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一種虛擬數字示波器的實現方案研究

企業：控制網
點擊數：1396 發布時間：2006-08-13 00:44:20
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本文介紹了虛擬儀器的基本概念以及圖形化編程語言LabVIEW，并在此基礎上結合一個虛擬數字示波器的設計與實現過程的實例，具體闡述使用開發軟件工具LabVIEW 進行虛擬儀器設計的方法、步驟與實現技術，借此展望虛擬儀器具有的廣闊應用前景和巨大潛在經濟效益。

0 引言

目前，功能固定的傳統儀器仍然是多數高等院校進行學生實驗常用的教學儀器，這類儀器基本上都是由操作面板、信號輸入端口、檢測結果輸出端口這幾部分組成，是一臺獨立的實驗裝置，它們的功能都是通過硬件電路或固化軟件實現的。這類傳統儀器的功能和規模一般是固定的，由儀器生產廠家給定，用戶不可以隨意改變它們的結構和功能。另外傳統儀器價格昂貴，對于一個普通高等院校而言，進行實驗所需的教學設備至少要30套以上，每套都造價不菲，其負擔是可想而知的。而且，臺式機操作復雜，調試困難，更重要的其受干擾程度高，在教學中學生不容易接受，所有這些使傳統儀器很難適應信息時代對儀器的要求。隨著測試技術和計算機技術深層次的結合，出現了虛擬儀器^[1]。

1 虛擬儀器簡介

虛擬儀器(Virtual Instrument，簡稱VI)，就是在通用儀器硬件平臺上定義和設計儀器的功能，用戶在操作虛擬儀器的同時就是在使用一臺專門的電子儀器^[2]。

首先，虛擬儀器使用軟件實現，軟件就是儀器，一個機房就可以是一個多功能實驗室。其次，虛擬儀器人機界面好，內容豐富，借助虛擬儀器的功能，可以直觀生動的展示其物理實質，減輕實驗人員的教學負擔，加深學生的理解。第三，使用虛擬儀器，可以提高實驗效率，降低教學成本。在教學中，調試和校準往往比較費時，而虛擬儀器恰好可以避免這一點，參數輸入簡便，結果顯示明確，且儀器不會有任何損壞。實際設備的更新只是軟件的更新而已。第四，利用網絡教學，可以實現教學手段現代化。借助虛擬儀器技術，可以把儀器技術與計算機技術相結合，可以充分利用計算機資源。在實驗過程中，通過聲、光、動畫等手段的結合，教學將會更加生動形象，實現將會更加精確。將來進入網絡教學時代，虛擬儀器將更加顯示出其優越性^[3]。

2 虛擬儀器的結構

虛擬儀器包括硬件平臺和軟件兩部分，具體示意圖如圖1所示：

構成虛擬儀器的硬件平臺包括兩部分：

1)計算機：各種類型的計算機均可，主要用來管理虛擬儀器的軟、硬件資源，是構成虛擬儀器的硬件基礎。

2)輸入／輸出接口設備：其主要用來完成被測量信號的采集、放大、模／數轉換等功能。可以根據實際的情況采用不同的接口硬件設備，如數據采集卡(DAQ)、GPIB總線儀器、VXI總線儀器模塊、串口儀器等。

構成虛擬儀器的軟件有兩部分：

1)輸入／輸出接口驅動程序：主要用來完成特定外部硬件設備的擴展、驅動與通信等。

2)應用軟件：建立在儀器驅動程序之上，直接面對操作用戶，通過提供直觀、友好的操作界面、豐富的數據分析和處理功能，來完成測試任務。

3 LabVIEW 圖形化編程語言

LabVIEW是美國國家儀器公司(National Instruments)推出的一種基于圖形開發、調試和運行程序的集成化環境，是目前國際上唯一的編譯型圖形化編程語言，使用“所見即所得”的可視化技術建立人機界面，使用圖標表示功能模塊，使用圖標之間的連線表示各模塊間的數據傳遞。同時，LabVIEW 繼承了高級編程語言的結構化和模塊化編程的優點，支持模塊化與層次化的設計，這種結構的設計增強了程序的可讀性。LabVIEW 使得不熟悉文本式語言編程的設計者也可以在測控領域建立計算機儀器系統――虛擬儀器，被譽為“科學家與工程師”的語言^[4]。

4 虛擬數字示波器的實現

本虛擬數字示波器主要由一塊PCI總線的多功能數據采集卡和相應的軟件組成。將它們安裝在一臺運行Windows系統的PC機上，即構成一個功能強大的數字示波器。

4．1 確定儀器的接口形式

DAQ(Data Acquisition)數據采集接口是基于計算機標準總線的內置功能插卡，可以充分利用計算機的資源增加測試系統的靈活性和擴展性。利用DAQ，可以方便快捷地組建虛擬儀器，實現“一機多型”和“一機多用”。DAQ結構虛擬儀器不但實用而且具有很高的性價比，是一種特別適合我國國情的虛擬儀器方案。PCI總線傳輸速率高，數據吞吐量大，是今后數據采集板卡設計的主流。因此本虛擬數字示波器采用一塊美國國家儀器公司(National Instruments，簡稱NI)出品的NI 6024E型PCI總線數據采集卡。

