基于LabWindowsCVI的示波器設(shè)計(jì)

1、攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于LabWindows/CVI的示波器設(shè)計(jì)學(xué)生姓名： 翟 果 學(xué)生學(xué)號(hào)： 200810504039 院（系）： 電器信息工程學(xué)院 年級(jí)專業(yè)： 2008級(jí)測(cè)控技術(shù)與儀器指導(dǎo)教師： 伍維根 教授 助理指導(dǎo)教師： 范方靈 副教授 二一二年五月摘 要隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、大規(guī)模集成電路技術(shù)和通信技術(shù)的飛速發(fā)展，儀器技術(shù)領(lǐng)域發(fā)生了巨大的變化，美國(guó)國(guó)家儀器公司于20世紀(jì)80年代中期首先提出基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的虛擬儀器的概念，把虛擬測(cè)試技術(shù)帶入新的發(fā)展時(shí)期，隨后研制和推出了基于多種總線系統(tǒng)的虛擬儀器。經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展，虛擬儀器技術(shù)將高速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、通信技術(shù)和檢測(cè)技術(shù)結(jié)合

2、起來(lái)，開(kāi)創(chuàng)了個(gè)人計(jì)算機(jī)儀器時(shí)代，是測(cè)量?jī)x器工業(yè)發(fā)展的一個(gè)里程碑。本課題在掌握了虛擬儀器的基本結(jié)構(gòu)及信號(hào)處理的相關(guān)知識(shí)基礎(chǔ)之上，設(shè)計(jì)了一套虛擬示波器。對(duì)虛擬儀器的概念，結(jié)構(gòu)，發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了相關(guān)分析。介紹了與信號(hào)處理相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)。虛擬儀器主要由硬件和軟件兩個(gè)部分構(gòu)成。本文對(duì)虛擬示波器的硬件即數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹，對(duì)其軟件部分進(jìn)行了詳細(xì)研究，并對(duì)該設(shè)計(jì)的應(yīng)用及意義作出了詳細(xì)介紹。在此基礎(chǔ)上完成了虛擬雙蹤示波器的基本功能的設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞 虛擬儀器，虛擬示波器，數(shù)據(jù)采集，設(shè)計(jì)應(yīng)用ABSTRACT Along with computer technology, large scale integra

3、ted circuit technology and the rapid development of communication technology, instrument technology field has undergone tremendous changes, the United States National Instruments Corporation in the nineteen eighties medium is put forward based on the computer technology the concept of virtual instru

4、ment, virtual test technology into a new period of development, then developed and introduced based on multiple bus system virtual instrument. After ten years of development, virtual instrument technology will speed the development of the computer technology, electronic technology, communication tec

5、hnology and detection technology together, created a personal computer equipment era, is a measuring instrument of industrial development of a milepost.This topic is in the grasp of the virtual instrument's basic structure and signal processing of the knowledge base, design a set of virtual osci

6、lloscope. On the concept of virtual instrument, structure, development trend and the correlation analysis. Introduces the basic knowledge related with signal processing. Virtual instrument is mainly composed of hardware and software in two parts. The virtual oscilloscope data acquisition card hardwa

7、re is introduced in brief, on the part of the software were studied in detail, and the design of the application and significance of making detailed introduction. Based on this virtual oscilloscope function of the basic design.Key words：virtual instrument, virtual oscilloscope, data acquisition, des

8、ign and Application目 錄摘 要IAbstractII1 緒論11.1虛擬儀器的概述1虛擬儀器的優(yōu)勢(shì)1虛擬儀器技術(shù)2虛擬儀器的組成2虛擬儀器的發(fā)展現(xiàn)狀4虛擬儀器的發(fā)展趨勢(shì)41.2 Labview 簡(jiǎn)介4 Labview的概念4 LabVIEW軟件設(shè)計(jì)基本原理5LABVIEW的應(yīng)用領(lǐng)域61.3 數(shù)據(jù)采集技術(shù)與NI USB-6251 BNC簡(jiǎn)介7數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)采集卡7基于計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)各部分的作用7 NI USB-6251 BNC9驅(qū)動(dòng)及應(yīng)用軟件9 USB-6251詳細(xì)規(guī)格102 課題設(shè)計(jì)內(nèi)容與設(shè)計(jì)方案122.1設(shè)計(jì)內(nèi)容122.2實(shí)現(xiàn)功能122.3工作原理132.4設(shè)計(jì)思路

9、132.5方案的實(shí)現(xiàn)14前面板的設(shè)計(jì)14設(shè)計(jì)原理及設(shè)計(jì)步驟143課題應(yīng)用及意義213.1轉(zhuǎn)化為學(xué)生實(shí)驗(yàn)條件21轉(zhuǎn)化的意義21轉(zhuǎn)化方式213.2組建自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)25自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)簡(jiǎn)介253.2.2 GPIB接口板簡(jiǎn)介25自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)與示波器的結(jié)合264結(jié)語(yǔ)28參考文獻(xiàn)29致謝301 緒論1.1 虛擬儀器的概述隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、大規(guī)模集成電路技術(shù)和通信技術(shù)的飛速發(fā)展，儀器技術(shù)領(lǐng)域發(fā)生了巨大的變化，美國(guó)國(guó)家儀器公司（National Instruments，簡(jiǎn)稱NI）于20世紀(jì)80年代中期首先提出基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的虛擬儀器的概念，把虛擬測(cè)試技術(shù)帶入新的發(fā)展時(shí)期，隨后研制和推出了基于多種總線系統(tǒng)的虛擬儀器。

10、經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展，虛擬儀器技術(shù)將高速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、通信技術(shù)和檢測(cè)技術(shù)結(jié)合起來(lái)，開(kāi)創(chuàng)了個(gè)人計(jì)算機(jī)儀器時(shí)代，是測(cè)量?jī)x器工業(yè)發(fā)展的里程碑。所謂虛擬儀器，就是在以計(jì)算機(jī)為核心的硬件平臺(tái)上，由用戶設(shè)計(jì)定義、具有虛擬面板、測(cè)試功能由測(cè)試軟件實(shí)現(xiàn)的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。虛擬示波器相比傳統(tǒng)示波器具有價(jià)格低廉、功能豐富、可編程性以及顯示直觀等眾多優(yōu)勢(shì)。使用者用鼠標(biāo)點(diǎn)擊虛擬面板，就可操作這臺(tái)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件平臺(tái)，就如同使用一臺(tái)專用測(cè)量?jī)x器一樣。虛擬儀器的“虛擬”二字主要包含以下兩個(gè)方面的含義：第一， 虛擬儀器的面板是虛擬的。虛擬儀器面板上的各種“控件”與傳統(tǒng)儀器面板上的各種“器件”所完成的功能是相同的。

