本科毕业设计自动化测控技术与仪器 基于labview的虚拟示波器的设计和实现.docx

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本科毕业设计自动化测控技术与仪器基于labview的虚拟示波器的设计和实现

毕业设计（论文）

基于LabVIEW的虚拟示波器的设计和实现

系别

自动化工程系

专业名称

测控技术与仪器

班级学号

5080911

学生姓名

高尚

指导教师

吴朝霞

2012年6月15日

基于LabVIEW的虚拟示波器的设计和实现

摘要

随着微电子集成技术和微计算机技术的飞速发展，现代虚拟示波器作为一种精密电测仪器得到了更快的发展，其功能越来越强、精度越来越高，而且外形越来越美观。

但现有的虚拟示波器价格普遍偏高，使其应用受到一定限制。

充分利用虚拟现实技术研究功能强大、性价比高的虚拟数字示波器，使之能更好地满足实际应用的需求，具有很好的现实意义。

本文介绍了虚拟仪器的研究背景和意义以及国内外的一些研究进展。

接下来对虚拟仪器总体进行了概述，讨论了虚拟仪器的概念、构成、特点、发展建立了虚拟仪器的基本框架,在此基础上，进行了虚拟示波器的系统设计。

完成了虚拟示波器各模块的详细设计，包括数据采集模块、用户界面模块、频谱分析模块、双通道信号发生模块、波形显示模块和参数计算模块的设计，还讨论了软件设计中的技术问题。

该示波器主要用于电子测量仪器教学,让学生掌握示波器的工作原理、示波器的测试和示波器的主要控键。

设计中我们通过模拟信号发生器产生的多通道信号对多种控制参数进行了设置、实时采集、处理、显示和存储等功能的试验，但在进行硬件试验时并未成功。

另外在程序的繁琐程度，资源的利用率方面仍有改进的需要。

关键词：

LabVIEW；示波器；虚拟仪器；采集卡

DesignandImplementationoftheVirtualOscilloscopeBasedonLabVIEW

Author：

GaoShangTutor：

WuZhaoXia

Abstract

Withtherapiddevelopmentofintegratedmicroelectronicstechnologyandmicrocomputertechnology,moderndigitalstorageoscilloscopeasaprecisionelectricalmeasuringinstrumentstodevelopfaster,morepowerful,higherandhigherprecision,butmoreandmoreshapebeautiful.However,theexistingdigitalstorageoscilloscopepricesaregenerallyhigh,itsapplicationissubjecttocertainrestrictions.Makefulluseofvirtualrealitytechnologyisapowerful,cost-effectivevirtualdigitaloscilloscope,sothatitcanbettermeettheneedsofpracticalapplication,withgoodpracticalsignificance.

Thispaperintroducestheresearchbackgroundandsignificanceofthevirtualinstrument,aswellassomeprogressathomeandabroad.Nextonthevirtualinstrumentoverall,todiscusstheconceptofvirtualinstruments,composition,characteristics,developmenthasestablishedthebasicframeworkofthevirtualinstrument,onthisbasis,thesystemdesignofthevirtualoscilloscope.Completedthedetaileddesignofthevirtualoscilloscopemodule,includingthedataacquisitionmodule,theuserinterfacemodule,aspectrumanalysismodule,dual-channelsignalgenerationmodule,waveformdisplaymoduleandparameterstocalculatethemoduledesign,andalsodiscussedthetechnicalaspectsofsoftwaredesign.

Theoscilloscopeismainlyusedforelectronicmeasuringinstrumentsandteaching,enablestudentstoacquiretheworksoftheoscilloscope,oscilloscopetestandtheoscilloscopecontrolkey.Multichannelsignaldesign,analogsignalgeneratortogenerateavarietyofcontrolparameters,settings,real-timeacquisition,processing,displayandstorageofthetest,butduringthehardwaretestdidnotsucceed.Inaddition,thereisstillroomforimprovementintheredtapeoftheprogram,theresourceutilizationneeds.

