【正文】 ................................. 29 波形存儲和回放 ................................................................................................ 30 ............................................................................................ 32 程序調(diào)試 ........................................................................................................... 32 虛擬示波器數(shù)據(jù)顯示 .......................................................................................... 33 噪聲干擾的防止方法 .......................................................................................... 37 7 總結(jié)與展望 ................................................................................................................. 38 總結(jié) .................................................................................................................. 38 展望 .................................................................................................................. 39 參考文獻 ........................................................................................................................ 41 致 謝 ............................................................................................... 錯誤 !未定義書簽。以計算機為輔助的虛擬儀器技術(shù)，推動了傳統(tǒng)儀器朝著智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、模塊化、人性化的方向發(fā)展。由于傳統(tǒng)儀器功能單一且價格長期居高不下，計算機性價比卻不斷提升，因此虛擬儀器的發(fā)展已是大勢所趨。 基于 LabVIEW 虛擬示波器的 設(shè)計 摘 要 當(dāng)今世界信息與計算機技術(shù)發(fā)展日新月異，軟件開發(fā)技術(shù)更是不可同日而語。在數(shù)據(jù)采集、實時分析與處理、顯示與存儲等方面，基于計算機的虛擬儀器技術(shù)比傳統(tǒng)儀器有著明顯的優(yōu)勢。美國 NI 公司率先發(fā)起對虛擬儀器的研究與開發(fā)，建立了 LabVIEW 軟件開發(fā)平臺。 本文基于 LabVIEW 虛擬儀器開 發(fā)平臺，設(shè)計虛擬示波器界面，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、濾波處理、時域分析、頻域分析、波形存儲與讀取等功能，程序調(diào)試、演示設(shè)計結(jié)果，分析系統(tǒng)性能。 1 1 緒論 前言 虛擬儀器 是 計算機 技術(shù)與儀器技術(shù)完美結(jié)合的產(chǎn)物，代表著儀器的發(fā)展方向，它實際上是一個按照 儀器需求組織的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)； 目前這一領(lǐng)域，使用較為廣泛的計算 機語言和開發(fā)環(huán)境是美國 NI 公司的 LabVIEW， LabVIEW 與虛擬儀器成為測控領(lǐng)域關(guān)注的熱點技術(shù)； 它在數(shù)據(jù)采集 (DAQ)、虛擬儀器軟件框圖 (VISA)、通用接口總線 (GPIB)及串口儀器控制、圖像處理、運動控制、數(shù)據(jù)分析和圖標(biāo)顯示等方面具有強大優(yōu)勢 [1]。若 用戶能夠?qū)⒁恍?shù)字信號處理的先進 算法應(yīng)用于虛擬儀器中，通過軟件配置實現(xiàn)多功能集成的儀器設(shè)計， 提供傳統(tǒng)臺式儀 器所不具備的功能 ， 能夠滿足測試的速度、精度、實時性、數(shù)據(jù)可信度、完整性以及測試系統(tǒng)的可靠性、智能化、開放性等要求， 就能 完善傳統(tǒng)儀器不具備的功能 ， 給用戶帶來巨大的經(jīng)濟效益 。 2 國內(nèi)外現(xiàn)狀 隨著計算機技術(shù)、信息處理技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，近年來，出現(xiàn)了基于計算機和軟件的新型儀器 虛擬儀器。