(jìn)口，這些儀器加工工藝復(fù)雜、對制造水平要求高，生產(chǎn)突破有困難，采用虛擬儀器技術(shù)可以通過只采購必要的通用數(shù)據(jù)采集硬件來設(shè)計(jì)自己的儀器系統(tǒng)；另一方面，用戶可以將一些先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理算法應(yīng)用于虛擬儀器設(shè)計(jì)，提供傳統(tǒng)臺(tái)式儀器不具備的功能，而且完全可以通過軟件配置實(shí)現(xiàn)多功能集成的儀器設(shè)計(jì)。因此，可以說虛擬儀器代表了未來測量儀器設(shè)計(jì)發(fā)展的方向。

虛擬儀器技術(shù)目前在國外發(fā)展很快，以美國國家儀器公司（NI公司）為代表的一批廠商已經(jīng)在市場上推出了基于虛擬儀器技術(shù)而設(shè)計(jì)的商品化儀器產(chǎn)品。數(shù)字示波器是在科學(xué)研究和工程設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用的一種通用儀器。下面結(jié)合一個(gè)虛擬數(shù)字示波器的設(shè)計(jì)開發(fā)具體介紹虛擬儀器的基本組成和基于圖形化編程語言LabVIEW的虛擬儀器編程方法與實(shí)現(xiàn)技術(shù)。

１ 虛擬示波器的結(jié)構(gòu)與組成

本虛擬數(shù)字示波器主要由一塊PCI總線的多功能數(shù)據(jù)采集卡和相應(yīng)的軟件組成。將它們安裝在一臺(tái)運(yùn)行Windows95/98/NT的PC機(jī)上（建議配置在PENTIUMⅡ／233以上），即構(gòu)成一個(gè)功能強(qiáng)大的可存儲(chǔ)數(shù)字示波器。該數(shù)字示波器操作與顯示主面板如圖1所示。

1.1 數(shù)據(jù)采集卡

PCI總線傳輸速率高數(shù)據(jù)吞吐量大是今后數(shù)據(jù)采集板卡設(shè)計(jì)的主流。本設(shè)計(jì)采用的PCI－1200數(shù)據(jù)采集卡是一塊性價(jià)比較好的產(chǎn)品，支持DMA方式和雙緩沖區(qū)模式，保證了實(shí)時(shí)信號(hào)不間斷采集與存儲(chǔ)。它支持單極和雙極性模擬信號(hào)輸入，信號(hào)輸入范圍分別為－5～＋5V和0～10V。提供16路單端／8路差動(dòng)模擬輸入通道、2路獨(dú)立的DA輸出通道、24線的TTL型數(shù)字I／O、3個(gè)16位的定時(shí)計(jì)數(shù)器等多種功能。這些功能使得我們不僅可以用該卡設(shè)計(jì)虛擬示波器，也可以設(shè)計(jì)虛擬函數(shù)發(fā)生器或虛擬計(jì)數(shù)器，做到一卡多用。當(dāng)然，限于經(jīng)費(fèi)條件，我們選擇的PCI－1200卡的采樣速率只能達(dá)到100kS／s，對實(shí)際示波器而言，這遠(yuǎn)不能滿足信號(hào)帶寬的要求。目前市場上采樣速率達(dá)200MS／s的PCI數(shù)據(jù)采集卡已有成熟產(chǎn)品，技術(shù)上實(shí)現(xiàn)高帶寬的虛擬示波器不存在問題。實(shí)際測量時(shí)輸入信號(hào)通過BNC接頭從輸入端子進(jìn)入數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集。

1.2 儀器功能

本虛擬數(shù)字示波器設(shè)計(jì)參考了HP公司的雙通道臺(tái)式數(shù)字存儲(chǔ)示波器HP54603B的功能，并在儀器分析和處理功能上有所擴(kuò)展。儀器主要功能包括：雙通道信號(hào)輸入、觸發(fā)控制、通道控制、時(shí)基控制、波形顯示、參數(shù)自動(dòng)測量、頻譜分析、波形存儲(chǔ)和回放等。本虛擬數(shù)字示波器還提供網(wǎng)絡(luò)接口，允許通過TCP／IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)儀器共享或遠(yuǎn)程控制。表1是本虛擬數(shù)字示波器與HP54603B的功能對照表。

