基于LabVIEW的虚拟双踪示波器的设计Word格式文档下载.docx
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Scopeofscientificresearchandengineeringdesignisawidelyusedgeneral-purposeequipment.VirtualDigitalStorageOscilloscopeisakindofvirtualinstrumenttechnologyspecificapplication,mainlybythedataacquisition,dataprocessingandtheresultsshowedthreemajorcomponents.Amongthem,thedataprocessingandresultsaccomplishedbythecomputersoftwaresystem,onlythedataacquisitionisunderthecontrolofthesoftwarefromthehardwaretocomplete.
ThispapermainlyusingpowerfulgraphicalLabVIEWvirtualinstrumentdevelopmentplatform,completedthedesignofvirtualoscilloscopedoublesteps.ThisdesignUSESthemodulardesignthought,willeachfunctionallbyamoduletocomplete.Includethesignalhappenandtriggerthecontrolandsamplingcontrolthedataacquisitionmodule,composedbyfiltering,spectrumanalysis,addwindowtreatmentandwaveformstorageandplaybackofsignalanalysisandprocessingmodule,thetimebasecontrolofthewaveformdisplaymodule.Dataprocessingandtheresultsshowedthataremadebycomputersoftwaresystemtoachieve,andthedataacquisitionisunderthecontrolofthesoftwarebythehardwaretofinish.Inthispaper,thedesignofvirtualoscilloscopeisinadditiontothegeneralfunction,andbetterthantheordinaryoscilloscope,whichhasitsownadvantages,suchasfiltering,spectrumanalysis,waveform,thestorageandcalllowcost,accordingtotheneedsofthefunctioncanbeusedcontinuouslyexpanded.
Atlastthevirtualoscilloscopesystemtestandperformanceanalysis,theexperimentalresultstoadvancedesignrequirements.
KEYWORDS:
Virtualinstrument,Virtualoscilloscope.Weredouble,LabVIEW
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1绪论.............................................................11.1问题的提出及课题研究意义....................................11.2虚拟仪器概述................................................21.3虚拟仪器的现状..............................................71.4本研究的内容................................................92虚拟示波器的基本原理.............................................112.1示波器的结构...............................................112.2示波器的波形显示原理.......................................122.3虚拟示波器的工作原理.......................................143系统设计.........................................................173.1硬件设计...................................................183.2软件设计...................................................19
3.2.1LabVIEW编程环境介绍................................19
