1、第 1 页 共 42 页基于 LabVIEW 的虚拟示波器的设计摘要随着计算机技术的发展，仪器工业正在经历一场巨变。计算机强大的处理和显示能力，使它可以在数据采集、分析和表达中的任意一个方面提升仪器的性能。以虚拟仪器为代表的新型仪器改变了传统仪器的思想，它们充分利用了计算机强大的软硬件资源，把计算机技术和测量技术紧密结合起来，是融合了电子测量、信号处理、计算机和网络技术的新型测量仪器，由于成本低、使用方便等优点得到了广泛的应用。本课题以 NI 公司开发的 PCI-6251 数据采集卡和通用计算机为硬件开发平台，以美国国家仪器公司开发的 LabVIEW8.5 为软件开发平台尝试开发了一种多功能虚
2、拟数字示波器。它是由由仪器硬件采集外部信号，通过软件编程来实现仪器的显示及测量等功能。与传统的示波器相比，在功能使用上有了很大的提高，除了具有传统模拟示波器对波形的采集、显示等功能外，还可以实现对信号的滤波、频谱分析、参数测量、数据的存储和回放等功能，具有功能易扩展、开发周期短等特点。本文首先介绍了虚拟仪器的研究背景和意义以及国内外的一些研究进展。接着对虚拟仪器总体进行了概述，讨论了虚拟仪器的概念、构成、特点、发展，建立了虚拟仪器的基本框架。然后对虚拟示波器的重要组成部分数据采集系统进行了探讨。在此基础上，进行了虚拟示波器系统的设计，这也是本文的重点。该部分阐述了虚拟示波器的设计方案，并给出了
3、各功能模块的详细设计以及将各模块按照示波器总体的功能集成。最后对该虚拟示波器系统进行了系统测试，对其系统性能做了分析。结果表明，本文所设计的示波器能够满足一般的工程测试，具有一定的实际使用价值。关键词 虚拟仪器，虚拟示波器，数据采集，PCI-6251第 2 页 共 42 页THE DESIGN OF VIRTUAL OSCILLOSCOPEBASED ON LABVIEWAbstractWith the development of computer technology, equipment industry is undergoing a change. The powerful proc
4、essing and display capabilities of computer enhance data collection, analysis and expression of any aspect of the performance of equipment. A virtual instrument as the representative new equipment has changed the traditional instruments, it takes full advantage of computer hardware and software reso
5、urces. The computer technology is integrated with measurement technology. It integrate the electronic measurement, signal processing and computer and network technology in the new instrument. This research use the data acquisition card PCI-6251 of NI company and common computer as the hardware devel
6、opment platform and LabVIEW8.2 of National Instruments as platform to try to develop a virtual multi-functional digital oscilloscope. In addition to traditional analog oscilloscope the acquisition of waveform, display and other features, the oscilloscope can achieve the signal filtering, spectrum an
7、alysis, measurement, data storage and playback.This paper introduced research background of virtual instrument and significance and the research and progress at home and abroad. Then the virtual instrument was outlined in general, discussed the concept of virtual instruments, composition, features,
8、development, the establishment of a virtual instruments basic framework. Then an important part of the virtual oscilloscope-data acquisition system was discussed. On this basis, a virtual oscilloscope system is designed; this is also the focus of the paper. This section sets out the design of virtua
