基于LabVIEW的虚拟示波器的设计和实现.doc

毕业设计 论文 基于基于 labview 的虚拟示波器的设计和实现的虚拟示波器的设计和实现 系 别自动化工程系 专业名称测控技术与仪器 班级学号5080911 学生姓名高尚 指导教师吴朝霞 2012 年 6 月 15 日 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 i 页 i 基于 labview 的虚拟示波器的设计和实现 摘 要 随着微电子集成技术和微计算机技术的飞速发展 现代虚拟示波器作为一种精密 电测仪器得到了更快的发展 其功能越来越强 精度越来越高 而且外形越来越美观 但现有的虚拟示波器价格普遍偏高 使其应用受到一定限制 充分利用虚拟现实技术 研究功能强大 性价比高的虚拟数字示波器 使之能更好地满足实际应用的需求 具 有很好的现实意义 本文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 接下来对虚 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 在此基础上 进行了虚拟示波器的系统设计 完成了虚拟示波器各模块的 详细设计 包括数据采集模块 用户界面模块 频谱分析模块 双通道信号发生模块 波形显示模块和参数计算模块的设计 还讨论了软件设计中的技术问题 该示波器主要用于电子测量仪器教学 让学生掌握示波器的工作原理 示波器的测 试和示波器的主要控键 设计中我们通过模拟信号发生器产生的多通道信号对多种控 制参数进行了设置 实时采集 处理 显示和存储等功能的试验 但在进行硬件试验 时并未成功 另外在程序的繁琐程度 资源的利用率方面仍有改进的需要 关键词 labview 示波器 虚拟仪器 采集卡 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 ii 页 ii design and implementation of the virtual oscilloscope based on labview author gao shang tutor wu zhao xia abstract with the rapid development of integrated microelectronics technology and microcomputer technology modern digital storage oscilloscope as a precision electrical measuring instruments to develop faster more powerful higher and higher precision but more and more shapebeautiful however the existing digital storage oscilloscope prices are generally high its application is subject to certain restrictions make full use of virtual reality technology is a powerful cost effective virtual digital oscilloscope so that it can better meet the needs of practical application with good practical significance this paper introduces the research background and significance of the virtual instrument as well as some progress at home and abroad next on the virtual instrument overall to discuss the concept of virtual instruments composition characteristics development has established the basic framework of the virtual instrument on this basis the system design of the virtual oscilloscope completed the detailed design of the virtual oscilloscope module including the data acquisition module the user interface module a spectrum analysis module dual channel signal generation module waveform display module and parameters to calculate the module design and also discussed the technical aspects of software design the oscilloscope is mainly used for electronic measuring instruments and teaching enable students