虛擬示波器的設(shè)計(jì)報(bào)告

1、基于LabVIEW 的虛擬示波器的設(shè)計(jì)The Design of Oscillograph1 設(shè)計(jì)目的與內(nèi)容1、掌握利用A/D轉(zhuǎn)換和計(jì)算機(jī)資源實(shí)現(xiàn)示波器的設(shè)計(jì)方法。2、設(shè)計(jì)虛擬示波器。3、建立NI-DAQmx仿真設(shè)備，選擇E系列中的NI PCI-6071E數(shù)據(jù)采集卡的仿真模塊，通過DAQmx物理通道識別，產(chǎn)生模擬信號，然后基于LabVIEW開發(fā)平臺設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)虛擬示波器?；究梢詫?shí)現(xiàn)儀器的性能與可靠性，可以方便的對其編程, 實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采集、實(shí)時(shí)顯示、數(shù)字濾波、截波顯示、波形存儲、波形回顯、頻譜分析等多種功能。2 虛擬示波器的軟件設(shè)計(jì)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

2、輸入控件(Control)來實(shí)現(xiàn)，程序運(yùn)行的結(jié)果由輸出控件(Indicator)來完成。流程圖是完成程序功能的圖形化源代碼，通過它對信號數(shù)據(jù)的輸入和輸出進(jìn)行指定，完成對信號采集及分析處理功能的控制。2.1 虛擬示波器的原理及功能虛擬示波器是在傳統(tǒng)示波器體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，借鑒其功能原理設(shè)計(jì)的?；驹頌椋河布侠貌杉ú杉盘?，軟件上利用NI提供的DAQmx READ采集信號，然后通過波形圖進(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，信號顯示后又利用寫入測量文件將波形保存為LVM文件。這就實(shí)現(xiàn)了基本的“存儲”功能，反之通過讀取測量文件可以將LVM讀取顯示，從而完成“回顯”功能。由于在硬件上是以

3、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)上受到限制。而程序響應(yīng)時(shí)間上則依賴于PC的配置以及程序的執(zhí)行效率。本次設(shè)計(jì)的虛擬示波器所包含的功能主要有以下幾個(gè)方面。實(shí)時(shí)顯示：通過采集卡采集信號并能對輸入信號實(shí)時(shí)顯示在PC機(jī)終端上。數(shù)字濾波：采用數(shù)字IIR濾波器對信號進(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：可隨時(shí)將原始信號或處理后信號以LabVIEW特有的LVM文件格式存儲在本地硬盤上，便于日后分析或處理。其中瞬態(tài)信號在截波后以BMP

4、圖片格式存儲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：對濾波后信號分別進(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。2.2 程序前面板設(shè)計(jì)虛擬示波器的控制界面如下圖所示。圖1 虛擬數(shù)字示波器的控制界面其中左邊為濾波器設(shè)置，左中為可選IIR濾波器參數(shù)設(shè)置，左下為濾波器的相關(guān)信息顯示，正中為顯示區(qū)域（這里用到了容器里的選項(xiàng)卡控件），最上面為各種顯示界面的切換按鈕。右下分別有物理通道的選擇，時(shí)間、幅度軸控制，采樣模式選擇，采樣速率，采樣點(diǎn)數(shù)的設(shè)置，文件保存選擇按鈕以及停止按鈕。前面板中的濾波器設(shè)置、可選IIR濾波

5、器參數(shù)設(shè)置和濾波器信息顯示是三個(gè)簇組件。簇是LabVIEW中比較獨(dú)特的一個(gè)概念，但實(shí)際上它就對應(yīng)于C語言等文本編程語言中的結(jié)構(gòu)體變量。它能夠包含任意數(shù)目任意類型的元素，包括數(shù)組和簇。很多情況下當(dāng)顯示控件繁多而又單一的時(shí)候，若用簇來排版界面而用數(shù)組來編程會是程序非常簡潔漂亮。在本次前面板的設(shè)計(jì)中，就利用了簇控件，是前面板更簡潔漂亮。2.3 虛擬示波器的程序框圖設(shè)計(jì)程序由一個(gè)大的while循環(huán)構(gòu)成,主要包括7個(gè)主要的部分，分別為：通道選擇、采樣速率、模式、點(diǎn)數(shù)等參數(shù)設(shè)置部分；數(shù)據(jù)采集模塊；數(shù)字濾波器設(shè)置模塊；波形顯示、濾波以及截波等部分；時(shí)間以及幅度控制部分；波形保存部分；波形回顯部分；幅頻響應(yīng)以

6、及相頻響應(yīng)部分。下面介紹各部分的框圖設(shè)計(jì)。2.3.1通道選擇、采樣速率、模式、點(diǎn)數(shù)等參數(shù)設(shè)置部分圖2 采樣參數(shù)設(shè)置2.3.2 數(shù)據(jù)采集模塊數(shù)據(jù)采集模塊是動態(tài)測試中的重要部分，可以進(jìn)行采集方式相關(guān)參數(shù)的設(shè)置，它直接影響到后面數(shù)分析的結(jié)果及其他功能的實(shí)現(xiàn)。該模塊工作狀態(tài)的好快直接影響到整個(gè)系統(tǒng)工作的正常與否，主要完成數(shù)據(jù)采集的控制，通道控制和時(shí)基控制等。LABVIEW集成了功能強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集函數(shù)庫Data Acquisition。在本模塊選用DAQmx-Data Acquisition函數(shù)庫來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集程序的設(shè)計(jì)。我們也可以通過DAQ Assistant函數(shù)來實(shí)現(xiàn)對采集卡輸入輸出類型、采集數(shù)據(jù)類

