毕业设计（论文）-基于LabVIEW环境下虚拟示波器设计.doc

本科毕业论文（设计） 基于LabVIEW环境下虚拟示波器的设计 系 （部）信息工程系专 业测控技术与仪器学 号学生姓名指导教师提交日期中原工学院信息商务学院毕业论文（设计）摘 要LabVIEW是一种业界领先的工业标准图形化编程工具，主要用于开发测试、测量与控制系统。它是专门为工程师和科学家而设计的直观图形化编程语言。它将软件和各种不同的测量仪器硬件及计算机集成在一起，建立虚拟仪器系统，以形成用户自定义的解决方案。经过20余年的演变和改进，在基于PC的测量自动化领域，LabVIEW确立了其主导地位，并成为业界的事实标准，同时也给传统的教学研究带来了巨大的变化。利用NI的虚拟仪器技术，让以往复杂的数据采集工作变得异常简单。在国外，虚拟仪器技术已经是很多大学院校独立开设的一门课程，相信在未来几年内虚拟仪器技术也必将流行于全国各大学校园理工科院系。本文运用虚拟仪器及信号处理的相关研究方法，提出了较为理想的虚拟示波器设计方案。认为在LabVIEW环境下设计的示波器更为方便适用，构建了虚拟示波器的双通道信号输入、触发控制、通道控制、时基控制、波形显示、参数自测量等功能。其中波形显示模式包括：通道 A或B 、A+B及AB等，测试结果表明基于LabVIEW软件设计的示波器更为美观便捷。关键字：LabVIEW 虚拟仪器，示波器The design of virtual oscilloscope based on LabVIEW environmentAbstractLabVIEW is a kind of industry leading industry standard graphical programming tools,mainly used for development testing, measurement and control system.It is specially designed for engineers and scientists and intuitive graphical programming language.It puts software and a variety of measuring instruments and computer hardware integrated, creating a virtual instrument system, to form a user-defined solutions.After more than 20 years of evolution and improvement, in the field of pc-based measurement automation, LabVIEW has established its leading position, and become the DE facto standard in the industry, but also to the traditional teaching research are of great change.Using virtual instrument technology of NI, let the past complex data acquisition work extremely simple.Abroad, virtual instrument technology has been a lot of colleges and universities opened a course independently, believe that the virtual instrument technology in the next few years will also popular in the university campus in science and engineering departments.This article applies the related research of virtual instrument and the signal processing method, puts forward the ideal design plan.Believe in design of oscilloscope is more convenient for the LabVIEW environment, Construction of the two-channel signal input virtual oscilloscope, trigger control, access control, time base control, waveform display, measuring