to acquire the works of the oscilloscope oscilloscope test and the oscilloscope control key multichannel signal design analog signal generator to generate a variety of control parameters settings real time acquisition processing display and storage of the test but during the hardware test did not succeed in addition there is still room for improvement in the red tape of the program the resource utilization needs key words labview oscilloscope virtual instrument data acquisition card 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 iii 页 iii 目 录 1 绪论 1 1 1 虚拟仪器的概念 1 1 2 虚拟仪器的构成 2 1 2 1 虚拟仪器的硬件系统 2 1 2 2 虚拟仪器的软件结构 3 1 3 虚拟仪器的特点 3 1 4 虚拟仪器的发展 4 1 5 虚拟示波器及其特点 6 1 5 1 虚拟示波器的分类 7 1 5 2 虚拟示波器工作原理 8 1 5 3 虚拟示波器的研究现状与发展 9 2 虚拟示波器方案设计 11 2 1 软件及硬件的选择 11 2 1 1 软件的选择 11 2 1 2 硬件的选择 12 2 2 软件设计方案 16 2 2 1 软件设计 16 2 2 2 仪器功能 17 3 虚拟示波器的软硬件设计 18 3 1 虚拟示波器的总体设计 18 3 2 软件的设计与实现 19 3 2 1 前面板功能设计 19 3 2 2 触发 通道选择程序设计 21 3 2 3 时基 幅值控制模块设计 22 3 2 4 数据存储模块设计 22 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 iv 页 iv 3 2 5 数据读取模块设计 23 3 2 5 双通道信号发生器 24 3 2 5 信号测量模块设计 25 3 3 数据采集 28 4 实验与分析 30 4 1 波形显示 30 4 2 基于虚拟示波器的参数测量 30 4 2 1 虚拟示波器测量参数的优势 30 4 2 2 基于虚拟示波器的参数测量的用户界面 30 4 3 基于虚拟示波器的频谱分析 32 4 3 1 虚拟示波器频谱分析 32 4 3 2 基于虚拟示波器的相位测量的用户界面 32 4 4 虚拟示波器与传统示波器的精度分析 33 4 5 设计心得 33 4 6 程序调试过程中发现的问题和解决办法 34 结 论 35 致 谢 36 参考文献 37 附 录 39 附录 a 39 附录 b 49 附录 c 50 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 1 页 1 1 绪论 从 20 世纪 40 年代开始 计算机革命给当代社会的发展注入了活力 计算机技术 的高速发展和普及带动了各个行业的进步 有力地促进了多年来发展相对缓慢的仪器 技术的飞跃 给仪器仪表领域带来了深刻的变化 新的测试理论 测试方法 测试领 域以及仪器结构不断出现 而电子测量技术的功能和作用也发生了质的变化由于计算 机处于核心地位 计算机软件技术和测试系统更紧密地结合在一起 20 世纪 80 年代 美国成功地将虚拟现实技术引入了仪器设计中 研制了虚拟仪器 从而开辟了仪器领 域的新时代 1 1 虚拟仪器的概念 虚拟仪器是利用 pc 计算机显示器的显示功能模拟传统仪器的功能面板 以多种形 式表达输出检测结果 利用 pc 计算机强大的软件功能实现信号数据的运算 分析 处 理 由 i o 接口设备完成信号的采集 测量和调理 从而完成各种测试功能的一种计 算机仪器系统 1 虚拟仪器以透明的方式 通过软件对数据的分析处理 表达以及图 形化用户接口 把计算机资源 如微处理器 显示器等 和仪器硬件 如 a d dia 数字 i o 定时器 信号调理等 的测量能力 控制能力结合在一起 虚拟仪器突破了传统仪 器以硬件为主体的模式 实际上使用者是在操作具有测试软件的电子计算机进行测量 犹如操作一台虚设的电子仪器 虚拟仪器技术的实质是充分利用最新的计算机技术来 实现和扩展传统仪器的功能 虚拟仪器是基于计算机的仪器 1 软件是虚拟仪器的关 键 当基本硬件确定以后 就可以通过不同的软件实现不同的功能 用户可以根据自 己的需要 设计自己的仪器系统 满足多种多样的应用要求 利用计算机丰富的软 硬件资源 可以大大突破传统仪器在数据的分析 处理 表达 传递 储存等方面的 限制 达到传统仪器无法比拟的效果 它不仅可以用于电子测量 测试 分析 计量 等领域 而且还可以用于进行设备的监控以及工业过程自动化 虚拟仪器还可以广泛 应用于电力工程 物矿勘探 医疗 振动分析 声学分析 故障诊断及教学科研等多 个方面 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 2 页 2 1 2 虚拟仪器的构成 虚拟仪器的结构如图 1 