9、l oscilloscope, and gives the detailed design of the functional modules and the integration of the module, debug, and the system performance analysis. The results show that the oscilloscope designed to meet the general engineering test, have some practical value.Keywords Virtual instrument，Virtual o
10、scilloscope，Data Acauisition，PCI-6251第 3 页 共 42 页1 绪论1.1 前言微电子学和计算机技术的发展，正以不可逆转之势影响着各行业的技术进步，其应用范围越来越广使得当今的测控仪器行业也同样经历着一场翻天覆地的变革，其原因两方面：一方面，传统的测控仪器越来越满足不了测控技术的发展需求，主要表现在：（1）测控技术要求仪器不仅仅能单独测量数据，更希望仪器之间能够互相通信，实现信息共享，从而完成对被测系统的综合分析、评估，最后得出准确的判断 1。传统仪器缺乏相应的计算机接口，因而配合数据采集与数据处理十分困难。（2）在传统测量控制方式中，对每一个测量控制点必
11、须配备一套相应的组合仪表，即采用组合仪表实物，每个单元自成一体，连接线路复杂，故障较多。对于复杂的被测系统，为了正确使用各个厂家的不同测试设备，用户需要掌握的知识很多，仪器使用率和利用率低 2，而且硬件存在冗余。采用智能测量方式，虽然它所采用的智能化仪表是应用集成电路设计的，能减小体积及接线，并能降低故障率，但仍不能完全摆脱一对一的控制方式。另一方面，计算机技术的进步为新型测控仪器的产生提供了技术基础，其主要表现在 3：（1）微处理器和 DSP 技术大大改变了传统电子行业的设计思想和观念，原来许多由硬件完成的功能能够依靠软件来实现。（2）面向对象技术和可视化程序设计语言为开发使用更方便、功能更
12、强的应用软件提供了方便。由于以上两方面的原因，基于计算机的测试仪器逐渐成为现实。随着电子技术、算机技术、软件技术、网络技术的高度发展及其在仪器技术和测量技术上的应用，仪表结构在许多方面都开始冲破传统仪器的概念，在功能和作用上发生了质的变化，产生许多新的测试仪器、测试理论、测试方法、测试领域。在这种背景下， “虚拟仪器”应运而生。虚拟仪器的核心思想是利用计算机的强大资源使本来需要硬件实现的技术软件化，以便最大程度地降低系统的成本，增强系统的灵活性。所谓虚拟仪器就是在第 4 页 共 42 页通用计算机上加一组软件和硬件，使得在操作这台计算机时就像使用一台自己设计的专用的传统电子仪器。操作人员可以通
13、过友好的用户界面来控制仪器的启动、运行和结束，完成对被测信号的数据采集、信号分析、波形显示、故障诊断、数据存储以及控制输出功能。现在的虚拟仪器正沿着总线与驱动程序标准化、硬软件模块化方向发展 4。以开放式模块化仪器标准为基础的虚拟仪器标准正在日益完善，建立在虚拟仪器技术上的各种先进仪器将不断出现。1.2 研究目的和意义在现代电子测量、仪器仪表等领域，示波器是电子信号测量行业最常用的仪器之一，主要用来测量并显示被测信号的参数和波形，在科学研究、科学实验及现场检测等许多领域被广泛应用。随着计算机技术和现代测试技术的飞速发展，现代测试系统越来越复杂，需要测试的数据量也越来越大，对测试的速度、精度、实
14、时性、数据可信度、完整性以及测试系统的可靠性、智能化、开放性等要求也越来越高。针对这些要求，如何利用基于计算机的虚拟仪器技术，快速高效的提出测试系统的构建方案，成为测试系统的首要任务和迫切需要。目前高精度、具有数据存储能力的示波器，由于工艺复杂，技术要求高，因而价格昂贵，所以虚拟示波器的设计有其经济价值。虚拟仪器这种集计算机技术、通讯技术和测量技术于一体的模块化仪器已在世界范围内得到了广泛的认同与应用，使得成千上万传统仪器都融入计算机体系之中。目前，我国正处于科学技术蓬勃发展的新时期，对仪器设备的要求更加迫切。虚拟仪器作为传统仪器的替代品，市场容量巨大。一方面，目前我国高档台式仪器，如数字示波
15、器、频谱分析仪、逻辑分析仪等主要依赖进口，这些仪器加工工艺复杂、对制造水平要求很高，生产突破有困难。另一方面，用户可以将一些先进的数字信号处理算法应用于虚拟仪器的设计，完善传统仪器不具备的功能，而且完全可以通过软件配置实现多功能集成的仪器设计。因此，虚拟示波器的研制是非常有必要的。1.3 虚拟仪器国内外研究现状1.3.1 国内研究现状在国内已有部分院校的实验室引入了虚拟仪器系统，如上海复旦大学、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，华中理工大第 5 页 共 42 页学机械学院工程测试实验
