【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 軟件開發(fā)平臺(tái) 本虛擬數(shù)字存儲(chǔ)示波器是在對(duì)傳統(tǒng) 示波器進(jìn)行分析后，基于多功能 DAQ采集卡和 LabVIEW開發(fā)平臺(tái)來(lái)設(shè)計(jì)的具有數(shù)字存儲(chǔ)示波器、數(shù)字萬(wàn)用表、數(shù)字頻率計(jì)三者功能與一體的一個(gè)功能強(qiáng)大的電子測(cè)試儀器，主要由數(shù)據(jù)采集部分、數(shù)據(jù)處理部分、波形顯示部分、波形存儲(chǔ)和回放以及頻譜分析等部分組成，可以完成對(duì)信號(hào)的輸入及獲取、信號(hào)電壓參數(shù)及時(shí)間頻率參數(shù)的自動(dòng)測(cè)量、信號(hào)的波形顯示及存儲(chǔ)回放和信號(hào)的頻譜分析等功能。 該示波器主要由數(shù)據(jù)采集 DAQ（ Data Acquisition）、接口總線、硬件驅(qū)動(dòng)程序和虛擬數(shù)字示波器軟件構(gòu)成。圖 結(jié)構(gòu)圖。信號(hào)檢測(cè)電路時(shí)信號(hào)調(diào)理輔助電路，接收傳感器傳送過(guò)來(lái)的物理信號(hào)，并從混合信號(hào)中提取出待測(cè)的微弱信號(hào)，輸出的多路信號(hào)時(shí)已經(jīng)放大濾波和電平變換后的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，送入數(shù)據(jù)采集卡板（由硬件程序驅(qū)動(dòng)工作），通過(guò)系統(tǒng)總線送進(jìn)計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。在使用 DAQ卡之前必須對(duì) DAQ卡的硬件進(jìn)行配置，這些控制程序用到了相應(yīng)的底層 DAQ驅(qū)動(dòng)程序。 接口總線 圖 虛擬示波器結(jié)構(gòu)圖 該虛擬儀器的軟件是以 LabVIEW 開發(fā)環(huán)境為平臺(tái)，采用的是自頂而下的設(shè)計(jì)方法，首先，有要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)功能來(lái)制定一個(gè)整體框架。由一個(gè)采集開關(guān)啟動(dòng)整個(gè)儀器采集過(guò)程，在采集狀態(tài)下，可以進(jìn)行參數(shù)的測(cè)量顯示；同時(shí)，還可以進(jìn)行時(shí)基的設(shè)置、觸發(fā)通道的設(shè)置、觸發(fā)模式的設(shè)置等；對(duì)于顯示面板上的波形可以任意地進(jìn)行位置的調(diào)整、縮放；對(duì)于當(dāng)前的波形能夠保存到硬盤上或 U 盤上；同樣，也能把硬盤或 U 盤上 的數(shù)據(jù)讀到顯示面板上（這是將停止數(shù)據(jù)的采集）并還計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 硬 件驅(qū)動(dòng)程序 軟件示波器 武漢 紡織大學(xué) 外經(jīng)貿(mào)學(xué)院 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 11 能進(jìn)行參數(shù)的測(cè)量；還可以把當(dāng)前的波形打印出來(lái)。此外，應(yīng)用高效數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，還可實(shí)現(xiàn) FFT 算法，對(duì)頻域信號(hào)進(jìn)行分析。 該示波器的主要控制結(jié)構(gòu)有：自動(dòng) /手動(dòng)設(shè)置掃描率的控制結(jié)構(gòu)，寫盤 /讀盤控制結(jié)構(gòu)，采集控制結(jié)構(gòu)，測(cè)量控制結(jié)構(gòu)，打印控制結(jié)構(gòu)，通道選擇控制結(jié)構(gòu)，以及頻譜分析控制結(jié)構(gòu)。