11、如由各種開(kāi)關(guān)、按鍵、顯示器等實(shí)現(xiàn)儀器電源的：“通”、“斷”；被測(cè)信號(hào)的“輸入通道”、“放大倍數(shù)”等參數(shù)的設(shè)置；測(cè)量結(jié)果的“數(shù)值顯示”、“波形顯示”等。傳統(tǒng)儀器面板上的器件都是“實(shí)物”，而且是由“手動(dòng)”、“觸摸”、來(lái)進(jìn)行操作的，而虛擬儀器面板控件是外形與實(shí)物相象的“圖標(biāo)”，每個(gè)圖標(biāo)的“通”、“斷”、“放大”等，對(duì)應(yīng)著相應(yīng)的軟件程序。這些軟件已經(jīng)設(shè)計(jì)好，我們只需選用代表該種軟件程序的圖形“控件”即可。因此，設(shè)計(jì)虛擬儀器前面板,就是在前面板設(shè)計(jì)窗口中擺放所需的圖標(biāo)，然后對(duì)圖標(biāo)的屬性進(jìn)行設(shè)置。第二,虛擬儀器測(cè)量功能是通過(guò)對(duì)圖形化軟件流程圖的編程來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在以PC為核心的硬件平臺(tái)支持下，虛擬儀器不僅可以

12、通過(guò)軟件編程設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)儀器的測(cè)試功能，而且可以通過(guò)不同測(cè)試功能的軟件模塊的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)多種測(cè)試功能。因此在硬件平臺(tái)確定后就有了“軟件就是儀器”的說(shuō)法，這也體現(xiàn)了測(cè)試技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)深層次的結(jié)合。 虛擬儀器的優(yōu)勢(shì)虛擬儀器的出現(xiàn)，徹底改變了傳統(tǒng)儀器的結(jié)構(gòu)固定，功能單一、價(jià)格昂貴、可擴(kuò)展性差等不足，并且具有的靈活方便的功能擴(kuò)展、美觀友好的人機(jī)界面、得心應(yīng)手的操作、優(yōu)良的性能價(jià)格比和用戶可自行定義儀器功能等一系列優(yōu)點(diǎn)。虛擬儀器將計(jì)算機(jī)和測(cè)量系統(tǒng)融合于一體，用計(jì)算機(jī)軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的某些硬件的功能，用計(jì)算機(jī)的顯示器代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器物理面板。虛擬儀器對(duì)于傳統(tǒng)儀器的最大優(yōu)勢(shì)是“傳統(tǒng)的獨(dú)立儀器由制造商來(lái)定義它的功能

13、，而虛擬儀器完全由用戶定義儀器的功能”。傳統(tǒng)的單臺(tái)儀器只有一塊儀器面板，例如，示波器只有示波器面板，信號(hào)發(fā)生器也只有信號(hào)發(fā)生器的面板。但是，虛擬儀器的“面板”顯示在PC的屏幕上，以軟件的形式存在于計(jì)算機(jī)中，一套完整的虛擬儀器系統(tǒng)可以包含多個(gè)可切換的操作面板。儀器的操作是通過(guò)鼠標(biāo)選中不同的按鍵和旋鈕來(lái)完成的。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)的需要，采用不同的軟硬件組合，用戶就能在屏幕上定義自己的儀器，通過(guò)修改軟件來(lái)修改或增減儀器的功能，生成各種不同的“儀器面板”，最大限度的滿足各種測(cè)量系統(tǒng)的需要，從而真正體現(xiàn)了“軟件就是儀器”這一新概念。1.1.2 虛擬儀器技術(shù)虛擬儀器技術(shù)（NI）就是利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高

14、效靈活的軟件來(lái)完成各種測(cè)試、測(cè)量和自動(dòng)化的應(yīng)用。靈活高效的軟件能幫助您創(chuàng)建完全自定義的用戶界面，模塊化的硬件能方便地提供全方位的系統(tǒng)集成，標(biāo)準(zhǔn)的軟硬件平臺(tái)能滿足對(duì)同步和定時(shí)應(yīng)用的需求。這也正是NI近30年來(lái)始終引領(lǐng)測(cè)試測(cè)量行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)的原因所在。只有同時(shí)擁有高效的軟件、模塊化I/O硬件和用于集成的軟硬件平臺(tái)這三大組成部分，才能充分發(fā)揮虛擬儀器技術(shù)性能高、擴(kuò)展性強(qiáng)、開(kāi)發(fā)時(shí)間少，以及出色的集成這四大優(yōu)勢(shì)。 1.1.3 虛擬儀器的組成虛擬儀器從構(gòu)成要素上講，由計(jì)算機(jī)、應(yīng)用軟件和儀器硬件等構(gòu)成；從構(gòu)成方式上講則由以DAQ板和信號(hào)調(diào)理為儀器硬件而組成的PC-DAQ測(cè)試系統(tǒng)，或以GPIB，VXI，Seri

15、al和Field bus等標(biāo)準(zhǔn)總線儀器為硬件組成的GPIB系統(tǒng)、VXI系統(tǒng)、串口系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)等多種形式。虛擬儀器的構(gòu)成如圖1.1所示。顯示器各類接口信號(hào)分析與處理入機(jī)接口A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)發(fā)生器信號(hào)調(diào)理器D/A轉(zhuǎn)換器信號(hào)調(diào)理器信號(hào)調(diào)理器信號(hào)信號(hào)輸入輸出圖1.1 虛擬儀器構(gòu)成圖 高效的軟件軟件是虛擬儀器技術(shù)中最重要的部份。使用正確的軟件工具并通過(guò)調(diào)用特定的程序模塊，工程師和科學(xué)家們可以高效地創(chuàng)建自己的應(yīng)用以及友好的人機(jī)交互界面。NI公司提供的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的圖形化編程軟件NI LABVIEW，不僅能輕松方便地完成與各種軟硬件的連接，更能提供強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，并將分析結(jié)果有效地顯示給用戶。此外，N

16、I還提供了許多其它交互式的測(cè)量工具和系統(tǒng)管理軟件工具，例如連接設(shè)計(jì)與測(cè)試的交互式軟件SignalExpress、基于ANSI-C語(yǔ)言的LabWindows/CVI、支持微軟Visual Studio的Measurement Studio等等，這些軟件均可滿足客戶對(duì)高性能應(yīng)用的需求。 擁有了功能強(qiáng)大的軟件，您就可以在儀器中創(chuàng)建智能性和決策功能，通過(guò)對(duì)程序的修改，便可以實(shí)現(xiàn)功能的調(diào)整，從而發(fā)揮虛擬儀器技術(shù)在測(cè)試應(yīng)用中的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)。 模塊化的I/O硬件面對(duì)如今日益復(fù)雜的測(cè)試測(cè)量應(yīng)用，NI提供了全方位的軟硬件解決方案。無(wú)論您是使用PCI, PXI, PCMCIA, USB或者是IEEE 1394總線，N

17、I都能提供相應(yīng)的模塊化硬件產(chǎn)品，產(chǎn)品種類從數(shù)據(jù)采集及信號(hào)調(diào)理、模塊化儀器、機(jī)器視覺(jué)、運(yùn)動(dòng)控制、儀器控制、分布式I/O到CAN接口等工業(yè)通訊，應(yīng)有盡有。NI高性能的硬件產(chǎn)品結(jié)合靈活的開(kāi)發(fā)軟件，可以為負(fù)責(zé)測(cè)試和設(shè)計(jì)工作的工程師們創(chuàng)建完全自定義的測(cè)量系統(tǒng)，滿足各種靈活獨(dú)特的應(yīng)用需求。 目前，NI已經(jīng)達(dá)到了每2個(gè)工作日推出一款硬件產(chǎn)品的速度，大大拓寬了用戶的選擇面：例如NI數(shù)據(jù)采集系列產(chǎn)品為工程師們提供了從分布式、便攜性到工業(yè)級(jí)的全方位測(cè)量測(cè)試應(yīng)用的解決方案。 用于集成的軟硬件平臺(tái)NI首先提出的專為測(cè)試任務(wù)設(shè)計(jì)的PXI硬件平臺(tái)，已經(jīng)成為當(dāng)今測(cè)試、測(cè)量和自動(dòng)化應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)，它的開(kāi)放式構(gòu)架、靈活性和PC