所示 下面就从硬件和软件两个方面介绍虚拟仪器的构成 图 1 虚拟仪器的构成框图 1 2 1 虚拟仪器的硬件系统 虚拟仪器的硬件系统一般分为计算机硬件平台和 i o 接口设备 1 计算机硬件平台 虚拟仪器的计算机硬件平台可以使各种类型的计算机 如台式计算机 便携式计 算机 工作站 嵌入式计算机等 计算机管理着虚拟仪器的软 硬件资源 是虚拟仪 器的硬件平台的核心 计算机在显示 存储能力 处理性能 网络 总线标准等方面 的发展 促进了虚拟仪器的迅速发展 2 i o 接口设备 根据接口硬件不同 虚拟仪器的构成方式主要有下面五种类型 pc daq 系统 即以数据采集板 信号调理电路及计算机为仪器硬件平台组成的插卡式虚拟仪器系统 gpib 系统 即以 gpib 标准总系仪器与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系 统 vxi 系统 即以 vxi 标准总线仪器模块与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器 测试系统 pxi 系统 即以 pxi 标准总线仪器模块与计算机为仪器硬件平台组成的虚 拟仪器测试系统 串口系统 即以 serial 标准总线仪器与计算机为仪器硬件平台组成 的虚拟仪器测试系统 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 3 页 3 1 2 2 虚拟仪器的软件结构 虚拟仪器的核心思想是利用计算机的硬件和软件资源 使本来由硬件或电路实现 的技术软件化和虚拟化 以便最大限度地降低系统成本 增强系统的功能与灵活性 基于软件在虚拟仪器系统中的重要作用 从底层到顶层 虚拟仪器的软件系统框架包 括三部分 visa 库 i o 接口仪器驱动程序 应用软件 虚拟仪器的软件结构如图 2 所示 图 2 虚拟仪器的软件结构 visa 库实质就是标准的 i o 函数库及其相关规范的总称 一般称这个 i o 函数库 为 visa 库 它驻留与计算机系统之中 执行仪器总线的特殊功能 是计算机与仪器 之间的软件层连接 用以实现对仪器的程控 仪器驱动程序是完成对某一特东仪器的 控制与通信的软件程序集合 是应用程序实现仪器控制的桥梁 每个仪器模块都有自 己的仪器驱动程序 仪器厂商将其以源码的形式提供给用户 用户在应用程序中调用 仪器驱动程序 应用程序包含两个方面 实现虚拟面板功能的前面板软件程序 定义 测试功能的流程图软件程序 应用软件开发系统是涉及开发虚拟系统所必需的软件工 具 目前 交流行的虚拟仪器软件开发工具有如下两类 文本式编程语言 如 visual c visual biasic labwindows cvi 等 图形化编程语言 如 labview hpvee 等 1 3 虚拟仪器的特点 虚拟示波器和传统示波器相比 有以下几个特点 1 性价比高 规模经济效益使通用个人计算机具有很高的性价比 而且基于个人计算机的虚拟 仪器和仪器系统可共享计算机硬件资源 从而大大增强了仪器的功能 降低了仪器的 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 4 页 4 成本 传统仪器小而全 而且各仪器的资源不能共享 虚拟仪器把传统仪器的公共部 分如显示 控制 打印 通信等都由计算机来完成 即无论任何功能的仪器都可利用 或共享这些公共资源 而无需重复设置 2 开放性好 具有开放性的模块化设计 便于用户能根据测试任务随心所欲地组建仪器或系统 仪器扩充 联网和升级十分方便 可更新配置测试功能模板 甚至无需改变硬件 只 需应用模块化的软件包的重新搭配 便可构成新的虚拟仪器 提高资源的可再用性 3 智能化程度高 虚拟仪器是基于计算机的仪器 其软件具有强大的分析 计算 逻辑判断等功能 可以再计算机上建立一个普通的智能仪器到智能专家系统 4 界面友好 使用方便 传统仪器的面板只有一个 其上布置着种类繁多的显示和操作原件 由此导致许 多认读和操作错误 虚拟仪器与之不同 他们采用图形界面 在屏幕上虚拟出仪器面 板 用鼠标操作 简单快捷 仪器功能选择 参数设置 数据处理 结果显示均能通 过有好的人机对话来进行 这样可以提高操作的正确性和便捷性 同时 虚拟仪器的 面板上的显示元件和操作原件的种类与形式不受标准件和加工工艺的限制 而由编程 来实现 设计者可以根据用户的认知要求和操作要求设计仪器面板 虚拟仪器实现了测量仪器的智能化 多样化 模块化和网络化 体现出多功能 低成本 应用灵活 操作方便等优点 同传统仪器相比 虚拟仪器功能更强 使用更 灵活 在很多领域大有取代传统仪器的趋势 成为当代仪器发展的一个重要方向 并 受到各国业界的高度重视 1 4 虚拟仪器的发展 虚拟仪器技术目前在国外发展很快 以美国国家仪器公司 ni 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 虚拟仪器的概 念使得现代计算机技术 通信技术和测量技术达到了前所未有的紧密结合 进而引发 了传统仪器观念的一次巨大变革 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 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 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 5 页 5 发软件 labview 采用图形化编程方案 