parameters from other functions.Which waveform display modes include: Channel A or B, A + B and AB, etc. Test results show that the oscilloscope based on LabVIEW software design more beautiful and convenient.Keywords：LabVIEW Virtual instrument The oscilloscope目 录1 虚拟仪器概述11.1虚拟仪器的概念11.1.1 虚拟仪器的硬件系统21.1.2虚拟仪器的软件系统21.2虚拟仪器的特点21.3 虚拟仪器现状及发展趋势31.4 虚拟仪器设计方法42 LabVIEW简介62.1 LabVIEW的概念62.2 LabVIEW的特点62.3 LabVIEW的作用72.4 LabVIEW编程环境72.4.1 前面板（Front Panel）和程序框图（Block Diagram）82.4.2 菜单栏和工具栏82.4.3 工具选板103 虚拟示波器的设计113.1 主程序框图113.2 前面板的设计123.2.1 控件风格123.2.2 输入控件和显示控件123.2.3 前面板控件的着色与排版143.3 系统总体前面板163.3 程序框图的设计173.3.1 数据采集模块173.3.2 自动扫描控制模块203.3.3 波形显示模块213.3.4 参数测量模块223.3.5 波形打印模块243.3.6 手动/自动切换模块243.4 子VI的建立263.4.1 创建子VI263.5 总程序框图284 调试与运行304.1 调试VI304.2 运行VI314.3 运行结果与分析324.3.1 波形显示324.3.2 参数测量344.3.3 打印波形344.3.4 程序流程图35结 论36致 谢37参考文献38IV引 言现代仪器仪表技术是计算机技术和多种基础学科紧密结合的产物.随着微电子技术、计算机技术、软件技术、网络技术的飞速发展,新的测试理论、测试方法、测试领域以及新的仪器结构不断出现,在许多方面已经冲破了传统仪器的概念,电子测量仪器的功能和作用发生了质的变化.在此背景下,1986年美国国家仪器公司(NationalInstruments,NI)提出了虚拟仪器(VirtualInstrument,VI)的概念.虚拟仪器没有常规仪器的控制面板，而是利用计算机强大的图形环境，采用可视化的图形编程语言和平台，以在计算机屏幕上建立图形化的软面板来替代常规的传统仪器面板。软面板上具有与实际仪器相似的旋钮、开关、指示灯及其它控制部件。在操作时，用户通过鼠标或键盘操作软面板，来检验仪器的通信和操作。除此之外，与传统仪器编程工具Visual Basic，Visual C+相比，虚拟仪器具有强大的优越性。LabVIEW则是主要应用于虚拟仪器开发的软件，是美国国家仪器公司（NI）推出的用图标代码来代替编程语言创建应用程序的开发工具。它是基于G语言的图形开发环境，使用图形语言、图标和连线代替传统语言的文本形式编写程序，编程界面形象直观：它提供了各种图形控制元件，用于在计算机屏幕上创建虚拟仪器的软面板，代替传统仪器的硬面板：同时它内置的各种函数，几乎可以完成经典的测试信号处理的全部功能。在LabVIEW这个高效的虚拟仪器开发平台上，只要根据自己的要求调出所用的图标，合理连线，就构成一台虚拟仪器。它可以在最基本的硬件支持下，进行各种实际的工程测试。目前国内虚拟示波器的品种很多，已有部分院校的实验室引入了虚拟仪器系统，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。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，它的产品已达到一定的批量。其中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。在国外，美国NI公司开发的LABVIEW的软件平台上设计的虚拟示波器较为先进。与以往的虚拟示波器不同之处在于，所设计的仪器不仅具有实时采集、波形显示、测量参数等功能，并且增加了存储、打印的功能，示波器的采样频率也在很大程度上进行改进，使其更加接近真实的示波器显示的波形。本文所设计的虚拟示波器即是虚拟仪器的一种，它不仅可以实现传统示波器的功能，并且具有存储、再现、分析、处理波形等特点，而且体积小，耗电少。虚拟示波器使用功能强大的微型计算机来完成信号的处理和波形的显示，利用软件技术在屏幕上设计出方便、逼真的仪器面板，进行信号的处理、加工和分析，用图形和数据的方式表示测量结果，完成各种参数的测量任务。在LabVIEW应用开发环境中开发虚拟示波器软件，完成通道选择、位置调整、触发控制、时基控制、扫描控制、波形显示、参数测量等模块，最终实现示波器的调节、分析、处理、打印波形等功能。