【文章內容簡介】 軟件開發(fā)平臺 本虛擬數字存儲示波器是在對傳統(tǒng) 示波器進行分析后，基于多功能 DAQ采集卡和 LabVIEW開發(fā)平臺來設計的具有數字存儲示波器、數字萬用表、數字頻率計三者功能與一體的一個功能強大的電子測試儀器，主要由數據采集部分、數據處理部分、波形顯示部分、波形存儲和回放以及頻譜分析等部分組成，可以完成對信號的輸入及獲取、信號電壓參數及時間頻率參數的自動測量、信號的波形顯示及存儲回放和信號的頻譜分析等功能。 該示波器主要由數據采集 DAQ（ Data Acquisition）、接口總線、硬件驅動程序和虛擬數字示波器軟件構成。圖 結構圖。信號檢測電路時信號調理輔助電路，接收傳感器傳送過來的物理信號，并從混合信號中提取出待測的微弱信號，輸出的多路信號時已經放大濾波和電平變換后的標準信號，送入數據采集卡板（由硬件程序驅動工作），通過系統(tǒng)總線送進計算機進行處理。在使用 DAQ卡之前必須對 DAQ卡的硬件進行配置，這些控制程序用到了相應的底層 DAQ驅動程序。 接口總線 圖 虛擬示波器結構圖 該虛擬儀器的軟件是以 LabVIEW 開發(fā)環(huán)境為平臺，采用的是自頂而下的設計方法，首先，有要實現的目標功能來制定一個整體框架。由一個采集開關啟動整個儀器采集過程，在采集狀態(tài)下，可以進行參數的測量顯示；同時，還可以進行時基的設置、觸發(fā)通道的設置、觸發(fā)模式的設置等；對于顯示面板上的波形可以任意地進行位置的調整、縮放；對于當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 的數據讀到顯示面板上（這是將停止數據的采集）并還計算機系統(tǒng) 硬 件驅動程序 軟件示波器 武漢 紡織大學 外經貿學院 2021 屆畢業(yè)設計論文 11 能進行參數的測量；還可以把當前的波形打印出來。此外，應用高效數字信號處理技術，還可實現 FFT 算法，對頻域信號進行分析。 該示波器的主要控制結構有：自動 /手動設置掃描率的控制結構，寫盤 /讀盤控制結構，采集控制結構，測量控制結構，打印控制結構，通道選擇控制結構，以及頻譜分析控制結構。在這個總體框架的基礎上來進行各個模塊的具體設計，并分別測量，測試通過后再把它們連接起來，構成一個完整的系統(tǒng)，最后進行整個系統(tǒng)性能的調試，直到調試結果符合要求為止。主程序流程圖及模塊條用 如圖 所示。 [7] 另外，主面板的設計要力求簡單、方便、 實 用、美觀。 圖 主程序流程圖 labview的操作模板 Labview具有多個圖形化的操作模板，用于創(chuàng)建和運行程序。這些操作模板可以隨意在屏幕上移動，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、修改和調試 vI程序的工具，當從模板內選擇了任一種工具后，鼠標箭頭就會變成該工具相應的形狀?？刂颇 Y N N Y 初始化 設頻率率 采集？ 功能按鍵按下？ 波形顯示 執(zhí)行相應功能模塊 讀入波形數據 N 武漢 紡織大學 外經貿學院 2021 屆畢業(yè)設計論文 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 VI 1．前面板 使用輸入控制和輸出顯示來構成前面板?？刂剖怯脩糨斎霐祿匠?序的接口。而顯示是輸出程序產生的數據接口。控制和顯示有許多種類，可以從控制模板的各個子模板中選取。兩種最常用的前面板對象是數字控制和數字顯示。若想要在數字控制中輸入或修改數值，只需要用操作工具 f見工具模板 )點擊控制部件和增減按鈕，或者用操作工具或標簽工具雙擊數值欄進行輸入數值修改。 2．程序框圖 框圖程序是由節(jié)點、端點、圖框和連線四種元素構成的。節(jié)點是程序執(zhí)行元素，類似于文本語言程序的語句、函數或者子程序。 LabVlEW有二種節(jié)點類型 —— 函數節(jié)點和子Ⅵ節(jié)點。兩者的區(qū)別在于：函數節(jié)點是 LabVIEW以編譯好了 的機武漢 紡織大學 外經貿學院 2021 屆畢業(yè)設計論文 13 器代碼供用戶使用的，而子Ⅵ節(jié)點是以圖形語言形式提供給用戶的。