基于LabWindows/CVI的虚拟示波器研究与设计

　　本文介绍了基于LabWindows/CVI 的虚拟示波器设计方法，首先介绍了数据采集系统的设计，然后给出了LAN接口的设计，最后重点给出了虚拟仪器的系统软件设计。经过实例分析证明，该虚拟示波器具备了传统示波器的基本功能，各项功能均能达到指定要求。与传统示波器相比，该虚拟示波器具有开发成本低、开发周期短、升级和维护容易等优点，而且用户可以根据需要进行扩展，方便实现人机交互。

　　0 引言

　　随着虚拟仪器技术的发展，采用“虚拟仪器”来取代传统仪器的新的测量方法正在逐步取代传统的测控系统。虚拟仪器技术就是利用计算机技术和仪器技术，结合高效的各类软件平台来完成各种测量的技术。与传统的仪器相比虚拟仪器具有开发成本低、开发周期短、升级、维护容易和增加了系统的灵活性等特点。

　　虚拟仪器利用各种通信端口完成对信号的采集和调理，利用计算机的强大处理能力对数据进行运算和分析，利用监控软件模拟各种仪器的操作界面。

　　虚拟仪器主要包括3 个组成部分：高效的应用软件、模块化的I/O硬件和用于集成的软硬件平台。

　　本文虚拟示波器界面采用LabWindows/CVI平台开发。LabWindows/CVI是NI公司推出的交互式C语言开发平台。LabWindows/CVI将功能强大、使用灵活的C语言平台与用于数据采集分析和显示的测控专业工具有机的结合起来，利用它的集成开发环境、交互式编程方法、函数面板和丰富的库函数大大增强了C 语言的功能，为设计人员编写检测系统、自动测试环境等应用软件提供了一个理想的软件开发环境。

　　1 系统整体框架

　　1.1 系统组成

　　系统组成框图如图1所示。

　　1.2 数据采集系统的设计

　　数据采集卡是虚拟示波器的硬件基础，本文采用绿扬电子的数字示波器YB54500的内部数据采集卡采集数据。其基本的工作原理为：被测量信号经过通道送入数据采集电路，经过数据采集板上的交直流选择电路、滤波电路、衰减电路、放大电路再通过AD 采样量化后送入到数据存储卡中。

　　LabWindows/CVI通过LAN口获取数据存储卡中的的数据，再通过虚拟界面显示波形和数据，从而获得近似真实仪器的测试结果。
 

　　1.3 LAN接口设计

　　使用网络化的虚拟仪器，可方便人们在异地交换数据，与传统仪器相比，在网络化仪器环境条件下，被测对象可以通过测试现场的普通仪器设备将测得数据通过网络传输给异地的高档次的仪器去分析、处理；能实现测量信息的共享；可掌握网络节点处信息的实时变化的趋势。

　　本文上位机通过LAN与YB54500的内部数据采集模块相连，LAN 的传输速率高（10 Mb/s），且易于扩展，方便在同一台计算机上控制多个设备。

　　数据采集端的网口硬件电路图如图2所示。

　　2 软件设计

　　2.1 虚拟仪器的软件开发工具

　　虚拟仪器必须要具有良好的操作环境和强大的处理能力。本系统选择LabWindows/CVI 软件平台。

　　LabWindows/CVI的用户界面编程器可以创建并编译图形用户界面（GUI），用户界面库函数可以在程序中创建并控制GUI.LabWindows/CVI 中仪器库包含GPIB、VXI和RS 232等仪器的驱动程序。LabWindows/CVI的功能强大还在于它提供了丰富的库函数，可以实现复杂的数据采集和仪器控制系统的开发。

　　2.2 波形显示模块

　　测量波形采用LabWindows/CVI中提供的Graphs来显示，将采集的数据保存在动态数组中，对数据进行时域分析并画出波形图。数据也可经过运算后再显示，波形运算包括通道1和通道2的波形的相加、相减、相乘和相除。

　　2.3 波形分析模块

　　波形分析是将时域信号通过一定的数学运算转换成频域信号，可以更加方便地对信号进行研究分析。

　　2.4 信号调节模块

　　信号调节模块主要完成信号的垂直增益和水平增益的调节。图3为信号调节模块程序流程图。

　　2.5 程控命令树

　　本系统中包含16个子程控命令树，TIMEBASE根级子系统命令、CHANNEL1和CHANNEL2根级子系命令、TRIGGER根级子命令系统等。以波形运算程控命令树为例，如图4所示。

　　2.6 TCP协议与TCP库

　　TCP 协议（Transmission Control Protocol,传输控制协议）在IP 协议之上。与IP 协议提供不可靠传输服务不同的是，TCP协议为其上的应用层提供了一种可靠传输服务。这种服务的特点是：可靠、全双工、流式和无结构传输。

　　LabWindows/CVI 的TCP 库函数提供了与平台无关、面向连接的、字节流网络通信协议编程接口。

　　下面是LAN通信代码实例：

　　3 结果分析

　　根据上述的软件设计思想，完成图3虚拟界面的设计。以正弦波信号为例进行分析，结果如图5所示。

　　虚拟示波器的功能包括：

　　（1）通道垂直偏转系数开关（VOLTS/DIV）：调节通道衰减档位偏转系数；（2）显示屏：显示波形及相关信息的主要输出界面；（3）通道功能键：用来打开或关闭对应通道及菜单；（4）通道垂直位移旋钮：用来调节通道波形垂直位移；（5）触发电平调整旋钮（LEVEL）：根据触发电平决定扫描开始的位置；（6）运行/停止功能键：按一次波形停止，再按一次波形运行；（7）自动功能键：按一下此键自动捕获波形的相关数据在屏上准确显示；（8）运算功能键：按下该键打开或关闭运算功能及菜单；（9）LAN接口：外接网线。

　　4 结语

　　虚拟仪器的出现，彻底打破了传统仪器由厂家定义功能，用户无法改变的模式。用户可以根据自己的需求，设计仪器系统。随着电子技术的不断发展虚拟仪器正向着智能化、网络化的形式迈进。基于LAN 设计的虚拟示波器满足了工业智能控制系统的要求，有效的降低了监控、测控工作的人力和财力投入。虚拟仪器结合了计算机技术与测量技术，开创了个人计算机仪器时代，是测量仪器工业发展的一个里程碑。