是非常实用的开发软件 labwindows cvi 是为熟悉 c 语言的开发人员准备的 在 windows 环境下的标准 ansic 开发环境 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 美国 tektronix 公司的 ez test 和 tek tns 软件 以及美国 hemdata 公司的 snap master 平台软件 也是国防止公认的优秀虚拟仪器开发平台软件 当今虚拟仪器的系统开发采用的总线包括传统的 rs232 串行总线 gpib 通用接口 总线 vxi 总线 以及己经被 pc 机广泛采用的 usb 通用串行总线和 ieeel394 总线 即 firewire 也叫做火线 世界各国的公司 特别是美国 ni 公司 为使虚拟仪器 能够适应上述各种总线的配置开发了大量的软件以及适应要求的硬件 插件 可以 灵活地组建不同复杂程度的虚拟仪器自动测试系统 虚拟仪器的开发厂家 为扩大虚拟仪器的功能 在测量结果的数据处理 表达模 式及其变换方面也做了许多工作 发布了各种软件 建立了数据处理的高级分析库和 开发工具库 例如测量结果的谱分析 快速傅立叶变换 各种数字滤波器 卷积处理和 相关函数处理 微积分 峰值检测 波形发生噪声发生 回归分析 数值运算 时域 和频域分析等 使虚拟仪器发展成为可以组建极为复杂自动测试系统的仪器系统 在国内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 近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 此外 国内己有几家企业在研 制 pc 虚拟仪器 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不断完善 虚拟仪器将向三个方向发 展 1 外挂式虚拟仪器 pc daq 是虚拟仪器是现在比较流行的虚拟仪器系统 但是 由于基于 pci 总线 的虚拟仪器在插入 daq 式都要打开机箱比较麻烦 而且主机上的 pci 插槽有限 再加 上测试信号直接进入计算机 各种现场的被测信号对计算机的安全造成很大威胁 同 时 计算机内部强电磁干扰对被测信号也会造成很大影响 故以 usb 接口方式的外挂 式虚拟仪器系统将成为今后廉价型虚拟仪器测试系统的主流 2 pxi 型高精度集成虚拟仪器测试系统 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 6 页 6 pxi 系统高度的可扩展性和良好的兼容性以及比 vxi 系统更高的性价比将使他成 为未来大型高精度集成测试系统的主流虚拟仪器平台 3 网络化虚拟仪器 随着计算机 通信和微电子技术的不断提高 以及网络时代的到来和信息化要求 的不断提高 网络技术应用到虚拟仪器领域中将是虚拟仪器发展的大趋势 尽管 internet 技术最初并没有考虑如何将嵌入式智能仪器设备连接在一起 不过 ni 等公司 已开发了通过 web 浏览器观测这些嵌入式仪器设备的产品 使人们可以通过 internet 操作仪器设备 根据虚拟仪器的特性 用户能够方便地将虚拟仪器 外部设备 被测 试点以及数据库等资源纳入网络 利用网络技术将分散在不同地理位置不同功能的测 试设备联系在一起 使昂贵的硬件设备 软件在网络上得以共享 共同完成测试任务 减少了设备重复投资 由此可见 网络化虚拟仪器将具有广泛的应用前景 1 5 虚拟示波器及其特点 传统的模拟示波器把需观测的两个电信号加至示波管的 x y 通道以控制电子束 的偏移 从而获得荧光屏上关于这两个电信号关系的显示波形 显然 这种模拟示波 器体积大 重量重 成本高 价格贵 并且不太适合用于对非周期的 单次信号的测 量 虚拟示波器 digital storage oscmoscope 简称 dso 是将输入被测连续模拟信号用 a d 转换器变换成离散数字信号并存储于存储器中 转换完成一批数据后通过光栅扫 描将数字信息经过变换显示在 lcd 上 虚拟示波器既适用于重复信号的检测 也适用 于单次瞬态信号的测量 与记忆示波器相比 虚拟示波器具有存储时间长 能捕捉触 发点前的信号 可通过接口将数据共享等特点 正是由于虚拟示波器引入数字处理技 术 并与计算机一起构成更大的测控系统 使其对于复杂的单次瞬变信号的记录存储 及分析研究非常有效 在各行各业 包括电子 机械 纺织 水力以及军事应用领域等 都有着广阔的发展天地 所谓虚拟 就是在示波器中以数字编码的形式来贮存信号 在信号到达 lcd 的偏 转电路之前 示波器将按一定的时间间隔对信号电压进行采样 然后用一个模数变换 器 adc 对这些瞬时值或采样值进行变换从而生成代表每一个采样电压的二进制字 这 个过程称为数字化 接着将获得的二进制数值贮存在存储器中 对输入信号进行采样 的速度称为采样速率 采样速率由采样时钟控制 对于一般使用情况来说 采样速率 的范围可从 20ms s 到 200ms s 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 7 页 7 虚拟示波器 dso 基于取样原理 利用 a d 转换技术和虚拟技术 能迅速捕捉瞬 变信号并长期保存 它首先对模拟信号进行高速采样获得相应的数字数据并存储 存 储器中贮存的数据用来在示波器的屏幕上重建信号波形 它然后利用数字信号处理技 术对采样得到的数字信号进行相关处理与运算 从而获得所需的各种信号参数 包括可 能需要使用万用表测试的一些元器件电气参数 