在這個(gè)總體框架的基礎(chǔ)上來(lái)進(jìn)行各個(gè)模塊的具體設(shè)計(jì)，并分別測(cè)量，測(cè)試通過(guò)后再把它們連接起來(lái)，構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)，最后進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)性能的調(diào)試，直到調(diào)試結(jié)果符合要求為止。主程序流程圖及模塊條用 如圖 所示。 [7] 另外，主面板的設(shè)計(jì)要力求簡(jiǎn)單、方便、 實(shí) 用、美觀。 圖 主程序流程圖 labview的操作模板 Labview具有多個(gè)圖形化的操作模板，用于創(chuàng)建和運(yùn)行程序。這些操作模板可以隨意在屏幕上移動(dòng)，并可以放置在屏幕的任意位置。操作模板共有三類，工具 (Tools)模板、控制 (controls)模板和功能 (Functions)模板【 19】。工具模板 (Tools Palette)為編程者提供了各種用于創(chuàng) 建、修改和調(diào)試 vI程序的工具，當(dāng)從模板內(nèi)選擇了任一種工具后，鼠標(biāo)箭頭就會(huì)變成該工具相應(yīng)的形狀?？刂颇 Y N N Y 初始化 設(shè)頻率率 采集？ 功能按鍵按下？ 波形顯示 執(zhí)行相應(yīng)功能模塊 讀入波形數(shù)據(jù) N 武漢 紡織大學(xué) 外經(jīng)貿(mào)學(xué)院 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 12 板 (Controls Palette)可以為前面板添加輸入控制和輸出顯示。功能模板(Functions Palette)是創(chuàng)建框圖程序的工具。 前面板和程序框圖如圖 。[8] 圖 前面板和程序框圖 創(chuàng)建一個(gè) VI 1．前面板 使用輸入控制和輸出顯示來(lái)構(gòu)成前面板?？刂剖怯脩糨斎霐?shù)據(jù)到程 序的接口。而顯示是輸出程序產(chǎn)生的數(shù)據(jù)接口?？刂坪惋@示有許多種類，可以從控制模板的各個(gè)子模板中選取。兩種最常用的前面板對(duì)象是數(shù)字控制和數(shù)字顯示。若想要在數(shù)字控制中輸入或修改數(shù)值，只需要用操作工具 f見工具模板 )點(diǎn)擊控制部件和增減按鈕，或者用操作工具或標(biāo)簽工具雙擊數(shù)值欄進(jìn)行輸入數(shù)值修改。 2．程序框圖 框圖程序是由節(jié)點(diǎn)、端點(diǎn)、圖框和連線四種元素構(gòu)成的。節(jié)點(diǎn)是程序執(zhí)行元素，類似于文本語(yǔ)言程序的語(yǔ)句、函數(shù)或者子程序。 LabVlEW有二種節(jié)點(diǎn)類型 —— 函數(shù)節(jié)點(diǎn)和子Ⅵ節(jié)點(diǎn)。兩者的區(qū)別在于：函數(shù)節(jié)點(diǎn)是 LabVIEW以編譯好了 的機(jī)武漢 紡織大學(xué) 外經(jīng)貿(mào)學(xué)院 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 13 器代碼供用戶使用的，而子Ⅵ節(jié)點(diǎn)是以圖形語(yǔ)言形式提供給用戶的。用戶可以訪問(wèn)和修改任一子 VI節(jié)點(diǎn)的代碼，但無(wú)法對(duì)函數(shù)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行修改。上面的框圖程序所示的Ⅵ程序有兩個(gè)功能函數(shù)節(jié)點(diǎn)，一個(gè)函數(shù)使兩個(gè)數(shù)值相加，另一個(gè)函數(shù)使兩數(shù)相減。端點(diǎn)是只有～路輸入／輸出，且方向固定節(jié)點(diǎn)。 LabVIEW有三類端點(diǎn) ——前面板對(duì)象端點(diǎn)、全局與局部變量端點(diǎn)和常量端點(diǎn)。