3.2.2软件编程.............................................223.3信号分析及处理设计.........................................25
3.3.1波形存储及调用.......................................29
3.3.2数据存储.............................................29
3.3.3数据回放.............................................30
3.3.4显示控制.............................................31
.......................................334虚拟示波器的调试与测试结果
4.1虚拟示波器的性能指标.......................................334.2程序的调试与仪器对比测试结果...............................33
4.2.1波形显示调试结果.....................................33
4.2.2触发控制调试.........................................35
4.2.3数据分析和处理调试...................................365结论与展望.......................................................37参考文献...........................................................39
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1绪论
1绪论
1.1问题的提出及课题研究意义
随着电子技术、计算机技术、软件技术、网络技术的高度发展，其在仪器技术和测量技术上的应用也越来越广，仪器仪表结构在许多方面都较传统仪器有很大突破，在功能和作用上发生了质的变化，由此产生了许多新的测试仪器、测试理论、测试方法。
同时越来越复杂的测试条件，高度自动化的工业化大生产迫切需要功能更强大、成本更低廉、系统更灵活的新一代测试仪器。
随着科技的发展，虽然传统仪器也得到迅猛的发展，仪器精度越来越高，功能越来越强，性能越来越好，但传统仪器基本上没有摆脱单独使用、手动操作的局限。
在工业自动化测试及测量领域，传统的测量方法使用起来很不便利，其局限性非常明显，显然已经不能适应时代发展的需要了。
传统台式仪器的主要结构由硬件构成,是由厂家设计并定义好功能的一个封闭结构，形式相对固定，所能实现的测试功能单一，每种仪器只能实现一类测量功能，用户在使用过程中难以对其功能进行改变，并只能以确定的方式提供给用户。
因此人们对测试仪器提出了更高的要求:
例如测试精度高，可靠性好，功能强，仪器体积小，测试全程自动化，智能化，使用灵活方便，升级便利,同时还能进行测量数据的存储、处理和显示,具有和其他仪器设备（如计算机等）进行数据通讯等功能。
今后电子测试仪器的发展方向，是从模拟技术转向数字技术，从单台仪器转向多种功能组合仪器，从硬件实现仪器功能转向软硬件结合使用，从简单的功能组合转向以一个人计算机为核心的测试平台，从硬件模块转向软件包形式。
基于计算机的测试仪器的思想逐渐形成，美国国家仪器公司首先提出了“软件即是仪器”的口号，虚拟仪器应运而生。
虚拟仪器的核心思想是利用计算机的强大资资源，使本来需要硬件实现的技术软件化，以便最大程度地降低系统成本，增强系统灵活性。
在现代电子测量、仪器仪表等领域，示波器是电子信号测量行业最常用的仪器之一，主要用来测量并显示被测信号的参数和波形，在科学试验及现场检测等许多领域被广泛应用。
目前我国高档台式仪器如数字示波器、频谱分析仪、逻辑分析仪等还主要依赖进口，这些仪器加工工艺复杂，对制造水平要求高，生产突破度难。
计算机技术的进步为新型测控仪器的产生提供了技术基础、功能更强的应用软件提供了方便。
虚拟仪器的诞生，使用户可以将一些先进的数字信号处理
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算法应用于虚拟仪器的设计，增加传统台式仪器所不具备的功能，还能利用先进的计算机技术提高效率，而且完全可以通过软件配置实现多功能集成的仪器设计。
因此，目前研制一种结构简单、操作方便、生产技术要求不高、成本低的数字示波器是非常必要的。
1.2虚拟仪器概述
虚拟仪器（VirtualInstrument）是基于计算机的仪器。
计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。
粗略地说这种结合有两种方式，一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓的智能化仪器。
随着计算机功能的日益强大及其体积的日趋缩小，这类仪器的功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统的仪器。
另一种方式是将仪器装入计算机。
以通用的计算机硬件及操作系统为依托实现各种仪器功能。
虚拟仪器主要是指这种方式。