KeyWords:

LabVIEW;oscilloscope;virtualinstrument;dataacquisitioncard

1绪论

从20世纪40年代开始，计算机革命给当代社会的发展注入了活力。

计算机技术的高速发展和普及带动了各个行业的进步，有力地促进了多年来发展相对缓慢的仪器技术的飞跃，给仪器仪表领域带来了深刻的变化；新的测试理论、测试方法、测试领域以及仪器结构不断出现，而电子测量技术的功能和作用也发生了质的变化由于计算机处于核心地位，计算机软件技术和测试系统更紧密地结合在一起。

20世纪80年代，美国成功地将虚拟现实技术引入了仪器设计中，研制了虚拟仪器，从而开辟了仪器领域的新时代。

1.1虚拟仪器的概念

虚拟仪器是利用PC计算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计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析、处理，由I/O接口设备完成信号的采集、测量和调理，从而完成各种测试功能的一种计算机仪器系统“1。

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，DIA、数字I/O、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。

虚拟仪器技术的实质是充分利用最新的计算机技术来实现和扩展传统仪器的功能。

虚拟仪器是基于计算机的仪器”1。

软件是虚拟仪器的关键，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的分析、处理、表达、传递、储存等方面的限制，达到传统仪器无法比拟的效果。

它不仅可以用于电子测量、测试、分析、计量等领域，而且还可以用于进行设备的监控以及工业过程自动化。

虚拟仪器还可以广泛应用于电力工程、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。

1.2虚拟仪器的构成

虚拟仪器的结构如图1所示。

下面就从硬件和软件两个方面介绍虚拟仪器的构成。

图1虚拟仪器的构成框图

1.2.1虚拟仪器的硬件系统

虚拟仪器的硬件系统一般分为计算机硬件平台和I/O接口设备。

1.计算机硬件平台

虚拟仪器的计算机硬件平台可以使各种类型的计算机。

如台式计算机、便携式计算机、工作站、嵌入式计算机等。

计算机管理着虚拟仪器的软、硬件资源，是虚拟仪器的硬件平台的核心。

计算机在显示、存储能力、处理性能、网络、总线标准等方面的发展，促进了虚拟仪器的迅速发展。

2.I/O接口设备

根据接口硬件不同，虚拟仪器的构成方式主要有下面五种类型：

PC-DAQ系统，即以数据采集板、信号调理电路及计算机为仪器硬件平台组成的插卡式虚拟仪器系统；GPIB系统，即以GPIB标准总系仪器与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统；VXI系统，即以VXI标准总线仪器模块与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统；PXI系统，即以PXI标准总线仪器模块与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统；串口系统，即以Serial标准总线仪器与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。

1.2.2虚拟仪器的软件结构

虚拟仪器的核心思想是利用计算机的硬件和软件资源，使本来由硬件或电路实现的技术软件化和虚拟化，以便最大限度地降低系统成本，增强系统的功能与灵活性。

基于软件在虚拟仪器系统中的重要作用，从底层到顶层，虚拟仪器的软件系统框架包括三部分：

VISA库、I/O接口仪器驱动程序、应用软件。

虚拟仪器的软件结构如图2所示。

图2虚拟仪器的软件结构

VISA库实质就是标准的I/O函数库及其相关规范的总称。

一般称这个I/O函数库为VISA库。

它驻留与计算机系统之中，执行仪器总线的特殊功能，是计算机与仪器之间的软件层连接，用以实现对仪器的程控。

仪器驱动程序是完成对某一特东仪器的控制与通信的软件程序集合，是应用程序实现仪器控制的桥梁。

每个仪器模块都有自己的仪器驱动程序，仪器厂商将其以源码的形式提供给用户，用户在应用程序中调用仪器驱动程序。

应用程序包含两个方面：

实现虚拟面板功能的前面板软件程序，定义测试功能的流程图软件程序。

应用软件开发系统是涉及开发虚拟系统所必需的软件工具。

目前，交流行的虚拟仪器软件开发工具有如下两类：

文本式编程语言，如VisualC++、VisualBIASIC、LabWindows/CVI等；图形化编程语言，如LabVIEW、HPVEE等。

1.3虚拟仪器的特点

虚拟示波器和传统示波器相比，有以下几个特点：

（1）性价比高

规模经济效益使通用个人计算机具有很高的性价比，而且基于个人计算机的虚拟仪器和仪器系统可共享计算机硬件资源，从而大大增强了仪器的功能，降低了仪器的成本。

传统仪器小而全，而且各仪器的资源不能共享。

虚拟仪器把传统仪器的公共部分如显示、控制、打印、通信等都由计算机来完成，即无论任何功能的仪器都可利用或共享这些公共资源，而无需重复设置。

（2）开放性好

具有开放性的模块化设计，便于用户能根据测试任务随心所欲地组建仪器或系统，仪器扩充、联网和升级十分方便，可更新配置测试功能模板，甚至无需改变硬件，只需应用模块化的软件包的重新搭配，便可构成新的虚拟仪器，提高资源的可再用性。

