基于labview的虚拟示波器设计.docx
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基于labview的虚拟示波器设计
目录
1绪论5
1.1虚拟仪器的背景5
1.1.1虚拟仪器的产生5
1.1.2虚拟仪器的概念5
1.1.3虚拟仪器的构成6
1.1.4虚拟仪器的优点6
1.2虚拟仪器的现状7
1.2.1国外虚拟仪器的研究现状7
1.2.2国内虚拟仪器的研究现状7
1.2.3虚拟仪器的发展方向8
1.3本文的研究内容8
2虚拟示波器的原理8
2.1虚拟示波器的基本原理8
2.2虚拟示波器的功能方框图9
2.3虚拟示波器的声卡采集原理9
2.3.1声卡的作用10
2.3.2声卡的硬件结构10
2.3.3声卡的主要技术参数11
2.3.4声卡用于数据采集时的设置11
3虚拟示波器的软件设计12
3.1LABVIEW简介12
3.1.1G语言简介13
3.1.2LABVIEW程序组成13
3.1.3LABVIEW中有关声卡函数介绍14
3.2程序流程图15
3.3程序结构框图16
3.4数据采集和处理系统16
3.4.1声音输入设置18
3.4.2声音输入读取19
3.4.3声音输入驱除20
3.5LABVIEW虚拟示波器的程序设计21
3.5.1前面板设计21
3.5.2总程序的设计22
3.6参数显示模块23
3.7频谱分析模块23
3.8测量模块24
4程序的测试结果26
4.1虚拟示波器的性能指标26
4.1.1采样频率26
4.1.2采样精度26
4.2程序的调试结果26
4.3小结28
5总结和展望28
5.1结论28
5.2展望29
致谢29
参考文献30
基于labview的虚拟示波器设计
祁晨
南京信息工程大学滨江学院测控技术与仪器专业，南京210044
摘要：
虚拟仪器技术是现在计算机系统和仪器系统相结合的产物，是当今计算机辅助测试领域的一项重要技术。
它推动着传统仪器朝着数字化，智能化，模块化，网络化的方向发展。
本课题在掌握了虚拟仪器的基本结构及信号处理的相关知识基础之上，设计了一套虚拟示波器。
文章阐述了虚拟仪器的背景、概念、发展、组成等，重点介绍了采用图形化编程软件LABVIEW设计虚拟示波器方法以及它的波形显示、频谱分析、参数显示等功能，最终实现开发一个能够对声音信号进行显示的虚拟示波器。
本文所设计的虚拟示波器经过测试可以对信号正确的采集和显示，达到了本次虚拟示波器的设计要求。
关键词：
虚拟仪器，LABVIEW，示波器
1绪论
1.1虚拟仪器的背景
1.1.1虚拟仪器的产生
电子测量仪器经历了由模拟器、带GPIB接口的智能仪器到全部可编程虚拟仪器的发展历程，其中每一次的飞跃都是以计算机技术的进步为动力。
由于计算机技术的发展特别是计算机总线标准的发展导致了虚拟仪器在PXI和VXI两大领域中得到了快速发展，它们将成为未来仪器行业的两大主流产品[1]。
虚拟仪器（VirtualInstruments.简称VI）的概念，是美国国家仪器公司（NationalInstrumentsCorp.简称NI）于1986年提出的。
NI公司同时也提出了“软件即仪器”的口号，彻底打破了传统仪器只能由厂家定义，用户无法改变的局面，从而引起了仪器和自动化工业的一场革命。
虚拟仪器的诞生导致了传统仪器的结构、概念和设计观点都发生了巨大的变革，它的出现使得人类的测试技术进入了一个新的发展纪元。
1.1.2虚拟仪器的概念
所谓虚拟仪器是指计算机，软件功能模块和仪器硬件，应用程序和用户友好的图形界面（通常称为虚拟前面板，前面板）的组合来操作这台电脑在运作自己定义，自己设计的被测信号的采集，分析，判断，显示，数字存储的个人文书。
虚拟仪器在一个透明的方式，通过软件分析，数据处理，表达和图形用户界面（如微处理器，显示器等）的计算机资源和仪器硬件（如A/D转换和D/数字测试和控制的I/O，定时器，信号调理，等等）。
