1、基于 LabVIEW 双通道示波器的设计与实现Design and Implementation of Double Channel OscilloscopeBased on LabVIEW2015 年 02 月亚为科技摘 要虚拟仪器技术是现在计算机系统和仪器系统相结合的产物，是当今计算机辅助测试领域的一项重要技术。它推动着传统仪器朝着数字化，智能化，模块化，网络化的方向发展。随着电子计算机技术和软件开发技术的日新月异，电子计算机在数据的实时分析和处理，显示，存贮等方面的优势与传统的仪器相比越来越明显。与此同时，随着计算机性价比的不断提升，传统仪器的价格又长期居高不下，再加上传统仪器的功能单一
2、，发展虚拟仪器已经成为一个不可阻挡的历史潮流。美国 NI 公司在这种大环境下，率先发起了对虚拟仪器的研究开发，推出了 LabVIEW 软件开发平台。文章阐述了虚拟仪器的背景、概念、发展、组成等，重点介绍了采用图形化编程软件 LABVIEW 设计虚拟示波器方法以及它的波形显示、频谱分析、参数显示等功能，最终实现开发一个能够对声音信号进行显示的虚拟示波器。本文所设计的虚拟示波器经过测试可以对信号正确的采集和显示，达到了本次虚拟示波器的设计要求。本课题在掌握了虚拟仪器的基本结构及信号处理的相关知识基础之上，设计了一套虚拟示波器。对虚拟仪器的概念，结构，发展趋势进行了相关分析。关键词：虚拟仪器 虚拟示
3、波器 LabVIEW亚为科技ABSTRACTNow, virtual instrument technology is the combination of the computer system and instrument system, is an important technology in the field of computer aided testing. It promotes the traditional instruments toward digital, intelligent, modular, network direction.With advances i
4、n computer technology and software development technology, electronic computer in real-time data analysis and processing, display, storage, etc advantages compared with traditional instruments is more and more obvious. At the same time, with the improving of the computer price, the price of traditio
5、nal instruments and high for a long time, coupled with the single function of traditional instrument, virtual instrument development has become an unstoppable tide of history. NI companies in the United States in this environment, take the lead in launching the research and development of virtual in
6、strument, introduced the LabVIEW software development platform.The article expounds the background, concept, the development of virtual instrument, composition, etc., focus on using graphical programming software LABVIEW virtual oscilloscope design method and its waveform display, spectrum analysis,