16、室将其开发成果在网上公开展示；四川联合大学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 台仪器集成一体，组成虚拟仪器系统，使用方便、灵活；清华大学汽车系利用虚拟仪器技术组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。一台发动机检测之后，就可打印出完整的检测报告 5；此外，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。它的产品己达到一定的批量，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仪系列。国内专家预测，未来的几年内我国将有 50%的仪器为虚拟仪器，国内将有大
17、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 6。1.3.2 国外研究现状虚拟仪器技术近些年在国外发展很快，以美国国家仪器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，己作为各大学理工科学生的一门必修课程。美国的斯坦福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
18、件。最早和最具影响力的开发软件，是 NI 公司的 LabVIEW 软件和 LabWindows/CVI 开发软件。除了上述的优秀开发软件之外，美国 HP 公司的 HP-VEE 和 HPTIG 平台软件 7，美国 Tektronix 公司的 Ez-Test 和 Tek-TNS 软件，以及美国 HEM Data 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。NI 在 1997 年 9 月，发布了一种全新的开放性、模块化仪器总线规范PXI ，在此标准之前，按照测控功能硬件的不同，业界己经存在 GPIB,VXI,PC-DAQ 标准虚拟仪器体系结构。随着相关电子技术
19、的进步，虚拟仪器产品也成倍增加 8。NI ,HP 和 Aglent 公司都推出了基于电脑系统的虚拟测试和控制系统，广泛用于实验室测量，工业自动化中的在线测量，分布式多点测量系统等领域 9。1.4 本研究的内容与技术路线本文以美国国家仪器公司的 LabVIEW8.5 为软件开发平台，以 NI 公司的数据采集卡 PCI-6251 作为硬件平台研究设计了虚拟示波器，相比传统的示波器，在功能上有了第 6 页 共 42 页很大的提高，具有一定的实用价值。技术路线如下流程图所示：学习LabVIEW 语言，熟悉该语言的设计方法研究传统示波器，熟悉传统示波器的工作原理和功能拟定虚拟示波器开发方案根据方案选择硬
20、件和软件程序设计实验调试第 7 页 共 42 页2 虚拟仪器技术及 LabVIEW 介绍20 多年前，美国国家仪器公司 NI（National Instruments）提出“软件即是仪器”的虚拟仪器（VI ）概念 10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长驱直入仪器领域，和仪器技术结合起来，开创了软件即是仪器的先河。2.1 虚拟仪器的基本概念虚拟仪器的概念可具体描述为“虚拟仪器是利用现有的 PC 计算机、加上特殊设计的仪器硬件的专用软件，形成既有普通仪器的基本功能，又有一般仪器所没有的特殊功能的新型仪器” 。虚拟仪器技术使用户（而不是仪器厂家）可以根据自己的要求设计自己的
21、仪器系统，从而满足多种多样的应用需求，可广泛应用于科研、生产、军工的测量与控制系统 11。传统的仪器通常由信号的采集、分析、显示三部分组成，而虚拟仪器技术利用计算机使得这三部分由一台计算机来实现。虚拟仪器以透明的方式把计算机资源（如微处理器、内存、显示器等）和仪器硬件（如 A/D,D/A、数字 I/O、定时器、信号调理板等）的测量、控制能力结合在一起，通过软件实现对数据的分析处理、表达以及图形化用户接口，极大的缩小了仪器硬件的成本和体积，并通过软件实现数据的显示、存储以及分析处理。虚拟仪器从功能上可以划分为三个部分 12（如图 1 所示）：图 1 虚拟仪器的结构功能（1）信号采集与控制。虚拟仪
22、器是由计算机和仪器硬件组成硬件平台，实现对信采集与控制插入式数据采集板GPIB 仪器VXI 仪器RS-232 仪器数据分析数据信号处理数字滤波统计数字分析数据表达网络硬拷贝输出文件 I/O图形用户接口第 8 页 共 42 页号的采集、测量、转换与控制。（2）数据分析与处理。虚拟仪器充分利用计算机的存储、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 13等。从数据分析上看，虚拟仪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。虚拟仪器充分利用计算机的资源，如显示器、存储器等，把测量结果以多种方式来表达与输出，其输出形式包括通过总线网络的
23、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 14。虚拟仪器一词中的“虚拟”有以下两方面的含义 15：（1）虚拟仪器面板在使用传统仪器时，操作人员是通过操纵仪器物理面板上安装的各种开关（通断开关、波段开关、琴键开关等） 、按键、旋钮等来实现仪器电源的通断、通道的选择、量程、放大倍数等参数的设置，并通过面板上安装的发光二极管、数码管、液晶或CRT 等来辨识仪器状态和测量结果。在虚拟仪器中，计算机显示器是唯一的交互界面，物理的开关、按键、旋钮以及数码管等显示器件均由与物理外观很相似的图形控件来代替，操作人员通过鼠标或键盘操作软件界面中这些控件来完