最后 它根据得到的信号参数绘制信 号波形 并可对被测信号进行实时的 瞬态的分析 以方便用户了解信号质量 快速 准确地进行故障的诊断 虚拟示波器克服了传统模拟示波器无法完成对单次信号和低重复频率信号进行测 试的缺点 同时它还具有如下的特点 1 可以显示大量的预触发信息 2 可以长期贮存波形 3 波形信息可用数学进行处理 如平均 迭加 频谱分析 fft 分析等 4 可以进行全自动的参数测量 使用模拟示波器时 用户只能进行手动测量 例如对 屏幕上显示的波形曲线进行解释分析 在屏幕上计算格数以求出波形幅度和时间间隔 而使用 dso 时 只要示波器已经采集了信号波形 就获得了所有的波形信息数据 根 据这些数据就能自动计算出要测量的参数 得到更加准确可靠的结果 整个过程极为 迅速简便 5 可以采用多种触发方式 dso 的存贮功能使它成为捕捉十分罕见 甚至于只发生一 次的信号 例如单次事件的极为有用的工具 为捕捉这些信号就要求示波器具有各种 各样的触发方式去探测这些特殊的条件 以便启动波形采集 为实现这一目的 只有 边缘触发方式往往是不够的 为此又开发了若干附加的触发能力 如状态触发 毛刺 触发 时间限定触发等 1 4 1 虚拟示波器的分类 数字示波器的核心内容是将模拟连续被测信号转换为数字信号 即取样 从连续 模拟被测信号中离散 时间上 地取样转换成数字数据作为 样品 用来表达原信号的 部分特性或全部特性 保证转换的数字数据与被测信号的关系是线性的 取样时可以 一个被测信号周期内取许多点或者多个被测信号周期内采集一个点 取样间隔可以相 等 也可以不等 取样方式大致有两种 实时取样 非实时取样 实时取样 取样脉冲频率高于信号频率 在信号的一个周期内采集多次被测信号 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 8 页 8 的瞬时值 用其包络反映原波形 为了比较真实地再现被测信号原貌 实时取样时 一个被测信号周期内要求取样点数 n 大于或等于 5 当 n 1 0 时 波形完全再现信号 当 n 5 时 波形微显失真 当 n 3 时 波形呈明显失真 非实时取样又分为顺序取样和随机取样 非实时顺序取样 一个或多个被测信号 周期内取样一次 取样信号每次延迟 t nt t 为被测信号的周期 n 等于 1 2 3 取样后的离散数字信号构成的包络反映原信号的波形情况 但这个包络的周期与原信 号的周期相比低得多 相当于将被测信号在时间轴拉伸了 非实时随机取样 一个或 多个被测信号周期内取样一次 但每次取样相对于原信号不是固定 t n t 时间 而具 有一定的随机性 相对于被测信号某一固定相位一参考点 以取样时刻相对于参考点的 t 时间段为 尺度 在时间轴排序取样点 由此形成的包络再现了被测信号的信息 根据取样的方法不同 数字示波器可以分为实时取样虚拟示波器 随机取样虚拟 示波器 顺序取样虚拟示波器 以上三种示波器各有优缺点 实时取样示波器可以观 测非周期信号 非实时取样示波器可以比较容易地做到观测高频信号的能力 虚拟示波器用实时取样方式观察重复信号时 由于触发信号与取样时钟是不同步 的 它们之间无固定的时间关系 故触发信号与其后第一个取样时钟间的时间间隔是 随机的 其值在 0 到 t 个取样周期内变化 所以在观察重复信号时 波形晃动与一个被 测信号周期中的取样点数成反比 随着被测信号频率增高 晃动变大 在随机取样方式工作时 每个捕获周期取得一组取样数据 第一个捕获周期获得 一组取样数据 第二个捕获周期又获得一组取样数据 依次类推 第 n 个获取周期又 获得一组数据 每组数据内相邻两个取样点的时间间隔是固定的 采样周期 而各组数 据头一个取样点相对于触发信号是随机的 利用该随机时间间隔 t 依次在时间轴上排 序各组捕获数据 从而重现被测信号波形 1 4 2 虚拟示波器工作原理 虚拟示波器有实时取样和非实时取样两种 这里介绍属于实时取样的虚拟示波器 虚拟示波器包括取样通道 x 通道 y 通道 crt 微型计算机 gpib 等部分 在微 型计算机的控制下完成取样 存储 读出 显示和程控等任务 控制部分 i 拍 cpu rom ram 等组成 cpu 控制所有的 i o 口 ram 的读 写操作 以及地址 总线和数据总线的使用 在 rom 内固化 写入 有仪器的监控程序 gpib 是通用接口 总线 通过它可以程控虚拟示波器的工作状态 实现内部存储器与外部设备交换数据 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 9 页 9 的功能 图中触发电路 控制电路等部分决定了模拟信号的取样 存储和读出 输入 信号经取样和 a d 转换后写入 ram 中 在显示时 从存储器 ram 读出数据 经 d a 转换器恢复成模拟信号 阶梯波 并送到 crt 的垂直偏转板 同时对存储器进行 地址扫描 经 d a 变换成上升的扫描电压 以便供显示波形时使用 这个波形是由连 续光点合成的 其中 x 通道在写入阶段用于控制取样脉冲的形成 它也可以只用于 在显示阶段提供 x 通道扫描电压 由微计算机直接提供取样的控制信号 为了同步并 显示稳定的信号 每次时基扫描都是由一个触发事件启动的 虚拟示波器的工作原理主要包括取样原理 时基设置 触发机制 波形插值处理 工作模式等 1 4 3 虚拟示波器的研究现状与发展 随着微电子集成技术 微计算机技术 数字技术的飞速发展 现代数字化存储示 波器的研究与开发也有了更快的发展 是近年发展最快的仪器 现代数字示波器展现 