7、型以及聚集所用通道選擇等進(jìn)行設(shè)置，也可以通過DAQmx Task Name Constant函數(shù)和DAQmx Global Channel Constant函數(shù)來實(shí)現(xiàn)。通過DAQmx Create Virtual Channel.Vi創(chuàng)建虛擬物理通道：通過DAQmx Read villtllDAQmx write.Vi來執(zhí)行數(shù)據(jù)的讀寫操作；通過DAQmx Start.Vi和DAQmx Stop.Vi執(zhí)行數(shù)據(jù)采集的開始與結(jié)束；通過DAQmx Advanced Task Options函數(shù)庫中的DAQmx Configure Input Buffer.Vi和DAQmx Configure Outp

8、ut Buffer.Vi來配置采集過程中計(jì)算機(jī)緩存。對于模擬信號的輸入部分，設(shè)計(jì)的流程圖如圖3所示。數(shù)據(jù)采集模塊如圖4所示。圖3 數(shù)據(jù)采集模塊流程圖圖4 數(shù)據(jù)采集模塊數(shù)字濾波器設(shè)置模塊在測試領(lǐng)域中，信號的頻域處理主要指濾波，即把信號中感興趣的部分(有效信號)提取出來，抑制(削弱或?yàn)V除)不感興趣的部分(干擾或噪聲)的一種處理。濾波器分為模擬濾波器和數(shù)字濾波器，分別處理模擬信號和數(shù)字信號，本系統(tǒng)使用數(shù)字濾波器，數(shù)字濾波器的基本工作原理是利用離散系統(tǒng)特性去改變輸入數(shù)字信號的波形或頻譜，使有用信號頻率分量通過，抑制無用信號分量輸出。數(shù)字濾波的優(yōu)點(diǎn)是：數(shù)字濾波只是一個(gè)計(jì)算過程，無需硬件，因此可靠性高，并

9、且不存在阻抗匹配問題，尤其是對頻率很高或很低的信號進(jìn)行濾波，這是模擬濾波器所不能比的。數(shù)字濾波是用軟件算法實(shí)現(xiàn)的，因此，在多個(gè)輸入通道的應(yīng)用場合可以避免使用多個(gè)硬件濾波器，從而降低硬件成本；只要適當(dāng)改變軟件濾波的濾波程序或運(yùn)算參數(shù)，就能方便地改變?yōu)V波特性，這對于抑制低頻干擾、脈沖干擾、隨機(jī)噪聲等特別有效。本設(shè)計(jì)中的IIR濾波器設(shè)置模塊如圖5所示。圖5 IIR濾波器設(shè)置2.3.4波形顯示、濾波以及截波等部分 下圖包含波形顯示、濾波以及截波部分。圖6 波形顯示、濾波以及截波2.3.5時(shí)間以及幅度控制部分 下圖為通過幅度以及時(shí)間轉(zhuǎn)軸控制顯示的時(shí)間以及幅度。圖7 時(shí)間以及幅度控制2.3.6 波形保存部

10、分這里用到一個(gè)Case結(jié)構(gòu)，分別選擇保存類型。信號顯示后利用寫入測量文件將波形保存為LVM文件。圖8 波形保存圖9 生成BMP文件此模塊用到了下拉列表常量，保存按鈕的局部變量，寫入測量文件控件，提取截波波形屬性節(jié)點(diǎn)，寫入BMP文件控件，error out簇。這里用到的error out簇和error in 簇是LabVIEW編程中經(jīng)常遇到的兩個(gè)預(yù)定義簇。在LabVIEW編寫大型項(xiàng)目時(shí)經(jīng)常會調(diào)用子VI，因此大型項(xiàng)目表現(xiàn)為一種層狀結(jié)構(gòu)，為了將底層發(fā)生的錯(cuò)誤信息原封不動地傳遞到頂層VI，LabVIEW利用error in 和error out 這兩個(gè)預(yù)定義簇作為傳遞錯(cuò)誤信息的載體。下圖為error

11、out簇的格式。Error out簇中包含一個(gè)status布爾量代表是否有錯(cuò)，code代表錯(cuò)誤帶代碼；source包含了錯(cuò)誤的具體信息。圖10 error out簇的格式波形回顯部分圖11 波形回顯這個(gè)條件結(jié)構(gòu)中用到按鈕觸發(fā)，實(shí)質(zhì)是一個(gè)獨(dú)立的程序部分。讀取已保存的lvm文件。幅頻響應(yīng)以及相頻響應(yīng)部分幅頻響應(yīng)實(shí)質(zhì)是讀取的IIR的響應(yīng)數(shù)據(jù)，另外頻率軸根據(jù)需要由采樣速率控制（采樣速率除以2作為頻率軸的最大值），相頻響應(yīng)同理。圖12幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)2.4 總的程序框圖圖13 虛擬示波器的后面板設(shè)計(jì)3 數(shù)據(jù)采集及示波器的實(shí)現(xiàn)本文所設(shè)計(jì)虛擬示波器，通過NI PCI-6071E數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)，由于硬件