其中以美國 NI 公司開發(fā)的 LabVIEW 的軟件平臺上設(shè)計的虛擬示波器較 為先進，例如該公司利用 LabVIEW 的軟件設(shè)計的多功能虛擬示波器主要由參數(shù)測量、頻譜分析、加窗和波形 顯示等模塊組成，具有實時采集、波形顯示、測量參數(shù)、存儲、打印的功能。微型計算機的發(fā)展 日新月異 ， 不久將來將有大批 企業(yè)使用虛擬儀器系統(tǒng)對生產(chǎn)設(shè)備的運行狀況進行實時監(jiān)測。 設(shè)計研究方 案 (1)開發(fā)工具選型 LabVIEW(Laboratory VirtualInstrument Engineering Work Bench)是美國國家儀器公司 (National Instruments， NI)開發(fā)的 應(yīng)用于工業(yè)測試測量的集成開發(fā)環(huán)境，也是工業(yè)上廣泛使用的一種功能強大的 圖形化系統(tǒng)設(shè)計編程軟件 [2]。 (2)系統(tǒng)設(shè)計的基本方案 掌握虛擬儀器的軟件開發(fā)環(huán)境 LabVIEW，了解虛擬示波器 系統(tǒng)的組成及工作原理，利用虛擬儀器 LabVIEW 軟件技術(shù)中提供的布爾邏輯量及運算符 搭 建虛擬示波器系統(tǒng)的各個模塊； 如：數(shù)據(jù)采集模塊、 濾波處理模塊、 時域分析與 測量模塊、頻譜分析模塊、 波形存儲與 顯示模塊等。 本系統(tǒng)可以從虛擬硬件和軟件兩方面考慮： (1)虛擬硬件設(shè)計：主要利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（ DAQ）， 它包括：傳感器和變換器、信號調(diào)理設(shè) 備、 數(shù)據(jù)采集卡、驅(qū)動程序、硬件配置管理軟件 。 虛擬儀器（ VI， Virtual Instrumentation）就是通過應(yīng)用軟件將通用計算機與各種功能的硬件設(shè)備（例如數(shù)據(jù)采集卡、運動控制卡，GPIB 控制線纜等）結(jié)合起來，用戶可通過豐富和易操作的圖形界面來操作計算機，對被測試設(shè)備進行各種物理量的采集、分析、判斷、顯示和數(shù)據(jù)存儲等 [3]。 圖 21 虛擬儀器的內(nèi)部功能 (1)數(shù)據(jù)采集： 虛擬儀器是由計算機和儀器硬件組成硬件平臺，實現(xiàn)對信號的采集、測量、轉(zhuǎn)換與控制。處理內(nèi)容包括數(shù)字濾波、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、數(shù)值分析等。 (3)數(shù)據(jù)結(jié)果 顯示 ： 虛擬儀器充分利用計算機的資源，如顯示器、存儲器等 ，把測量結(jié)果進行多種方式的表達與輸出，其輸出形式包括通過總線網(wǎng)絡(luò)的遠距離數(shù)據(jù)傳輸，通過光盤、磁盤的拷貝輸出，在硬盤上存儲數(shù)據(jù)以及通過計算機屏幕等圖形接口的輸出方式。 虛擬儀器的硬件系 虛擬儀器的硬件系統(tǒng)通常包括通用計算機和 外圍硬件設(shè)備。 ▲ 圖 22硬件結(jié)構(gòu)的基本 框圖 虛擬儀器的軟件系統(tǒng) 虛擬儀器的軟件系統(tǒng)從底層到頂層共包括三部分，即 VISA(I/O)庫、儀器驅(qū)動程序與應(yīng)用軟件。 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器優(yōu)缺點對比 虛擬儀器 與傳統(tǒng)儀器相比 ， 具有高效、開放、易用靈活、功能強大、性價比高、可操作性好等明顯優(yōu)點 ，具體差異表格 1 所示： 虛擬儀器 傳統(tǒng) 儀器 開發(fā)與維護費用低 開發(fā)與維護開銷高 技術(shù)更新周期短 技術(shù)更新周期長 軟件是關(guān)鍵 硬件是關(guān)鍵 價格低，可重配置性強 價格昂貴 儀器功能 由 用戶定義 儀器功能 由 廠商定義 7 開放靈活、 同 計算機技術(shù) 發(fā)展 同步 封閉固定 與網(wǎng)絡(luò)及其他設(shè)備 互聯(lián) 方便儀器系統(tǒng) 功能單一，互聯(lián)有限獨立設(shè)備 技術(shù)更新周期短 技術(shù)更新周期長 數(shù)據(jù)可編輯、存儲及打印 數(shù)據(jù)無法編輯 表格 1 虛擬儀器 與傳統(tǒng)儀器 對比 的軟件概述 LabVIEW（ Laborary Virtual Instrument Engineering Workbench）是一種圖形化的編程語言和開發(fā)環(huán)境，它廣泛的 被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實驗室所接受，被公認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù) 采集和儀器控制軟件 ；LabVIEW 不僅提供 了 與遵從 GPIB， VXI， RS232 和 RS485 協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通信的功能， 還內(nèi)置支持 TCP/IP， ActiveX 等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫函數(shù)， 而且 其圖形化的界面使得 設(shè)計編程過程變得生動有趣[5]。 