18、技術(shù)的成本優(yōu)勢(shì)為測(cè)量和自動(dòng)化行業(yè)帶來(lái)了一場(chǎng)翻天覆地的改革。由NI發(fā)起的PXI系統(tǒng)聯(lián)盟現(xiàn)已吸引了70家廠商，聯(lián)盟屬下的產(chǎn)品數(shù)量也已超過(guò)一千種。 PXI作為一種專為工業(yè)數(shù)據(jù)采集與自動(dòng)化應(yīng)用度身定制的模塊化儀器平臺(tái)，內(nèi)建有高端的定時(shí)和觸發(fā)總線，再配以各類模塊化的I/O硬件和相應(yīng)的測(cè)試測(cè)量開(kāi)發(fā)軟件 ，您就可以建立完全自定義的測(cè)試測(cè)量解決方案。無(wú)論是面對(duì)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)采集應(yīng)用，還是高端的混合信號(hào)同步采集，借助PXI高性能的硬件平臺(tái)，您都能應(yīng)付自如。這就是虛擬儀器技術(shù)帶給您的無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。 虛擬儀器的發(fā)展現(xiàn)狀虛擬儀器技術(shù)目前在國(guó)外發(fā)展很快，以美國(guó)國(guó)家儀器公司（NI公司）為代表的一批廠商已經(jīng)在市場(chǎng)上推出了基于

19、虛擬儀器技術(shù)而設(shè)計(jì)的商品化儀器產(chǎn)品。在美國(guó)虛擬儀器系統(tǒng)及其圖形編程語(yǔ)言，已作為各大學(xué)理工科學(xué)生的一門必修課程。美國(guó)的斯福坦大學(xué)的機(jī)械工程系要求三、四年級(jí)的學(xué)生在實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)用虛擬儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和實(shí)驗(yàn)控制.當(dāng)今虛擬儀器的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)采用的總線包括傳統(tǒng)的RS232串行總線、GPIB通用接口總線、VXI總線，以及已經(jīng)被PC機(jī)廣泛采用的USB串行總線和IEEE1394總線（即Fire wire，也叫做火線）。世界各國(guó)的公司，特別是美國(guó)NI公司，為使虛擬儀器能夠適應(yīng)上述各種總線的配置，開(kāi)發(fā)了大量的軟件以及適應(yīng)要求的硬件（插件），可以靈活的組建不同復(fù)雜程度的虛擬儀器自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。傳統(tǒng)儀器有復(fù)雜的工藝問(wèn)題和知識(shí)產(chǎn)

20、權(quán)問(wèn)題，發(fā)達(dá)國(guó)家的傳統(tǒng)儀器市場(chǎng)已具有相當(dāng)規(guī)模。而虛擬儀器是一個(gè)全新的領(lǐng)域，大力發(fā)展虛擬儀器技術(shù)可以略過(guò)傳統(tǒng)儀器的發(fā)展階段，迅速進(jìn)入虛擬儀器發(fā)展階段，與國(guó)外大公司處于同一起跑線，形成跨越式發(fā)展。目前，虛擬儀器技術(shù)在中國(guó)越來(lái)越受到人們重視，研究高潮方興未艾，應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，虛擬儀器技術(shù)必然會(huì)有突飛猛進(jìn)的發(fā)展。1.1.5 虛擬儀器的發(fā)展趨勢(shì)NI公司提出的“軟件即儀器”，引發(fā)了儀器概念的革命性改變，而隨著計(jì)算機(jī)通訊技術(shù)的發(fā)展，虛擬儀器逐漸向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，研究人員又提出了“網(wǎng)絡(luò)即儀器”的概念。降低儀器支持和維護(hù)成本的技術(shù)，將成為虛擬儀器市場(chǎng)的主流技術(shù)之一。隨著個(gè)人電腦的小型化，虛擬儀器也將朝小型化、

21、大眾化方向發(fā)展，將會(huì)出現(xiàn)個(gè)人能隨身攜帶的分析儀器，打造出個(gè)人“拎著走的實(shí)驗(yàn)室”。復(fù)用是成熟工程領(lǐng)域的一個(gè)基本特征，使用經(jīng)過(guò)時(shí)間檢驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)零部件，可使常規(guī)的設(shè)計(jì)問(wèn)題直接利用現(xiàn)成的解決方案來(lái)解決，避免了項(xiàng)目開(kāi)發(fā)時(shí)的重復(fù)設(shè)計(jì)，從而大幅度地降低開(kāi)發(fā)成本，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。虛擬儀器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也正在朝著這個(gè)方向發(fā)展。隨著自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)復(fù)雜化、大型化和智能化，虛擬儀器軟件的設(shè)計(jì)可復(fù)用性、較好的穩(wěn)定性、對(duì)應(yīng)用對(duì)象的寬適應(yīng)性和用戶的可維護(hù)性，已是工業(yè)控制領(lǐng)域的重要研究方向，虛擬儀器構(gòu)件庫(kù)的建立、構(gòu)件自動(dòng)組裝工具的開(kāi)發(fā)，能夠使普通用戶組裝出符合要求的虛擬儀器系統(tǒng)。1.2 LABVIEW 簡(jiǎn)介 LABVIE

22、W的概念LABVIEW（Laboratory Virtual instrument Engineering）是美國(guó)NationalInstruments公司推出的一個(gè)圖形化軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，利用一種圖形化的編程語(yǔ)言，它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接受，視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制。LABVIEW集成了與滿足GPIB、VXI、RS-232和RS-485協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能。它還內(nèi)置了便于應(yīng)用TCP/IP、ActiveX等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫(kù)函數(shù)。這是一個(gè)功能強(qiáng)大且靈活的軟件。利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器，其圖形化的界面使得編程及使用過(guò)程都生動(dòng)有趣。傳統(tǒng)文本編程語(yǔ)言根據(jù)指令的

23、先后順序決定程序執(zhí)行順序，但LABVIEW 則采用數(shù)據(jù)流編程方式，程序框圖中節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)流向決定了VI 及函數(shù)的執(zhí)行順序。LABVIEW 提供很多外觀與傳統(tǒng)儀器（如示波器、萬(wàn)用表）類似的控件，可用來(lái)方便地創(chuàng)建用戶界面。用戶界面在LABVIEW 中被稱為前面板。使用圖標(biāo)和連線，可以通過(guò)編程對(duì)前面板上的對(duì)象進(jìn)行控制。這就是圖形化源代碼，又稱G 代碼。LABVIEW 的圖形化源代碼在某種程度上類似于流程圖，因此又被稱作程序框圖。 LABVIEW軟件設(shè)計(jì)基本原理虛擬儀器的軟件設(shè)計(jì)由兩部分組成：前面板和流程圖。在前面板，輸入用輸入控件(Control)來(lái)實(shí)現(xiàn)，程序運(yùn)行的結(jié)果由輸出控件(Indicato