12、上無法滿足要求，在這里采用NI-DAQmx 仿真設(shè)備中的NI PCI-6071E數(shù)據(jù)采集卡的仿真模塊得到示波器的輸入信號。3.1 數(shù)據(jù)采集（DAQ）設(shè)置下圖為NI PCI-6071E數(shù)據(jù)采集卡的仿真模塊的設(shè)置。雙擊Measurement & Automation 圖標(biāo)，打開MAX，展開設(shè)備和接口，然后展開NI-DAQmx 設(shè)備，點(diǎn)擊右鍵創(chuàng)建新NI-DAQmx 設(shè)備，然后點(diǎn)擊NI-DAQmx 仿真設(shè)備，打開NI-DAQ仿真設(shè)備選項(xiàng)卡，選擇NI PCI-6071E，如圖15所示。同時(shí)在示波器的前面板中，可以得到Dev1物理通道，如圖16所示。圖14 NI-DAQmx仿真設(shè)備圖15 NI P

13、CI-6071E數(shù)據(jù)卡的仿真模塊的建立圖16 前面板的物理通道選擇3.2 虛擬示波器的實(shí)現(xiàn)通過NI PCI-6071E數(shù)據(jù)采集卡的仿真模塊產(chǎn)生的物理通道得到輸入信號，再設(shè)置IIR示波器各項(xiàng)參數(shù)，得到的示波器波形顯示及其他響應(yīng)如下。1、 得到的原始信號波形，如圖17。圖17 原始信號波形顯示2、 濾波后的信號圖18 濾波后的信號3、 截波波形顯示。截取經(jīng)過濾波器后的一部分靜止（瞬態(tài)）波形。圖19 截波波形顯示4、 幅頻響應(yīng)。濾波后進(jìn)行的幅頻分析，如圖20。圖20 幅頻分析顯示5、 相頻響應(yīng)。濾波后進(jìn)行的相頻分析，如圖21所示。圖21 相頻響應(yīng)顯示6、 采樣模式選擇和保存操作。以上顯示的波形是在有

14、限采樣模式情況下采集的。而保存文件操作用來將原始信號保存到LVM文件中，從而可以在波形回顯中顯示。保存圖形選項(xiàng)用來將波形保存為BMP文件。圖22 采樣模式及保存文件格式7、 波形回顯。上面提到的波形保存操作，將波形保存在LVM文件中，波形回顯即將LVM文件中的波形重新顯示。圖23 波形回顯4 小結(jié)本設(shè)計(jì)根據(jù)要求完成了示波器的基本功能，并作了一些擴(kuò)充，在現(xiàn)有條件下應(yīng)該是完成了應(yīng)該達(dá)到的或可以達(dá)到的功能。不過本設(shè)計(jì)可以進(jìn)一步豐富功能，但擴(kuò)充需要根據(jù)需求來添加。通過本次虛擬示波器的設(shè)計(jì)，對LabVIEW的應(yīng)用有了很大程度的提高，比如IIR濾波器、局部變量、各種循環(huán)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用下拉菜單常量和屬性節(jié)點(diǎn)的創(chuàng)

15、建都是前幾個(gè)設(shè)計(jì)所沒有涉及的，所以虛擬示波器的設(shè)計(jì)使我對LabVIEW的應(yīng)用有了提高的同時(shí)，也提醒了自己還有很多需要學(xué)習(xí)的地方，想更好的利用好這個(gè)軟件，就要在以后多做這方面的工作，多設(shè)計(jì)一些常用的虛擬儀器，這對以后的工作和生活都有很大的幫助。在本設(shè)計(jì)進(jìn)行的過程中，就已經(jīng)知道還有需要改進(jìn)的地方。但由于知識儲備不足和其他一些方面的限制未能完成這些方面的工作。以下是幾個(gè)可以改進(jìn)的地方。1）程序是流水線式設(shè)計(jì)運(yùn)行，具體體現(xiàn)在前面板的幾個(gè)界面切換后后臺并沒有停止運(yùn)行，而是一直在運(yùn)行，這樣會浪費(fèi)不少CPU資源，功能只是簡單的增加而沒有進(jìn)行有效的整合。2）這里用了六個(gè)波形圖控件（Waveform Graphs），只是在前面板使用了選項(xiàng)卡控件，看起來是一個(gè)“屏幕”，實(shí)際上程序作一定的優(yōu)化后可以大量減少波形圖控件的使用。因?yàn)槔碚撋现灰皇峭瑫r(shí)顯示的需要就可以公用一個(gè)“屏幕”。3）人機(jī)界面的設(shè)計(jì)。操作的方便性有待提高。自我感覺界面除了必要的按鈕外，按鈕應(yīng)該越少越