7、 and other functions, eventually developing a audio signals to display the virtual oscilloscope.In this paper, the design of virtual oscilloscope tested signal right acquisition and display, can be reached the design requirements of virtual oscilloscope.This topic in the mastery of the basic structu
8、re of virtual instrument and signal processing based on knowledge, design a set of virtual oscilloscope. The concept of virtual instrument, the structure, the development trend of related analysis.Keywords: Virtual instrument Virtual oscilloscope LabVIEW 亚为科技目 录绪 论 .1第一章 虚拟仪器技术概述 .211 虚拟仪器概述 .21.1.1
9、 虚拟仪器概念 .21.1.2 虚拟仪器构成 .21.1.3 虚拟仪器特点 .31.2 虚拟仪器的现状 .41.2.1 国外虚拟仪器的研究现状 .41.2.2 国内虚拟仪器的研究现状 .51.2.3 虚拟仪器的发展方向 .61.3 虚拟仪器的发展趋势 .61.4 虚拟仪器的研究步骤及本论文的结构 .7第二章 LABVIEW 概述 .92.1 LabVIEW 的基本概述 .92.2 什么叫 LabVIEW.92.3LabVIEW 软件的特点 .102.4LabVIEW 创建虚拟仪器过程 .10第三章 虚拟示波器的设计与实现 .123.1 系统设计介绍 .123.2 整体设计方案 .133.3 设
10、计步骤 .143.3.1 选择及波形发生 .143.3.2 波形控制和调节部分 .15第四章 虚拟示波器的调试与结果分析 .194.1 测试与结果 .194.2 性能分析 .20结 论 .21参 考 文 献 .22致 谢 .23亚为科技1绪 论虚拟仪器技术是现在计算机系统和仪器系统相结合的产物，是当今计算机辅助测试领域的一项重要技术。它推动着传统仪器朝着数字化，智能化，模块化，网络化的方向发展。电子测量仪器发展至今，大体上可以分为四代：模拟仪器、数字化仪器、智能一起和虚拟仪器。第一代模拟仪器，这类仪器在某些实验室里还能看到，它是以电磁感应基本定律为基础的指针式仪器，如指针式万用表、晶体管电压表
11、、指针式电流表等。第二代数字化仪器，这类仪器现在相当普遍，这类仪器将模拟信号的测量值转化为数字信号，并以数字方式输出最终结果，适用于快速响应和较高准确度的测量，如数字万用表、数字频率计等。第三代智能仪器，这类仪器内置微处理器，可以进行自动测试和数据处理功能，可能代替部分脑力劳工，习惯上称为智能仪器。它的功能模块全部都是以硬件或固定软件的形式存在，无论是开发还是应用，都缺乏灵活性。第四代虚拟仪器，它是现在计算机软件技术、通信技术和测试技术高速发展孕育出的一项革命性技术，其导致了传统仪器的结构、概念和设计观点都发生了巨大的变革，它的出现使得人类的测试技术进入了一个新的发展纪元。 1亚为科技2第一章
12、 虚拟仪器技术概述11 虚拟仪器概述1.1.1 虚拟仪器概念虚拟仪器是指通过应用程序将计算机、软件的功能模块和仪器硬件结合起来，用户可以通过友好的图形界面（通常叫做虚拟前面板，简称前面板）来操作这台计算机就像在操作自己定义、自己设计的一台个人仪器一样，从而完成对被测信号的采集、分析、判断、显示、数字存储等。虚拟仪器以透明的方式，通过软件对数据的分析处理、表达以及图形化用户接口，把计算机资源（如微处理器、显示器等）和仪器硬件（如 A/D、D/A、数字 I/O、定时器、信号调理等）的测试能力和控制能力结合起来。虚拟一起突破了传统仪器以硬件为主体的模式，实际上使用者是在操作具有测试软件的电子计算机进
13、行测量，犹如操作一台虚设的电子仪器。虚拟仪器技术的实质是充分利用最新的计算机技术来实现和扩展传统仪器的功能。软件是虚拟仪器的关键，当基本硬件确定以后，就可以通过不同的软件实现不同的功能。用户可以根据自己的需要，设计自己的仪器系统，满足多种多样的应用要求。利用计算机丰富的软、硬件资源，可以大大突破传统仪器的数据的分析、处理、表达、传递、存储等方面的限制，达到传统仪器无法比拟的效果。它不仅可以用于电子测量、测试、分析、计量等领域，而且还可以用于进行设备的监控以及工业过程自动化。虚拟仪器还可以广泛用于电力工程、物矿勘探、医疗、振动分析、声学分析、故障诊断及教学科研等多个方面。 101.1.2 虚拟仪
