基于LabVIEW的虚拟数字示波器设计

黄为　付宏涛

摘 要：利用LabVIEW集成开发环境，给出了虚拟数字示波器的具体设计思路与方法。所设计的虚拟示波器除了具有传统数字示波器通用功能外，还增加了许多扩展功能，如：滤波及加窗函数处理、频谱分析、信号相关性分析、失真分析、波形的运算等等，其成本低廉，功能可根据应用的需要不断地扩展。在相关的工程应用以及电子、通信类学科的教学中有普遍的借鉴作用。

关键词：LabVIEW;虚拟仪器;虚拟数字示波器;

0 引言

虚拟技术、计算机通信技术及网络技术被称为21世纪科学技术中的三大核心技术。随着大规模集成电路技术、信号分析与处理技术、计算机技术和网络技术的迅速发展及其在电子测量技术与仪器上的应用，电子测量仪器的功能和作用发生了质的变化[1-2]，从传统的模拟仪器发展到数字化仪器，再到智能仪器及虚拟仪器。

传统的仪器是由仪器厂家设计并定义好功能的一个的实体装置，每种仪器只能实现一类特定的测量功能。数字化仪器的出现使测量仪器的应用更加的灵活方便、精准可靠，其中数字示波器是最典型的、通用的、精密的一种测量与分析仪器，它在工农业、军事、科教中得到了广泛的应用。本设计中的虚拟示波器不仅实现了实际数字示波器的波形显示及参数测量功能，而且还包含了许多传统的数字示波器所不具备的功能，并且还可以根据需要有许多特定的功能扩展。

1 虚拟仪器

虚拟仪器是虚拟技术的一个很重要的组成部分，虚拟仪器系统总体上是有硬件和软件两部分构成，它最大限度的利用计算机系统的软、硬件资源，用功能强大的软件去代替传统仪器的大部分硬件功能来完成对信号数据的采集、运算、分析及处理工作，实现了软件即是仪器的思想，使测量仪器在系统开发、系统集成及功能扩展等等方面得到了很大的进步。

虚拟仪器具有研发周期短、成本低、性能高以及组建系统灵活等特点，而且易于实现网络化，特别适应于现代科学技术及科学研究所要求的测量与控制需求[3-4]。

虚拟仪器根据采用总线方式的不同大致可分为五种类型：PC总线插卡型虚拟仪器、并行口型虚拟仪器、GPIB总线式虚拟仪器、VXI总线式虚拟仪器及PXI总线式虚拟仪器。

虚拟仪器的开发软件包括LabVIEW、LabWindows/CVI、VEE等，而以LabVIEW应用最为广泛[5-7]。LabVIEW是一种图形化的编程语言，它用图标表示函数，用连线表示数据流。LabVIEW中包含了大量的工具与函数用于数据采集、分析、显示、存储及打印等等功能[8]。它的出现很大程度上把工程师及科研人员从繁杂的编程工作中解放出来，从而有更多的精力用于工程设计本身。

2 虚拟示波器硬件构架

该虚拟示波器就是基于PXI总线式虚拟仪器来设计的。其硬件由PXIe-1071、PXIe-8840、 PXIe-6341及SCB-68A构成的，如图1所示。PXIe-1071是一个4槽机箱，接口是PXIe接口。PXIe-8840是用于PXI系统的嵌入式2.6GHZ四核处理器，它包含两个10/100/1000BASE-TX以太网端口、两个USB3.0端口和四个USB2.0端口以及一个集成硬盘驱动器、串行端口和其他外设I/O。PXIe-6341是一个PXI多功能I/O模块，它提供了模拟I/O、数字I/O和四个32位计数器/定时器，用于PWM、编码器、频率、事件计数等应用。SCB-68A用于DAQ设备的屏蔽式68针接线盒。它包括两排I/O接线端，2个通用面包板区域以及板载冷端温度补偿传感器。它用来连接传感器及其他外来的测量信号。