突破传统乐器为主要模式的硬件虚拟化，用户是计算机操作测试软件测量，如果经营假设的电子设备的事实。
虚拟仪器技术的本质，要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。
该软件是虚拟仪器，基本硬件确定的，可以由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，以满足各种各样的应用需求。
计算机软件和硬件资源的财富，可大大超过传统乐器的数据分析，处理，表达，传输，存储，以及其他限制，以达到传统仪器的效果无法比拟的。
它不仅可用于电子测量，测试，分析，测量，和其他领域，也可用于监测和工业过程自动化设备。
虚拟仪器也可广泛用于电力工程，材料矿产资源勘查，医疗，振动分析，声学分析，故障诊断和教学，科研[2]。
1.1.3虚拟仪器的构成
从六方面的要素虚拟仪器是由一台电脑，应用软件和专用仪器硬件组成。
从分数意义DAQ板卡和PC-DAQ测试系统组成的信号调理仪器的硬件，或GPIB，VXI总线，串行，现场总线标准总线仪器的GPIB系统的硬件，VXI系统的串行现场总线系统和其他形式[3]。
虚拟仪器的组成如图1-1所示。
图1-1虚拟仪器的结构
1.1.4虚拟仪器的优点
一个虚拟仪器的性能良好，不仅可以实现传统乐器无法比拟的优势，如使用灵活，功能丰富，成本低，大多数传统仪器的功能，而且在许多方面可以是一个多功能的，可重复使用发展。
虚拟仪器与传统仪器相比，具有以下优点：
（1）用户自定义功能：
不使用厂商定义，预先包装的软件和硬件设计师和工程师们最大的用户定义和灵活性。
虚拟仪器软件，设计师和工程师可以使用的高效率和强大的软件定制的收集，分析，存储，共享和显示功能。
（2）软件为核心的硬件VI，以确定其功能由软件来实现在关键位置在六，六灵魂的软件。
（3）良好的人机界面：
软面板的VI输出和测量结果的表达是由软件生成，并通过雨传统的仪表盘是类似的图形界面实现。
因此，用户根据自己的兴趣，利用强大的PC图形环境和在线帮助功能，通过软件开发，定义面板的形式由用户的爱好。
（4）可扩展性：
基于计算机网络技术和接口，VI系统是方便，灵活的互连能力，为多种工业总线，如CAN，现场总线PROFIBUS标准的广泛支持。
因此，使用虚拟仪器技术可以方便地建立自动化测试系统（安非他明类兴奋剂，自动测试系统），实现测量，控制网络化进程。
（5）成本效益：
以计算机为基础的开放标准体系结构。
虚拟仪器的硬件和软件的一个开放的，模块化，可重用的使用和互换性的特点。
因此，用户可以选择来自不同厂商的产品，根据自己的需要，使仪器系统开发更加灵活，高效，缩短时间的形成和维护。
1.2虚拟仪器的现状
1.2.1国外虚拟仪器的研究现状
虚拟仪器技术在国外发展迅速，美国国家仪器公司（NI公司）为代表的一些厂商已经在市场上推出基于虚拟仪器技术及仪器设计的商品化。
在虚拟仪器系统和它的图形化编程语言，作为强制性的科学和工程专业学生的大学课程。
近年来，世界虚拟仪器公司开发的虚拟仪器开发平台软件，使用户能够使用这些公司提供软件开发平台，以建立自己的虚拟仪器测试系统，测试软件的编制。
软件的最早和最有影响力的发展，在NILabVIEW软件和LabWindows/CVI开发软件。
LabVIEW图形化编程的程序是非常有用的软件开发。
实验室的Windows/CVI是为熟悉C语言，标准的ANSIC开发环境在Windows环境，除了上述的开发软件，惠普的HP-VEE和HPTIG平台软件的开发与准备世界各地的公司，尤其是在美国NI公司的虚拟仪器能够适应上述总线配置，建立大量的软件开发所需的硬件（插件），灵活性和适应不同层次的复杂的虚拟仪器检测系统。
使用虚拟仪器系统开发，包括传统的RS232串行总线，GPIB通用接口总线，VXI总线，并已广泛应用于PC，USB串行总线和IEEE1394总线（即防火线，也被称为“巴士火线）。