24、r)來(lái)完成。流程圖是完成程序功能的圖形化源代碼，通過(guò)它對(duì)信號(hào)數(shù)據(jù)的輸入和輸出進(jìn)行指定，完成對(duì)信號(hào)采集及分析處理功能的控制。 前面板。前面板是圖形用戶界面，也就是VI的虛擬儀器面板，前面板直接面向用戶，是用戶使用虛擬儀器的基本操作面板。這一界面上有用戶輸入和顯示輸出兩類對(duì)象，具體表現(xiàn)有開(kāi)關(guān)、旋鈕、圖形以及其他控制和顯示對(duì)象。 程序框圖提供VI的圖形化程序。它的功能是對(duì)前面板上的控件進(jìn)行定義、操作和連線以實(shí)現(xiàn)虛擬儀器的功能，是LABVIEW程序設(shè)計(jì)的核心。在程序框圖中存在著對(duì)VI編程，以控制和操縱定義在前面板上的輸入和輸出。它包括前面板上的控件和控件的連線端子，還有一些前面板上沒(méi)有，但編程必須有的

25、東西，例如函數(shù)、結(jié)構(gòu)和連線等。如果將VI與標(biāo)準(zhǔn)儀器相比較，那么前面板上的東西就是儀器面板上的東西，而流程圖上的東西相當(dāng)于儀器箱內(nèi)的東西。在許多情況下，使用VI可以仿真標(biāo)準(zhǔn)儀器，不僅在屏幕上出現(xiàn)一個(gè)惟妙惟肖的標(biāo)準(zhǔn)儀器面板，而且其功能也與標(biāo)準(zhǔn)儀器相差無(wú)幾。 圖標(biāo)/連接器。VI具有層次化和結(jié)構(gòu)化的特征，一個(gè)VI可以作為子程序，這里稱為子VI，被其他VI調(diào)用。圖標(biāo)與連接器在這里相當(dāng)于圖形化的參數(shù)。LABVIEW的強(qiáng)大功能歸因于它的層次化結(jié)構(gòu)，用戶可以把創(chuàng)建的VI程序當(dāng)作子程序調(diào)用，以創(chuàng)建更復(fù)雜的程序，而這種調(diào)用的層次是沒(méi)有限制的。在VI設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以利用工具選板、前面板中的控件選板、程序框圖中的函數(shù)

26、選板進(jìn)行設(shè)計(jì)。這些選板的詳細(xì)功能及用法通過(guò)不斷的學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)VI的過(guò)程逐漸地掌握。 LABVIEW的應(yīng)用領(lǐng)域LABVIEW有很多優(yōu)點(diǎn)，尤其是在某些特殊領(lǐng)域其特點(diǎn)尤其突出。測(cè)試測(cè)量：LABVIEW最初就是為測(cè)試測(cè)量而設(shè)計(jì)的，因而測(cè)試測(cè)量也就是現(xiàn)在LABVIEW最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，LABVIEW在測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域獲得了廣泛的承認(rèn)。至今，大多數(shù)主流的測(cè)試儀器、數(shù)據(jù)采集設(shè)備都擁有專門的LABVIEW驅(qū)動(dòng)程序，使用LABVIEW可以非常便捷的控制這些硬件設(shè)備。同時(shí)，用戶也可以十分方便地找到各種適用于測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域的LABVIEW工具包。這些工具包幾乎覆蓋了用戶所需的所有功能，用戶在這些工具包的基礎(chǔ)上

27、再開(kāi)發(fā)程序就容易多了。有時(shí)甚至于只需簡(jiǎn)單地調(diào)用幾個(gè)工具包中的函數(shù)，就可以組成一個(gè)完整的測(cè)試測(cè)量應(yīng)用程序?？刂疲嚎刂婆c測(cè)試是兩個(gè)相關(guān)度非常高的領(lǐng)域，從測(cè)試領(lǐng)域起家的LABVIEW自然而然地首先拓展至控制領(lǐng)域。LABVIEW擁有專門用于控制領(lǐng)域的模塊-LabVIEWDSC。除此之外，工業(yè)控制領(lǐng)域常用的設(shè)備、數(shù)據(jù)線等通常也都帶有相應(yīng)的LABVIEW驅(qū)動(dòng)程序。使用LABVIEW可以非常方便的編制各種控制程序。仿真：LABVIEW包含了多種多樣的數(shù)學(xué)運(yùn)算函數(shù)，特別適合進(jìn)行模擬、仿真、原型設(shè)計(jì)等工作。在設(shè)計(jì)機(jī)電設(shè)備之前，可以現(xiàn)在計(jì)算機(jī)上用LABVIEW搭建仿真原型，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性，找到潛在的問(wèn)題。在高等

28、教育領(lǐng)域，有時(shí)如果使用LABVIEW進(jìn)行軟件模擬，就可以達(dá)到同樣的效果，使學(xué)生不致失去實(shí)踐的機(jī)會(huì)。兒童教育：由于圖形外觀漂亮且容易吸引兒童的注意力，同時(shí)圖形比文本更容易被兒童接受和理解，所以LABVIEW非常受少年兒童的歡迎。對(duì)于沒(méi)有任何計(jì)算機(jī)知識(shí)的兒童而言，可以把LABVIEW理解成是一種特殊的“積木”：把不同的原件搭在一起，就可以實(shí)現(xiàn)自己所需的功能。著名的可編程玩具“樂(lè)高積木”使用的就是LABVIEW編程語(yǔ)言。兒童經(jīng)過(guò)短暫的指導(dǎo)就可以利用樂(lè)高積木提供的積木搭建成各種車輛模型、機(jī)器人等，再使用LABVIEW編寫控制其運(yùn)動(dòng)和行為的程序。除了應(yīng)用于玩具，LABVIEW還有專門用于中小學(xué)生教學(xué)使用

29、的版本。快速開(kāi)發(fā)：根據(jù)筆者參與的一些項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)，完成一個(gè)功能類似的大型應(yīng)用軟件，熟練的LABVIEW程序員所需的開(kāi)發(fā)時(shí)間，大概只是熟練的C程序員所需時(shí)間的1/5左右。所以，如果項(xiàng)目開(kāi)發(fā)時(shí)間緊張，應(yīng)該優(yōu)先考慮使用LABVIEW，以縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。跨平臺(tái)：如果同一個(gè)程序需要運(yùn)行于多個(gè)硬件設(shè)備之上，也可以優(yōu)先考慮使用LABVIEW。LABVIEW具有良好的平臺(tái)一致性。LABVIEW的代碼不需任何修改就可以運(yùn)行在常見(jiàn)的三大臺(tái)式機(jī)操作系統(tǒng)上：Windows、Mac OS 及 Linux。除此之外，LABVIEW還支持各種實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和嵌入式設(shè)備，比如常見(jiàn)的PDA、FPGA以及運(yùn)行VxWorks和PharLa