实验结果表明，该示波器具有较高的稳定性和准确性，具有友好的人机界面，使用起来美观便捷。21 虚拟仪器概述随着电子技术、计算机技术和数字信号处理技术的发展，以及它们在测量领域中的广泛应用，新的测试理论、测试方法以及仪器不断出现。测量仪器发展至今，大体经历了四代发展历程，即模拟仪器、分立式元件仪器、数字化仪器、智能仪器和虚拟仪器。模拟仪器是指针式的，它基于电磁原理进行测量；数字式仪器则适应了快速响应和高精度的要求，将对模拟信号的测量转化为数字信号的测量来显示测量结果；智能化仪器仪表则运用了微处理器芯片，通过将程序固化在ROM中以及将测量结果储存在RAM中自动完成各种测量功能。但以往的智能仪器仪表的智能化程度其实并不高，特别是在图形显示、颜色判别等方面的能力还十分有限，因此，在此基础上一种更高级的智能化仪器虚拟仪器便应运而生7。1.1虚拟仪器的概念虚拟仪器的起源可以追溯到20世纪70年代。“虚拟”的含义主要是强调了软件在这类仪器中的作用，体现了虚拟仪器与主要通过硬件实现各种功能的传统仪器的不同。由于虚拟仪器结构形式的多样性和适用领域的广泛性，目前对于虚拟仪器的概念还没有统一的定义。美国国家仪器公司（National Instruments Corporation,NI）认为，虚拟仪器是由计算机硬件资源、模块化仪器硬件和用于数据分析、过程通信及图形用户界面的软件组成的测控系统，是一种计算机操纵的模块化仪器系统。虚拟仪器主要由通用的计算机资源（例如微处理器、内存、显示器等）、应用软件和仪器硬件（例如A/D、D/A、数字I/O、定时器、信号调理等）等构成。使用者利用应用软件将计算机资源和仪器硬件结合起来，通过友好的图形界面来操作计算机，完成对测试信号的采集、分析、判断、显示和数据处理等功能。虚拟仪器中的硬件主要用于解决信号的调理以及输入、输出问题。而软件主要用于实现对数据的读取、分析处理、显示以及对硬件的控制等功能，这些功能在传统电子仪器中往往通过硬件来实现。图1-1给出了一种利用数据采集卡实现的虚拟仪器2。传感器数据处理信号调理数据采集卡虚拟仪器面板 图1-1 常见虚拟仪器的组件方案1.1.1 虚拟仪器的硬件系统虚拟仪器的硬件系统主要由传感器、信号调理电路、数据采集设备（包括各种I/O接口设备、通信适配器、模块化仪器机箱等）以及计算机组成。其中，计算机是虚拟仪器硬件平台的核心；传感器是虚拟仪器系统中的前置部件，将被测的非电量转化为电量；信号调理电路的主要功能是对传感器输出的模拟信号进行放大、滤波、隔离等；数据采集设备的主要作用是对被测信号进行采样、放大、模数转换等。根据所使用的仪器硬件不同，虚拟仪器硬件系统可以分为PC-DAQ系统、GPIB系统、VXI/PXI/LXI系统、串口系统、现场总线系统等2。1.1.2虚拟仪器的软件系统应用软件层仪器驱动程序层输入输出接口层图1-2 虚拟仪器软件框架与虚拟仪器硬件模块在世界范围内的开放与标准化想适应，虚拟仪器的软件结构也要求具有开放的、统一的格式与标准。为此，1993年VPP（VXI Pug&Play）联盟成立，其目的在于补充和发展VXI规范已被广大的仪器生产厂家所接受和使用。根据VPP系统规范的定义，虚拟仪器的软件结构如图1-2所示，从底层到顶层分别为：输入输出接口层、仪器驱动程序层和应用软件层2。1.2虚拟仪器的特点虚拟仪器系统概念是对传统仪器概念的重大突破，是计算机系统与仪器系统技术相结合的产物。它利用计算机系统的强大功能，结合相应的硬件，大大突破传统仪器在数据处理、显示、传送、处理等方面的限制，使用户可以方便地对其进行维护、扩展、升级等9。与传统仪器相比，虚拟仪器具有以下特点：1）虚拟仪器的软件和硬件具有开放性、模块化、互换性以及可重复使用等特点。例如，为了提高仪器的性能，可加入一个通用的仪器模块，或者更换一个仪器模块，而不必重新购买整个仪器。2）在通用硬件平台搭建后，由软件来实现仪器的具体功能，即软件在虚拟仪器中具有重要的作用。3）虚拟仪器的功能是由用户根据实际需要通过软件来定义的，而不是事先由仪器厂商定义的。4）虚拟仪器研制的周期较传统仪器大为缩短。5）虚拟仪器的性价比较高。6）由于虚拟仪器技术是建立在计算机技术和数据采集技术基础上的，因而技术更新较快、成本较低、测试自动化程度较高而且可与网络及其它设备互联。7）虚拟仪器具有友好、灵活的人机界面，传统仪器的界面较呆板。虚拟仪器在工程应用和社会经济效益方面具有突出的优势。目前，我国高档台式仪器，如数字示波器、频谱分析仪、逻辑分析仪等还主要依赖进口，因为这些仪器加工工艺复杂，对制造水平要求高，生产突破有困难，而采用虚拟仪器技术后，就可以通过只采购必要的通用仪器硬件来设计自己的高性能价格比的仪器系统8。 1.3 虚拟仪器现状及发展趋势随着科技的飞速发展，越来越多的厂家看中虚拟仪器技术领域这一广阔的市场。虚拟仪器必将在电子测量、电气工程、机电一体化、教育和牵涉到国计民生的越来越多的领域普及推广。