虚拟仪器的制造商，以扩大在虚拟仪器测量数据的功能，表达模块和转型也做了很多工作，发布各种软件，数据处理，高级分析库和开发工具库（例如，测量频谱分析，处理各种数据过滤器，卷积处理和相关的功能，微积分，峰值阈值检测，波形噪声的发生，回归分析，数值计算，时域和频域分析等，快速傅立叶变换的结果），可以设立虚拟仪器开发极其复杂的仪器系统，自动检测系统[4]。
1.2.2国内虚拟仪器的研究现状
目前主流的虚拟仪器主要是VXI.PX各种计算机总线和总线标准的各种插卡和仪器模块间或有其它总线式的仪器模块，工作方式多是插入各种总线机箱内或直接插入计算机机箱内，少数情况下是独立模块以接口形式接入计算机。
它们多数属于中低频范围，主要是工程应用类仪器设备。
我国VXI总线技术是反映我国目前虚拟仪器水平的一个方面，互联网已经使数据共享进入新阶段，加速了虚拟仪器的新网络技术及远程计算机技术的发展，而这些技术是传统仪器不可能实现的，虚拟仪器很好的利用了互联网的功能，因此可以把来自测量和设计的数据直接发布到网上。
1.2.3虚拟仪器的发展方向
虚拟仪器将继续其快速发展。
它可以取代各种仪器的测量技术在传统领域。
虚拟仪器的组成和改变仪器的功能和技术性能，灵活性和经济性，特别是适应现代科学技术和科研的飞速发展，继续深化与新的测量问题和测量需求提出了更高的。
进一步发展和完善的图形化编程平台是一个虚拟仪器发展的重要方向。
如何到使用的虚拟仪器系统的构成一个简单的和完整的的一个复杂的测试的内容的，如何，以帮助用户分析和判断的内容的测试结果是虚拟仪器技术的努力。
VXI总线将虚拟仪器VXI总线的性能，这是决定未来的理想硬件平台;另一方面，基于PCI-DAQ的虚拟仪器系统的成本效益，灵活和用户最不分年龄人人共享的高速发展。
随着计算机硬件的飞速发展，软件，技术，虚拟仪器将提供高性能，多功能，集成化，网络化方向[5]。
1.3本文的研究内容
我国在科学技术方面与世界顶级国家还有一定距离，我国的高档仪器大部分还要依赖进口，这种仪器往往价格昂贵，使用面窄，花很多的外汇只能起到有限的作用，因此，研究虚拟仪器对我国来说具有很重要的意义。
开发虚拟仪器不仅可以实现仪器的自我生产，而且虚拟仪器易于改进，提升性能，通过软件和硬件的更换，还可以实现多方面的用途，大大提高了仪器的性价比。
本论文主要介绍虚拟示波器硬件和软件的开发过程，以及相关数据处理的基础知识。
虚拟示波器主要有硬件和软件两部分构成。
硬件部分主要是普通PC机和数据采集卡；软件部分则包括了前面板，采集卡驱动程序及相关的应用软件（主要有频谱分析，数字滤波，数据存储和读取，波形显示等）
本论文主要分为以下几个部分：
第1章绪论
第2章虚拟示波器的原理
第3章虚拟示波器的软件设计
第4章程序测试与调试
第5章结论和展望
2虚拟示波器的原理
2.1虚拟示波器的基本原理
虚拟示波器主要由软件来完成信号的采集、处理和输出。
系统软件包括前面板生成框图程序和图标连接端口。
仪器主要功能包括：
通道选择、时基幅值控制、滤波器、信号发生器、数据存储与回放等。
2.2虚拟示波器的功能方框图
本文设计的示波器的能首先是完成信号的采集，然后将采集到的信号经过通道选择，再进行滤波器的滤波，最后将波形显示出来。
完成波形显示后示波器对其中的数据进行参数测量。
其功能方框图如图2-1所示
图2-1虚拟示波器功能方框图
2.3虚拟示波器的声卡采集原理
LabVIEW的构建是基于声卡的虚拟示波器的想法很清楚。
实际数据采集过程如下：
（1）初始化：
设置声卡和数据收集有关的一些硬件参数。
（2）然后，声卡，开始收集数据，收集到的数据暂时存储在FIFO缓冲区。
（3）当缓冲区是完整的数据，一方面，用户程序产生的收集，数据收集和数据处理程序的各种阵列中的数据读入。
（4）另一方面，消息缓冲区是满的，通知声卡暂时停止外部数据的收集，并进一步空缓存的内容。
声卡的数据采集过程如图2-2所示，这个过程是没有太大的区别与一般的数据采集卡，这是本设计的基本
骨干。
图2-2声