了更强大的智能捕获 参数分析 时频变换 超大规模数据波形存储和数据上网共享 等功能 各大公司 如 hp tek 等 相继投入巨资来研究开发该类仪器以图率先占领此 技术领域 虚拟示波器的发展依赖于新的数据采样技术的发展 实时采样技术由一般数字电 路构成的 a d 变换器发展到使用 ccd charge coupled devices 技术变换速率大大提高 与此同时 非实时采样技术也逐步得到发展 近来 有两种重复取样技术 顺序取样 sequential sampling 和随机取样 random sampling 获得广泛应用 非实时采样技术对观 测和存储重复性的周期信号是极为有利的 可大大提高其频带宽度 美国 tek 公司的 2430 型数宁存储示渡器 采用 实时取样 和 顺序取样 相结合的方法 达到 150mhz 的带宽和 100msa s 的采样速度 philips 公司研制出新型的 p4ccd 电荷祸合 器件 提高了变换速率 可存储 30mhz 的单次瞬变信号 pm3311 型 hp 公司的 54100 型采用了 随机取样 技术 使有效带宽达 lghz 上世纪 90 年代以来 基于实时取样 量化技术的高速瞬态存储示波器的研制与生产得到 飞速的发展 各大公司不断推出采样率高 宽带的产品 例如 tek 公司的 tds680b 684b 数字示波器 数字化率达 5gsa s 带宽 1ghz 量化分辨率 8bit hp 公司的 hps4722a 数字示波器数字化速率高达 8gsa s 带宽 2ghz 量化分辨率 8bit tek 公司推出的 tds784 数字示波器能同时在 4 个通道上实现数字化速率 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 10 页 10 10gsa s 带宽 1ghz 同时 便携式测试仪器也取得了飞速发展 其中 万用示波表 获得了示波器技术的一个突破 通过大规模集成电路技术和使用液晶显示器 fluke 公司的万用示波表把一个全功能的 2 通道 50mhz 虚拟示波器和一个数字万用表组合在 一个重量只有 1 8kg 的手持式体内 近十年来 国内虚拟示波器技术研究及发展也取得了相当的成果 虚拟示波器采 用微处理器进行测量和数据处理及波形分析 其精度和处理速度大大提高 电子科技 大学进行的 八五 预研项目实时数字化速率可达 1gsa s 采集存储速率已达 0 5gsa s 九五 的研究与开发使虚拟示波器数字化速率高达 2gsa s 打破国外在高 速数字化存储示波器技术上的垄断 为我国电子仪器与测试的发展开创了新的技术领 域 为国防军用领域高新技术的研究与开发提供现代化的检测 分析 处理的强有力 工具 但是 对于实际千差万别的测量系统来说 这类示波器仪表功能固定 可扩展性 差 加之价格比较昂贵 因此应用的深度和广度也受到一定的限制 虚拟仪器技术的 出现使得软件实现数字示波器成为现实 虚拟示波器具有人机交互的虚拟仪器面板和 计算机测试系统 由微型计算机 模块化功能硬件 主要是数据采集卡 和控制软件等组 成 操作者可以通过计算机屏幕显示的虚拟示波器面板 来控制检测系统工作 实现 被测信号的采集 分析处理和图形显示 打印输出等功能 并可以根据需要做成网络 化仪器 实现远程测量和数据传输等 国内在虚拟示波器方面也进行了大量的研究 其主要集中在对现有传统模拟示波器或者数字示波器用虚拟仪器来得以实现 但普遍 的虚拟示波器本身的功能并没有得到太多的改进 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 11 页 11 2 虚拟示波器方案设计 2 1 软件及硬件的选择 虚拟仪器由仪器硬件和功能模块软件两部分组成 虚拟仪器的硬件主体是电子计 算机 通常是个人计算机 也可以是任何通用计算机 所设计的虚拟虚拟示波器主要 是有一块 pci 总线的采集卡和用 labview8 5 开发的功能模块软件组成 2 1 1 软件的选择 在给定计算机必要的仪器硬件之后 构成和使用虚拟仪器的关键在于软件 软件 为用户提供了集成开发环境 高水平的仪器硬件接口和用户接口 美国国家仪器公司 提出的 软件即仪器 the software is the instrument 形象地概括了软件在虚拟仪器技 术中的重要作用 所以正确选择软硬件对程序开发和设计起着非常重要的作用 只有 选择了合适的软硬件才能快速开发出应用软件 才能事半功倍 对于虚拟仪器应用软 件的编写 大致可分为两种方式 一是通用编程软件进行编写 主要有 microsoft 公司 的 visual basic 与 visualc borland 公司的 delphi sybase 公司的 power builder 二是用专业图形化编程软件进行开发 如 hp 公司的 vee ni 公司的 labview 和 lab windows cvl 等 labview 是实验室虚拟仪器集成环境 laboratory virtual instrument engineering workbench 的简称 是美国国家仪器公司 ni 的创新软件产品 也是目前应用最广泛 发展最快 功能最强的图形化软件开发环境 labview 的前面板可以包含旋钮 刻度 盘 开关 图表和其他界面工具 允许用户通过键盘或鼠标获取数据并显示结果 labview 具有模块化的特性 有利于程序的可重用性 labview 将软件的界面设计与 功能设计独立开来 修改人机界面无需对整个程序进行调整 labview 