一种基于USB-4704的电子电路虚拟测量系统设计

卞建勇

（东莞职业技术学院 电子工程系，广东 东莞 523808）

由于传统的电子测量测试仪器设备的功能固定、单一（如示波器、信号发生器、频谱分析仪等），使得使用传统仪器的电子专业实验、实训等电子电路测量领域通常需要多种测量仪器配合使用，不同的电子电路测量所使用的仪器也不尽相同，仪器之间存在功能缺失或冗余现象，耗费了大量的硬件投入成本，后续的设备更新成本也非常高[1]。

跟传统仪器相比，虚拟仪器（Virtual Instrument，VI）开创了电子测量和测试仪器发展的新纪元。虚拟仪器是随着仪器技术与计算机技术的发展而产生的一种新的仪器。它通过图形化的程序设计软件在计算机屏幕上设计出虚拟仪器操作和显示前面板，通过数据采集卡等硬件对信号进行采样，再利用软件通过计算机处理器实现对信号的运算、分析和处理，最终在虚拟仪器操作和显示前面板上对测量结果进行显示。对于整个虚拟仪器系统而言，数据采集卡等硬件的作用主要是实现对信号的输入、输出和调理，用户自己设计的便于增加和减少仪器功能的软件程序才是整个虚拟仪器系统的最大的特色，这样的特色彻底克服了传统仪器功能固定、单一的不足，突出了虚拟仪器使用方便、灵活、功能强大、便于维护、易于升级、性价比高等优势。

基于此，作者使用LabVIEW和Advantech（研华）公司的USB-4704数据采集卡设计了一款集数字示波器 （带频谱分析功能）、信号发生器于一体的电子电路虚拟测量系统。

1 硬件部分

USB-4704是Advantech公司生产的一款基于USB2.0接口的数据采集卡，它包含了数据采集、模/数转换、信号调理等完善的功能电路，具体技术参数有：1）8路14bit的模拟输入通道（可接成 4路差分输入）；2）2路 12bit的模拟输出通道；3）8路TTL 数字输入通道；4）8 路 TTL 数字输出通道；5）32 bit，5 MHz的计数器；6）具有A/D外部触发功能[2]。这些技术参数使得专业技术人员可以利用该采集卡设计虚拟示波器、虚拟频谱分析仪、虚拟信号发生器、虚拟逻辑分析仪等一系列功能集成于一身的电子电路多功能虚拟测量系统，同时使得设计工作的重心落在了系统软件设计上，减轻了专业技术人员的设计难度。

2 软件设计

软件设计是设计电子电路虚拟测量系统的关键。LabVIEW是一种基于G语言的虚拟仪器软件开发工具，广泛应用于数据采集与控制、数据分析、数据处理等方面。因此，电子电路虚拟测量系统的软件采用LabVIE软件进行编程设计，并采用模块化程序设计思想编写[3]，每个功能的实现由一个模块完成，如图1虚拟测量系统程序结构图所示，软件系统总体包括虚拟示波器和虚拟信号发生器两个大模块，虚拟示波器又包含通道选择、触发控制、时基控制、数据采集、数据处理、波形显示、参数测量（电压、相位、功率）、数据存储等模块；虚拟信号发生器包含波形设定、通道控制、数据处理、波形输出和波形显示等模块。

图1 虚拟测量系统程序结构图Fig.1 Virtual measurement system's program structure diagram

图2 为电子电路虚拟测量系统前面板，图3为电子电路虚拟测量系统程序流程图，测量系统框图程序由一个二分支的事件结构构成，前面板的“虚拟示波器”或“信号发生器”按钮为事件触发按钮。程序运行后，点击前面板的“虚拟示波器”或“信号发生器”按钮，程序将自动执行程序框图中相应的“虚拟示波器”或“信号发生器”子程序模块，并弹出相应的“虚拟示波器”或“信号发生器”前面板操作界面。