图2-2声卡的数据采集流程图
虚拟示波器使用模拟面板操作和处理功能的通用示波器，这是基于计算机的虚拟化技术，使用个人电脑和接口电路，收集现场或实验室信号，模拟示波器通过图形用户界面（GUI）操作面板完成信号采集，调理，分析和处理，并显示输出功能。
我设计的虚拟示波器，数据采集硬件支持与软件，完整的波形存储，分析，显示等功能的某些功能。
一般测试仪器的信号采集，信号处理和结果显示，三个主要部分组成，硬件配置的三个最。
由这三个部分的虚拟示波器，但除了部分由硬件实现信号采集，其他两部分是由软件实现。
我设计的虚拟示波器数据采集，波形显示，参数测量，频谱分析，几大模块，虚拟示波器在以下2-3所示的框图。
图2-3示波器的结构框图
结构框图说明：
由计算机输入一段声音，然后由声卡进行数据采集，声卡将采集到的信号存入缓存区，LABVIEW中的声音函数从缓存区中读取数据，读取到数据以后点击运行按钮，示波器中就可以将信号的波形、参数测量和频谱分析显示出来。
2.3.1声卡的作用
从数据采集的角度看，声卡是一种音频范围内的数据采集卡，是计算机与外部的模拟量间环境联系的重要途径。
在LABVIEW中提供了操作声卡的函数。
声卡的主要功能主要有录制与播放，编辑和合成处理以及MIDI接口。
2.3.2声卡的硬件结构
图2-4是一个声卡的硬件结构示意图。
声卡一般有4-5外部接口。
其中，输出接口2个，分别为洁具，Out和SPK。
洁具输出（LINEOUT）没有放大的信号，外部功率放大器的需要，例如，可以连接到有源音箱;SPK输出功率放大器的信号给定信号可以收到小号上。
这些接口，可以用来作为一个双通道信号发生器的输出。
图2-4声卡的硬件结构示意图
输入接口线和在麦克风之间的区别，后者可以访问的信号较弱，振幅约为0.02-0.2V，显然，这更容易受到干扰的信号，因此，经常使用线，它可以访问amplitudeapproximately不超过1.5V的信号。
请注意，这两个输入端口直流阻挡电容器，这意味着直流信号是不能接受的声卡。
大多数声卡的输入，双通道，但进入到插线往往是这些短到一个通道的两个渠道。
另外两个通道是共同点。
2.3.3声卡的主要技术参数
（1）采样的位数
采样位数可以理解为声卡处理声音的解析度。
这个数值越大，解析度就越高，录制和回放的声音也就越真实。
声卡的位数是指声卡在采集和播放声音文件时所使用的数字声音信号的二进制位数，它客观的反映了数字声音信号对输入声音信号描述的准确度。
（2）采样频率
目前,声卡的最高采样频率为44.1kHz，少数达到48kHz。
对于民用声卡，一般将采样频率设为4档，分别是44.1kHz、22.05kHz、11.025kHz、8kHz。
对20kHz范围内的音频信号，最高的采样频率才48kHz，虽然理论上没有问题，但似乎余量不大。
使用声卡比较大的局限在于，它不允许用户在最高采样频率之下随意设定采样频率，而只能分为4档设定。
这样虽然可使制造成本降低，但却不便于使用。
用户基本上不可能控制整周期采样，只能通过信号处理的方法来弥补非整周期采样带来的问题。
（3）缓冲区
与一般数据采样卡不同，声卡面临的D/A和A/D任务通常是连续状态的。
为了在一个简易的结构下较好的完成某个任务，声卡缓冲区的设计有其独到之处。
为了节省CPU资源，计算机的CPU并不是每次声卡A/D或D/A结束后都要响应一次中断，而是采用了缓冲区的工作方式。
在这种工作方式下，声卡的A/D、D/A都对某一缓冲区进行操作。
（4）没有基准电压
声卡不提供基准电压，因此无论是D/A还是A/D在使用时，都需要用户自己参照基准电压进行标定[6]。
2.3.4声卡用于数据采集时的设置
（1）声卡的设置
一般声卡主要用于输出声音，输入部分可能没有处于正常工作状态。
建议首先使用耳机和MIC检查声卡的功能，特别是输入功能（录音功能）是否正常。
如果不正常，需要检查声卡的设置。
一般来说，这里的设置有两层含义，首先是要配置所需的功能，其次是要保证已经配置的功能不处于关闭（静音）状态。