（3）智能化程度高

虚拟仪器是基于计算机的仪器，其软件具有强大的分析、计算、逻辑判断等功能，可以再计算机上建立一个普通的智能仪器到智能专家系统。

（4）界面友好，使用方便

传统仪器的面板只有一个，其上布置着种类繁多的显示和操作原件。

由此导致许多认读和操作错误。

虚拟仪器与之不同，他们采用图形界面，在屏幕上虚拟出仪器面板，用鼠标操作，简单快捷，仪器功能选择、参数设置、数据处理、结果显示均能通过有好的人机对话来进行。

这样可以提高操作的正确性和便捷性。

同时，虚拟仪器的面板上的显示元件和操作原件的种类与形式不受标准件和加工工艺的限制，而由编程来实现，设计者可以根据用户的认知要求和操作要求设计仪器面板。

虚拟仪器实现了测量仪器的智能化、多样化、模块化和网络化，体现出多功能、低成本、应用灵活、操作方便等优点。

同传统仪器相比，虚拟仪器功能更强，使用更灵活，在很多领域大有取代传统仪器的趋势，成为当代仪器发展的一个重要方向，并受到各国业界的高度重视。

1.4虚拟仪器的发展

虚拟仪器技术目前在国外发展很快，以美国国家仪器公司（NI公司）为代表的一批厂商已经在市场上推出了基于虚拟仪器技术而设计的商品化仪器产品。

虚拟仪器的概念使得现代计算机技术、通信技术和测量技术达到了前所未有的紧密结合，进而引发了传统仪器观念的一次巨大变革。

近年来，世界各国的虚拟仪器公司开发了不少虚拟仪器开发平台软件，以便使用者利用这些公司提供的开发平台软件组建自己的虚拟仪器或测试系统，并编制测试软件。

最早和最具影响力的开发软件是NI公司的LABVIEW软件和LabWindows/CVI开发软件。

LABVIEW采用图形化编程方案，是非常实用的开发软件。

LabWindows/CVI是为熟悉c语言的开发人员准备的、在Windows环境下的标准ANSIC开发环境。

除了上述的优秀开发软件之外，美国HP公司的HP-VEE和HPTIG平台软件，美国Tektronix公司的Ez—Test和Tek—TNS软件，以及美国HEMData公司的Snap-Master平台软件，也是国防止公认的优秀虚拟仪器开发平台软件。

”

当今虚拟仪器的系统开发采用的总线包括传统的RS232串行总线、GPIB通用接口总线、VXI总线，以及己经被Pc机广泛采用的USB通用串行总线和IEEEl394总线（即Firewire，也叫做火线）。

世界各国的公司，特别是美国NI公司，为使虚拟仪器能够适应上述各种总线的配置开发了大量的软件以及适应要求的硬件（插件），可以灵活地组建不同复杂程度的虚拟仪器自动测试系统。

虚拟仪器的开发厂家，为扩大虚拟仪器的功能，在测量结果的数据处理、表达模式及其变换方面也做了许多工作，发布了各种软件，建立了数据处理的高级分析库和开发工具库（例如测量结果的谱分析、快速傅立叶变换、各种数字滤波器、卷积处理和相关函数处理、微积分、峰值检测、波形发生噪声发生、回归分析、数值运算、时域和频域分析等），使虚拟仪器发展成为可以组建极为复杂自动测试系统的仪器系统。

在国内已有部分院校的实验室引入了虚拟仪器系统，上海复旦大学、上海交通大学、广州暨南大学、华中理工大学、四川联合大学等。

近年来这些学校在原有的基础上，又开发了一批新的虚拟仪器系统用于教学和科研。

此外，国内己有几家企业在研制PC虚拟仪器，国内专家预测：

未来的几年内，我国将有50％的仪器为虚拟仪器，国内将有大批企业使用虚拟仪器系统对生产设备的运行状况进行实时监测。

随着计算机技术、仪器技术和网络通信技术不断完善，虚拟仪器将向三个方向发展：

（1）外挂式虚拟仪器

PC-DAQ是虚拟仪器是现在比较流行的虚拟仪器系统，但是，由于基于PCI总线的虚拟仪器在插入DAQ式都要打开机箱比较麻烦，而且主机上的PCI插槽有限，再加上测试信号直接进入计算机，各种现场的被测信号对计算机的安全造成很大威胁，同时，计算机内部强电磁干扰对被测信号也会造成很大影响，故以USB接口方式的外挂式虚拟仪器系统将成为今后廉价型虚拟仪器测试系统的主流。