30、p系統(tǒng)的RT設(shè)備。1.3 數(shù)據(jù)采集技術(shù)與NI USB-6251 BNC簡(jiǎn)介 數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)采集卡數(shù)據(jù)采集(DAQ)，是指從傳感器和其它待測(cè)設(shè)備等模擬和數(shù)字被測(cè)單元中自動(dòng)采非電量或者電量信號(hào),送到上位機(jī)中進(jìn)行分析,處理。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是結(jié)合基于計(jì)算機(jī)或者其他專用測(cè)試平臺(tái)的測(cè)量軟硬件產(chǎn)品來(lái)實(shí)現(xiàn)靈活的、用戶自定義的測(cè)量系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集的目的是為了測(cè)量電壓、電流、溫度、壓力或聲音等物理現(xiàn)象?；赑C的數(shù)據(jù)采集，通過(guò)模塊化硬件、應(yīng)用軟件和計(jì)算機(jī)的結(jié)合，進(jìn)行測(cè)量。盡管數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)根據(jù)不同的應(yīng)用需求有不同的定義，但各個(gè)系統(tǒng)采集、分析和顯示信息的目的卻都相同。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)整合了信號(hào)、傳感器、激勵(lì)器、信號(hào)調(diào)理、數(shù)據(jù)

31、采集設(shè)備和應(yīng)用軟件。 數(shù)據(jù)采集卡，即實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集(DAQ)功能的計(jì)算機(jī)擴(kuò)展卡，可以通過(guò)USB、PXI、PCI、PCI Express、火線(1394)、PCMCIA、ISA、Compact Flash、485、232、以太網(wǎng)、各種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)等總線接入個(gè)人計(jì)算機(jī)。數(shù)據(jù)采集卡，絕大多數(shù)集中在采集模擬量、數(shù)字量、熱電阻、熱電偶，其中熱電阻可以認(rèn)為是非電量（其實(shí)本質(zhì)上還是要用電流驅(qū)動(dòng)來(lái)采集）。其中模擬量采集卡和數(shù)字量采集卡用得是最廣泛的。 基于計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)各部分的作用要從一個(gè)基于計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到合理的結(jié)果，依賴于系統(tǒng)的每一個(gè)組成部分，即計(jì)算機(jī)、傳感器、信號(hào)調(diào)理、數(shù)據(jù)采集硬件和軟件。下面逐

32、一予以討論說(shuō)明。 傳感器。傳感器將被測(cè)試的物理量轉(zhuǎn)化成電信號(hào)的最基本的環(huán)節(jié)。例如，熱電偶、熱敏電阻、集成電路傳感器、應(yīng)變片等，都可以將溫度轉(zhuǎn)化成電壓和電阻。對(duì)于每一種傳感器，電信號(hào)的大小都與被監(jiān)測(cè)信號(hào)的物理參數(shù)成正比。 信號(hào)調(diào)理。信號(hào)調(diào)理器是傳感器和數(shù)據(jù)采集卡之間的橋梁，負(fù)責(zé)將傳感器的輸出信號(hào)和數(shù)據(jù)采集模塊可以接受的信號(hào)聯(lián)系起來(lái)，從傳感器輸出的信號(hào)必須經(jīng)過(guò)調(diào)理才能夠連入數(shù)據(jù)采集板，信號(hào)調(diào)理包括放大和衰減、隔離、濾波、傳感器激勵(lì)、線性化處理。放大和衰減。數(shù)據(jù)采集卡接收的信號(hào)是范圍很廣的電壓信號(hào)，如果太強(qiáng)，就需要衰減器把被測(cè)信號(hào)減弱后再輸入給數(shù)據(jù)采集卡，這樣一方面可以保證數(shù)據(jù)采集卡可以順利采數(shù)，另

33、一方面有利于系統(tǒng)的安全運(yùn)行。而對(duì)于微弱信號(hào)要進(jìn)行放大，以提高分辨率和降低噪音，也使調(diào)理后信號(hào)的最大電壓值和ADC最大輸入值相等，這樣可以提高精度。在設(shè)定調(diào)理電路的放大或衰減倍數(shù)時(shí)，一般應(yīng)滿足這樣一個(gè)條件:經(jīng)調(diào)理后的信號(hào)其最大值應(yīng)盡可能地達(dá)到數(shù)據(jù)采集卡可以接受的電壓范圍，最大限度地提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。隔離。隔離是指使用變壓器、光或電容禍合等方法阻礙被測(cè)系統(tǒng)和測(cè)試系統(tǒng)之間傳遞信號(hào)，避免發(fā)生直接連接，使用禍合主要有兩個(gè)方面原因:一是從安全的角度把傳感器信號(hào)同計(jì)算機(jī)隔離，因?yàn)楸槐O(jiān)測(cè)系統(tǒng)可能產(chǎn)生瞬時(shí)高壓，另一個(gè)原因是隔離可以使從數(shù)據(jù)采集卡出來(lái)的數(shù)據(jù)不受地電位和輸入模式的影響，減少誤差。濾波。濾波的目的是消

34、除噪音信號(hào)，提高輸入信號(hào)的信噪比。噪音濾波器通常用于直流信號(hào);交流信號(hào)通常需要抗失真的低通濾波器，因?yàn)檫@樣的濾波器有一陡峭的截止頻率，因而幾乎能夠完全消除高頻干擾信號(hào)。激勵(lì)。由于電工測(cè)量試驗(yàn)中經(jīng)常要要用到正弦波、方波等信號(hào)，且有時(shí)需要為一些傳感器提供激勵(lì)信號(hào)，故由虛擬信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生各種信號(hào)并由信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行功率放大后輸出。線性化。很多傳感器對(duì)被測(cè)量都有非線性響應(yīng)，因而需要對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行線性化。 數(shù)據(jù)采集硬件。數(shù)據(jù)采集硬件與眾多因素有關(guān)，要根據(jù)具體情況進(jìn)行分析，下面是通用的特征:采樣頻率: 采樣頻率高，就能在一定時(shí)間內(nèi)獲得更多的原始信息。為了再現(xiàn)原始信號(hào)，必須有足夠高的采樣頻率。顯然，如果信號(hào)

35、變化比采樣板的數(shù)字化要快，或采樣太慢，就會(huì)產(chǎn)生波形失真。根據(jù)采樣定理，采樣頻率至少是輸入最高頻率的兩倍，才可能不產(chǎn)生失真。采樣方法: 要從多個(gè)通道得到數(shù)據(jù)，通常使用多路開(kāi)關(guān)把每個(gè)信號(hào)端連接到A/D轉(zhuǎn)化器(ADC)。采用連續(xù)掃描方法，要比給每個(gè)通道一個(gè)放大器和ADC要經(jīng)濟(jì)得多，但這僅僅實(shí)用于在采樣點(diǎn)之間對(duì)時(shí)間不是很重要的場(chǎng)合。如果采樣點(diǎn)之間對(duì)時(shí)間要求嚴(yán)格，則必須同時(shí)采樣。對(duì)于低頻信號(hào)，可以用間隔掃描辦法來(lái)產(chǎn)生同時(shí)采樣的效果，而不必增加采樣保持電路。這種方法一定時(shí)間間隔掃描輸入通道，用脈沖來(lái)計(jì)算各通道兩次掃描的時(shí)間間隔。分辨率: ADC的位數(shù)越多，分辨率就越高，可區(qū)分的電壓就越小。電壓范圍: 電壓

