基于LabWindows CVI虛擬示波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、摘 要:本文在簡(jiǎn)要介紹虛擬儀器概念的基礎(chǔ)上 ,首先介紹了數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計(jì)思想 ,然后充分利用軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái),分功能模塊完成了虛擬示波器的軟件設(shè)計(jì)。最后連接數(shù)據(jù)采集卡與虛擬示波器完成了虛擬示波器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。通過(guò)仿真分析證明 ,設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的虛擬示波器基本完成了傳統(tǒng)示波器的功能 ,可以通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡完成真實(shí)信號(hào)的采集和處理,與傳統(tǒng)示波器相比 ,該虛擬儀器的測(cè)量功能可以由用戶根據(jù)需要擴(kuò)展 ,且人機(jī)界面友好。關(guān)鍵詞：虛擬儀器、數(shù)據(jù)采集卡、虛擬示波器、LabWindows/ CVIAbstract : After introducing the concept of the virtual instrumen

2、t , the paper introduces the design method of data acquisition card.Then it makes the best use of the software development platform, gives out the design of the virtual oscilloscope by dividing it into several function module. At last , the design of the virtual oscilloscope system is achieved by co

3、nnect the data acquisition card to the virtual oscilloscope. T esting result proves that the virtual instrument can realize all of the function of traditional oscilloscope. It also can acquire and process the real signal via data acquisition card. Compared with the traditional oscilloscope , the mea

4、suring functionof the virtual instrument can be developed according to requirements and its man 2machine interface is friendly.Keywords: virtual inst rument、 data acquisition card;、virtual oscilloscopes、 LabWindows/CVI目 錄0. 前言41. 系統(tǒng)整體框架51.1 系統(tǒng)組成51.2 數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計(jì)52. 虛擬示波器的軟件設(shè)計(jì)72.1 信號(hào)采集模塊72.2 波形顯示模塊72.3 時(shí)

5、域分析模塊72.4 信號(hào)調(diào)節(jié)模塊82.5 存儲(chǔ)模塊93. 測(cè)試結(jié)果及仿真分析113.1數(shù)據(jù)處理功能及波形存儲(chǔ)功能的仿真113.2頻帶寬度仿真114. 結(jié)束語(yǔ)135. 課程設(shè)計(jì)體會(huì)14參考文獻(xiàn)150 前 言隨著計(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。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

6、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。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，有用戶設(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)。本設(shè)計(jì)不僅僅具有示波器基本功能，更依據(jù)CVI語(yǔ)言的特點(diǎn)豐富了數(shù)字濾波、信號(hào)保存以及回顯等功能。不僅具有了價(jià)格低廉、界面美觀等特點(diǎn)，而且具有傳統(tǒng)示波器中比較高端的存儲(chǔ)、回顯以及數(shù)字濾波等功能，更可以根據(jù)需要隨時(shí)靈活修改程序，增加功能以滿足更個(gè)性化的要求1。 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

7、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)，主要是傅里葉變換。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)行了初略的介紹，對(duì)其軟件部分進(jìn)行了詳細(xì)研究。在此基礎(chǔ)上完成了頻譜分析模塊，存儲(chǔ)模塊，顯示模塊，濾波模塊，測(cè)量模塊的設(shè)計(jì)。1 系統(tǒng)整體框架1）系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成如圖1所示。待測(cè)信號(hào)數(shù)據(jù)采集卡PCI總線PC機(jī)數(shù)據(jù)處理分析界面波形顯示圖1 系統(tǒng)組成框圖2）數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計(jì)傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集卡包括多路開(kāi)關(guān)、 放大器、 采樣/保持器、A/ D 轉(zhuǎn) 換 器、D/ A 轉(zhuǎn) 換 器 等 器 件 組 成。PCI(peripheral component in

8、terconnect)總線即外部部件互連總線,是一種高性能32/ 64 位地址數(shù)據(jù)復(fù)用高速外圍設(shè)備接口局部總線。隨著微處理機(jī)的性能不斷提高, 人們對(duì)微機(jī)系統(tǒng)的 I/ O 帶寬不斷提出新的要求,原有的標(biāo)準(zhǔn)總線,如 ISA、 EISA 和 Mc 已經(jīng)逐漸不能勝任現(xiàn)代數(shù)據(jù)采集技術(shù)的要求。PCI局部總線的引入,打破了數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i,以其優(yōu)異的性能和適應(yīng)性,成為微機(jī)總線的主流,基于PCI總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展方向。基于 PCI總線的數(shù)據(jù)采集卡的整體結(jié)構(gòu)可以設(shè)計(jì)如圖1 所示:完成數(shù)據(jù)采集卡的硬件設(shè)計(jì)后,需要進(jìn)行板卡的驅(qū)動(dòng)程序編寫。其中的 WDM (Window Driver Model