對(duì)象端點(diǎn)是數(shù)據(jù)在框圖程序部分和前面板之間傳輸?shù)慕涌?。一般?lái)說(shuō)，一個(gè) vI的前面板上的對(duì)象 f控制或顯示 1都在框圖中有一個(gè)對(duì)象端點(diǎn)與之一一對(duì)應(yīng)。當(dāng)在前面板創(chuàng)建或刪除面板對(duì)象時(shí)，可以 自動(dòng)創(chuàng)建或刪除相應(yīng)的對(duì)象端點(diǎn)?？刂茖?duì)象對(duì)應(yīng)的端點(diǎn)在框圖中是用粗框框住的，如例子中的 a和 b端點(diǎn)。它們只能在 VI程序框圖中作為數(shù)據(jù)流源點(diǎn)。顯示對(duì)象對(duì)應(yīng)的端點(diǎn)在框圖中是用細(xì)框框住的。如圖 21中的 a+b和 6*(a+b)端點(diǎn)。它們只能在 vI程序框圖中作為數(shù)據(jù)流終點(diǎn)。常量端點(diǎn)永遠(yuǎn)只能在 VI程序框圖中作為數(shù)據(jù)流源點(diǎn)。 圖框是 LabVIEW實(shí)現(xiàn)程序結(jié)構(gòu)控制命令的圖形表示。如循環(huán)控制、條件分支控制和順序控制等，編程人員可以使用它們控制 VI程序的執(zhí)行方式。代碼接口節(jié)點(diǎn) (CIN)是框圖程序與用戶提供的 c語(yǔ)言文本程序的接口。 連 線是端口問(wèn)的數(shù)據(jù)通道。它們類似于普通程序中的變量。數(shù)據(jù)是單向流動(dòng)的，從源端口向一個(gè)或多個(gè)目的端口流動(dòng)。不同的線型代表不同的數(shù)據(jù)類型。在彩顯上，每種數(shù)據(jù)類型還以不同的顏色予以強(qiáng)調(diào)。 程序的調(diào)試技術(shù) 1．找出語(yǔ)法錯(cuò)誤 如果一個(gè) VI程序存在語(yǔ)法錯(cuò)誤，則在面板工具條上的運(yùn)行按鈕會(huì)變成一個(gè)折斷的箭頭，表示程序不能被執(zhí)行。這時(shí)該按鈕被稱作錯(cuò)誤列表。點(diǎn)擊它，則 LabVIEW彈出錯(cuò)誤清單窗口，點(diǎn)擊其中任何一個(gè)所列出的錯(cuò)誤，選用 Find功能，則出錯(cuò)的對(duì)象或端口就會(huì)變成高亮。 2．設(shè)置執(zhí)行程序高亮 在 LabVlEW的工具條上 有一個(gè)畫著燈泡的按鈕，這個(gè)按鈕叫做“高亮執(zhí)行”按鈕。點(diǎn)擊這個(gè)按鈕使它變成高亮形式，再點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕， VI程序就以較慢的速度運(yùn)行，沒(méi)有被執(zhí)行的代碼灰色顯示，執(zhí)行后的代碼高亮顯示，并顯示數(shù)據(jù)流線上的數(shù)據(jù)值。這樣，就可以根據(jù)數(shù)據(jù)的流動(dòng)狀態(tài)跟蹤程序的執(zhí)行。 武漢 紡織大學(xué) 外經(jīng)貿(mào)學(xué)院 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 14 3．?dāng)帱c(diǎn)與單步執(zhí)行 為了查找程序中的邏輯錯(cuò)誤，有時(shí)希望流程圖程序一個(gè)節(jié)點(diǎn)一個(gè)節(jié)點(diǎn)地執(zhí)行。使用斷點(diǎn)工具可以在程序的某一地點(diǎn)中止程序執(zhí)行，用探針或者單步方式查看數(shù)據(jù)。使用斷點(diǎn)工具時(shí)，點(diǎn)擊你希望設(shè)置或者清除斷點(diǎn)的地方。斷點(diǎn)的顯示對(duì)于節(jié)點(diǎn)或者圖框表示為紅框，對(duì)于連線表示為 紅點(diǎn)。當(dāng) VI程序運(yùn)行到斷點(diǎn)被設(shè)置處，程序被暫停在將要執(zhí)行的節(jié)點(diǎn)，以閃爍表示。按下單步執(zhí)行按鈕。閃爍的節(jié)點(diǎn)被執(zhí)行，下一個(gè)將要執(zhí)行的節(jié)點(diǎn)變?yōu)殚W爍，指示它將被執(zhí)行。