是利用数据流 框图接收指令 使程序简单明了 充分发挥了图形化编程环境的优点 这就大大简短 了虚拟仪器的开发周期 消除了虚拟仪器编程的复杂过程 而通用的编程软件需利用 组件技术实现软面板的设计 这使程序设计变得非常麻烦 labview 虽然是为计算机 测控领域开发的 但它的函数包含了一般高级计算机语言中的绝大多数程序控制功能 labview 作为开发坏境所具有的优点总结如下所述 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 12 页 12 1 图形化编程 降低了对使用者编程经验的要求 易于工程师使用 2 采用面向对象的方法和概念 有利于软件的开发和再利用 3 对象 框图及其构成的虚拟仪器在 windows windownt unix 等多平台 之间和各种 pc 机及工作站问兼容 便于软件移植 4 支持 550 多种标准总线设备及数据采集卡 如串行接口 gpib vxi 等 5 具有丰富的库函数和例子 对于大多数应用程序 用户可以从例子中取得程 序框架 便于提高开发速度 6 具有比较完备的代码接口 可调用 windows 中的动态链接库 dll 中的函数 以及 c 语言程序 以弥补自身的某些不足 7 直接支持动态数据交换 dde 对象联接与嵌入 ole 结构化查询语言 sql 便于与其它 windows 应用程序和数据库应用程序接口 f 8 支持 tcp udp 等网络协议 网络功能强大 可遥控分布在其他微机上的 虚拟仪器设备 9 为加强 labview 的功能 适应各种工业应用的需要 ni 公司又开发了一系 列与 labview 配合使用的软件包 如自动测试工具 可连结 25 种数据库的 sql 工具 spc 分析函数工具 信号处理套件 pid 控制工具 图形控制工具等 2 1 2 硬件的选择 虚拟仪器的硬件系统设计中非常重要的部分是测控功能硬件的选用和调试 按照 测控功能硬件的不同 虚拟仪器可分为 daq gpib vxi 和 pxi 四种标准体系结构 1 daq data acquisition 数据采集卡 这种方式借助于插入计算机内的数据采 集卡与专用的软件如 labview 相结合 注 美国 ni 公司的 labview 是图形化编程工具 它可以通过各种控件自己组建各种仪器 labview cvi 是基于文本编程的程序员提供高 效的编程工具 通过三种编程语言 visual c visual basic labview cvi 构成测试系 统 它充分利用计算机的总线 机箱 电源及软件的便利 大大增加测试系统的灵活 性和扩展性 但是受 pc 机机箱和总线限制 且有电源功率不足 机箱内部的噪声电平 较高 插槽数目也不多 插槽尺寸比较小 机箱内无屏蔽等缺点 另外 isa 总线的 虚拟仪器已经淘汰 pci 总线的虚拟仪器价格比较昂贵 利用 daq 可方便快速的组建 基于计算机的仪器 computer based instruments 在价格方面 比其它各种体系结构 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 13 页 13 有着明显优势 随着 a d 转换技术 仪器放大技术 抗混叠滤波技术与信号调理技术的迅速发展 daq 采样频率已经达到 1gb s 精度高达 24 位 通道数高达 64 个 并能任意结合数 字 i o 模拟 i o 计数器 定时器通道等 特别适合于要求高速 低分辨率的测量应用 2 gpib general purpose interface bus 通用接口总线 是计算机和仪器件的标准 通讯协议 gpib 的硬件规格和软件协议已经纳入国际工业标准一 ieee488 1 和 ieee488 2 是最早的仪器总线 gpib 目前数以万计的仪器都配置了遵循 ieee 488 的 gpib 接口 在科学研究 自动测试设备等各个领域应用广泛 典型的 gpib 测试系统包括一台计算机 一块 gpib 接口卡和若干台 gpib 仪器 每台 gpib 仪器有单独的地址 由计算机控制操作 系统中的仪器可以增加 减少或更 换 只需对计算机的控制软件作相应的改动 目前这种概念己经被发展应用于仪器内 部设计 虽然 gpib 是将数据引入计算机的一种方法 但这与使用插人计算机中的卡进 行数据采集不同 通过特殊的协议 gpib 可以采用握手方式将由别的计算机或仪器采 集的数据引入计算机 而数据采集则将信号直接连接在计算机中的数据采集卡上 gpib 系统的数据传输速度一般低于 500kb s 在价格上 它覆盖了从比较便宜到 异常昂贵的仪器 它适用于那些要求高准确度 但不要求高速的应用中 3 vxi vme bus extension for instrumentation 是高速 vme 计算机总线在仪器 领域中的扩展 是 hp 等公司于 1987 年提出 1992 年成为 ieeeil55 标准 在该系统 中围绕机械 电气 控制方式 通信协议 电磁兼容 软面板 驱动程序 110 控制 乃至机箱 印刷电路板的结构 通风结构等作了详细的规定 使不同厂家的 vxi 总线 产品相互兼容 1995 年 vxi 总线联合体将计算机网络传输协议 tcp 和网络协议 ip 作 为 vxi 总线 1 4 版本的补充规范 这样基于 vxi 总线的自动测试系统可直接与计算 机系统连网 作为网络内的测量服务器 共享网络资源 执行测量作业 vxi 系统综 合了计算机技术 gpib 技术 pc 仪器技术 接口技术 vme 总线和模块化结构技术 