现阶段虚拟仪器在国内外使用主要为教育行业、电子信息行业和石油化工行业。由于教育行业在技术开发和研究方面总是走在前列，像这样具有先进技术的虚拟仪器自然而然成为各大高校的研究对象。石油化工具有一定的危险性，在生产过程中需要大量的、精确的数据采集和分析，同时虚拟仪器的智能化恰恰为在危险环境下工作的人员提供了安全保障。作为仪器领域中最新兴的技术，虚拟仪器的开发和研究在国内尚属起步阶段。从90年代中期以来，国内的清华大学、重庆大学、西安交通大学、西安电子科技大学以及中科泛华电子科技公司，东方震动和噪声技术研究所等高校和公司，在研究和开发虚拟仪器产品和虚拟仪器设计平台以及消化吸收NI等产品方面做了大量工作，其成果已在汽车发动机检测、自动计量控制系统等方面得到应用。其中，成果比较显著的是重庆大学测试中心所研究的虚拟仪器，其研制的产品已包括FFT分析仪、噪声测试分析仪、小波变换信号分析仪、多通道数据采集器等20多个品种，并且可以根据客户需求进行个性化设计。此外，清华大学利用虚拟仪器技术构建汽车发动机检测系统，用于汽车发动机出厂前的自动检测11。虚拟仪器技术目前在国外发展很快，当下美国NI公司开发的LABVIEW的软件平台上设计的虚拟示波器较为先进.该公司利用LABVIEW的软件设计的多功能虚拟示波器主要由参数测量、频谱分析、加窗和波形显示等模块组成。与以往的虚拟示波器不同之处在于，所设计的仪器不仅具有实时采集、波形显示、测量参数等功能，并且增加了存储、打印的功能，示波器的采样频率也在很大程度上进行改进，使其更加接近真实的示波器显示的波形。与此同时，美国Geomaties公司和Goldsmith公司等利用虚拟仪器开发工具，研制开发出了农业自动化灌溉系统和秧苗分析系统。未来的几年内，国内将有大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。随着计算机技术、仪器技术和网络通信技术的不断完善，虚拟仪器将向以下三个方向发展：(1)外挂式虚拟仪器；(2)PXI型高精度集成虚拟仪器测试系统；(3)网络化虚拟仪器8。1.4 虚拟仪器设计方法虚拟仪器的设计方法和步骤与传统仪器有较大差别，这主要是由于软件的作用在虚拟仪器中被大大加强了。同样，由于虚拟仪器的软件和硬件有着紧密的关系，因而虚拟仪器应用软件的开发与一般的软件开发也有较大差别。总体上看，虚拟仪器的设计更像一般的测控系统设计9。虚拟仪器设计的步骤和过程如下：1） 确定虚拟仪器的类型由于虚拟仪器的种类较多，不同类型的虚拟仪器的硬件结构相差较大，因而在设计时必须首先确定虚拟仪器的类型。虚拟仪器类型的确定主要考虑以下几个方面： 被测对象的要求及使用领域 系统成本 开发资源的丰富性 系统的扩展和升级 系统资源的再用性2） 选择合适的虚拟仪器软件开发平台当虚拟仪器的硬件确定后，就要进行硬件的采集和软件开发。在具体选择软件开发平台时，要考虑开发人员对开发平台的熟悉程度、开发成本等。尽管目前LabVIEW是越来越多的人的首要选择，但仍然存在其它的可选对象，特别是当必须使用的硬件与LabVIEW的衔接有困难时。3）开发虚拟仪器应用软件根据虚拟仪器要实现的功能确定应用软件的开发方案。应用软件不仅要实现期望的仪器功能，还要设计出生动、直观、形象的仪器“软面板”，因此软件开发人员必须与用户沟通，以确定用户能接受和熟悉的数据显示和控制操作方式。4）系统调试系统调试主要包括硬件调试和软件调试。在调试方法上可以首先用仿真方式或利用模拟现场信号的方式进行调试，然后再利用真实信号进行调试。当系统的功能被确认满足设计要求时，调试过程结束。5）编写系统开发文档编写完善的系统开发文档和技术报告、使用手册等。这些对日后进行哦系统维护和升级以及指导用户了解仪器的性能和使用方法等具有重要意义。6）测量=采集+计算现代测量与传统测量已经有很大区别，可以说测量就是采集加计算。计算机正在测量中发挥着越来越大的作用，信号处理和算法的研究可能也会越来越重要。2 LabVIEW简介LabVIEW图形化编程语言的出现终于把人们尤其是工程师和科学家们从繁杂的编程中解放出来，使他们能够真正专心于自己所关注的事情。通过LabVIEW图形化编程环境，编程者可以像搭积木一样“搭建”所见即所得的程序界面，而程序的执行内容则由一个个表示函数的图标和图标之间的数据流连线构成。这不仅使得编程者不再需要记忆纷繁复杂的语法和函数原型，更使编写程序的过程与工程师们的思维习惯相符合，从而使编写程序的过程也变得生动起来5。2.1 LabVIEW的概念LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一种图形化的编程语言和开发环境。传统文本编程语言根据语句和指令的先后顺序决定程序的执行顺序，而LabVIEW则采用数据流编程方式，程序框图中节点之间的数据流向决定了程序的执行顺序。