1、本科毕业设计说明书基于 LABVIEW 的双通道示波器设计DESIGN OF DUAL CHANNEL VIRTUAL OSCILLOSCOPE BASED ON LABVIEW学院（部）： 机械工程学院 专业班级： 学生姓名： 指导教师： 2013 年 6 月 10 日安徽理工大学毕业设计 基于 LABVIEW 的双通道示波器设计摘要虚拟仪器是现代计算机软硬件技术飞速发展的产物，它正逐步取代传统的电子仪器，是现代电工电子测量仪器的发展方向。虚拟仪器主要由数据采集、数据分析处理、数据输出与显示三部分模块组成。本文主要介绍双通道虚拟示波器的设计。这种仪器是基于被命名为LABVIEW 图形化语言而
2、发展形成的，并且它能够实现数据采集、显示波形、数据存储、测量录音、打印数据和在线传输等多种功能。实验结果显示这种仪器拥有以下优势，例如稳定的显示、精准的测量、功能扩展和方便不同水平的人员操作的友好的交互界面。关键词：虚拟仪器, 双通道示波器, LABVIEW安徽理工大学毕业设计 IDESIGN OF DUAL CHANNEL VIRTUAL OSCILLOSCOPE BASED ON LABVIEWABSTRACTThe hypothesized instrument is the modern computer software and hardware technology rapid d
3、evelopment product, it is substituting for traditional gradually the electronic instrumentation, is the modern electrician electronic surveying instrument development direction. The hypothesized instrument mainly by the data acquisition, data analysis processing, the data output and demonstrated thr
4、ee parts of modules compose.This article deals with the design of dual channel virtual oscilloscope.The instrument was developed based on graph language named LABVIEW,and it can perform various tasks such as acquiring data,displaying waveform,storing data,measuring playback,printing data,and online
5、transmission.The experimental results show that the instrument enjoys such advantages as steady performance,precise measurement,expanded functions and friendly interface so people at various levels may use it. KEYWORDS: virtual instrument, dual channel virtual instrument, labview安徽理工大学毕业设计 目录摘要 .IAB
6、STRACT .II1 绪论 .11.1 研究背景及动态 .11.2 本文的研究意义及内容 .21.2.1 研究意义 .21.2.2 研究内容 .21.3 国内外的研究现状 .32 虚拟示波器的介绍 .42.1 虚拟仪器的简介 .42.2 虚拟示波器的功能 .42.3 虚拟示波器的组成部分 .52.4 虚拟示波器的工作原理 .53 采集系统的设计 .73.1 数据采集技术简介 .73.2 数据采集系统的设计 .93.2.1 系统硬件配置 .103.2.2 通信协议 .113.2.3 主机通信程序 .113.2.4 下位机的串行通信程序设计 .123.3 数据采集的实现 .133.3.1 Lab