所谓虚拟仪器就是在通用计算机上选用一组软件和硬件，使得在操作这台仪器时就像使用一台自己设计的专用的传统仪器，操作人员可以通过友好的用户界面来控制仪器的启动、运行和结束，只需要向仪器发布一个测试指令，就可以获得最终的测试结果和信息。
完成对被测信号的数据采集、信号分析、波形显示、故障诊断、数据存储以及控制输出等功能。
虚拟仪器的构成如图1-1所示:
显示器
人机接口信号分析及处理器各类接口
A/D转换器数据发生器
信号调理器信号调理器D/A转换器信号调理器
图1-1虚拟仪器的结构
测量仪器的发展，一种较普遍地说法是分为五个阶段，如图1-2所示2
模拟仪器电子仪器数字仪器智能仪器虚拟仪器
19世纪20世纪五十年代七十年代九十年代
图1-2测量仪器的发展
模拟仪器主要有模拟式电压表、电流表等，这些仪表解决了当时对某些量的测量需求。
从二十世纪初到五十年代左右，测量理论、方法与电子技术、控制技术相结合，出现了以记录仪和示波器为代表的电子仪表。
五十年代以后，随着晶体管和集成电路的出现以及应用电子技术的发展，数字技术成功地应用到测量仪器。
七十年代初，出现了智能仪器。
智能仪器是将微机置于仪器内部，使仪器具有控制、存储、运算、逻辑判断及自动操作等智能特点，并在测量准确度、灵敏度、可靠性、自动化程度、运用能力及解决测量技术问题深度和广度等方面都有明显的进步。
这种内置微处理器的仪器，既能进行自动测试又能完成数据处理，可取代部分的脑力劳动。
但在数字化仪器和智能仪器阶段基本上没有摆脱传统仪器那种独立使用、手动操作的模式，难以胜任更复杂、多任务的测量需求。
为解决这样的问题，总线式仪器与系统应运而生。
人们发明制造出CAMAC、RS232和GPIB（即IEEE-488）等多种仪器通讯接口总线，用于将多台智能仪器连在一起，以构成更复杂的测试系统。
但在复杂的总线式仪器系统中还有许多重复的部件或功能单元，如键盘、CRT、存储器等。
1987年，美国的惠普和泰克等5家公司在VME总线的基础上，联合提出了一种新型总线系统——VXI总线。
由于它的标准基于开放性原则，又具有结构紧凑、数据吞吐能力强、定时和同步精确、模块可重复利用，很快得到了广泛的应用。
尤其是在组建中、大规模自动测量测试系统，以及对速度、准确度要求较高的场合，有着其它仪器系统无法比拟的优势。
1997年Nl公司推出了一种新的仪器总线标准PXI总线标准。
相对VXI仪器，PXI仪器具有成本低、便于组成便携式测试系统等优点。
这些以PC为核心、由测量功能软件支持，具有虚拟控制面板、必要仪器硬件和通信能力的PC仪器或VXI仪器就是虚拟仪器。
电测量理论和技术的不断发展、测量领域和测量观念的不断拓展，给测量仪器仪表提出了更高的要求。
仪器是测量的工具，测量的本质是利用仪器仪表获得定量认知的过程，测量的实现离不开仪器仪表，测量技术的发展过程，也就是仪器仪表的发展过程。
因而，为适应测量技术发展的需要，仪器仪表技术也不断地进步和提高，虚拟仪器就是为了适应测量技术发展的需要而产生并发展起来的。
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虚拟仪器利用PC机显示器的显示功能模拟传统仪器的功能面板，以多种形式表达输出检测结果，利用PC机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析、处理，由FO接口设备完成信号的采集、调理和测量，从而完成各种测试功能。
虚拟仪器以透明的方式，通过软件对数据的分析处理、表达以及图形化用户接口，把计算机资源（如微处理器、显示器等）和仪器硬件（如A/D、D/A、数字FO、定时器、信号调理等）的测量能力、控制能力结合在一起。
虚拟仪器突破了传统仪器以硬件为主体的模式。
实际上使用者是在操作具有测试软件的电子计算机进行测量，犹如操作一台虚设的电子仪器。
虚拟仪器的“虚拟”两字主要包含以下两个方面的含义:
（1）虚拟仪器的面板是虚拟的
虚拟仪器面板上的各种“图标”与传统仪器面板上的各种“器件”所完成的功能是相同的。
由各种开关、按钮、显示器等图标实现仪器电源的“通”、“断”，实现被测信号的“输入通道”、“放大倍数”等参数的设置，以及实现测量结果的“数值显示”、“波形显示”等。
传统仪器面板上的器件都是“实物”，而且是由“手动”和“触摸”进行操作的。
虚拟仪器前面板是外形与实物相像的“图标”，每个图标的“通”、“断”、“放大”等动作通过用户操作计算机鼠标或键盘来完成。
因此，设计虚拟仪器前面板就是在前面板设计窗口中摆放所需要的图标，然后对图标的属性进行设置。
（2）虚拟仪器测量功能是通过对图形化软件流程图的编程来实现的虚拟仪器是在以PC为核心组成的硬件平台支持下，通过软件编程来实现仪器的功能。
当基本硬件确定以后，就可以通过不同的软件实现不同的功能。
用户可以根据自己的需要，设计自己的仪器系统，满足多种多样的应用要求。
利用计算机丰富的软硬件资源，可以大大突破传统仪器在数据分析、处理、表达、传递、存储等方面的限制，达到传统仪器无法比拟的效果。
它不仅可以用于电子测量、分析、处理等领域，而且还可以用于进行设备的监控及工业过程自动化。
虚拟仪器系统可以广泛地应用在通讯、自动化、半导体、航空、电子、电力、生化制药、和工业生产等各种领域的电力工程、物矿勘探、医疗、振动分析、声学分析、故障诊断及教学科研等多个方面。
现有的虚拟仪器系统按硬件工作平台主要可有以DAQ板卡和信号调理为仪器硬件而组成的PC总线的PC-DAQ测试系统，或以GPD3，VXI，Serial和Fieldbus等标准总线为仪器硬件组成的GPIB系统、VXI系统、串口系统和现场总线系统等多种形式。