14、器构成虚拟仪器从构成要素上讲，由计算机、应用软件和仪器硬件等构成；从构成分式上讲则由以 DAQ 板和信号调理为仪器硬件而组成的 PC-DAQ 测试系统，或已GPIB，VXI，Serial 和 Fieldbus 等标准总线仪器为硬件组成的 GPIB 系统、VXI 系统、串口系统和现场总线系统等多种形式 2。虚拟仪器的构成如图 1-1 所示。亚为科技3显示器信号分析及处理器入机接口 各类接口A/D 转换器数据发生器信号调理器信号调理器输入信号 D/A 转换器信号调理器信号输出图 1-1 虚拟仪器的结构1.1.3 虚拟仪器特点一台性能优良的虚拟仪器不仅可以实现传统仪器的大部分功能，而且在许多方面有传
15、统仪器无法比拟的优点，如使用灵活方便、功能丰富、价格低廉、可一机多用、可重复开发等。 4 与传统仪器相比虚拟仪器主要有以下几个优点：（1）融合了计算机强大的硬件资源，突破了传统仪器在数据处理、显示、存储等方面的限制，大大增强了传统仪器的功能。而且高性能处理器、高分辨率显示器、大容量硬盘等已成为虚拟仪器的标准配置。（2）利用计算机丰富的软件资源，一方面，实现了部分仪器硬件的软件话，节省了物质资源，增加了系统的灵活性；一方面，通过软件技术和相应的数值算法、实时、直接的对测量数据进行各种分析和处理；另一方面，通过图形用户界面（GraphUserInterface）技术，真正做到界面友好，人机交互。（
16、3）基于计算机总线和模块化仪器总线，使仪器的硬件实现了模块化、系列化，大大缩小了系统的尺寸，可方便的构建模块化仪器（InstrumentonaCard） 。（4）基于计算机网络技术和接口技术，使 VI 系统具有方便、灵活的互联能力，广泛支持诸如 CAN，FieldBus，PROFIBUS 等各种工业总线标准。因此，利用 VI 技术可方便的构建自动测试系统（ATS，AutomaticTestSystem） ，实现测量、控制过程的网络化。（5）基于计算机的开放式标准体系结构。虚拟仪器的硬、软件都具有开放性、模块化、可重复使用及互换性等特点。因此，用户可以根据自己的需要选择不同厂家的产品，使仪器系统
17、的开发更为灵活、效率更高，缩短了系统组建和维修的时间。亚为科技4下表是虚拟仪器与传统仪器的比较。表 1-1 虚拟仪器与传统仪器的比较虚拟仪器 传统仪器开放、灵活，可与计算机技术保持同步发展 封闭性、仪器间相互配合较差关键是软件，系统性能升级方便，通过网络下载升级程序即可。关键是硬件，升级成本较高，且升级必须上门服务。价格低廉，仪器间资源可重复利用率高 价格昂贵，仪器间一般无法相互利用用户可定义仪器功能 只有厂家能定义仪器功能可以与网络及周边设备方便互连 与其他设备仪器的连接十分有限软件使得开发和维护费用降至最低 开发和维护开销高技术更新周期短（1-2 年） 技术更新周期长（5-10 年）数据可
18、编辑、存储、打印 数据无法编辑1.2 虚拟仪器的现状1.2.1 国外虚拟仪器的研究现状虚拟仪器技术目前在国外发展很快，以美国国家仪器公司（NI 公司）为代表的一批厂商已经在市场上推出了基于虚拟仪器技术而设计的商品化仪器产品。在美国虚拟仪器系统及其图形编程语言，已作为各大学理工科学生的一门必修课程。美国的斯福坦大学的机械工程系要求三、四年级的学生在实验时应用虚拟仪器进行数据采集和实验控制。近年来，世界各国的虚拟仪器公司开发了不少虚拟仪器开发平台软件，以便使用者利用这些公司提供的开发平台软件组建自己的虚拟仪器或测试系统，并编制测试软件。最早和最具有影响力的开发软件，是 NI 公司的 LABVIEW
19、 软件和Labwindows/CVI 开发软件。 LABVIEW 采用图形化编程方案，是非常实用的开发软件。Labwindows/CVI 是为熟悉 C 语言的开发人员准备的、在 windows 环境下的标准ANSIC 开发环境，除了上述优秀的开发软件之外，美国 HP 公司的 HP-VEE 和 HPTIG平台软件，美国 Tektronix 公司的 Ez-Test 和 Tek-TNS 软件，以及美国的 HEMData 公司的 Snap-Master 平台软件，也是国际上公认的优秀虚拟仪器开发平台软件。当今虚拟仪器的系统开发采用的总线包括传统的 RS232 串行总线、GPIB 通用接口总线、VXI