36、范圍指ADC能掃描到最高和最低電壓。一般情況下，由于DAQ卡的電壓范圍可以調(diào)節(jié)，所以將信號(hào)電壓范圍調(diào)到與微機(jī)相匹配以便利用其可靠的分辨率范圍。范圍、增益、分辨率決定了可分辨的最小電壓變化，它表示ILSB。模擬輸出: 模擬輸出電路通常是為DAQ板的系統(tǒng)提供激勵(lì)電壓或電流。DAQ輸出信號(hào)由停滯、轉(zhuǎn)換率、分辨率等構(gòu)成。停滯時(shí)間和轉(zhuǎn)換率決定了輸出信號(hào)幅值改變的快慢。定時(shí)I/0: 許多場(chǎng)合都要用到定時(shí)器，如數(shù)字脈沖定時(shí)、產(chǎn)生方波等。定時(shí)器包括三個(gè)重要信息:門限信號(hào)、計(jì)時(shí)信號(hào)、輸出。門限信號(hào)實(shí)際上是觸發(fā)信號(hào)一使它工作或不工作;計(jì)時(shí)信號(hào)也就是信號(hào)源，它提供了繼續(xù)其操作的時(shí)間基準(zhǔn);輸出是在輸出線上產(chǎn)生方波和脈

37、沖。他們最重要的參數(shù)是分辨率和時(shí)鐘頻率。高分辨率意味著計(jì)數(shù)器可以計(jì)更多的數(shù)，時(shí)鐘頻率決定了產(chǎn)生數(shù)據(jù)信號(hào)輸入的快慢，頻率越高，計(jì)數(shù)增長(zhǎng)得越快，因而輸入端的信號(hào)頻率高，就可以產(chǎn)生高頻的脈沖波和方波。 驅(qū)動(dòng)軟件。沒(méi)有軟件，甚至沒(méi)有好的軟件，數(shù)據(jù)采集硬件系統(tǒng)不可能發(fā)揮很大的作用。數(shù)據(jù)系統(tǒng)一個(gè)主要方面是驅(qū)動(dòng)軟件的使用。驅(qū)動(dòng)軟件是直接對(duì)數(shù)據(jù)采集硬件系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)的軟件層，管理著系統(tǒng)的操作以及和計(jì)算機(jī)資源的組合，比如CPU中斷、DMA傳送、存儲(chǔ)器等。驅(qū)動(dòng)軟件在保持高性能、提高給用戶易于理解的基礎(chǔ)的同時(shí)，隱藏了復(fù)雜、詳細(xì)的硬件及程序設(shè)計(jì)。NI一DAQ就是NI公司高性能數(shù)據(jù)采集及驅(qū)動(dòng)程序。數(shù)據(jù)采集技術(shù)是電子測(cè)量

38、儀器的基礎(chǔ)，當(dāng)然也是虛擬儀器的基礎(chǔ)。只有當(dāng)數(shù)據(jù)采集部分正確工作，整個(gè)虛擬儀器系統(tǒng)才能正確工作。1.3.3 NI USB-6251 BNC本設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集的硬件部分采用的是NI公司的USB-6251BNC。NI USB-6251 BNC是一款USB高性能M系列多功能DAQ模塊，在高采樣率下也能保持高精度。實(shí)物如圖1.2所示。NI USB-6251 BNC是數(shù)據(jù)記錄類應(yīng)用和臺(tái)式傳感器測(cè)量的理想選擇。它具有8路模擬輸入、2路模擬輸出、8個(gè)DIO、1個(gè)APFI和2個(gè)用戶自定義BNC端子。NI USB-6251 BNC為移動(dòng)應(yīng)用或空間上有限制的應(yīng)用專門設(shè)計(jì)。其即插即用的安裝最大程度地降低了配置和設(shè)置時(shí)間，

39、同時(shí)它能直接與螺絲端子相連，從而削減了成本并簡(jiǎn)化了信號(hào)的連接。 圖1.2 數(shù)據(jù)采集卡該模塊還具有新的NI信號(hào)讀寫技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了USB總線上類似DMA的雙向高速數(shù)據(jù)流操作。更多有關(guān)NI信號(hào)讀寫的信息，請(qǐng)點(diǎn)擊資源欄。每個(gè)模塊還提供了OEM版。請(qǐng)參看資源欄或使用左側(cè)導(dǎo)航，獲取價(jià)格和技術(shù)信息。包含經(jīng)認(rèn)證的電源供電。 1.3.4 驅(qū)動(dòng)及應(yīng)用軟件NI-DAQmx驅(qū)動(dòng)程序和測(cè)量服務(wù)軟件提供了簡(jiǎn)單易用的配置和編程界面，DAQ Assistant等功能可幫助用戶縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。瀏覽資源欄，了解驅(qū)動(dòng)軟件的更多信息或下載驅(qū)動(dòng)程序。NI M系列設(shè)備與傳統(tǒng)的NI-DAQ(Legacy)驅(qū)動(dòng)程序不兼容。每個(gè)M系列數(shù)據(jù)采集設(shè)備

40、均包含一份NI LabVIEW SignalExpress LE的副本，使您無(wú)需編程即可快速采集、分析并顯示數(shù)據(jù)。除了LabVIEW SignalExpress，M系列數(shù)據(jù)采集設(shè)備還與下列NI應(yīng)用軟件版本（或更高版本）兼容LabVIEW 7.1、LabWindows/CVI 7.x、或Measurement Studio 7.x。NI M系列數(shù)據(jù)采集設(shè)備也兼容Visual Studio .NET、C/C+和Visual Basic 6。1.3.5 USB-6251詳細(xì)規(guī)格通用的 總線類型USB操作系統(tǒng) / 對(duì)象Windows測(cè)量類型正交編碼器, 電壓DAQ產(chǎn)品家族M系列與RoHS指令

41、的一致性是模擬輸入 通道數(shù)8 SE/8 DI采樣率1.25 MS/s分辨率16 bits同步采樣否最大電壓范圍-10.10 V      精度范圍1.92 mV      敏感度范圍112 µV最小電壓范圍-100.100 mV      精度范圍52 µV      敏感度范圍6 µV量程數(shù)7板上存儲(chǔ)量4095 樣本

42、模擬輸出 通道數(shù)2更新率2.86 MS/s分辨率16 bits最大電壓范圍-10.10 V      精度范圍2.08 mV最小電壓范圍-5.5 V      精度范圍1.045 mV電流驅(qū)動(dòng)(通道/總計(jì))5 mA/10 mA數(shù)字I/O 通道數(shù)24 DIO定時(shí)硬件, 軟件最大時(shí)鐘速率1 MHz邏輯電平TTL最大輸入范圍0.5 V最大輸出范圍0.5 V輸入電流源電流, 漏電流可編程輸入濾波器是輸出電流源電流, 漏電流電流驅(qū)動(dòng)(通道/總計(jì))24 mA/448

43、mA看門狗定時(shí)器否支持可編程上電狀態(tài)?是支持握手I/O?否支持模式I/O?是計(jì)時(shí)器/定時(shí)器 計(jì)數(shù)器/定時(shí)器數(shù)目2分辨率32 bits最大信號(hào)源頻率80 MHz最小輸入脈沖寬度12.5 ns邏輯電平TTL最大量程0.5 V時(shí)基穩(wěn)定度50 ppmGPS同步否脈沖生成是緩沖操作是短時(shí)脈沖干擾消除是DMA通道數(shù)0定時(shí)/觸發(fā)/同步 同步總線(RTSI)否觸發(fā)模擬, 數(shù)字2 課題設(shè)計(jì)內(nèi)容與設(shè)計(jì)方案2.1 設(shè)計(jì)內(nèi)容示波器是電子測(cè)量、測(cè)試儀器中使用范圍非常廣泛的設(shè)備。傳統(tǒng)示波器包括寬帶示波器、取樣示波器和記憶示波器等，它們頻帶較寬，實(shí)時(shí)性較好，但功能比較單一，人機(jī)界面不夠友好。而目前的數(shù)字