9、 ) 是Microsof t公司力推的驅(qū)動(dòng)模型,其提供了更多特性,包括即插即用、 電源管理、 WMI 等,且 WDM 還是一個(gè)跨平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)程序模型,可以在不修改代碼的情況下重新編譯就可以在不同平臺(tái)上運(yùn)行了。PCI 9054EPROM外設(shè)接口命令輸出驅(qū)動(dòng)模塊命令輸出驅(qū)動(dòng)模塊命令輸出驅(qū)動(dòng)模塊CPLDFIFO數(shù)據(jù)采集驅(qū)動(dòng)電路圖1 基于PCI總線的數(shù)據(jù)采集卡整體結(jié)構(gòu)2 虛擬示波器軟件設(shè)計(jì)虛擬示波器測(cè)試系統(tǒng)是通過(guò)外圍硬件電路獲得離散數(shù)據(jù)并對(duì)該信號(hào)進(jìn)行時(shí)域的顯示和分析。從而獲得近似真實(shí)儀器的測(cè)試結(jié)果。本設(shè)計(jì)利用數(shù)據(jù)采集卡獲得模擬信號(hào),其軟件結(jié)構(gòu)如圖2 所示:系統(tǒng)管理信號(hào)采集模塊波形顯示模塊波形調(diào)節(jié)模塊時(shí)域

10、分析模塊存儲(chǔ)模塊數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動(dòng)程序數(shù)據(jù)采集卡圖2 虛擬示波器軟件結(jié)構(gòu)1)信號(hào)采集模塊由于本設(shè)計(jì)采用非 NI 數(shù)據(jù)采集卡,不能直接運(yùn)用LabWindows/ CVI的函數(shù)庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是板卡設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)程序一般是以動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的形式提供的,所以對(duì)于LabWindows/ CVI而言,可以直接利用驅(qū)動(dòng)程序中的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)來(lái)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)文件的采樣。我們把采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在一個(gè)一維數(shù)組中以便進(jìn)行分析運(yùn)算。2)波形顯示模塊設(shè)計(jì)采用LabWindows/ CVI提供的 Graph 來(lái)顯示波形,對(duì)于采集到的數(shù)據(jù),存放在一個(gè)大小可調(diào)節(jié)的動(dòng)態(tài)數(shù)組中,對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域分析并畫圖顯示。波形顯示模塊還包括 AB 通道波形的疊加,

11、相減等基本運(yùn)算。其實(shí)現(xiàn)方法就是利用 C語(yǔ)言對(duì)數(shù)據(jù)元素的簡(jiǎn)單加減。3)時(shí)域分析模塊時(shí)域分析包括 A、 B 通道的自相關(guān),AB 通道信號(hào)互相分析,AB 通道的卷積,AB 通道的李沙育圖。相關(guān)運(yùn)算計(jì)利用LabWindows/ CVI函數(shù)庫(kù)中的 Convolve ( )函數(shù)完成。卷積是通過(guò) Correlate ( )函數(shù)來(lái)完成。圖 2 左側(cè)AB 通道的信號(hào),其中脈沖信號(hào)可表示為:正 弦 信 號(hào) 可 以 表 示 為:n) = sin ( k) , 0 k 1024. k Z圖3 右側(cè)表示 x ( n) 卷u( k) 的結(jié)果。其中橫坐標(biāo)表示采樣點(diǎn)數(shù)共 1024 個(gè)點(diǎn),坐標(biāo)表示幅值。幅值增益1V/ d ,

12、圖3 正弦信號(hào)與脈沖信號(hào)卷積示意圖4)信號(hào)調(diào)節(jié)模塊信號(hào)調(diào)節(jié)模塊主要設(shè)計(jì)完成信號(hào)的垂直增益,垂直位移,水平增益的調(diào)節(jié)。設(shè)計(jì)的具體實(shí)現(xiàn)也是通過(guò) C語(yǔ)言對(duì)數(shù)組的操作實(shí)現(xiàn)。圖4 表示信號(hào)調(diào)節(jié)模塊程序流程圖。調(diào)節(jié)垂直增益垂直增益調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)位移位移垂直位移調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)水平增益水平增益調(diào)節(jié)輸出信號(hào)圖4 信號(hào)調(diào)節(jié)模塊程序流程圖5)存儲(chǔ)模塊真實(shí)示波器由于存儲(chǔ)硬件的限制,只能存儲(chǔ) 24 個(gè)數(shù)據(jù),而在在虛擬的數(shù)字存儲(chǔ)示波器中,利用硬盤等存儲(chǔ)介質(zhì),可以任意存取無(wú)限多個(gè)數(shù)據(jù),而且存儲(chǔ)更加安全。具體實(shí)現(xiàn)方法是:存儲(chǔ)對(duì)被測(cè)信號(hào)取樣,然后轉(zhuǎn)換成數(shù)組,再將數(shù)組保存到文件中,讀取時(shí)恰好相反,其工作流程如圖5 所示。信號(hào)取樣信號(hào)恢復(fù)數(shù)組