用戶可以訪問和修改任一子 VI節(jié)點的代碼，但無法對函數節(jié)點進行修改。上面的框圖程序所示的Ⅵ程序有兩個功能函數節(jié)點，一個函數使兩個數值相加，另一個函數使兩數相減。端點是只有～路輸入／輸出，且方向固定節(jié)點。 LabVIEW有三類端點 ——前面板對象端點、全局與局部變量端點和常量端點。對象端點是數據在框圖程序部分和前面板之間傳輸的接口。一般來說，一個 vI的前面板上的對象 f控制或顯示 1都在框圖中有一個對象端點與之一一對應。當在前面板創(chuàng)建或刪除面板對象時，可以 自動創(chuàng)建或刪除相應的對象端點?？刂茖ο髮亩它c在框圖中是用粗框框住的，如例子中的 a和 b端點。它們只能在 VI程序框圖中作為數據流源點。顯示對象對應的端點在框圖中是用細框框住的。如圖 21中的 a+b和 6*(a+b)端點。它們只能在 vI程序框圖中作為數據流終點。常量端點永遠只能在 VI程序框圖中作為數據流源點。 圖框是 LabVIEW實現程序結構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 (CIN)是框圖程序與用戶提供的 c語言文本程序的接口。 連 線是端口問的數據通道。它們類似于普通程序中的變量。數據是單向流動的，從源端口向一個或多個目的端口流動。不同的線型代表不同的數據類型。在彩顯上，每種數據類型還以不同的顏色予以強調。 程序的調試技術 1．找出語法錯誤 如果一個 VI程序存在語法錯誤，則在面板工具條上的運行按鈕會變成一個折斷的箭頭，表示程序不能被執(zhí)行。這時該按鈕被稱作錯誤列表。點擊它，則 LabVIEW彈出錯誤清單窗口，點擊其中任何一個所列出的錯誤，選用 Find功能，則出錯的對象或端口就會變成高亮。 2．設置執(zhí)行程序高亮 在 LabVlEW的工具條上 有一個畫著燈泡的按鈕，這個按鈕叫做“高亮執(zhí)行”按鈕。點擊這個按鈕使它變成高亮形式，再點擊運行按鈕， VI程序就以較慢的速度運行，沒有被執(zhí)行的代碼灰色顯示，執(zhí)行后的代碼高亮顯示，并顯示數據流線上的數據值。這樣，就可以根據數據的流動狀態(tài)跟蹤程序的執(zhí)行。 武漢 紡織大學 外經貿學院 2021 屆畢業(yè)設計論文 14 3．斷點與單步執(zhí)行 為了查找程序中的邏輯錯誤，有時希望流程圖程序一個節(jié)點一個節(jié)點地執(zhí)行。使用斷點工具可以在程序的某一地點中止程序執(zhí)行，用探針或者單步方式查看數據。使用斷點工具時，點擊你希望設置或者清除斷點的地方。斷點的顯示對于節(jié)點或者圖框表示為紅框，對于連線表示為 紅點。當 VI程序運行到斷點被設置處，程序被暫停在將要執(zhí)行的節(jié)點，以閃爍表示。按下單步執(zhí)行按鈕。閃爍的節(jié)點被執(zhí)行，下一個將要執(zhí)行的節(jié)點變?yōu)殚W爍，指示它將被執(zhí)行。也可以點擊暫停按鈕，這樣程序將連續(xù)執(zhí)行直到下一個斷點。 4．探針 可用探針工具來查看當流程圖程序流經某一根連接線時的數據值。從 Tools工具模板選擇探針工具，再用鼠標左鍵點擊所希望放置探針的連接線。這時顯示器上會出現一個探針顯示窗口。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，在連線上點擊鼠標右鍵，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探針。 用 LabVlEW編制出的圖形化 VI是分層次和模塊化的。每個 VI既可以單獨運行，也可以被其他 vI調用。一個 vI用在其它 vI中，稱之為 SubVI， SubVI在調用它的程序中同樣是以一個圖標的形式出現的。 LabVIEW依附并發(fā)展了模塊化程序設計的概念。用戶可以把一個應用題目分解為一系列的子任務，每個子任務還可以進一步分解成許多更低一級的子任務，直到把一個復雜的題目分解為許多子任務的組合。首先設計 SubVl完成每個子任務，然后將之逐步組合成能夠解決最終問題的Vl。． 