的成果 1998 年修订的 vxl20 版本规范采用了 vme 总线的最新进展 提供了 64 位的 扩展能力 数据传输率最高可达 80mb s vxi 系统最多可包含 256 个器件 可组成 个或多个子系统 每个子系统最多可包含 13 个插入式模块 插入同 个机箱内 在组 建大 中规模自动测量系统以及对速度 精度要求高的场合 具有其他仪器所无法比 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 14 页 14 拟的优势 vxi 总线支持即插即用 人机界面友好 资源利用率高 容易实现系统集 成 大大地缩短了研制周期 且便于升级和扩展 vxi 系统具有稳定可靠的电源 冷 却装置 抗电磁干扰 模块化结构 强大的数据吞吐量 40mb s 易于组网等优点 但是价格相对过高 适合于尖端的测试领域 目前 国际上有两个 vxi 总线组织 一是 vxi 联盟 负责制定了 vxi 的硬件 仪器级 标准规范 包括机箱背板总线 电源分布 冷却系统 仪器模块的电器特性 机械特性 电磁兼容性以及系统资源管 理和通讯规程等内容 二是 vxi 总线即插即用 vxl plug play 简称 vpp 系统联盟 其宗旨是通过制定 一系列 vxi 的软件 系统级 标准来提侈 个开放性的系统结构 真正实现 vxi 总线产 品的 即插即用 这两套标准组成了 vxi 标准体系 实现了 vxi 的模块化 系列化 通用化以及 vxi 仪器的互换性和互操作性 现在 vxi 总线虚拟仪器因其集成化 标 准化 快速的数据传输能力和良好的电磁兼容性而发展迅速 将会成为未来计算机仪 器发展的主流 4 pxi pci extension for instrumentation 是 pci 在仪器领域的扩展 ni 公司于 1997 年发布了这种全新的开放性 模块化仪器总线规范 制定 pxi 规范的目的是为了 将普通的 pc 机的性能价格比优势 与 pci 总线面向仪器领域的必要扩展完美地结合起 来 形成一种主流的虚拟仪器测试平台 其核心是 compact pci 结构和 microsoft windows 软件 pxi 是在 pci 内核技术上增加了成熟的技术规范和要求形成的 pxi 增加了用于多 板同步的触发总线和参考时钟 精确定时的星型触发总线 相邻模块问高速通信的局 部总线等 以此来满足试验和测量用户的要求 pxi 兼容 compact pci 机械规范 并增 加了主动冷却 环境测试 温度 湿度 振动和冲击试验 等要求 这样一来 可保证多 家厂商产品的互操作性和系统的易集成性 pxl 系统的价格高于 daq 系统 低于 gpib 和 vxi 系统 又具有良好的性能 是组建模块化仪器系统的良好选择 计算机与数据采集卡组成了虚拟示波器的硬件平台的基础 数据采集卡是虚拟示 波器的重要组成部件 其性能指标直接影响着虚拟示波器的采样速率 精度等主要指 标的因素 cpu 的速度及计算机的内存影响着示波器处理数据的速度 计算机的硬盘 决定它的存储数据的容量 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 15 页 15 labview 中数据采集库包含了许多有关采样和生成数据的函数 它们与 ni 的插 卡式或远程数据采集产品协同工作 数据采集卡是进行高速直接控制以及低速控制的 理想设备 由于数据采集卡价格低廉 操作携带方便 因此大大的降低了每个通道的 成本 商用的数据采集卡虽具有较大的通用性 但其价格昂贵 在具体的应用场合 有 些功能可能并不实用 普通声卡 具有 16 位的量化精度 数据采集频率是 44 khz 完 全可以满足特定应用范围内数据采集的需要 个别性能指标还优于普通商用数据采集 卡 而价格却为商用数据采集卡的十几分之一甚至几十分之一 本文选用普通声卡作 采集卡大大降低了成本 数据采集系统的任务是采集原始的数字信号 其主要指标有采样精度 采样速度 采样精度由转换器的位数来决定 而采样速度是与采样频率不可分的 从提高精度的 角度出发 模数转换器的位数与采样频率之问是相互制约的 数据采集卡的选择主要与采样率 测量通道 分辨率和测量精度有关 采样率即在单位时间内的测量次数 一般用 hz 即采样频率来表示 采样率的选择 取决于被测量的信号的变化速度 根据奈奎斯特采样定理 所需的采样频率应为所测 信号的最高频率分量的两倍以上 即应选用 100khz 的板卡才能完成最高频率为 50khz 的被测信号的测量工作 测量通道是整个系统所需测量的信号数量 产品不同 可测量的通道数也不同 在选取产品时需要注意以下几点 可测通道数是否满足系统要求 在需要差分输入测 量时 板卡上有无差分输入以及差分输入的通道数 在测量通道数多时 应注意产品 能否扩展及最多可扩展的通道数 测量中都需将模拟信号经 a d 转换成二进制的数字信号 分辨率就是将满量程信 号经 a d 转换后得到的二进数的位数 分辨率越高 意味着可检测出来的电压变化越 小 它和测量范围 可测量的最高电平和最高电平 及增益 板卡的放大倍数 一起 决定了该板卡可测的最小电压变化量 也称为二进码的宽度 现在产品中有 8 位 12 位 18 位 6 位的最多 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 16 页 16 2 2 软件设计方案 2 2 1 软件设计 虚拟示波器是基于计算机的虚拟技术 用以模拟通用示波器的面板操作和处理功 能 也就是使用个人计算机及其接口