由表1可以看出，除了由于經(jīng)費(fèi)原因使得所選數(shù)據(jù)采集卡采樣速率低于HP54603B外，本虛擬示波器在顯示、測量、分析、存儲(chǔ)和外部連接等方面的功能都不低于甚至高于HP54603B

２ 軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 軟件開發(fā)環(huán)境

虛擬數(shù)字示波器軟件設(shè)計(jì)采用了先進(jìn)的圖形化編程語言工具LabVIEW 5.1 for Windows98／NT。LabVIEW編程的主要特點(diǎn)就是將虛擬儀器分解為若干基本的功能模塊（相當(dāng)于硬件設(shè)計(jì)中的集成電路），模塊的引腳代表輸入／輸出接口。編程者可以通過交互式手段，采用圖形化框圖設(shè)計(jì)的方法，完成虛擬儀器的邏輯和測量分析功能設(shè)計(jì)。圖2是虛擬數(shù)字示波器頻譜分析模塊程序。

由圖2可以看出，LabVIEW程序設(shè)計(jì)過程與人們設(shè)計(jì)儀器的思維過程十分相近，程序框圖就實(shí)現(xiàn)了程序代碼功能，避免了一般程序設(shè)計(jì)從框圖構(gòu)思到程序表示的繁瑣。LabVIEW編程的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是將軟件的界面設(shè)計(jì)與功能設(shè)計(jì)獨(dú)立開來，修改人機(jī)交互界面無需對整個(gè)程序進(jìn)行調(diào)試，這對設(shè)計(jì)像儀器操作面板這樣復(fù)雜的人機(jī)界面而言是十分方便的。LabVIEW還為用戶提供了函數(shù)擴(kuò)展功能，利用LabVIEW中的Code Interface Node（CIN），可以調(diào)用用C等傳統(tǒng)編程語言寫的程序代碼；利用LabVIEW中的Call Library Function可以調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)鏈接庫（.DLL）?？傊?，LabVIEW 作為圖形化編程語言環(huán)境，為虛擬儀器開發(fā)提供了一種快捷、方便和功能強(qiáng)大的軟件工具。

2.2 主要功能模塊

概括地講，虛擬示波器主要由軟件控制完成信號(hào)的采集、處理和顯示。系統(tǒng)軟件總體上包括數(shù)據(jù)采集、波形顯示、參數(shù)測量、頻譜分析及波形存儲(chǔ)和回放等五大模塊，其功能結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

2.2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊主要完成數(shù)據(jù)采集的控制，包括觸發(fā)控制、通道選擇控制、時(shí)基控制等。其中：

·觸發(fā)控制包括觸發(fā)模式、觸發(fā)斜坡、觸發(fā)電平控制；

·通道選擇主要控制單通道或雙通道測量；

·時(shí)基控制主要控制采集卡掃描率、每一通道掃描次數(shù)（取樣數(shù)）。

2.2.2 波形顯示模塊

軟件提供了三種波形顯示模式：

·A B A＆B模式：通過顯示通道選擇按鍵摚翑和摚聰，可以任意顯示某一通道或兩通道輸入信號(hào)的波形；

·X Y模式：當(dāng)兩通道都處于選通狀態(tài)時(shí)，使用此模式來顯示李沙育（Lissajous）圖形、測量相位差或頻率；

·A＋B A－B模式：當(dāng)兩通道都處于選通狀態(tài)時(shí)，使用此模式來顯示兩通道信號(hào)代數(shù)相加、相減后的波形。

2.2.3 參數(shù)測量模塊

參數(shù)測量模塊主要模擬HP54603B的參數(shù)測量功能，完成包括Vrms等12個(gè)電壓參數(shù)和頻率、周期等7個(gè)時(shí)間參數(shù)的測量并顯示其測量結(jié)果。