它用图标表示函数，用连线表示数据流向5。LabVIEW提供很多外观与传统仪器（如示波器、万用表）类似的控件，可用来方便地创建用户界面。用户上的界面在LabVIEW中被称为前面板。使用图标和连线，可以通过编程对前面板上的对象进行控制。这就是图形化源代码，又称G（Graphics）代码。LabVIEW的图形化源代码在某种程度上类似于数据流流程图，因此又被称作程序框图代码。前面板上的每一个空件对应于程序框图中的一个对象，当数据“流向”该控件时，控件就会根据自己的特性以一定的方式显示数据，例如开关、数字或图形。LabVIEW程序被称为VI（Virtual Instrument），即虚拟仪器，这是因为它的很多界面控件与操作都模拟了现实世界中的仪器，例如示波器与万用表等。LabVIEW的核心概念就是“软件即是”仪器，即虚拟仪器的概念。LabVIEW还包含了大量的工具与函数用于数据采集、分析、显示与存储等。这些工具都是向导式的工具，用户只需要一步步按照提示就可以实现与仪器的连接和参数的设置。而程序员也不用去记忆这些大量的函数，因为这些函数都以图标与名称的形式存在于一个小小的函数选板上，当需要用到某个函数时把它从函数面板上拖放到程序框图中就可以了2。2.2 LabVIEW的特点LabVIEW把复杂、繁琐、费时的语言编程简化成“用图标提示的方法选择功能块、用线条将各种功能块连接起来”的编程方式。用户利用LabVIEW编程就好像在“绘制”程序流程图。正是由于LabVIEW面向的是广大普通工程师而非编程专家，因而其已经成为目前应用最广、发展最快、功能最强、最流行的虚拟仪器开发平台2。概括起来，LabVIEW编程语言具有以下特点：1） 实现了仪器控制与数据采集的完全图形化编程，设计者无需编写任何文本形式的代码。2） 提供了大量的面向测控领域应用的库函数，如面向数据采集的DAQ库函数、内置GPIB、VXI、串口等数据采集驱动程序；面向分析的高级分析库，可进行信号处理、统计、曲线拟合及复杂的分析工作；面向显示的大量仪器面板，如按钮、滑尺、二维和三维图形等。3） 提供了大量与外部代码或应用软件进行连接的机制，如动态链接库（DLL）、动态数据交换（DDE）、各种ActiveX等。4） 具有强大的网络连接功能，支持常用网络协议，便于用户开发各种网络测控、远程虚拟仪器系统。5） LabVIEW应用程序具有可移植性，适用于多种操作系统。6） 可生成可执行文件，脱离LabVIEW开发环境。2.3 LabVIEW的作用由于LabVIEW可用来创建通用的应用程序，因此被称为一种通用的编程语言。但是它在测试、测量和自动化等领域具有更大的优势，因为LabVIEW提供了大量的工具与函数用于数据采集、分析、显示和存储。同时它还提供了大量用于自动化测试测量领域的图形控件。这使得用户可以在数分钟内完成一套完整的从仪器连接、数据采集到分析、显示和存储的自动化测试测量系统。因此它被广泛的应用于汽车、通信、航空、半导体、电子设计生产、过程控制和生物医学等各个领域，涵盖了从研发、测试、生产到服务的产品开发所有阶段1。选择LabVIEW开发测试和测量应用程序的一大决定因素是其开发速度。通常，使用LabVIEW开发应用系统的速度比使用其它编程语言快4-10倍。这一惊人速度背后的原因在于LabVIEW简单易学，它所提供的工具使创建测试和测量应用变得更为轻松。LabVIEW不仅可以用来快速搭建小型自动化测试测量系统，还可以用来快速搭建小型自动化测试测量系统，还可以用来开发大型的分布式数据采集与控制系统。2.4 LabVIEW编程环境用LabVIEW编写程序与其它Windows环境下的可视化开发环境一样，程序的界面和代码是分离的。在LabVIEW中，通过使用系统提供的工具选板、工具条和菜单来创建程序的前面板和程序框图。LabVIEW包括3个工具选板：控件（Controls）选板、函数（Functions）选板、工具（tools）选板1。2.4.1 前面板（Front Panel）和程序框图（Block Diagram）在LabVIEW中开发的程序都被称为VI（虚拟仪器），其扩展名默认为.vi。所有的VI都包括前面板、程序框图以及图标三部分，如图2-1所示。前面板是图形用户界面。该界面上有交互式的输入和输出两类控件，分别称为输入控件（Controrls）和显示控件（Indicators）。输入控件包括开关、旋钮、按钮和其它各种输入设备；显示控件包括图形（Graph和 Chart）、LED和其它显示输出对象。图标程序框图前面板图2-1 LabVIEW前面板和程序框图程序框图是实现VI逻辑功能的图形化源代码。框图中的编程元素除了包括与前面板上的控件对应的连线端子外，还有函数、子VI、常量、结构和连线等。如果将VI与标准仪器相比较，那么前面板就相当于仪器选板，而框图相当于仪器箱内的功能部件5。主菜单快捷菜单快捷菜单2.4.2 菜单栏和工具栏图2-2 主菜单和快捷菜单示例LabVIEW有两种类型的菜单：主菜单和快捷菜单。