44、存儲(chǔ)示波器雖然測(cè)試準(zhǔn)確度高，而且具有較強(qiáng)的數(shù)字化處理能力，但是這種示波器價(jià)格昂貴，儀器功能模塊固定，不具備用戶對(duì)儀器進(jìn)行定義和用戶編程的功能。采用虛擬示波器技術(shù)可以以低廉的成本解決這些問(wèn)題。虛擬示波器是虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用，它使用數(shù)據(jù)采集卡采集現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)，通過(guò)接口電路傳輸數(shù)據(jù)到計(jì)算機(jī)，再借助強(qiáng)大的監(jiān)控軟件模擬示波器的操作面板，實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集、分析、處理、存儲(chǔ)、再顯示、打印輸出等功能。虛擬示波器構(gòu)造真實(shí)，操作現(xiàn)實(shí)感強(qiáng)，虛擬示波器的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。他由被測(cè)信號(hào)、限幅電路、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)組成。 被測(cè)信號(hào)限幅電路數(shù)據(jù)采集卡計(jì)算機(jī) 圖2.1 虛擬示波器的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)本論文主要應(yīng)用美國(guó)國(guó)家儀器（

45、NI）有限公司的USB-6251數(shù)據(jù)卡，自主開(kāi)發(fā)研究虛擬數(shù)字存儲(chǔ)示波器，即利用計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡和簡(jiǎn)單的調(diào)整電路不僅實(shí)現(xiàn)示波器的功能，而且大大降低成本，使用更加靈活方便，為進(jìn)一步組建自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)打下基礎(chǔ)。介紹虛擬示波器軟件的開(kāi)發(fā)過(guò)程，以及相關(guān)數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)知識(shí)。虛擬示波器主要有硬件和軟件兩部分構(gòu)成。硬件部分主要是普通PC機(jī)和數(shù)據(jù)采集卡；軟件部分則包括了前面板，采集卡驅(qū)動(dòng)程序及相關(guān)的應(yīng)用軟件（主要有頻譜分析，數(shù)字濾波，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和讀取，波形顯示等）。2.2 實(shí)現(xiàn)功能虛擬示波器是虛擬儀器的一種，它不僅可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)示波器的功能，并且具有存儲(chǔ)、再現(xiàn)、分析、處理波形等特點(diǎn)，而且體積小，耗電少。虛擬示波器使

46、用功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)來(lái)完成信號(hào)的處理和波形的顯示，利用軟件技術(shù)在屏幕上設(shè)計(jì)出方便、逼真的儀器面板，進(jìn)行各種信號(hào)的處理、加工和分析，用各種不的方式（如數(shù)據(jù)、圖形、圖表等）表示測(cè)量結(jié)果，完成各種規(guī)模的測(cè)量任務(wù)。 實(shí)時(shí)顯示：通過(guò)采集卡采集信號(hào)并能對(duì)輸入信號(hào)實(shí)時(shí)顯示在PC機(jī)終端。 數(shù)字濾波：采用數(shù)字IIR濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理并實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)可以任意設(shè)置濾波器的最佳逼近函數(shù)類型、濾波器類型、階次、上下截止頻率等參數(shù)。 截波顯示：即可滿足波形的瞬態(tài)顯示，同時(shí)也可以將瞬態(tài)波形進(jìn)行保存。 波形存儲(chǔ)：可隨時(shí)將原始信號(hào)或處理后信號(hào)以LabVIEW特有的LVM文件格式存儲(chǔ)在本地硬盤上，便于日后分析或處理。其中

47、瞬態(tài)信號(hào)在截波后以BMP圖片格式存儲(chǔ)在本地硬盤上供日后查看以及分析。 波形回顯：隨時(shí)將存儲(chǔ)的LVM格式波形文件重新讀取然后顯示在PC機(jī)端。 頻譜分析：對(duì)濾波后信號(hào)分別進(jìn)行幅頻相應(yīng)分析以及相頻響應(yīng)分析并同時(shí)采取波形與表格方式實(shí)時(shí)顯示。2.3 工作原理 硬件上利用NI提供的USB-6251數(shù)據(jù)采集卡采集信號(hào)，軟件上利用NI提供的DAQmx READ采集信號(hào)，然后通過(guò)Waveform Graphs進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。這就實(shí)現(xiàn)了一個(gè)最基本的示波器，信號(hào)顯示后又利用Write To Measurement File將波形保存為L(zhǎng)VM文件。這就實(shí)現(xiàn)了基本的“存儲(chǔ)”功能，反之通過(guò)Read To Measureme

48、nt File可以將LVM讀取顯示，從而完成“回顯”功能。由于在硬件上是以PC機(jī)以及采集卡為基礎(chǔ)的，所以本示波器在采樣極限速率，帶寬，分辨力等參數(shù)上受到一定的限制。而程序響應(yīng)時(shí)間上除了與軟件設(shè)計(jì)內(nèi)容與方式有關(guān)外，還依賴于PC的配置以及程序的執(zhí)行效率。2.4 設(shè)計(jì)思路本設(shè)計(jì)的想法是盡量與現(xiàn)實(shí)中的面板相一致，實(shí)現(xiàn)示波器最基本的顯示和調(diào)節(jié)功能。所以本設(shè)計(jì)我設(shè)計(jì)了包含CH1和CH2的雙通道示波器，即雙蹤示波器。所以本設(shè)計(jì)可以分為幾個(gè)部分來(lái)實(shí)現(xiàn): CH1和CH2通道設(shè)計(jì)及選擇。設(shè)置兩個(gè)開(kāi)關(guān)控制CH1和CH2選通狀況，當(dāng)兩個(gè)通道都開(kāi)即顯示兩個(gè)正弦波形；當(dāng)CH1關(guān)CH2開(kāi)CH1顯示正弦波,而CH2顯示自己設(shè)

49、計(jì)的建議信號(hào)發(fā)生器發(fā)生的信號(hào)；當(dāng)CH1和CH2都關(guān)或者CH1開(kāi)且CH2關(guān)時(shí)，通道顯示外部采集信號(hào)。 波形產(chǎn)生。本設(shè)計(jì)基于NI USB-6251數(shù)據(jù)采集卡，所以虛擬示波器可以利用采集卡采集外部信號(hào)。此外，程序框圖中設(shè)計(jì)有建議信號(hào)發(fā)生器，可以滿足基本的正弦波、方波、三角波、鋸齒波的輸入。 波形顯示。面板中共設(shè)有波形圖表（顯示輸入信號(hào)波形）、波形圖（頻譜分析）、XY圖。并設(shè)有幅度單位調(diào)解、幅度偏移、掃描速率、頻率、幅值、相位、偏移量、信號(hào)發(fā)生器旋鈕、雙通道重置信號(hào)等調(diào)節(jié)按鈕，以及雙通道的幅值電壓和頻率的顯示框。 示波器的運(yùn)行和停止。程序利用工具條中的相關(guān)按鈕實(shí)現(xiàn)示波器的運(yùn)行、中止以及暫停。2.5 方