（2）PXI型高精度集成虚拟仪器测试系统

PXI系统高度的可扩展性和良好的兼容性以及比VXI系统更高的性价比将使他成为未来大型高精度集成测试系统的主流虚拟仪器平台。

（3）网络化虚拟仪器

随着计算机、通信和微电子技术的不断提高，以及网络时代的到来和信息化要求的不断提高，网络技术应用到虚拟仪器领域中将是虚拟仪器发展的大趋势。

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等公司已开发了通过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，用户能够方便地将虚拟仪器、外部设备、被测试点以及数据库等资源纳入网络。

利用网络技术将分散在不同地理位置不同功能的测试设备联系在一起，使昂贵的硬件设备、软件在网络上得以共享，共同完成测试任务，减少了设备重复投资。

由此可见，网络化虚拟仪器将具有广泛的应用前景。

1.5虚拟示波器及其特点

传统的模拟示波器把需观测的两个电信号加至示波管的X、Y通道以控制电子束的偏移，从而获得荧光屏上关于这两个电信号关系的显示波形。

显然，这种模拟示波器体积大、重量重、成本高、价格贵，并且不太适合用于对非周期的、单次信号的测量。

虚拟示波器（DigitalStorageoscmoscope简称Dso）是将输入被测连续模拟信号用A/D转换器变换成离散数字信号并存储于存储器中。

转换完成一批数据后通过光栅扫描将数字信息经过变换显示在LCD上。

虚拟示波器既适用于重复信号的检测，也适用于单次瞬态信号的测量。

与记忆示波器相比，虚拟示波器具有存储时间长，能捕捉触发点前的信号，可通过接口将数据共享等特点。

正是由于虚拟示波器引入数字处理技术，并与计算机一起构成更大的测控系统，使其对于复杂的单次瞬变信号的记录存储及分析研究非常有效，在各行各业（包括电子、机械、纺织、水力以及军事应用领域等）都有着广阔的发展天地。

所谓虚拟，就是在示波器中以数字编码的形式来贮存信号。

在信号到达LCD的偏转电路之前，示波器将按一定的时间间隔对信号电压进行采样，然后用一个模数变换器（ADC）对这些瞬时值或采样值进行变换从而生成代表每一个采样电压的二进制字，这个过程称为数字化。

接着将获得的二进制数值贮存在存储器中。

对输入信号进行采样的速度称为采样速率，采样速率由采样时钟控制。

对于一般使用情况来说，采样速率的范围可从20MS/s到200MS/s。

虚拟示波器（DSO）基于取样原理，利用A/D转换技术和虚拟技术，能迅速捕捉瞬变信号并长期保存。

它首先对模拟信号进行高速采样获得相应的数字数据并存储，存储器中贮存的数据用来在示波器的屏幕上重建信号波形；它然后利用数字信号处理技术对采样得到的数字信号进行相关处理与运算，从而获得所需的各种信号参数（包括可能需要使用万用表测试的一些元器件电气参数）。