7、VIEW 通讯资源 VISA 简介 .133.3.2 在 LabVIEW 中调用 C 语言 .164 设计与实现 .174.1 设计目标及要求 .174.2 虚拟示波器简介 .174.3 双通道示波器 VI 的主体及程序 .184.3.1 仿真信号采集模块 .194.3.2 通道选择模块 .194.3.3 水平分度调节模块 .194.3.4 幅值分度调节模块 .204.3.5 波形存储、停止模块 .20安徽理工大学毕业设计 i4.4 双通道示波器 VI 的设计过程 .204.4.1 前面板的创建和设计 .214.4.2 各模块功能实现的设计 .305 波形仿真部分 .345.1 仿真部分简介
8、.345.2 仿真波形参数设置 .345.3 仿真波形效果图 .34结论 .37附录 .38参考文献 .46致谢 .47安徽理工大学毕业设计 01 绪论在数字电路实验中，需要使用若干仪器、仪表观察实验现象和结果。常用的电子测量仪器有万用表、逻辑笔、普通示波器、存储示波器、逻辑分析仪等。万用表和逻辑笔使用方法比较简单，而逻辑分析仪和存储示波器目前在数字电路教学实验中应用还不十分普遍。示波器是一种使用非常广泛，且使用相对复杂的仪器。示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器。它能把肉眼看不见的电信号变换成看得见的图象，便于人们研究各种电现象的变化过程。示波器利用狭窄的、由高速电子组成的电子束，打在涂有
9、荧光物质的屏面上，就可产生细小的光点。在被测信号的作用下，电子束就好像一支笔的笔尖，可以在屏面上描绘出被测信号的瞬时值的变化曲线。利用示波器能观察各种不同信号幅度随时间变化的波形曲线，还可以用它测试各种不同的电量，如电压、电流、频率、相位差、调幅度等等。示波器用来测量交流电或脉冲电流波的形状的仪器，由电子管放大器、扫描振荡器、阴极射线管等组成。除观测电流的波形外，还可以测定频率、电压强度等。凡可以变为电效应的周期性物理过程都可以用示波器进行观测。示波器分为数字示波器和模拟示波器。模拟示波器采用的是模拟电路（示波管，其基础是电子枪）电子枪向屏幕发射电子,发射的电子经聚焦形成电子束,并打到屏幕上。
10、屏幕的内表面涂有荧光物质,这样电子束打中的点就会发出光来。而数字示波器则是数据采集，A/D 转换，软件编程等一系列的技术制造出来的高性能示波器。数字示波器一般支持多级菜单，能提供给用户多种选择，多种分析功能。还有一些示波器可以提供存储，实现对波形的保存和处理。利用示波器能观察各种不同电信号幅度随时间变化的波形曲线，还可以用它测试各种不同信号的电量，如电压、电流、频率、相位差、调幅度等等。 1.1 研究背景及动态随着计算机、通信、微电子技术的日益完善，以及以 Internet 为代表的计算机网络时代的到来和信息化要求的不断提高，传统的通信方式突破了时空限制和地域限制，大范围通信变得越来越容易，对
11、测控系统的组建也产生了越来越大的影响。一个大的复杂测试系统的输入、输出、结果分析往往分布在不同的地理位置，仅用一台计算机并不能胜任测试任务，需要由分布在不同地理位置的若干计算机共同完成整个测试任务。集成测试越来越不能满足复杂测试任务的需要，因此， “网络化仪器”的出现成为必然。网络技术应用到虚拟信号发安徽理工大学毕业设计 1生器中是虚拟仪器发展的大趋势。同传统的编程语言相比，采用 LabVIEW 图形化编程方式可以节省大约 80%的程序开发时间，并且其运行速度几乎不受影响，其一般特征是将虚拟信号发生器、外部设备、被测点以及数据库等资源纳入网络，实现资源共享，共同完成测试任务。使用网络化虚拟信号
12、发生器，可在任何地点、任意时刻获取测量数据。和以 PC 为核心的虚拟信号发生器相比，网络化将虚拟仪器的发展产生一次革命，网络化虚拟仪器将把单台虚拟仪器实现的三大功能（数据采集、数据分析、及图形化显示）分开处理，分别使用独立的基本硬件模块实现传统仪器的三大功能，以网线相连接，实现信息资源的共享。“网络就是仪器”概念的确立，使人们明确了今后仪器仪表的研发战略，促进并加速了现代测量技术手段的发展与更新。1.2 本文的研究意义及内容1.2.1 研究意义示波器、是科研机关、企业研发实验室、大专院所的必备测量设备，而虚拟示波器系统集成了示波器、信号发生器和频谱分析模块，具有很大的应用价值，主要为：1) 可