24、成仪器的操控。（2）由软件编程来实现仪器功能在虚拟仪器系统中，仪器功能是由软件编程来实现的。测量所需的各种激励信号可由软件产生的数字采样序列控制 D/A 转换器来产生 16；系统硬件模块不能实现的一些数据处理功能，如 FFT 分析、小波分析、数字滤波、回归分析、统计分析等，也可由软件编程来实现；通过不同软件模块的组合，还可以实现多种自动测试功能。2.2 虚拟仪器的构成2.2.1 虚拟仪器的系统构成虚拟仪器通常由硬件和软件两大部分构成。硬件通常包括通用计算机和外围硬件设备 17。通用计算机可以是台式计算机、笔记本电脑和工作站等。虚拟仪器的软件包括操作系统、仪器驱动器和应用软件三个层次。为了方便仪
25、器制造商和用户进行仪器驱动器和应用软件的开发，HP、NI 等公司推出了专用于虚拟仪器开发的集成开发环境，目前流行的有 LabVIEW、HP VEE、LabWindows/CVI 等。第 9 页 共 42 页操作系统可以选择 Windows9x/NT/2000、Linux 等 18。虚拟仪器驱动程序是处理与特定仪器进行控制通信的一种软件。仪器驱动器与通信接口及开发环境相联系，它提供一种高级的抽象的仪器映象，它还能提供特定的开发环境信息，例如图形化的表达方式，以此来支持开发环境。仪器驱动器是虚拟仪器的核心，是用户完成对仪器硬件控制的纽带和桥梁。一些虚拟仪器开发软件，如LabVIEW 和 HPVEE
26、 ，不但提供世界各地主要厂家生产的多种仪器驱动程序，为程序设计节约了时间和精力，而且提供了重要的模块化代码，可以很方便地进行仪器驱动程序的开发设计 19。应用软件通过仪器驱动实现与外围硬件模块的通信连接。应用软件包括实现仪器功能的软件程序和实现虚拟面板的软件程序。利用计算机强大的计算能力和虚拟仪器开发软件功能强大的函数库极大的提高了虚拟仪器的数据分析处理能力。如 HPVEE可提供 200 种以上的数学运算和分析功能，从基本的数学运算到微积分、数字信号处理和回归分析等 20。LabVIEW 的内置分析能力能对采集到的信号进行平滑、数字滤波、频域转换等分析处理。虚拟面板是用户与仪器之间交流信息的纽
27、带。虚拟仪器在工作时利用前面板去控制系统。与传统仪器前面板相比，虚拟仪器软面板的最大特点就是软面板由用户自己定义。因此，不同用户可以根据自己的需要组成灵活多样的虚拟仪器控制面板。2.2.2 虚拟仪器的构成方式目前，虚拟仪器的构成方式有以下几种：（1）PC-DAQ 插卡式的 VI这种方式用数据采集卡配以计算机平台和虚拟仪器软件，便可构成各种数据采集和虚拟仪器系统。它充分利用了计算机的总线、机箱、电源以及软件的便利，其关键在于 A/D 转换技术 21。这种方式受 PC 机机箱、总线限制，存在电源功率不足，机箱内噪声电平较高、无屏蔽，插槽数目不多、尺寸较小等缺点。随着基于 PC 的工业控制计算机技术
28、的发展，PC-DAQ 方式存在的缺点已经和正在被克服。因个人计算机数量非常庞大，插卡式仪器价格便宜，因此其用途广泛，特别适合于工业测控现场、各种实验室和教学部门使用。（2）并行口式的 VI最新发展的可连接到计算机并行口的测试装置，其硬件集成在一个采集盒里或探第 10 页 共 42 页头上，软件装在计算机上，可以完成各种 VI 功能 22。它的最大好处是可以与笔记本计算机相连，方便野外作业，又可与台式 PC 相连，实现台式和便携式两用，非常方便。（3）GPIB 总线方式的 VIGPIB 技术是基于 IEEE488 标准的 VI 早期的发展阶段。它的出现使电子测量由独立的单台手工操作向大规模自动测
29、试系统发展。典型的 GPIB 系统由一台 PC 机，一块GPIB接口卡和若干台 GPIB 仪器通过 GPIB 电缆连接而成。在标准情况下，一块 GPIB 接口卡可带多达 14 台的仪器，电缆长度可达 20m。GPIB 技术可以用计算机实现对仪器的操作和控制，代替传统的人工操作方式，很方便地把多台仪器组合起来，形成大的自动测试系统。GPIB 测试系统的结构和命令简单，造价较低，主要应用于市场在台式仪器市场 23。适用于精确度要求高，但对计算机速率要求和总线控制实时性要求较低的场合。（4）VXI 总线方式的 VIVXI 总线是高速计算机总线 VME 在 VI 领域的扩展，有稳定的电源，强有力的冷却
30、能力和严格的 RFI/EMI 屏蔽。由于它的标准开放，且具有结构紧凑、数据吞吐能力强、定时和同步精确、模块可重复利用、众多仪器厂家支持等优点，得到了广泛的应用 24。经过多年的发展，VXI 系统的组建和使用越来越方便，有其他仪器无法比拟的优势，适用于组建大、中规模自动测量系统以及对速度、精度要求高的场合，但 VXI 总线要求有专用机箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造价比较高。（5）PXI 总线方式的 VIPXI 这种新型模块化仪器系统是在 PCI 总线内核技术上增加了成熟的技术规范和要求形成的，具有多板同步触发、精确定时的星形触发、相邻模块间高速通讯的局部总线以及高度的可扩展性等优点，适用于大型高精度集成系统 25。由上可知，无论哪种 VI 系统都是将硬件设备搭载到台式 PC、工作站或笔记本电脑等各种计算机平台上，加上应用软件而构成的。因此 VI 的发展完全跟计算机的发展同步，显示出 VI 的灵活性和强大的生命力。2.3 虚拟仪器的优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