也可以點(diǎn)擊暫停按鈕，這樣程序?qū)⑦B續(xù)執(zhí)行直到下一個(gè)斷點(diǎn)。 4．探針 可用探針工具來(lái)查看當(dāng)流程圖程序流經(jīng)某一根連接線時(shí)的數(shù)據(jù)值。從 Tools工具模板選擇探針工具，再用鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊所希望放置探針的連接線。這時(shí)顯示器上會(huì)出現(xiàn)一個(gè)探針顯示窗口。該窗口總是被顯示在前面板窗口或流程圖窗口的上面。在流程圖中使用選擇工具或連線工具，在連線上點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，在連線的彈出式菜 單中選擇“探針”命令，同樣可以為該連線加上一個(gè)探針。 用 LabVlEW編制出的圖形化 VI是分層次和模塊化的。每個(gè) VI既可以單獨(dú)運(yùn)行，也可以被其他 vI調(diào)用。一個(gè) vI用在其它 vI中，稱之為 SubVI， SubVI在調(diào)用它的程序中同樣是以一個(gè)圖標(biāo)的形式出現(xiàn)的。 LabVIEW依附并發(fā)展了模塊化程序設(shè)計(jì)的概念。用戶可以把一個(gè)應(yīng)用題目分解為一系列的子任務(wù)，每個(gè)子任務(wù)還可以進(jìn)一步分解成許多更低一級(jí)的子任務(wù)，直到把一個(gè)復(fù)雜的題目分解為許多子任務(wù)的組合。首先設(shè)計(jì) SubVl完成每個(gè)子任務(wù)，然后將之逐步組合成能夠解決最終問(wèn)題的Vl。． 歸納起來(lái) LabVIEW軟件開發(fā)平臺(tái)具有以下優(yōu)點(diǎn) (1)圖形化的編程方式，設(shè)計(jì)者無(wú)需寫任何文本格式的代碼，是真正的工程師的語(yǔ)言。 (2)提供了豐富的數(shù)據(jù)采集、分析及存儲(chǔ)的庫(kù)函數(shù)。 (3)既提供了傳統(tǒng)的程序調(diào)試手段，如設(shè)置斷點(diǎn)、單步運(yùn)行，同時(shí)提供有獨(dú)到的高亮執(zhí)行工具，使程序動(dòng)畫式運(yùn)行，利于設(shè)計(jì)者觀察程序運(yùn)行的細(xì)節(jié)，使程序的調(diào)試和開發(fā)更為便捷。 (4)32bit的編譯器編譯生成 32bit的編譯程序，保證用戶數(shù)據(jù)采集、測(cè)試和武漢 紡織大學(xué) 外經(jīng)貿(mào)學(xué)院 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 15 測(cè)量方案的高速執(zhí)行。 (5)囊括了 DAQ， GPIB， PXI， VXI， RS一 232／ 485在內(nèi)的各種儀器通信總線標(biāo)準(zhǔn)的所有功能函數(shù)，使得不懂總線標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)者也能夠驅(qū)動(dòng)不同總線標(biāo)準(zhǔn)接口設(shè)備與儀器。 (6)提供大量與外部代碼或軟件進(jìn)行連接的機(jī)制，諸如 DLLs(動(dòng)態(tài)連接庫(kù) )、DDE(共享庫(kù) ActiveX等。 (7)強(qiáng)大的 Inter功能，支持常用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，方便網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程測(cè)控儀器的開發(fā)。圖形化程序設(shè)計(jì)編程簡(jiǎn)單、直觀、開發(fā)效率高。隨著虛擬儀器技術(shù)的不斷發(fā)展，圖形化的編程語(yǔ)言必將成為測(cè)試和控制領(lǐng)域內(nèi)最流行的發(fā)展趨勢(shì)。 [9] 虛擬儀器的基本設(shè)計(jì)步驟 在 LabVIEW 平臺(tái)下，一個(gè) VI 有 兩部分組成：前面板和流程圖（或稱后面板），前面板的功能等效于傳統(tǒng)測(cè)試儀器的前面板；流程圖的功能等效于傳統(tǒng)測(cè)試儀器與前面板相聯(lián)系的硬件電路。