50、案的實(shí)現(xiàn)2.5.1 前面板的設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)思路，我們?cè)O(shè)計(jì)出前面板如圖2.2所示。圖2.2 虛擬示波器前面板2.5.2 設(shè)計(jì)原理及設(shè)計(jì)步驟 通道CH1和CH2選擇即波形產(chǎn)生。在程序框圖上創(chuàng)建兩個(gè)條件結(jié)構(gòu)。把CH1和CH2的開(kāi)關(guān)控制（布爾開(kāi)關(guān)）分別接到這兩個(gè)條件結(jié)構(gòu)的條件輸入端，然后在每個(gè)“真”條件下，兩個(gè)通道均顯示正弦波輸出信號(hào)。程序框圖如圖2.3所示，前面板輸出如圖2.4所示。 圖2.3 CH1“真”、CH2“真”圖2.4 CH1“真”、CH2“真”輸出波形在CH1“假”且CH2“真”的情況時(shí)，CH1通道輸出建議信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生波形，CH2仍輸出正弦波信號(hào)。程序框圖如圖2.5所示。當(dāng)信號(hào)發(fā)生器旋鈕

51、調(diào)到“0”時(shí)，CH1通道輸出正弦波。當(dāng)信號(hào)發(fā)生器旋鈕調(diào)到“1”時(shí)，CH1通道輸出三角波，如圖2.6所示。當(dāng)信號(hào)發(fā)生器旋鈕調(diào)到“2”時(shí)，CH1通道輸出方波。當(dāng)信號(hào)發(fā)生器旋鈕調(diào)到“3”時(shí)，CH1通道輸出鋸齒波，如圖2.7所示。 圖2.5 CH1“假”CH2“真”圖2.6 CH1“假”CH2“真”輸出波形圖2.7 CH1“假”CH2“真”輸出波形在CH1“真”且CH2“假”或者CH1“假”且CH2“假”時(shí)，通道輸出采集卡采集的外部信號(hào)（此處以鋸齒波為例）。程序框圖如圖2.8所示，實(shí)物連接圖如圖2.9所示，示波器輸出如圖2.10所示。圖2.8 CH1“假”CH2“假”圖2.9 實(shí)物連接圖圖2.10 外

52、部采集信號(hào)輸出波形 波形顯示控制部分。這部分主要作用是控制波形的輸出，通過(guò)調(diào)節(jié)波形信號(hào)的頻率、幅值、幅度單位調(diào)解、幅度偏移、掃描速率、相位、偏移量、等參數(shù)來(lái)控制波形輸出。目的是為了讓波形以最直觀、最清楚的方式顯示在波形圖上。其中前面板圖形如圖2.11所示，程序如圖2.12所示。圖2.11 示波器控制部分圖2.12 控制部分相關(guān)程序框圖 輸入信號(hào)測(cè)量值的顯示部分。本部分用于顯示測(cè)試信號(hào)的頻率及幅值，讓我們比較直觀地讀取信號(hào)信息。設(shè)計(jì)的前面板如圖2.13所示，程序框圖如圖2.14所示。圖2.13 測(cè)量參數(shù)顯示 圖2.14 測(cè)量參數(shù)模塊程序框圖 整個(gè)設(shè)計(jì)程序框圖如圖2.15所示，至此為止設(shè)計(jì)完成。圖

53、2.15 虛擬雙蹤示波器程序框圖3 課題應(yīng)用及意義虛擬儀器的出現(xiàn)，徹底改變了傳統(tǒng)儀器的結(jié)構(gòu)固定，功能單一、價(jià)格昂貴、可擴(kuò)展性差等不足，并且具有靈活方便的功能擴(kuò)展、美觀友好的人機(jī)界面、得心應(yīng)手的操作、優(yōu)良的性能價(jià)格比和用戶可自行定義儀器功能等一系列優(yōu)點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，虛擬儀器的應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣泛。本課題是基于USB-6251的虛擬示波器開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，根據(jù)此設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，可以將它轉(zhuǎn)化為學(xué)生實(shí)驗(yàn)條件以及進(jìn)一步組建自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。3.1 轉(zhuǎn)化為學(xué)生實(shí)驗(yàn)條件3.1.1 轉(zhuǎn)化的意義高等院校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,一個(gè)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)要使用多種儀器,而不同實(shí)驗(yàn)所用儀器不盡相同,如果開(kāi)設(shè)綜合性實(shí)驗(yàn),要同時(shí)購(gòu)置多套先進(jìn)而昂貴的儀器,這

54、么多的儀器不僅價(jià)格昂貴,體積大,占用空間多,而且相互連接也十分麻煩,一般地方院校很難滿足。目前,隨著測(cè)試儀器的虛擬化、計(jì)算機(jī)化,在一些理工科的課程如數(shù)字信號(hào)處理、模擬電路、數(shù)字電路、測(cè)試技術(shù)、電工技術(shù)、電子線路等中已運(yùn)用虛擬儀器技術(shù),用虛擬儀器代替常規(guī)儀器,可以節(jié)省大量?jī)x器設(shè)備的經(jīng)費(fèi)投入,提高設(shè)備的完好率和使用壽命;有利于學(xué)生從煩瑣的運(yùn)算中解放出來(lái),用更多的時(shí)間去明確概念;有利于學(xué)生綜合能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。目前市面上的示波器種類繁多，而且功能齊全，能夠在很大程度上滿足用戶的需求。但是由于高端示波器價(jià)格昂貴，一般用戶難以承受，所以本課題的研究就有了實(shí)質(zhì)性的意義。本課題應(yīng)用美國(guó)NI公司的USB-

55、6251數(shù)據(jù)采集卡，自主開(kāi)發(fā)研究虛擬數(shù)字示波器，可以在很大程度上緩解成本過(guò)高的壓力。由于學(xué)生實(shí)驗(yàn)所需要的示波器在精度上不會(huì)太高，所以本設(shè)計(jì)示波器能夠滿足普通的教學(xué)使用。3.1.2 轉(zhuǎn)化方式利用數(shù)據(jù)采集卡與pc機(jī)及軟件系統(tǒng)就可以構(gòu)成一個(gè)虛擬示波器。數(shù)據(jù)采集卡采集外部信號(hào)并傳送到pc機(jī)上，由強(qiáng)大的軟件功能實(shí)現(xiàn)信號(hào)的處理及顯示。在此基礎(chǔ)上，我們可以自主設(shè)計(jì)信號(hào)發(fā)生源。比如使用ICL8038芯片振蕩電路以及LM324芯片電路，我們可以自制信號(hào)發(fā)生源，用以產(chǎn)生正弦波、方波、三角波等常規(guī)波形。結(jié)合于此，我們可以將此技術(shù)應(yīng)用與學(xué)生實(shí)驗(yàn)中。通過(guò)學(xué)生自己動(dòng)手制作產(chǎn)品，利用本裝置進(jìn)行性能檢驗(yàn)。本課題我們利用ICL8038、LM324制作了信號(hào)發(fā)生器，作為驗(yàn)證裝置檢驗(yàn)本設(shè)計(jì)的可靠性