13、以加强实验室技术基础建设。实验室仪器仪表的现代化水平反映了实验室技术基础，而基于计算机技术的虚拟示波器系统极大地降低了仪器成本，使大部分学校的实验室都能配备，这给学生的实验操作带来了极大的方便。同时，虚拟示波器系统是计算机技术和测量技术的完美结合，不仅提高实验仪器的技术含量，还符合实验室仪器仪表现代化的教学要求。2) 缩短测量系统的开发时间。虚拟示波器系统提供良好的性能扩展能力，用户可以通过自定义模块快速开发出一整套测量系统，提高系统的开发效率。3) 远程数据测量。有的测量环境十分恶劣，用传统仪器测量数据可能会使测量人员的人身安全受到威胁，用虚拟示波器系统可以进行远程数据测量，使测量人员远离危
14、险环境。4) 仪器智能化。虚拟示波器系统是计算机技术与测量技术的完美结合，利用它可以实现 24 小时无人值守的参数测量、数据分析、数据存盘等功能，为数据的实时测量提供保障。总之，虚拟示波器系统是虚拟仪器在测量方面的典型应用，具有十分实用的价值。1.2.2 研究内容本文所研究的内容主要是利用虚拟仪器的基础上设计出一个具有传统示波器功能的简单电子数字示波器，并且相对于传统示波器，本文所研究的示波器有其相对的一些优势，例如本文研究的示波器可以实时存储数据、打印波形等安徽理工大学毕业设计 2功能，而且这种示波器不拘泥于形式，可以根据实际情况的需要删减和扩展一些功能，所付出的劳动只是在示波器主程序中做出
15、一些修改。在本文第二章中，主要介绍了虚拟仪器的概念、特点和优势、系统组成、优势及发展现状，阐述与本论文编程有关的虚拟仪器在示波器中的应用。第三章是介绍双通道示波器的硬件部分，主要阐述了数据采集卡对外界信号的采集，单片机的电路设计，通过 VISA 与串口进行通信等内容。第四章是全文的重点，详细阐述了双通道示波器的设计与实现，展示了示波器在测量信号时的各种功能。因为现实情况中条件的限制没能用到一些硬件，本章中还设置了仿真信号的输入，使之产生了仿真波形显示。1.3 国内外的研究现状虚拟仪器从二十世纪八十年代开始引起人们关注，之后迅速发展。经过数十年的发展，其所涉及领域不断扩大，在对电子测量、实验教学
16、、测量分析、航天测控、工程过程控制等领域逐步替代了很大部分的传统测量仪器，产生了很大的经济和社会效益。在过去的几十年里，仪器测量技术得到了长足的发展，发展过程大致经历三个阶段，即模拟仪器、数字仪器和智能仪器。但共同特点是“信号采集和控制、分析与处理、结果的表达与输出“三大功能模块，而这些模块原来只能由厂家来制造定义、 ，那样的话就会使仪器功能固定化、灵活性差。在如今的计算机技术支持下，将仪器与计算机结合进行测试，如将仪器的信号分析处理、结果输出表达放到计算机上完成，或将仪器的三大功能设计模块全部放到计算机上来完成，是完全可以实现的，在这种需求的背景条件下顺理成章诞生了虚拟仪器。虚拟仪器的概念最
17、初是由美国国家仪器公司（National Instruments Corp，简称 NI）于 1986 年提出，NI 公司在 80 年代研制和推出了许多总线系统的虚拟仪器，后来，美国 HP 公司，Tektronic 公司，Racal 公司也在此方面有了很多进展。虚拟仪器在国外发展很快，以 NI 公司为首的很多公司已经在市场上推出了大量基于虚拟仪器技术的电子仪器产品。据“世界仪表及自动化”杂志预测，虚拟仪器在 21 世纪中期将占到仪器市场 50%左右的份额。虚拟仪器在本世纪发展很快，大有取代传统仪器的趋势。近年来，世界很多公司推出了不少虚拟仪器软件开发平台，使仪器的使用者可以开发组建自己需要的虚拟