按图2-5所示，在“选项”菜单下选“属性”，得到图2-5（b）图所示的对话框，在此对话框上选择“录音”，并配置列表中的选项即可。
注意图2-5中的相关功能都不能处于静音状态。
如图2-5（a）所示。
图2-5（a）音量控制窗口
图2-5（b）音量控制属性
图2-5音量控制窗口和音量控制属性对话框
（2）硬件连接
硬件连接采用两种连接线：
1一条一头是3.5mm插孔，另一头是鳄鱼夹的连接线，2是双头为3.5mm插孔的音频连接线（在市场上可以买的到）。
为测试声卡的频响特性，可使用测试线2将声卡的输入端与输出端连接起来，形成一个闭合的环路。
如果测试输入信号，则使用测试线1把信号源连接到声卡输入端LineIn口；如果测试输出信号，就把该测试线连接到声卡输出端LineOut口[7]。
3虚拟示波器的软件设计
3.1LABVIEW简介
LABVIEW是（实验室虚拟仪器工作平台）是一个程序开发环境。
它类似于VisualBasic，VisualC++。
但是LABVIEW的特点在于：
它使用图形化编程语言G在流程图中创建源程序，而没有使用基于的文本语言来产生源程序代码。
LABVIEW是一个多线程、最佳化的图形编译器，它能在最大程度上优化系统的性能。
无论是使用基于计算机的插入式仪器设备，还是使用GPIB，VXI，Ethernet接口或是串口的独立仪器设备，LABVIEW内置的驱动程序库和具有工业标准的设备驱动软件都可以对仪器系统进行全面的控制。
LABVIEW的数据采集库包含了许多有关采集和生成数据的函数，它们与NI的插卡式或远程数据采集产品协同工作。
数据采集卡是进行高速直接控制以及低速控制的理想设备。
它能够为集成式测量方案提供功能强大且完备的测量分析库，这些软件库可以完成极限测试、频率分析、滤波及信号生成等任务。
LABVIEW具有许多特性，能使测量和自动化应用方案完成适用于用户企业的生产经营，能将应用方案以网页的形式发表，或在互联网的应用程序间进行数据传递。
LABVIEW拥有完整的Web服务器，可以随时发布测量结果。
LABVIEW专业版开发系统包括应用程序生成器，可以创建并发布独立的可执行程序、共享库或动态连接库（DLL）。
使用共享库可以使开发的应用程序代码进行重新使用。
DLL提供最大的灵活性，可以将LABVIEW与其他开发工具如VB，VC和NI的MeasurementStudio结合起来。
LABVIEW应用程序生成器可以创建安装程序，以便在Windows环境中执行可运行程序[8]。
3.1.1G语言简介
图形化的程序语言，又称为“G”语言。
使用这种语言编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是流程图。
它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念，因此，LabVIEW是一个面向最终用户的工具。
它可以增强你构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。
使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。
它最主要的的应用是美国国家仪器有限公司的labVIEW。
使用LabVIEW开发平台编制的程序称为虚拟仪器程序，简称为VI。
LabVIEW是一种图形化的编程语言，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。
G语言是一种适合应用于编程任务，具有扩展函数库的通用编程环境。
和BASIC和C语言一样，G语言也定义了数据类型、结构类型和模块调用语法规则等编程语言的基本要素，在功能完整性和应用灵活性上不逊于任何高级语言，同时G语言丰富的扩展函数库还为用户编程提供了极大的方便。
G语言与传统高级编程语言最大的差别在于编程方式一般高级语言采用文本编程，而G语言采用图形化编程语言。