图2 虚拟测量系统前面板Fig.2 Virtual measurement system's front panel

图3 虚拟测量系统程序流程图Fig.3 Virtual measurement system's program flow chart

2.1 虚拟示波器子模块软件设计

如图4虚拟示波器子模块前面板和图5虚拟示波器子模块程序流程图所示，虚拟示波器子模块程序主要由通道选择、触发控制、时基控制、数据采集、数据处理、波形显示、参数测量（电压、相位、功率）、数据存储等模块构成。通道选择主要控制单、双通道测量，采样通道的设定，硬件增益和采样点数的设定；触发控制包括对触发方式、触发源、触发电平和触发极性的设定；时基控制主要是对时基和幅度的设定；数据采集模块主要通过Advantech采集卡自带的多通道模拟电压采集子函数MAIVoltageIn.vi来控制USB-4704数据采集卡进行数据采集；数据处理主要是对采样数据的滤波等处理；波形显示是根据模式设定将采集到的数据进行波形显示；参数测量主要包括对电压、相位和功率的测量；数据存储负责将采集到的数据输出到指定的文件，通过相应的按钮操作可以将数据进行回放显示[4-6]。

图4 虚拟示波器子模块前面板Fig.4 Sub-module's front panel of virtual oscilloscope

图5 虚拟示波器子模块程序流程图Fig.5 Sub-module's program flow chart of virtual oscilloscope

2.2 虚拟信号发生器子模块软件设计

如图6虚拟信号发生器子模块前面板和图7虚拟信号发生器子模块程序流程图所示，虚拟信号发生器子模块程序主要由波形设定、通道控制、数据处理、波形输出和波形显示等模块构成。波形设定主要负责对信号发生器产生的波形的相关参数进行设定；通道控制主要负责对信号输出通道进行设定；数据处理主要负责对波形数据进行相关处理；波形输出集模块主要通过Advantech采集卡自带的模拟电压输出子函数AOVoltageOut.vi来控制USB-4704数据采集卡进行波形输出；波形显示模块负责对输出的波形进行显示[6-8]。

图6 虚拟信号发生器子模块前面板Fig.6 Sub-module's front panel of virtual signal generator

图7 虚拟信号发生器子模块程序流程图Fig.7 Sub-module's program flow chart of virtual signal generator

3 结束语

利用Advantech公司的USB-4704数据采集卡及LabVIEW开发环境设计的电子电路虚拟测量系统基本实现了传统的双踪示波器的显示、测量功能，基本实现了传统信号发生器的信号产生功能，而且还实现了频谱分析功能以及对波形数据的存储和回放等功能，相比较于传统的单一功能的仪器设备成本低廉，系统界面友好，操作简单，修改方便，可扩展性极强，与传统仪器相比，虚拟仪器的经济性、灵活性和可扩展性等方面都有独特的优势，虚拟仪器的出现给电子电路测量仪器的建设带来了新的契机，必将广泛应用于科研、教学以及生产等领域。

[1]陆绮荣.基于虚拟仪器技术个人实验室的构建[M].北京:电子工业出版社，2006.

[2]Advantech Corporation.USB-4704 UserManual[Z].Advantech Corporation，2009.

[3]陈锡辉，张银鸿.LabVIEW8.20程序设计从入门到精通[M].北京:清华人学出版社，2008.

[4]黄振贤.一种基于USB-6008的简易虚拟示波器设计[J].山东理工大学学报，2011，25（1）:107-110.HUANG Zhen-xian.A simple virtual oscilloscope’s design based on USB-6008[J].Journal of Shandong University of Technology，2011，25（1）:107-110.

[5]谢剑锋，车开森，黄澜涛，等.基于高速数据采集卡PCI-6143的虚拟示波器设计[J].工业控制计算机，2010，23（2）:3-5.XIE Jian-feng，CHE Kai-sen，HUANG Lan-tao，et al.A virtual oscilloscope’s design based on high-speed data acquisition card PCI-6143[J].Industrial Control Computer，2010，23（2）:3-5.

[6]Advantech Corporation.Device Driver’s Manual[Z].Advantech Corporation，2006.

[7]周大鹏，常峰，何光普.基于虚拟仪器的函数信号发生器设计[J].乐山师范学院学报，2009，24（5）:34-35.ZHOU Da-peng，CHANG Feng，HE Guang-pu.Function generator’s design based on virtual instrument[J].Journal of Leshan Teachers College，2009，24（5）:34-35.

[8]李广才，聂东.一种新型多功能虚拟信号发生器的设计[J].肇庆学院学报，2008，29（2）:25-28.LI Guang-cai，NIE Dong.A new multi-function virtual signal generator’s design[J].Journal of Zhaoqing University，2008，29（2）:25-28.