2.2.4 頻譜分析模塊

頻譜分析模塊采用快速FFT算法，完成頻域信號(hào)分析?？蓪?shí)現(xiàn)的頻譜分析控制包括：

·Windows選擇，提供了9種頻譜分析窗口；

·Log／Linear選擇，提供了2種坐標(biāo)顯示模式；

·Display Unit選擇，提供了8種單位。

2.2.5 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和回放模塊

按鍵撔磁虜控制是否進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)按鍵摱僚虜控制是否從數(shù)據(jù)文件中讀取數(shù)據(jù)。主面板提供了兩個(gè)文件名輸入框，前一個(gè)為信號(hào)波形數(shù)據(jù)文件名輸入框，后一個(gè)為采樣周期文件名輸入框，這兩個(gè)文件由寫盤功能和讀盤功能共用。從軟盤或硬盤上讀取的數(shù)據(jù)同實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)一樣，能夠進(jìn)行自動(dòng)參數(shù)測量以及顯示波形并保留在顯示窗口（顯示模式可以設(shè)置為三種模式中的任意一種），還可以根據(jù)需要設(shè)置進(jìn)行頻譜分析。

2.3 主要控制結(jié)構(gòu)

2.3.1 測量控制結(jié)構(gòu)

通過邏輯按鍵“測量”控制是否進(jìn)行測量；通過邏輯按鍵“通道”控制通道選擇。

2.3.2 自動(dòng)調(diào)整掃描率控制結(jié)構(gòu)

由邏輯按鍵組“自動(dòng)”、“手動(dòng)”來控制是自動(dòng)調(diào)整掃描率還是手動(dòng)調(diào)整掃描率。

2.3.3 正常顯示、記憶顯示控制結(jié)構(gòu)

由雙功能邏輯驅(qū)動(dòng)鍵“正常/記憶”控制，缺省為正常顯示。處于正常狀態(tài)時(shí)，最多只能顯示A、B兩通道輸入的2個(gè)信號(hào)的波形；處于記憶狀態(tài)時(shí)，最多可以記憶顯示A、B兩通道輸入的17個(gè)信號(hào)的波形（A通道可記憶顯示16組信號(hào)數(shù)據(jù)，B通道只能記憶顯示１組信號(hào)數(shù)據(jù)）。在實(shí)際應(yīng)用中，記憶顯示功能主要用于測量信號(hào)的抖動(dòng)情況或比較分析兩個(gè)以上的信號(hào)波形。

本文介紹的虛擬數(shù)字示波器不僅具有一般臺(tái)式數(shù)字存儲(chǔ)示波器的功能，而且充分發(fā)揮了微機(jī)強(qiáng)大的功能和軟件設(shè)計(jì)的靈活性，主要技術(shù)特點(diǎn)表現(xiàn)在：

（1）采用圖形化編程語言LabVIEW和面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù)，軟件開發(fā)效率高，可操作性和可維護(hù)性好；

（2）為數(shù)字存儲(chǔ)示波器增加了頻域分析功能；

（3）充分利用了計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)與外設(shè)連接的能力，測量結(jié)果和波形可直接打印輸出或通過網(wǎng)絡(luò)共享；

（4）硬件具有開放性，允許通過升級(jí)硬件來提高其性能；

（5）在相同硬件條件下，可以通過修改或增加軟件模塊，形成新的儀器功能。

虛擬儀器設(shè)計(jì)已經(jīng)成為測試與儀器技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。隨著高速A／D芯片和電路的進(jìn)一步集成化，可以設(shè)想在不遠(yuǎn)的將來，一臺(tái)安裝有虛擬儀器軟件的標(biāo)準(zhǔn)微機(jī)成為一個(gè)多功能的測量儀器站，從根本上改變目前專用儀器的研制和生產(chǎn)方式，具有廣闊的應(yīng)用前景和巨大的潛在經(jīng)濟(jì)效益。