4．2 確定接口卡的設備驅動程序

本虛擬數字示波器采用的NI E系列數據采集卡采用最新的DAQ―PnP(即插即用)總線技術，保證了儀器的性能與可靠性。配有的驅動軟件支持Windows9x／NT等操作系統的不同編程語言，可以方便地對其編程，實現對數據的采集、分析處理、顯示表達、輸出控制等多種功能。如果沒有則應針對所用接口卡編寫設備驅動程序。確定儀器應用程序的編程語言LabVIEW編程將軟件的界面設計與功能設計獨立開來，修改人機交互界面無需對整個程序進行調試，這對設計像儀器操作面板這樣復雜的人機界面而言是十分方便的。LabVIEW還為用戶提供了函數擴展功能，利用LabVIEW中的Code interface Node(CIN)，可以調用C等傳統編程語言寫的程序代碼；利用LabVIEW中的Call Library Function，可以調用標準動態鏈接庫(．DLL)。總之，LabVIEW 作為圖形化編程語言環境，為虛擬儀器開發提供了一種快捷、方便和功能強大的軟件工具，因此本虛擬數字示波器采用LabVIEW 進行設計開發。

4．3 虛擬數字示波器的實現過程

下面主要講述如何利用LabVIEW 實現多功能數字示波器功能。這個系統的基本工作原理是對模擬信號進行數據采集后存入數據文件，根據使用者的不同要求由軟件對數據進行相應分析、處理，最終在屏幕上顯示處理結果。系統要求支持雙通道工作，即可以同時分析掃描兩路信號，這種功能的簡易實現也得益于計算機的高速運算能力。計算機只需要多做一組運算，在速度上不會有問題，運算再多做幾組也行；而如果是傳統儀器的話，就需要增加電路器件，提高了電路的復雜度，而且要同時顯示分析結果也不方便。由于系統運行需要具備較高的精度，因此對電源的穩定性和系統的抗干擾去噪能力提出了很高的要求。設計時必須充分考慮外界的電磁干擾及電路穩定性等因素，并采取相應措施，包括硬件、軟件兩方面。

創建虛擬儀器的過程分三步：① 由于虛擬儀器的形式是仿照實際儀器的面板，所以它的人機對話用戶界面又稱為前面板。前面板可以包括旋鈕、按鈕、圖形顯示器、其它的控制器和顯示器等。用戶可以使用鼠標或鍵盤輸入數據，在計算機屏幕上看到結果；② 虛擬儀器從流程圖中接收命令(用G語言創建)。流程圖是一個編程問題的圖形化解決方案，流程圖也是虛擬儀器的源代碼^[2]；③一個虛擬儀器的圖標和連接就像一個圖形(表示某一虛擬儀器)的參數列表，這樣，其它的虛擬儀器才能將數據傳輸給一個子儀器。圖標和連接允許將此儀器作為最高級的程序，也可以作為其它程序或子程序中的子程序(子儀器)^[5]。

首先根據實際要求設計，在前面板上設計如圖2所示的器件，其框圖如圖3所示。

在設計之初，就要考慮到模塊化、層次化的要求。將前面板分為幾個部分：波形顯示部分，通道調試部分，水平及垂直掃描部分，外加一個停止按鈕。將各個模塊各自獨立，按各自的功能要求進行設計。其內部包含兩部分：信號發生器和信號處理部分。信號處理部分的功能實現較多，因而對每一個功能采用定制子儀器的方法將其做成一個個子儀器，用特定的圖標表示。此法可減少流程圖的復雜程度，便于數據流的跟蹤和調試。左邊就是波形顯示控件，右邊最上面的控件為通道選擇部分，中間為水平掃描速率調整部分，下面為垂直靈敏度調整部分，左下角是停止按鈕。通道A、通道B、及通道A&B與顯示部分接通。水平掃描速率與垂直靈敏度調整電路分別接入三種掃描方式的顯示部分的前端。實現了接入、掃描、調試、顯示各自功能。最后接入數據采集卡，可對外接入的模擬信號直接掃描分析。本文介紹的虛擬數字示波器不僅具有一般臺式數字示波器的功能，而且充分發揮了微機強大的功能和軟件設計的靈活性。

5 總結

LabVIEW 是開放型模塊化程序設計語言，使用它可以快速建立自己的儀器儀表系統，而又不用擔心程序的質量和運行速度。虛擬儀器設計已經成為測試與儀器技術發展的一個重要方向。隨著高速A／D芯片和電路的進一步集成化，可以設想在不遠的將來，一臺安裝有虛擬儀器軟件的標準微機將會成為一個多功能的測量儀器站，從根本上改變目前專用儀器的研制和生產方式，具有廣闊的應用前景和巨大的潛在經濟效益。

參考文獻：

[1]白

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