在設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮硬件部分。虛擬儀器的設(shè)計(jì)方法包括 I/O 接口儀器驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)、儀器面板的設(shè)計(jì)與儀器功能算法的設(shè)計(jì)三部分。 （ 1） 確定程序設(shè)計(jì)的總體方案 在編制虛擬儀器程序前，必須首先對(duì)程序進(jìn)行總體設(shè)計(jì)分析：一是要確定程序要實(shí)現(xiàn)的功能、要顯示的圖形對(duì)象、要輸出的報(bào)表；二是確定程序的層次關(guān)系，如主程序和子程序之間的關(guān)系等、虛擬儀器程序與硬件的連接關(guān)系等。 （ 2） I/O 接口儀器驅(qū)動(dòng)程序的設(shè) 計(jì) 根據(jù)儀器的功能要求，確定儀器的接口標(biāo)準(zhǔn)。如果儀器設(shè)備具有 RS232 串行接口，則直接用連線將儀器設(shè)備與計(jì)算機(jī)機(jī)的 RS232 串行接口連接即可；如果儀器是 GPIB 接口，則需要額外配備一塊 GPIB488 接口板，建立計(jì)算機(jī)與儀器設(shè)備之間的通信渠道；如果使用計(jì)算機(jī)來(lái)控制 VXI 總線設(shè)備，則也需要配備一塊GPIB 接口卡，通過(guò) GPIB 總線與 VXI 總線、 VXI 主機(jī)箱零槽模塊通信，零槽模塊的 GPIBVXI 翻譯器將 GPIB 命令，并把各模塊返回的數(shù)據(jù)以一定的格式傳回主控計(jì)算機(jī)。 I/O 接口儀器驅(qū)動(dòng)程序是控制硬件設(shè)備的驅(qū) 動(dòng)程序，是連接主控計(jì)算機(jī)與儀器設(shè)備的紐帶。如果沒(méi)有設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，則必須針對(duì) I/O 接口儀器設(shè)備編寫驅(qū)動(dòng)程武漢 紡織大學(xué) 外經(jīng)貿(mào)學(xué)院 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 16 序。 （ 3） 確定虛擬儀器程序前面板 儀器前面板的設(shè)計(jì)指在虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)上，利用各類子摸板圖標(biāo)創(chuàng)建用戶界面，即在前面板上布置實(shí)現(xiàn)所需功能的顯示對(duì)象，這些對(duì)象包括開關(guān)旋鈕控制、相量圖、頻譜圖顯示等，前面板布置好這些對(duì)象后，工程技術(shù)人員通過(guò)鼠標(biāo)、鍵盤就可像操作傳統(tǒng)儀器一樣地操作虛擬儀器。 （ 4） 構(gòu)建圖形化流程圖 在 LabVIEW 開發(fā)環(huán)境中，后臺(tái)流程圖與前面板控制顯示對(duì)象一一對(duì)應(yīng)，開發(fā)人員的任務(wù)是通過(guò)連接不同 的功能函數(shù)模塊使數(shù)據(jù)流從輸入對(duì)象經(jīng)過(guò)處理傳送到輸出對(duì)象。與傳統(tǒng)的文本式程序設(shè)計(jì)一樣， LabVIEW 也有控制流程圖功能執(zhí)行部分，包括 Sequence、 Case Statement、 For Loop、 While loop 結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)被描述成圖形化的邊界結(jié)構(gòu)，開發(fā)人員不必注意傳統(tǒng)設(shè)計(jì)所需的語(yǔ)法細(xì)節(jié)，只需直接將它們連接起來(lái)就可完成數(shù)據(jù)傳遞。在編制大型復(fù)雜的虛擬儀器應(yīng)用程序時(shí)，由于所用模塊很多，這時(shí)必須考慮程序的層次結(jié)構(gòu)，這可以通過(guò)靈活編制子程序、采用更為簡(jiǎn)單高效的計(jì)算原