主菜单主要包括：文件（File）、编辑（Edit）、视图（View）、项目（Project）、操作（Operate）、工具（Tools）、窗口（Windows）和帮助（Help）。右击前面板或程序框图中的任何对象都可以弹出相应的快捷菜单。快捷菜单中的选项取决于选择的对象类型。主菜单和快捷菜单如图2-2所示2。通过前面板和框图窗口工具条上的工具按钮可以快速访问一些常用的程序功能。编辑状态下的前面板工具条如图2-3所示。暂停连续运行重新排序分布对象运行退出运行文字字体设置对齐对象调整对象大小图2-3 前面板工具条程序框图工具条包含许多与前面板工具条相同的按钮。在框图工具条上有4个附加的程序调试按钮用于程序调试，如图2-4所示。暂停时编辑时运行时加亮执行保存连线值单步进入单步跳过单步跳出整理程序框图图2-4 框图工具条单击“加亮执行”按钮允许加亮执行。当程序执行时，在框图代码上能够看到数据流，这在调试和验证程序的正确性时非常有用。在加亮执行模式下，按钮转变成一个点亮的灯泡。LabVIEW的调试功能允许VI在节点间单步执行。节点是一个可执行元素，当节点闪烁时表示即将执行该节点。加亮执行（Highlight Execution）：在程序运行时如果点亮该按钮，程序将以动画方式运行，数据流以气泡的形式沿着节点间的连线流动，该功能可以帮助用户调试程序。保存数据连线（Retain Wire Values）：当单击这个按钮时，LabVIEW会保持数据流上每个节点的数据。当在连线上建立探针时，就可以获得该连线上数据流的最新数据。单步进入（Step Into）：允许进入节点。一旦进入节点，就可以在节点内部单步执行。单步跳过（Step Over）：单步跳过节点。单步执行时不进入节点内部而有效的执行节点。单步跳出（Step Out）：允许跳出节点。通过跳出节点可以完成该节点的单步执行并跳转到下一个节点。2.4.3 工具选板1） 控件选板（Controls Palette）控件选板在前面板显示，它包含创建前面板时可用的全部对象。控件选板中的基本常用控件可以以现代（Mordern）、经典（Classic）、和系统（System）3种风格显示，如图2-4a所示。2） 函数选板（Functions Palette）函数选板只能在编辑程序框图时使用，与控件选板的工作方式大体相同。创建框图程序常用的VI和函数对象都包含在该选板中，如图2-4b所示。3） 工具选板（Tools Palette）在前面板和程序框图中都可以使用工具选板，使用其中不同的工具可以操作、编辑或修饰前面板和程序框图中选定的对象，也可以用来调试程序等。工具选板如图2-4c所示。图2-5 工具选板3 虚拟示波器的设计虚拟示波器的出现改变了原有示波器的整体设计思路，用软件代替了硬件。将传统仪器由硬件实现的数据分析与显示功能，改由功能强大的计算机及其显示器来完成，使工程技术人员可以用一部笔记本电脑到现场就可轻松完成信号的采集、处理及频谱分析和波形分析6。正是由于虚拟示波器有具有波形触发、存储、显示、测量、波形数据处理分析等优点，才得以得到广泛应用。本文即是采用LabVIEW软件来设计的简单示波器，本系统通过信号类型选择器可以选择正弦波、方波、三角波、锯齿波四种基础波形，经过双通道A、B的选择实现几种简单波形的显示。图形显示看起来简洁明了，美观大方，是示波器运用的最佳选择。3.1 主程序框图本文设计的虚拟示波器主要功能是对采集到的数据进行触发、时基控制后，完成对输入信号的电压和时间参数的测量，并通过通道选择可以实现单、双通道的波形显示。对波形输出运算后显示的波形有：A、B、A+B、A-B、A&B、A&A积分、A&A微分以及XY模式，最终还可以完成对当前显示波形的打印功能。相应的程序框图设计主要运用While循环结构进行整体程序的运行，运用条件结构完成数据采集、参数测量、扫描控制、波形显示以及波形打印模块，而运用事件结构来实现手动和自动的切换。以子VI的创建组合共同完成了整个程序的设计。整体程序框图如图3-1所示。触发控制通道选择时基控制数据采集数据处理波形显示参数测量打印波形图3-1 示波器整体框图3.2 前面板的设计LabVIEW中的前面板是图形化的人机界面，利用前面板提供的控件选板可以设置基本的输入数据和显示输出数据，也可以在基本控件的基础上创建自定义控件模拟真实仪器或产生过程。由于虚拟面板直接面向用户，是虚拟示波器控制软件的核心。因此，设计前面板时，主要考虑界面美观，操作简洁，用户可以通过前面板中的开关和旋钮模拟传统仪器的操作，通过键盘和鼠标实现对虚拟示波器的控制。前面板上设有各个功能模块按钮，当按下相应按钮时，即可调用该模块的相应程序。虚拟示波器的界面图，分为波形显示区和操作面板区。波形显示区横轴表示时间，纵轴表示幅值。单元格当前时间和幅值也可通过操作面板的“时间”框、“幅值”框显示。