多功能虚拟数字示波器的设计

摘　要：本文介绍了利用美国NI 公司的LabVIEW图形化编程语言，进行虚拟数字示波器的开发，包括系统硬件和软件的设计。实验证明，此虚拟数字示波器具有波形显示，参数测量，频谱分析，数据储存，数据回放，远程网络监控等多种功能。

关键词：LabVIEW；示波器；虚拟仪器

前　言

计算机技术的发展，开始了测量仪器的新时代，是仪器领域的一次革命。虚拟仪器是90 年代提出的新概念，短短的几年间，获得了迅猛的发展，足以证明虚拟仪器是大势所趋，标志着二十一世纪自动测试与电子仪器领域技术发展的一个重要方向。所谓虚拟仪器就是基于计算机平台，利用其软件和硬件资源，实现比传统仪器更强大的功能。传统仪器是由仪器厂家设计并定义好功能的一个封闭系统，它有固定的输入P输出接口和仪器操作面板，每种仪器实现一类特定的测量功能，并以确定方式提供给用户。而虚拟仪器是在计算机的支持下采用必要的数据采集硬件，通过软件设计来实现仪器的全部功能。这使得虚拟仪器在性能上更具有灵活性，用户可根据自身的需要定制仪器的功能，充分体现了它的优越性。开发和设计虚拟仪器，可使用LabVIEW，LabWindowsPCVI ， visual c ++ 等语言，本文采用美国国家仪器公司的图形化编程语言LabVIEW，设计出多功能虚拟数字双踪示波器，其具体介绍如下。

虚拟示波器的硬件设计

此虚拟示波器由一块基于PCI 总线的多功能数据采集卡PCI-1200 和相应的软件组成，将它们安装在一台运行的PC机上，即可构成一个功能强大的数字虚拟示波器。

PCI-1200 数据采集卡
虚拟示波器数据采集采用PCI-1200 数据采集卡，此卡设计基于PCI 总线。由于PCI 总线传输速率高，数据吞吐量大，是数据采集卡设计的主流。它是一块性价比较好的产品，支持DMA 方式和双缓冲模式，保证了实时的信号不间断采集与储存。它支持单极性和双极性模拟信号输入，信号输入范围分别为- 5v～ + 5v 和0～10v。提供16 路单端/ 8 路差动模拟输入通道，2 路独立的DPA 输出通道，24 线的TTL 型数字I/O ，3 个16 位定时计数器等多种功能。当然，限于经费条件，我们选择的PCI - 1200 卡的采样速率只能达到100ks/ s ，对实际的示波器而言，这远不能达到信号带宽的要求。但目前市场上采样速率达200MS/s 的PCI 数据采集卡已有成熟产品，所以技术上实现高带宽的虚拟数字示波器已不存在问题。实际测量是输入信号通过BNC 接头从输入端子进入数据采集卡进行数据采集同时用NI 公司提供的Measurement Automation 进行简单的设置便可完成系统软件与数据采集卡之间的通讯。

虚拟示波器的软件设计

此虚拟示波器是采用模块化的软件设计思想来编写的，每个功能的实现由一个模块完成，系统软件总体上包括数据采集、波形显示、参数测量、频谱分析、数据存储与回放和数据网络发布等六大模块组成。最终能实现数据采集、处理、记录、显示、数据通过网络传输等功能。LabVIEW图形化编程语言能方便，高效的按照系统的功能要求编写友好的操作界面，本系统软件的主操作界面是如图1 所示。


数据采集模块
数据采集模块是虚拟示波器的软件的核心，主要完成数据采集的控制，包括触发控制、通道控制、时基控制等。其中，触发控制包括触发模式、触发斜坡和触发电平控制，通道控制主要控制哪一通道进行测量和频谱分析，时基控制主要控制采集卡扫描率、每一通道扫描次数(取样数) 。采集模块采用了功能模块→Data Acquisition 子模块→Analog Input 子模块Analog Input Utilities 子模块中的AI WaveformScan1vi 来控制PCI-1200 数据采集卡进行数据采集。

波形显示模块
软件提供了波形显示方式是通过显示通道选择按钮“A”和“B”，可以任意显示某一通道或两通道输入信号一起显示的波形。

参数测量模块
参数测量模块包括Vrms 等12 个电压参数和频率、周期等7 个时间参数的测量并显示其测量结果。其中与波形测试有关的几个参数是:
上升时间t_r :定义为波形从0.1Um 上升到0.9Um 所经历的时间，也称前沿;
下降时间t_f : 定义为波形从0.9Um 下降到0.1Um 所经历的时间，也称后沿;
上冲s₀ :是前沿的上冲量b 与Um 的百分比值，
即V_OVE %
s₀ = b/Um ×100 %
下冲s_n :是后沿的下降量f 与Um 的百分比值，
即V_pre %
s_n = f/Um ×100 %
占空比Duty Cy( %) :脉冲宽度与脉冲周期的比值称占空比。

频谱分析模块
频谱分析模块采用快速FFT 算法，完成频域信号分析。实现的频谱分析控制是:
Windows 选择，提供了9 种频谱分析窗口;
LogPlinear 选择，提供了2 种坐标显示模式;
Display unit 选择，提供了8 种单位。
根据用户选择的不同，该子模块可以在幅值(Magnitude) 和相位(Phase) 之间进行转换;可以在不同的纵坐标单位(Vrms、Vpk、Vrms^2、Vpk^2) 之间进行转换;还能够根据用户选用的分析功能的不同自动显示适当的横坐标，如进行频谱分析时横坐标为Hz ，进行倒谱分析时横坐标为ms 等等。

数据存储和回放模块
按键“写盘”控制是否进行数据存储; 按键“读盘”控制是否从数据文件中读取数据。主面板提供了两个文件名输入框，前一个为信号波形数据文件名输入框，后一个为采样周期文件名输入框，这两个文件由写盘功能和读盘功能共用。从软盘或硬盘上读取的数据同实时采集的数据一样，能够进行自动参数测量以及自动显示波形并保留在显示窗口。

数据网络发布模块
使用LabVIEW 的Web 服务器在Web 发布LabVIEW程序，可以使本地或远程计算机浏览此示波器程序面板，从而可以实现远程监控的功能。
在Web 上发布LabVIEW程序，在使用前必须在发布程序的机器上打开Web 服务器，作一些有关Web 服务器的设置。其中包括Web 服务器设置Web Sever : Configuration ;Web 浏览器访问设置WebSever :Browser Access ; 以及程序显现设置VisibleVIs的设置。设置完毕后，只要按规定的格式在Web 浏览器中输入URL ，就可以查看Web 服务器所在计算机内存中程序的前面板。

多功能虚拟示波器的程序代码
根据模块化的编程思想，用LabVIEW图形化编程语言，我们可以方便的写出虚拟示波器的程序代码如图(略) 。

结束语
实践证明，在计算机强大的硬件资源和软件资源下，利用LabVIEW 图形化编程语言，设计出了功能强大、操作方便的多功能虚拟数字示波器，与传统仪器比较，它有许多优点:软件开发效率高，仪器开发周期短;可操作性和可维护性好;不动硬件，可通过软件重构，产生新的仪器功能;硬件具有开放性，允许通过升级硬件来提高其性能。正是因为虚拟仪器如此多的优点，才使得虚拟仪器发展迅速，成为未来仪器发展的一个重要方向。