最后，它根据得到的信号参数绘制信号波形，并可对被测信号进行实时的、瞬态的分析，以方便用户了解信号质量，快速准确地进行故障的诊断。

虚拟示波器克服了传统模拟示波器无法完成对单次信号和低重复频率信号进行测试的缺点，同时它还具有如下的特点：

1．可以显示大量的预触发信息。

2．可以长期贮存波形。

3．波形信息可用数学进行处理：

如平均、迭加、频谱分析、FFT分析等。

4．可以进行全自动的参数测量：

使用模拟示波器时，用户只能进行手动测量，例如对屏幕上显示的波形曲线进行解释分析、在屏幕上计算格数以求出波形幅度和时间间隔。

而使用DSO时，只要示波器已经采集了信号波形，就获得了所有的波形信息数据，根据这些数据就能自动计算出要测量的参数，得到更加准确可靠的结果，整个过程极为迅速简便。

5．可以采用多种触发方式：

DSO的存贮功能使它成为捕捉十分罕见、甚至于只发生一次的信号，例如单次事件的极为有用的工具。

为捕捉这些信号就要求示波器具有各种各样的触发方式去探测这些特殊的条件，以便启动波形采集。

为实现这一目的，只有边缘触发方式往往是不够的，为此又开发了若干附加的触发能力，如状态触发、毛刺触发、时间限定触发等。

1.4.1虚拟示波器的分类

数字示波器的核心内容是将模拟连续被测信号转换为数字信号，即取样。

从连续模拟被测信号中离散（时间上）地取样转换成数字数据作为“样品”，用来表达原信号的部分特性或全部特性。

保证转换的数字数据与被测信号的关系是线性的；取样时可以一个被测信号周期内取许多点或者多个被测信号周期内采集一个点；取样间隔可以相等，也可以不等。

取样方式大致有两种：

实时取样、非实时取样。

实时取样：

取样脉冲频率高于信号频率，在信号的一个周期内采集多次被测信号的瞬时值，用其包络反映原波形。

为了比较真实地再现被测信号原貌，实时取样时，一个被测信号周期内要求取样点数N大于或等于5，当N=10时，波形完全再现信号；当N=5时，波形微显失真；当N=3时，波形呈明显失真。

非实时取样又分为顺序取样和随机取样。

非实时顺序取样：

一个或多个被测信号周期内取样一次，取样信号每次延迟△t+NT（T为被测信号的周期，N等于1，2，3…），取样后的离散数字信号构成的包络反映原信号的波形情况，但这个包络的周期与原信号的周期相比低得多，相当于将被测信号在时间轴拉伸了。

非实时随机取样：

一个或多个被测信号周期内取样一次，但每次取样相对于原信号不是固定△t+NT时间，而具有一定的随机性（相对于被测信号某一固定相位一参考点），以取样时刻相对于参考点的△t时间段为“尺度”在时间轴排序取样点，由此形成的包络再现了被测信号的信息。

根据取样的方法不同，数字示波器可以分为实时取样虚拟示波器、随机取样虚拟示波器、顺序取样虚拟示波器。

以上三种示波器各有优缺点，实时取样示波器可以观测非周期信号，非实时取样示波器可以比较容易地做到观测高频信号的能力。

虚拟示波器用实时取样方式观察重复信号时，由于触发信号与取样时钟是不同步的，它们之间无固定的时间关系，故触发信号与其后第一个取样时钟间的时间间隔是随机的，其值在0到t个取样周期内变化。

所以在观察重复信号时，波形晃动与一个被测信号周期中的取样点数成反比，随着被测信号频率增高，晃动变大。

在随机取样方式工作时，每个捕获周期取得一组取样数据。

第一个捕获周期获得一组取样数据，第二个捕获周期又获得一组取样数据，依次类推，第N个获取周期又获得一组数据。

每组数据内相邻两个取样点的时间间隔是固定的（采样周期），而各组数据头一个取样点相对于触发信号是随机的。

利用该随机时间间隔△t依次在时间轴上排序各组捕获数据，从而重现被测信号波形。

1.4.2虚拟示波器工作原理

虚拟示波器有实时取样和非实时取样两种。

这里介绍属于实时取样的虚拟示波器虚拟示波器包括取样通道、X通道、Y通道、CRT，微型计算机、GPIB等部分。

在微型计算机的控制下完成取样、存储、读出、显示和程控等任务。

控制部分I拍CPU、ROM、RAM等组成。

CPU控制所有的I/O口、RAM的读，写操作，以及地址总线和数据总线的使用。

在ROM内固化（写入）有仪器的监控程序。

GPIB是通用接口总线，通过它可以程控虚拟示波器的工作状态，实现内部存储器与外部设备交换数据的功能。

图中触发电路、控制电路等部分决定了模拟信号的取样、存储和读出。

输入信号经取样和A/D转换后写入RAM中，在显示时，从存储器（RAM）读出数据，经D/A转换器恢复成模拟信号（阶梯波），并送到cRT的垂直偏转板；同时对存储器进行地址扫描，经D/A变换成上升的扫描电压，以便供显示波形时使用，这个波形是由连续光点合成的。

其中，X通道在写入阶段用于控制取样脉冲的形成。

它也可以只用于在显示阶段提供X通道扫描电压，由微计算机直接提供取样的控制信号。

为了同步并显示稳定的信号，每次时基扫描都是由一个触发事件启动的。

虚拟示波器的工作原理主要包括取样原理、时基设置、触发机制、波形插值处理、工作模式等。

1.4.3虚拟示波器的研究现状与发展

随着微电子集成技术、微计算机技术、数字技术的飞速发展，现代数字化存储示波器的研究与