操作区有：显示模式转换，数据采集配置，时基控制，数据处理、打印波形等。显示模式转换是选择要测量的设备类型，通道和极性选择。数据采集是调节波形幅值，波形周期和选择显示的波形是哪个通道的，先是波形的类型等。时基控制是选择扫描率，扫描数，选择手动、自动等13。3.2.1 控件风格前面板中常用的基本控件分为新式、系统和经典3种样式。新式和经典类型控件对象具有高色彩外观。为了获取对象的最佳外观，显示器最低应设为16色。位于新式面板上的控件也有相应的低彩对象。经典选板上的控件适用于创建在256色和16色显示器上显示的VI。本文示波器前面板的设计主要运用了新式和系统类型的控件。系统控件与Windows系统控件相同，包括下拉列表和旋转控件、数值滑动杆、进度条、滚动条、列表框、表格、字符串和路径控件、选项卡控件、树形控件、按钮、复选框、单选按钮和自动匹配父对象背景色的不透明标签。此外，系统控件的外观取决于VI运行的操作系统，在不同的操作系统上运行VI时，系统控件将根据当前操作系统的界面风格自动更改其颜色和外观，与该操作系统的标准控件相匹配。3.2.2 输入控件和显示控件利用输入控件可以输入相应的数据，例如数字、布尔量、字符串和文件路径等。输入控件有数字、按钮、开关、滑动条等。显示控件用来显示数据。显示控件有数字、温度计、LED指示灯、文本、波形图等。前面板中的一些控件既可以作为输入控件也可以作为显示控件。右击控件，选择“转换为输入控件”或“转换为显示控件”选项可以进行输入控件与显示控件之间的切换。本设计共选用控件27个，其中输入控件25个，显示控件2个。下面主要对波形显示控件进行详细描述。右击波形显示控件可以看到该控件有很多属性可以设置。选择属性选项可以看到关于该控件的很多辅助选项。选择这些选项是它们可见，如图3-2所示。这些小的辅助控件都是可以随意被拖动改变位置的。游标曲线图例标尺图例图例游标图例图形工具小选板图形显示区图3-2 波形显示控件下面逐个对这些辅助控件进行介绍。1） 曲线图例右击曲线图例控件可以对曲线的颜色、线型和显示风格等进行设定。可以通过上下拉动该控件下边缘改变其大小来增加或减少图例。双击其文字区还可以改变图例曲线名称。2） 标尺图例通过标尺图例可以对图表的坐标轴进行详细的设置。例如坐标轴名称、坐标轴是否根据数据大小自动调整范围等。在“坐标轴刻度格式”菜单里可以设定坐标轴的各种样式，例如刻度数字的格式和背景网络的颜色等。可以通过上下拉动该控件下边缘改变其大小来增加或减少坐标轴。标尺图例如图3-3所示。坐标轴名称锁定自动缩放一次性锁定自动缩放坐标轴刻度格式菜单图3-3 标尺图例3） 游标图例通过游标图例，用户可以在图形显示区中添加游标。通过拖动游标，在游标图例中就会显示游标的当前位置。游标可以有不止一个，通过右击游标图例并选择“创建游标”选项来添加游标。在选中某个游标后，还可以用游标移动器来移动游标，如图3-4所示。该游标被选中游标移动器游标当前的XY坐标游标名称图3-4 游标图例4） 图形工具小选板默认情况下第一个十字标志按钮被选中，表示此时图形区的游标可以移动。放大镜标志用来对图形进行缩放，共有6种缩放格式，如图3-5所示。对于第一排中的放大方式，只需要被选中放大方式后，在图形区域拉动鼠标就能实现。若拉动拉动效果不满可以按下Ctrl+Z快捷键撤销上步操作。选中手形标志后可以随意地在显示区拖动图形。垂直放大显示整个曲线矩形放大按一点放大按一点缩小水平放大图3-5 缩放格式3.2.3 前面板控件的着色与排版当前选中的颜色柔和度灰度谱明亮颜色用户自定义颜色曾使用的颜色透明系统预定义颜色打开调色板图3-6 编辑前面板控件的颜色在设计前面板过程中，可以利用工具选板中提供的颜色工具来编辑前面板和前面板控件的颜色，但不能编辑系统风格的颜色，系统控件的颜色有操作系统来决定。在工具选板中选择颜色工具，这时鼠标变成画笔形状，右击要编辑颜色的控件，在显示颜色面板中选择所需要的颜色来改变控件的前景色或背景色，如图3-6所示5。LabVIEW中前面板的控件都有相应的默认颜色，如果要修改控件的默认颜色，选择主菜单的“工具选项环境颜色”选项，在打开的对话框中单击“自定义颜色”按钮就可以打开自定义默认颜色对话框，如图3-7所示。图3-7 自定义默认颜色对话框对话框中的18个文本框用于指定用户自定义颜色的名称，每个文本框后面有一个颜色框，用于指定与文本框中的文字相关联的具体颜色。LabVIEW预定义了14种对象颜色，在这个对话框中可以添加新的用户颜色或者删除已有颜色。下面介绍如何对前面板对象进行排版。主要包括：对齐与分布对象、组合与锁定对象、改变对象大小等。1） 对齐与分布对象在前面板中可以利用网络来手动对齐对象，大多数情况下利用提供的工具来对齐对象。选中多个对象，在工具栏中单击“对齐对象”按钮，在下拉框中选择需要的对齐方式来对齐多个对象。分布对象与对齐对象的操作类似，只要单击工具栏中的“分布对象”按钮，在下拉框中选择分布方式即可将所选对象均匀分布。