20、总线，以及已经被 PC 机广泛采用的 USB 串行总线和 IEEE1394 总线（即 Firewire，也叫做火线） 。世界各国的公司，特别是美国 NI 公司，为使虚拟仪器亚为科技5能够适应上述各种总线的配置，开发了大量的软件以及适应要求的硬件（插件） ，可以灵活的组建不同复杂程度的虚拟仪器自动检测系统。虚拟仪器开发商不仅注意使虚拟仪器能够适应各种通用计算机总线系统，使之为虚拟仪器服务，而且也注意建立各种仪器专用的总线系统。美国 NI 公司在 1997 年 9月 1 日推出模块化仪器的主流平台 PXI，这是与 CompactPCI 完全兼容的系统。这种虚拟仪器模块化主流平台 PXI/Compa
21、ctPCI 的传输速度已经达到 100Mb/s。是目前已经发布的最高传输速度。 71.2.2 国内虚拟仪器的研究现状目前主流的虚拟仪器主要是 VXI/PXI 各种计算机总线和总线标准的各种插卡和仪器模块间或有其它总线式的仪器模块，工作方式多是插入各种总线机箱内或直接插入计算机机箱内，少数情况下是独立模块以接口形式接入计算机。它们多数属于中低频范围，主要是工程应用类仪器设备。我国 VXI 总线技术是反映我国目前虚拟仪器水平的一个方面，互联网已经使数据共享进入新阶段，加速了虚拟仪器的新网络技术及远程计算机技术的发展，而这些技术是传统仪器不可能实现的，虚拟仪器很好的利用了互联网的功能，因此可以把来自
22、测量和设计的数据直接发布到网上。国内已有部分院校的实验室引入了虚拟仪器系统，上海复旦大学、上海交通大学、广州暨南大学、华中理工大学、四川联合大学等。近一、两年来这些学校在原有的基础上，又开发了一批新的虚拟仪器系统用于教学和科研。其中，华中理工大学机械学院工程测试实验室将其开发成果在网上公开展示。四川联合大学的教师基于虚拟仪器的设计思想，研制了“ 航空电台二线综合测试仪 ”将 8 台仪器集成于一体，组成虚拟仪器系统，使用方便、灵活。清华大学利用虚拟仪器技术构建的汽车发动机检测系统，用于汽车发动机的出厂检验。主要检测发动机的功率特性、负荷特性等。一台发动机检测完后，就可打印出完整的检测报告。此外，
23、国内已有几家企业在研制 PC 虚拟仪器，哈工大仪器王电子有限责任公司就是其中之一，它的产品已达到一定的批量。其主要产品有数字存储示波器系列、任意波形发生器及频率计系列、多通道大容量波形记录系列。国内专家预测：未来几年内，我国将有 50%的仪器为虚拟仪器。国内将有大批企业使用虚拟仪器系统对生产设备的运行状况进行实时监测。随着微型计算机的发展，虚拟仪器将会逐步取代传统的测试仪器而成为测试仪器的主流。虚拟仪器技术的提出和发展，标志着二十一世纪自动测试与电子测试仪器领域技术发展的一个重要方向。 5亚为科技61.2.3 虚拟仪器的发展方向虚拟仪器正在继续迅速发展。它可以取代测量技术在传统领域的各类仪器。
24、虚拟仪器在组成和改变仪器的功能和技术性能方面具有灵活性和经济性，因而特别适应于当代科学技术迅速发展和科学研究不断深化所提出的更高跟新的测量课题和测量需要。“没有测量就没有鉴别，科学技术就不能前进。 ”虚拟仪器将会在科学技术的各个领域得到广泛的应用。VXI 总线将成为未来虚拟仪器的理想硬件平台，这是由 VXI 总线的性能决定的；另一方面，基于 PCI-DAQ 的虚拟仪器系统由于性价比高、灵活性好而受到大多数用户的青睐，将得到高速的发展。随着计算机硬件、软件技术的迅速发展，虚拟仪器将向高性能、多功能、集成化、网络化方向发展。 61.3 虚拟仪器的发展趋势虚拟仪器正在继续迅速发展。它可以取代测量技术
25、在传统领域的各类仪器。虚拟仪器在组成和改变仪器的功能和技术性能方面具有灵活性和经济性，因而特别适应于当代科学技术迅速发展和科学研究不断深化所提出的更高跟新的测量课题和测量需要。“没有测量就没有鉴别，科学技术就不能前进。 ”虚拟仪器将会在科学技术的各个领域得到广泛的应用。图形化编程平台的进一步发展和完善是虚拟仪器发展的一个重要方向。如何使用户进行少量的学习甚至不需要学习就可使用功能强大的虚拟仪器，如何使用构成简单的虚拟仪器系统并完成复杂的测试内容，如何帮助用户对测试结果进行分析和判断等内容，是虚拟仪器技术努力的方向。我国还基本处于传统仪器与计算机化仪器互相分离的状态，世界各大相关的产品商家都在向中国这个巨大的市场进军。结合我国的实际情况，我们必须走引进与自行开发相结合的道路。一方面，大力引进国外虚拟仪器方面的生产技术；另一方面，发展基于计算机的插卡式硬件模块为主的测控技术，发展图形化平台的软件产品，充分利用我们现有的计算机及测控技术硬件，缩短与国际先进水平的差距。VXI 总线将成为未来虚拟仪器的理想硬件平台，这是由 VXI 总线的性能决定的；另一方面，基于 PCI-DAQ 的虚拟仪器系统由于性价比高、灵活性好而受到大多数用户的青睐，将得到高速的发展。随着计算机硬件、软件技术的迅速发展，虚拟仪器将向高性能、多功能、集成化、网络化方向发展。