歸納起來 LabVIEW軟件開發(fā)平臺具有以下優(yōu)點 (1)圖形化的編程方式，設計者無需寫任何文本格式的代碼，是真正的工程師的語言。 (2)提供了豐富的數據采集、分析及存儲的庫函數。 (3)既提供了傳統(tǒng)的程序調試手段，如設置斷點、單步運行，同時提供有獨到的高亮執(zhí)行工具，使程序動畫式運行，利于設計者觀察程序運行的細節(jié)，使程序的調試和開發(fā)更為便捷。 (4)32bit的編譯器編譯生成 32bit的編譯程序，保證用戶數據采集、測試和武漢 紡織大學 外經貿學院 2021 屆畢業(yè)設計論文 15 測量方案的高速執(zhí)行。 (5)囊括了 DAQ， GPIB， PXI， VXI， RS一 232／ 485在內的各種儀器通信總線標準的所有功能函數，使得不懂總線標準的開發(fā)者也能夠驅動不同總線標準接口設備與儀器。 (6)提供大量與外部代碼或軟件進行連接的機制，諸如 DLLs(動態(tài)連接庫 )、DDE(共享庫 ActiveX等。 (7)強大的 Inter功能，支持常用網絡協議，方便網絡、遠程測控儀器的開發(fā)。圖形化程序設計編程簡單、直觀、開發(fā)效率高。隨著虛擬儀器技術的不斷發(fā)展，圖形化的編程語言必將成為測試和控制領域內最流行的發(fā)展趨勢。 [9] 虛擬儀器的基本設計步驟 在 LabVIEW 平臺下，一個 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)測試儀器的前面板；流程圖的功能等效于傳統(tǒng)測試儀器與前面板相聯系的硬件電路。在設計時，要考慮硬件部分。虛擬儀器的設計方法包括 I/O 接口儀器驅動程序的設計、儀器面板的設計與儀器功能算法的設計三部分。 （ 1） 確定程序設計的總體方案 在編制虛擬儀器程序前，必須首先對程序進行總體設計分析：一是要確定程序要實現的功能、要顯示的圖形對象、要輸出的報表；二是確定程序的層次關系，如主程序和子程序之間的關系等、虛擬儀器程序與硬件的連接關系等。 （ 2） I/O 接口儀器驅動程序的設 計 根據儀器的功能要求，確定儀器的接口標準。如果儀器設備具有 RS232 串行接口，則直接用連線將儀器設備與計算機機的 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，建立計算機與儀器設備之間的通信渠道；如果使用計算機來控制 VXI 總線設備，則也需要配備一塊GPIB 接口卡，通過 GPIB 總線與 VXI 總線、 VXI 主機箱零槽模塊通信，零槽模塊的 GPIBVXI 翻譯器將 GPIB 命令，并把各模塊返回的數據以一定的格式傳回主控計算機。 I/O 接口儀器驅動程序是控制硬件設備的驅 動程序，是連接主控計算機與儀器設備的紐帶。如果沒有設備驅動程序，則必須針對 I/O 接口儀器設備編寫驅動程武漢 紡織大學 外經貿學院 2021 屆畢業(yè)設計論文 16 序。 （ 3） 確定虛擬儀器程序前面板 儀器前面板的設計指在虛擬儀器開發(fā)平臺上，利用各類子摸板圖標創(chuàng)建用戶界面，即在前面板上布置實現所需功能的顯示對象，這些對象包括開關旋鈕控制、相量圖、頻譜圖顯示等，前面板布置好這些對象后，工程技術人員通過鼠標、鍵盤就可像操作傳統(tǒng)儀器一樣地操作虛擬儀器。 （ 4） 構建圖形化流程圖 在 LabVIEW 開發(fā)環(huán)境中，后臺流程圖與前面板控制顯示對象一一對應，開發(fā)人員的任務是通過連接不同 的功能函數模塊使數據流從輸入對象經過處理傳送到輸出對象。與傳統(tǒng)的文本式程序設計一樣， LabVIEW 也有控制流程圖功能執(zhí)行部分，包括 Sequence、 Case Statement、 For Loop、 While loop 結構，這些結構被描述成圖形化的邊界結構，開發(fā)人員不必注意傳統(tǒng)設計所需的語法細節(jié)，只需直接將它們連接起來就可完成數據傳遞。在編制大型復雜的虛擬儀器應用程序時，由于所用模塊很多，這時必須考慮程序的層次結構，這可以通過靈活編制子程序、采用更為簡單高效的計算原