常见虚拟仪器组建方案如图1-3所示:
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信号调理器数据、图像采集卡
GPIB接口仪器GPIB接口卡
被串行口仪器计算机（装测有虚拟仪
并行口仪器对器开发软
象件）VXI仪器
现场总线（field，CANbus）设备
其它计算机硬件板卡
图1-3常见虚拟仪器组建方案
（l）PC-DAQ插卡式的VI
这种方式用数据采集卡配以计算机平台和虚拟仪器软件，便可构成数据采集和虚拟仪器系统。
它充分利用了计算机的总线、机箱、电源以及软件的便利，其关键在于A/D转换技术。
这种方式受PC机机箱、总线限制，存在电源功率不足、机箱内噪声电平较高、无屏蔽、插槽数目不多、尺寸较小等缺点。
但因插卡式仪器价格便宜，因此其用途广泛，特别适合于工业测控现场、各种实验室和教学部门使用。
（2）并行口式的VI
最新发展的可连接到计算机并行口的测试装置，其硬件集成在一个采集盒里或探头上，软件装在计算机上，可以完成各种VI功能。
它的最大好处是可以与笔记本计算机相连，方便野外作业，又可与台式PC相连，实现台式和便携式两用，非常方便。
（3）GPIB总线方式的VI
GPIB（GeneralPorposeInterfaceBus）技术的出现使电子测量由独立的单台手工操作向大规模自动测试系统发展。
典型的GPIB系统由一台PC机，一块GPIB接口卡和若干台GPIB仪器通过GPIB电缆连接而成。
GPIB测试系统的结构和命令简单，造价较低，主要市场在台式仪器市场。
适用于精确度要求高，但
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对计算机速率要求和总线控制实时性要求不高的场合。
（4）VXI总线方式的VI
VXI总线是高速计算机总线VME在VI领域的扩展，有稳定的电源，强有力的冷却能力和严格的RFI/EMI屏蔽。
由于它的标准开放，且具有结构紧凑、数据吞吐能力强、定时和同步精确、模块可重复利用、众多仪器厂家支持等的优点，得到了广泛的应用。
它适用于组建大、中规模自动测量系统以及对速度、精度要求高的场合，但VXI总线要求有专用机箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造价比较高。
（5）PXI总线方式的VI
PXI总线是PCI在VI领域的扩展。
这种新型模块化仪器系统是在PCI总线内核技术上增加了成熟的技术规范和要求形成的，具有多板同步触发、精确定时的星形触发、相邻模块间高速通讯的局部总线以及高度的可扩展性等优点，适用于大型高精度集成系统。
（6）网络接口方式的VI
尽管Internet技术最初并没有考虑如何将嵌入式智能仪器设备连接在一起，不过NI等公司己经开发了通过web浏览器观测这些嵌入式仪器设备的产品，使人们可以通过Internet操作仪器设备。
根据虚拟仪器的特性，能够方便的将虚拟仪器组成计算机网络，利用网络技术将分散在不同地理位置不同功能的设备联系在一起，使昂贵的硬件设备、软件在网络上得以共享，减少了设备重复投资。
（7）USB接口方式的VI
USB因其在PC机上的广泛使用、即插即用的特性和USB2.0高达480Mbits/s的传输速率，使其逐渐成为仪器控制的主流总线技术。
USB接口被广泛应用，也使得工程师可以很方便的将基于USB的测量仪器连接到整个系统中。
但是USB在仪器控制方面亦有一些缺点，比如USB的传输线没有工业标准的规格，在恶劣的环境下，可能造成数据的丢失，此外，USB对传输线的距离也有一定的限制。
无论哪种VI系统，都是将仪器硬件搭载到笔记本电脑、台式微机或工作站等各种计算机平台加上应用软件而构成的。
一台性能优良的虚拟仪器不仅可以实现传统仪器的所有功能，而且在许多方面还有传统仪器无法比拟的优点，如使用灵活方便、功能丰富、价格低廉、可一机多用、可重复开发等。
与传统仪器相比虚拟仪器主要有以下优点:
表1-1虚拟仪器与传统仪器的比较
虚拟仪器传统仪器6
开放、灵活，可与计算机保持同步发展封闭仪器间相互配合较差
核心是软件，系统升级方便核心是硬件，升级成本较高
价格低廉，仪器间投资可以重复利用价格昂贵，仪器间无法相互利用
用户可自定义仪器功能仪器功能在出厂前有厂家定义好的
可以与周边设备方便互联与其它仪器设备的连接十分有限
软件使得开发与维护费用低开发与维护开销高
技术更新周期短（1-2年）技术更新周期长（5-10年）
数据可编辑、储存、打印数据无法编辑
1）融合了计算机强大的硬件资源，突破了传统仪器在数据处理、显示、存储等方面的限制，大大增强了传统仪器的功能。
而且高性能处理器、高分辨率显示器、大容量硬盘等已成为虚拟仪器的标准配置。
2）利用了计算机丰富的软件资源，一方面，实现了部分仪器硬件的软件化，节省了物质资源，增加了系统的灵活性;
另一方面，通过软件技术和相应的数值算法，实时、直接地对测量数据进行各种分析与处理另，通过图形用户界面技术，真正做到界面友好、人机交互。
3）基于计算机总线和模块化仪器总线，使仪器的硬件实现了模块化、系列化，大大缩小了系统的尺寸，可方便地构建模块化仪器（Instrumentona
Card）。
4）基于计算机网络技术和接口技术，使系统具有方便、灵活的互联能力，广泛支持诸如CAN，FieldBus，PROFIBUS，USB、PCI等各种工业总线标准。
因此，利用VI技术可方便地构建自动测试系统（ATS，AutomaticTe
升级会员 