18、仪器。其中，比较具有代表性的是 NI 公司Labview 平台和 Labwindows/CVI 平台。相比而言，Labwindows 是为熟悉 C 语言的传统软件开发人员所设计的。虚拟仪器的研究必将是测量仪器界的一次新的潮流。安徽理工大学毕业设计 32 虚拟示波器的介绍2.1 虚拟仪器的简介虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。自 1986 年问世以来，世界各国的工程师和科学家们都已将 NI LabVIEW 图形化开发工具用于产品设计周期的各个环节，从而改善了产品质量、缩短了产品投放市场的时间，并提高了产品开发和生产效率。使用集成化的虚拟
19、仪器环境与现实世界的信号相连，分析数据以获取实用信息，共享信息成果，有助于在较大范围内提高生产效率。虚拟仪器提供的各种工具能满足我们任何项目需要。20 年来，无论是初学乍用的新手还是经验丰富的程序开发人员，虚拟仪器在各种不同的工程应用和行业的测量及控制的用户中广受欢迎，这都归功于其直观化的图形编程语言。虚拟仪器的图形化数据流语言和程序框图能自然地显示您的数据流，同时地图化的用户界面直观地显示数据，使我们能够轻松地查看、修改数据或控制输入。 美国国家仪器公司 NI（National Instruments）提出的虚拟测量仪器（VI）概念，引发了传统仪器领域的一场重大变革，使得计算机和网络技术得以
20、长驱直入仪器领域，和仪器技术结合起来，从而开创了“ 软件即是仪器” 的先河。 “软件即是仪器 ”这是 NI 公司提出的虚拟仪器理念的核心思想。从这一思想出发，基于电脑或工作站、软件和 IO 部件来构建虚拟仪器。IO 部件可以是独立仪器、模块化仪器、数据采集板（DAQ）或传感器。NI 所拥有的虚拟仪器产品包括软件产品（如 LabVIEW） 、GPIB 产品、数据采集产品、信号处理产品、图像采集产品、DSP 产品和 VXI 控制产品等。2.2 虚拟示波器的功能虚拟示波器是利用高性能的硬件模块和高效灵活的软件来实现普通仪器的功能和许多拓展功能的一种软硬件系统。虚拟示波器比传统示波器价格要便宜，而且还
21、具有波形触发、存储、显示、测量、波形数据分析处理等独特优点，得到了越来越多的普及。采用当前示波器广泛使用的 USB 接口，使得虚拟仪器与计算机接口更加方便，通信速度更高；使用高速模数转换芯片（ADC）进行高速采样；使用高性能的单片机进行控制，使用高速大容量的存储器（RAM）实时保存采样数据，提高了采样的性能；使用 LabVIEW 语言设计上位机应用程序，可以实现波形显示，安徽理工大学毕业设计 4以及对数据的分析与处理。2.3 虚拟示波器的组成部分(1) 信号采集与控制。是由计算机和仪器硬件组成硬件平台，实现对信号的采集、测量、转换与控制。(2) 数据分析与处理。虚拟示波器充分利用计算机的存储、
22、运算功能，并通过软件实现对输入数据信号的分析与处理。处理内容包括数字滤波、数据统计、数值分析等。从数据分析上看，虚拟示波器比传统仪器具有更强大的数据分析能力。(3) 测量结果的显示。虚拟示波器充分利用计算机的资源，如显示器、存储器等，把测量结果进行多种方式的表达与输出，其输出形式包括通过总线网络的远距离数据传输，通过光盘、磁盘的拷贝输出，在硬盘上存储数据以及通过计算机屏幕等图形接口的输出方式。2.4 虚拟示波器的工作原理模拟信号经同轴电缆进入采集卡的输入通道，经过前置滤波电路、衰减电路、可变增益放大电路，将信号处理成 A/D 转换器可以处理的标准电平，经过A/D 采样量转化成计算机可以处理的数
23、字信号兵缓存到卡上的存储器。其支持软件直接通过 USB 接口传输到计算机内存，同时对数据信号进行分析处理、显示、存储及打印输出等。虚拟示波器是采用计算机的虚拟技术，用以模拟通用示波器面板操作和处理功能，也就是使用个人计算机及其接口电路来采集现场或实验室信号，并通过图形用户界面（GUI）来模仿示波器的操作面板，完成信号采集、调理、分析、处理和显示输出等功能。一般开发的虚拟示波器，是在数据采集硬件的支持下，配备一定功能的软件，完成波形的存储、分析、显示等功能。一般测试仪器由信号采集。信号处理和结果显示三大部分组成，这三部分均由硬件构成。虚拟示波器也是由这三大部分组成，但是除了信号采集部分是由硬件实现以外，其他两部分都是由软件实现。虚拟示波器总体上包括数据采集、触发控制、波形显示、参数测量、频谱分析、波形存储等模块组成，其结构框图如图 2-1 所示。