3 虚拟示波器的软件设计

本虚拟示波器主要由采集通道模块、信号发生器模块、波形测量模块、波形显示、运算及分析等模块组成，在前面板中设计了CH1和CH2两个信道，分别由两个布尔开关来控制通断，用一个选项卡控件分别放置了仿真信号测量、实际信号测量、其它测量功能和其它扩展功能四个选项，其中其它扩展功能项可以作为今后示波器新增功能设计时备用，仿真信号测量项可以在CH1和CH2两通道分别给出Sine、sawtoot、square、triangle等类型信号进行测量并显示，实际信号测量项是用于从采集卡输入的实际信号的显示与测量的。每个选项中包含有各自的参数设置。淡蓝框区域为波形显示区域，显示的波形可以沿时间轴进行方便的时移。左下部分为信号参数测量部分，对信号的频率、幅值、均值、最高低电平等等参数进行测量并显示其测量值。右中部分为时基调整旋钮和一些开关控件以及CH1、CH2两通道的幅值和偏移量调整旋钮，由于旋钮调整不易实现精准调整，所以分别都增加了一个用于细调的输入控件，只要把光标放在某一个位数上，再按左边的上下加减按钮就可以实现对波形的细微调整。右下部分为MATH功能区，也具有幅值和偏移量的粗、细调功能。在设计中还将CH1/CH2/MATH通道的波形以及其相应的旋钮分别用蓝红绿三种不同颜色来区分，使得观测者一目了然。如图2所示。

在通道设计中用一个选项卡控件和一个条件结构控件来实现测量方式选择功能，再用一个CH1和CH2开关控件和条件结构控件来实现测量通道选择功能，用波形发生器来产生仿真波形。如图3所示。利用旋钮控件和公式控件来对波形信号的幅值和偏移量粗调，同时使用获取波形成分和創建波形控件以及一些算术运算操作来实现幅值和偏移量的细调。如图4所示。

在MATH功能模块设计中利用了几个嵌套的条件结构控件，并将CH1、CH2两个布尔控件所产生的局部变量作为判断条件来进行相应的MATH运算，这样可以避免在程序运行当中在MATH开关开启时，若是先关掉CH1或CH2开关就会出现dt不同的错误而造成程序意外终止的情况，程序设计如图5所示。解决这种问题的另一个办法是在条件结构判断前面先调整给定两通道信号一致的dt值。

4 虚拟示波器信号实测

对于本虚拟示波器，我们进行了实际信号的测量检验。将信号发生器用信号线连接到采集卡的模拟输入螺栓端子上，将模拟输入通道设置为螺栓端子对应的端口，待信号发生器输出信号后即可用采集卡采集输入信号，并显示在波形图上。信号发生器给定的信号是幅值2V、频率50Hz的Sine和Square，用此虚拟示波器测得的信号参数和显示的波形完全准确。

5 结束语

利用虚拟技术设计的本虚拟示波器，设计界面清晰、简洁，操作简单方便、可靠，对实际信号能够进行准确测量、显示，并可以对其进行各种数据分析和处理，且精度高，重复性好。本虚拟示波器留有扩展区域，在此基础上可根据工程实际需要添加其它特定功能，并把它集成到系统中，从而能更好地满足工程需求。此设计对相应专业的学生及工程应用人员具有一定的借鉴作用。

参考文献：

[1] 张毅刚. 虚拟仪器技术介绍. 国外电子测量技术[J]，2006，25（6）：1-6.

[2] 伍星华，王旭. 国内虚拟仪器技术的应用研究现状及展望. 现代科学仪器[J]，2011，（4）：112-116.

[3] 李国原，冯启高.虚拟仪器技术及其开发与应用. 自动化仪表[J]， 2002，23（7）：4-6.

[4] 姜志玲.虚拟仪器技术在自动测试系统中的应用. 现代电子技术[J]， 2004，（12）：82-83.

[5] 杜子焓. 基于虚拟仪器的窃电预警系统设计. 电力与能源进展[J]， 2018， 6（4）： 152-160.

[6] 董瀚骏， 伍天泽， 黄渝强. 基于虚拟仪器的智能家居系统设计与实现. 计算机科学与应用[J]， 2016， 6（8）： 477-484.

[7]陈慧涛.基于LabVIEW陀螺电机自动化测试系统设计研究[D].华中科技大学，2016.

[8] 候国屏等. LabVIEW编程与虚拟仪器设计[M]. 北京：清华大学出版社，2005.

作者简介：

黄为（1967-），男，汉族，湖北武汉人，华中科技大学人工智能与自动化学院，高级工程师，主要研究方向为传感器技术、检测技术应用及虚拟仪器研究。