3.1.2LABVIEW程序组成
该环境包括三个部分：
程序前面板、框图程序和图标连接端口。
程序前面板用于设置输入数值和观察输出量，主要用来模拟真实仪器的前面板。
在程序前面板上，输入量被称为控制，为虚拟仪器的框图程序提供数据；输出量被称为显示，显示虚拟仪器流程图中产生或获得的数据。
控制和显示是以各种图标形式出现在前面板上，如旋钮、开关、按钮、图表、图形等，这使得前面板直观易懂。
一个程序前面板都对应着一段框图程序。
框图程序用LABVIEW图形编程语言编写，可以把它理解成传统程序的源代码。
框图程序由节点、数据连线构成。
节点是VI程序中的执行元素，类似于文本编程语言程序中的语句、函数或子程序。
节点之间数据连线按照一定的逻辑关系相互连接，可定义框图程序内的数据流动方向。
节点之间、节点与前面板对象之间是同数据端口和数据连线来传递数据的。
数据端口是数据在前面板对象和框图程序之间传输的通道，是数据在框图程序内节点之间传输的接口[9]。
LABVIEW中有三种类型的数据端口：
控制端口和指示端口以及节点端口。
控制端口和指示端口用于前面板对象，当VI程序运行时，从控制输入的数据通过控制端传递到框图程序，供其中的程序使用，产生的输出数据再通过指示端口传输到前面板对应的指示中显示。
每个节点端口都有一个或数个数据端口用于输入或输出。
LABVIEW采用的一种获得专利的数据流编程模式。
这不同于基于文本的编程语言的线形结构，不同于执行一个传统的控制流方法。
控制流执行的是指令驱动，而数据流执行的是数据流驱动或依赖数据的。
但一个虚拟仪器的图标被放置在另一个虚拟仪器的流程图中时，它就是一个子仪器。
图标连接端口可以把VI变成一个SubVI，然后像子程序一样在其他程序中调用。
图标是SubVI的直观标记，是SubVI在其他程序框图中被调用的节点表现形式，而连接端口则表示该SubVI与调用它的VI之间进行数据交换的输入/输出口，就像传统编程语言子程序的参数[10]。
3.1.3LABVIEW中有关声卡函数介绍
LABVIEW中提供了一系列使用Windows底层函数编写的与声卡有关的函数。
这些函数集中在图3-1所示的为LABVIEW中Graphics&Sound的函数中Sound函数中的Input函数。
由于使用Windows底层函数（不用更高级方便的MCI函数以及DirectX接口）直接与声卡驱动程序打交道，因而封装程序低，速度快，而且可以访问，采集缓冲区中任意位置的数据，具有很大灵活性，能够满足实时不间断采集的需要。
图3-1LABVIEW中的sound函数的Input函数
在本设计中主要运用到LABVIEW中Graphics&Sound的函数中Sound函数中的Input这个子模块。
表3-1是LABVIEW中Graphics&Sound的函数中Sound函数中的Input中提供的函数[11]。
表3-1Input函数简介
函数名称
功能说明
configure
该函数的主要功能是设置声卡中与数据采集有关的一些硬件参数，如采样率，数据格式，缓冲区长度等。
声卡的采样率由内部时钟控制，只有3-4种固定频率可选，一般将采样频率设置为44100HZ，数据格式设置为16bit。
缓冲区长度可选默认值。
start
该函数用于通知声卡开始采集外部数据。
采集到的数据会被暂存在缓冲区中，这一过程无需程序干预，由声卡硬件使用MDA直接完成，保证了采集过程的连续性。
read
该函数用于等待采样数据缓冲区满的消息。
当产生这一消息时，它将数据缓冲区的内容读取到用户程序的数组中，产生一个数据采样集合。
若计算机的速度不够快，使得缓冲区内容被覆盖，则会产生一个错误信息。
这时应调节缓冲区的大小，在采样时间和数据读取之间找到一个理想的平衡点。
stop
该函数用于通知声
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