2） 组合与锁定对象在编辑前面板时，把多个控件以及图形组合成一个“组”，就可以整体移动或改变整个组。组合的功能只是把几个对象按其位置和尺寸组合在一起，但其中每个控件的功能仍然是独立的。选中多个对象，在工具栏中单击“重新排序”按钮，在下拉菜单中选择“组合”选项就可以将所选中的对象组合在一起。在下拉菜单中选择“取消组合”则可将组合的对象还原为独立对象。“重新排序”按钮下拉菜单中的“锁定”是将选中对象的位置和大小锁定，对象锁定后不能移动、改变大小和删除。若要编辑对象，只需在下拉菜单中点击“解锁”即可。3.3 系统总体前面板运用以上所讲方法，经过多次修改及精心排版最终做出前面板整体面板如图3-8所示。图3-8 示波器前面板3.3 程序框图的设计在前面板中添加控件后，必须创建程序框图才能对前面板中的对象进行控制。程序框图是图形化源代码的集合，这种图形化的编程语言也称为G语言5。本文示波器的程序框图设计中共分为数据采集、自动扫描控制、波形显示、参数测量、打印波形和手动/自动切换6大模块。3.3.1 数据采集模块数据采集模块是虚拟示波器软件的核心，主要完成波形数据的采集。包括触发控制、通道选择控制、时基控制。简单介绍如下： 触发控制主要包括触发模式控制、触发斜坡控制和触发电平控制； 通道选择主要控制单通道或双通道测量； 时基控制主要控制采集点的扫描率及每一通道扫描次数(即扫描数)。本设计未采用数据采集卡而选用LabVIEW内部信号发生器来产生信号，这些发生器有正弦波发生器、方波发生器、三角波发生器和锯齿波发生器，通过枚举常量选择输入信号类型，将选择信号输入基本函数发生器，通过这些信号的输入来进行测量，在前面板波形显示控件上显示相应波形。图3-9 枚举常量图标1） 枚举常量通过枚举常量可在程序框图上创建供用户选择列表（包含字符串及相应的整数值）。枚举常量与下拉列表常量类似，但是不能自定义枚举常量中字符串标签对应的数值。数值总是从0到n1的整数，n表示枚举常量中数值的个数。枚举常量又不同于下拉列表常量，与整数值相关联的标签是数据类型的一部分。如连线枚举常量至显示控件，LabVIEW可显示字符串标签而非数值。枚举常量仅在程序框图上可见，在前面板上不可见。运行时也不可改变其值，所以运行VI前必须选择枚举常量的值。通过枚举型控件，用户可在运行时从前面板选择枚举值。选择、添加或移除、重新排列枚举常量的值，与下拉列表中的相应操作基本相同。默认状态下，枚举常量的数值表示法为16位无符号整数。可将枚举常量的表示法更改为任意无符号整型的数据类型（无符号64位整型数据除外）。2） 基本函数发生器图3-10 基本函数发生器端口图基本函数发生器VI的主要功能是依据输入信号类型，创建输出波形。该VI可记录上次生成波形的时间标识，并从该点开始继续递增时间标识。该函数可使用波形类型、采样数目、相位输入和要生成的波形频率（以Hz为单位）作为输入端12。基本函数发送器的端口排列如图3-10所示。端口详细介绍如下： 偏移量：是指定信号的直流偏移量，默认值为0.0。 重置信号：如值为TRUE，相位可重置为相位控件的值，时间标识可重置为0，默认值为FALSE。 信号类型：是要生成的波形的类型。表3-1 信号类型分布0Sine Wave（默认）1Triangle Wave2Square Wave3Sawtooth Wave 频率：是波形频率，以赫兹为单位，默认值为10。 幅值：是波形的幅值，幅值也是峰值电压，默认值为1.0。 相位：是波形的初始相位，以度为单位，默认值为0。如重置信号为FALSE，则VI忽略相位。 错误输入（无错误）：表明节点运行前发生的错误，该输入将提供标准错误输入功能。标准错误输入功能如下：错误输入是节点运行前发生的错误，默认值为无错误。如错误在节点运行前发生，节点将把错误输入的值传递至错误输出。如节点运行之前没有错误发生，该节点将正常运行。如在节点运行时发生错误，节点将正常运行并在错误输出中设置其错误状态。错误输入簇中有下列元素：状态：值为TRUE（叉）时表示在节点运行前已发生错误，值为FALSE（勾）时表示警告或无错误。默认值为FALSE。代码：表示错误或警告代码，默认为0。如状态为TRUE，代码为错误代码。如状态的值为FALSE，代码为0或警告代码。源：表示错误或警告的源，大多数情况下表示出现错误或警告的节点名称。默认值为空字符串。 采样信息：包含采样信息。 Fs：是每秒采样率。默认值为1000。 #s：是波形的采样数。默认值为1000。 方波占空比：是方波在一个周期内高电平所占时间的百分比。仅当信号类型是方波时，VI使用该参数。默认值为50。 信号输出：是生成的波形。 相位输出：是波形的相位，以度为单位。 错误输出：包含错误信息。该输出将提供标准错误输出功能。子程序框图主程序框图图3-11 数据采集模块程序框图标准错误输出功能如下：错误输出包含错误信息。如错误输入表示在该VI或函数运行前已出现错误，错误输出将