LabVIEW 程序的構(gòu)成 LabVIEW 軟件開發(fā)平臺包括兩個部分：前面板和后面板；其中前面板用來顯示圖形用戶界面，而后面板用來實現(xiàn)程序框圖。輸出型控件一般包括圖表、指示燈、數(shù)組以及簇等，用來模擬儀器的輸出裝置，為 VI 子程序框圖獲取或者生成數(shù)據(jù)。程序框圖提供 VI 的圖形化源程序，在其中利用函數(shù)、各種結(jié)構(gòu)和連線對 VI 進行編程， 以控制和操縱定義在前面板的輸入輸出功能。 LabVIEW 的后面板窗口如圖 32 所示， 圖 32 后面板窗口 10 LabVIEW 的操作選板 LabVIEW 用戶界面主要提供了工具 (Tools)選板、函數(shù) (Functions)選板、控件 (Controls)選板三大類選板，以供用戶通過該軟件完成前面板和程序框圖的設(shè) 計，最終實現(xiàn)虛擬儀器的設(shè)計。在前面板設(shè)計窗口或者后面板程序設(shè)計窗口菜單中，執(zhí)行“查看” |“工具選板”命令，即可打開工具選板， 工具選板中的每個工具圖標(biāo)都有不同的功能，在操作過程中，用戶可以選擇合適的工具圖標(biāo)，鼠標(biāo)單擊該工具圖標(biāo)即可對前面板或者程序框圖中的對象進行相應(yīng)的操作和修改。 LabVIEW 的工具 (Tools)選板如圖 33所示 圖 33 工具選板 (2)函數(shù) (Functions)選板 函數(shù)選板只能在后面板程序框圖才能打開， 函數(shù)選板是創(chuàng)建程序框圖時用到的對象集合，它包含“編程”、“測量 I/O”、“儀器 I/O”、 11 “數(shù)學(xué)”、“信號處理 ”、“互連接口”等眾多子面板。用戶在調(diào)用這些函數(shù)節(jié)點時候只需要對這些函數(shù)節(jié)點參數(shù)進行簡單的設(shè)計，可以滿足用戶信號處理得大部分要求。 圖 34(a)菜單打開函數(shù)選板 圖 34(b)右鍵單擊打開函數(shù)選板 (3)控件 (Controls)選板 控件選板只能通過前面板才能打開，控件選板包括創(chuàng)建前面板所需的輸入控件和 顯示控件， LabVIEW 將所有控件 分為 “ 新式 ” 、 “ 系統(tǒng) ” 、 “ 經(jīng)典 ” 、 “ Express”等類型，各個類型中包含著眾多的子模塊。 在前面板 菜單 中， 執(zhí)行“查看 ”|“ 控 12 件選板 ” 命令， 即可 打開 LabVIEW 的控件選板，如圖 35(a)所示，或者 在前面板的設(shè)計窗口中鼠標(biāo)右鍵單擊， 即可 彈出控件選板，如圖35(b)所示， 圖 35(a)菜單打開控件選板 圖 35(b)右鍵單擊打開控件選板 4 傳統(tǒng)示波器與虛擬示波器 傳統(tǒng)示波器 示波器是一種能夠反映任何兩個參數(shù)互相關(guān)聯(lián)的 XY 坐標(biāo)的顯示儀器。也可以定量地測量被測信號的一系列參數(shù)，如信號的電壓、電流、周期、頻率、相位、幅度、上升或下降時間、重復(fù)周期等。 傳統(tǒng)示波器的分類 傳統(tǒng)示波器大致可以分為模擬示波器和數(shù)字示波器兩大類。 它 由垂直偏轉(zhuǎn)系統(tǒng) (主要包括垂直放大 )、水平偏轉(zhuǎn)系統(tǒng) (主要包括掃描和水平放大 )和顯示電路組成 。 (2)數(shù)字示波器 數(shù)字示波器是將被測連續(xù)模擬信號用 A/D 轉(zhuǎn)換器變換成離散數(shù)字信號，存儲于存儲器中。數(shù)字示波器的核心內(nèi)容是將模擬連續(xù)被測信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，即采樣。根據(jù)采樣的方法不同，數(shù)字示波器可以分為實時采樣數(shù)字存儲示波器、隨機采樣數(shù)字存儲示波器，順序采樣數(shù)字示波器。虛擬示波器的功能可以由用戶自己定義，但其所能達到的性能指標(biāo)和系統(tǒng)能力不僅與采集模塊的數(shù)字化能力有關(guān)，而且與其體系結(jié)構(gòu)有關(guān)。DAQ(Data Acquisition)，即數(shù)據(jù)采集儀器，它的出現(xiàn)和發(fā)展與微型計算機密切相關(guān) ； DAQ 儀器以微型計算機為平 臺，配以用于測量和測試的數(shù)據(jù)采集卡及計算機軟件 (虛擬示波器應(yīng)用軟件 )，實現(xiàn)示波器的功能。 虛擬示波器的 組成結(jié)構(gòu) 基于 Labview 的 虛擬示波器 主要 由支持軟件、數(shù)據(jù)采集卡及 PC機 構(gòu) 成，其結(jié)構(gòu)如圖 42 所示 圖 42 虛擬示波器組成結(jié)構(gòu) 虛擬示波器的性能指標(biāo) 虛擬示波器的性能指標(biāo)直接關(guān)系到示波器的性能好壞，如示波器數(shù)據(jù)采集卡 計算機 軟件程序 16 能測量的頻率范圍，波形顯示的清晰度等，主要由分辨率、精度以及帶寬所決定的。 由于屏幕上的點、線和面都是由像素組成的，顯示器可顯 示的像素越多，畫面就越精細，同樣的屏幕區(qū)域內(nèi)能顯示的信息也越多 。 (2)精度 (Accuracy)是 觀測結(jié)果、計算值或 估計值與真值之間的接近程度。 通常在測量中有基本誤差