13、轉(zhuǎn)換文件存儲(chǔ)文件讀取圖5 虛擬示波器數(shù)據(jù)存取流程3 測(cè)試結(jié)果及仿真分析按照 LabWindows/ CVI 的設(shè)計(jì)流程,我們完成虛擬示波器的設(shè)計(jì),并對(duì)正弦信號(hào)進(jìn)行采樣分析,結(jié)果如圖 6所示: 圖6 虛擬示波器虛擬儀器的主要問(wèn)題就是儀器的仿真,而仿真包括兩個(gè)方面的內(nèi)容,一個(gè)是儀器功能的仿真,另一個(gè)就是儀器外觀及面板的仿真。本設(shè)計(jì)著重于儀器功能的仿真。1)數(shù)據(jù)處理功能及波形存儲(chǔ)功能的仿真通過(guò)虛擬儀器軟件功能設(shè)計(jì),我們完成信號(hào)的顯示、相關(guān)運(yùn)算、 卷積運(yùn)算、 文件的存儲(chǔ)與讀取,基本實(shí)現(xiàn)了示波器的功能。達(dá)到仿真的目標(biāo)。2)頻帶寬度仿真一般來(lái)說(shuō),用計(jì)算機(jī)直接生成的虛擬示波器的帶寬實(shí)際上就是計(jì)算機(jī)的帶寬,其

14、所能測(cè)量的頻率的上限取決于計(jì)算機(jī)的性能。而實(shí)際上示波器受到種種因素的限制,其帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于計(jì)算機(jī)的帶寬。限制示波器帶寬的因素主要有: 示波器上限工作頻率的限制。Y通道放大器帶寬的限制。 時(shí)基電路掃描速度的限制。為了達(dá)到仿真的效果,為虛擬示波器設(shè)計(jì)了一個(gè)100MHz , - 3dB 的低通數(shù)字濾波器。使用契必雪夫等IIR濾波器雖然能夠較好的保持被測(cè)信號(hào)的幅頻特性,但其相頻特性很不理想。因此,采用矩形窗設(shè)計(jì)了一個(gè) FIR濾波器,保證了經(jīng)過(guò)濾波器的信號(hào)能夠線性的逼近被測(cè)信號(hào)的相位。矩形窗的頻譜特性如下式(見(jiàn)圖7)所示。WR(ejw)=e-j(N1/2)w*sin(wn/2)/sin(w/2)如圖7所示

15、：H（ejw） 圖7 矩形窗函數(shù)的頻譜特性4 結(jié)束語(yǔ)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展影響到社會(huì)工作，生活得各個(gè)方面。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在虛擬儀器上的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)儀器測(cè)量的數(shù)據(jù)資源共享。隨著Internet的普及，測(cè)試技術(shù)網(wǎng)絡(luò)化成為大勢(shì)所趨，網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器成為時(shí)代的產(chǎn)物。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)對(duì)象的測(cè)試與控制，是對(duì)傳統(tǒng)測(cè)控方式的一場(chǎng)革命。測(cè)控方式的網(wǎng)絡(luò)化，是未來(lái)測(cè)控技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)，網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器必將伴隨著許多相關(guān)技術(shù)的發(fā)展而不斷發(fā)展和成熟，煥發(fā)新的活力，也將對(duì)測(cè)量和自動(dòng)化工業(yè)做出更大的貢獻(xiàn)，擁有廣闊的發(fā)展前景7。而虛擬數(shù)字示波器的崛起也勢(shì)必將取代傳統(tǒng)示波器的市場(chǎng)地位。5 課程設(shè)計(jì)體會(huì)通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)，是我對(duì)Labwidow

16、s更加熟練，同時(shí)也加強(qiáng)了對(duì)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)軟硬件技術(shù)的理解。在本次課程設(shè)計(jì)中，存在著許多困難，其中最困難的便是對(duì)示波器的使用，因此，在這最后一學(xué)期中，我會(huì)加強(qiáng)對(duì)有關(guān)示波器的使用的掌握。總的來(lái)說(shuō)，這是一次成功的課程設(shè)計(jì)，不僅讓我學(xué)到了知識(shí)，也是我明白了自己的不足和弱項(xiàng)，在以后的學(xué)習(xí)生活中也會(huì)多用時(shí)間在實(shí)踐上面。參 考 文 獻(xiàn)1 孫曉云.基于LabWindows/CVI的虛擬儀器設(shè)計(jì)與應(yīng)用（第2版）M.北京：電子工業(yè)出版社，2010.2.2 龍志強(qiáng)，趙海龍?zhí)摂M儀器測(cè)試技術(shù)研究J儀表技術(shù)，2000.3.3 陳景波，楊放，姚定江基于CompuScope 82G型高速數(shù)據(jù)采集卡的虛擬示波器設(shè)計(jì)J國(guó)外電子元器件，2006，(2)：60-62.4 謝云一種虛擬示波器的設(shè)計(jì)J微計(jì)算機(jī)信息，1998，(6)，65-66.5 馮靜亞，于強(qiáng)，呂朝暉，羅福山虛擬示波器的軟件設(shè)計(jì)與應(yīng)用J 計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì), 2007，28(1)：211-273.6 史延齡虛擬示波器的設(shè)計(jì)研究J儀表技