基于LabVIEW的虛擬示波器的教學(xué)運(yùn)用

潘 麗

(1.西北師范大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院，蘭州 730070；2.蘭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程系，蘭州 730070)

引言

電子專業(yè)教學(xué)相對(duì)于其他專業(yè)來(lái)說(shuō)具有更新快、教學(xué)成本高等特點(diǎn)。對(duì)于電子專業(yè)在教學(xué)過(guò)程中所用到的各種教學(xué)儀器很難做到每位學(xué)生人手一臺(tái)，尤其是作為日常運(yùn)用的示波器。這對(duì)于教學(xué)工作的開(kāi)展以及學(xué)生實(shí)踐能力的提高有很大的局限性。然而基于LabVIEW的虛擬儀器可以很好地解決這一問(wèn)題。

1 虛擬儀器概述

1.1 LabVIEW軟件的優(yōu)點(diǎn)

LabVIEW由美國(guó)NI公司研發(fā)，是一種圖形化的編程語(yǔ)言，它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接受，視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。LabVIEW集成了與滿足GPIB、VXI、RS-232和RS-485協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能。它還內(nèi)置了便于應(yīng)用TCP/IP、ActiveX等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫(kù)函數(shù)。利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器，其圖形化的界面使得編程及使用過(guò)程都生動(dòng)有趣，在教學(xué)過(guò)程中可以極大地調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。

1.2 虛擬儀器

虛擬儀器(Virtual Instrument，簡(jiǎn)稱VI)是計(jì)算機(jī)技術(shù)與儀器技術(shù)深層次結(jié)合產(chǎn)生的全新概念的儀器。虛擬儀器技術(shù)就是利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合軟件來(lái)完成各種測(cè)試、測(cè)量和自動(dòng)化的應(yīng)用。這是虛擬儀器近30年來(lái)始終引領(lǐng)測(cè)試測(cè)量行業(yè)發(fā)展的原因所在。虛擬儀器技術(shù)具有高性能、高擴(kuò)展性、開(kāi)發(fā)時(shí)間短、出色的集成四大優(yōu)勢(shì)。這些優(yōu)點(diǎn)也能使其在電子專業(yè)的教學(xué)過(guò)程中大展身手。

1.3 基于于LabVIEW的虛擬儀器的模型

虛擬儀器靈活高效的LabVIEW軟件能幫助用戶創(chuàng)建完全自定義的界面，模塊化的硬件能方便地提供全方位的系統(tǒng)集成，標(biāo)準(zhǔn)的軟硬件平臺(tái)能滿足對(duì)定時(shí)和同步應(yīng)用的需求。這就是基于LabVIEW的虛擬儀器的模型。

1.3.1 虛擬儀器的硬件構(gòu)成

虛擬儀器的硬件構(gòu)成有多種方案，通常采用以下幾種：

(1)基于數(shù)據(jù)采集的虛擬儀器系統(tǒng)；

(2)基于通用接口總線GPIB的儀器系統(tǒng)；

(3)利用VXI總線儀器實(shí)現(xiàn)虛擬儀器系統(tǒng)；

(4)基于串行口或其他工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線的系統(tǒng)。

在本設(shè)計(jì)中采用的是基于數(shù)據(jù)采集的虛擬儀器系統(tǒng)，這種方式借助于插入計(jì)算機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)采集卡與專用的軟件如LabVIEW(或LabWindows/CVI)相結(jié)合，通過(guò)A/D 變換將模擬、數(shù)字信號(hào)采集到計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析、處理、顯示等，并可通過(guò)D/A 轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)反饋控制，根據(jù)需要還可加入信號(hào)調(diào)理和實(shí)時(shí)DSP 等硬件模塊。本設(shè)計(jì)采用的是MPS-080102是一款基于USB總線的高性能24位信號(hào)采集卡，能采集兩路電壓信號(hào)并將數(shù)據(jù)傳送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析、顯示和記錄。MPS-080102集成了兩路24位高分辨率ADC，采樣率可調(diào)，最高能達(dá)到每秒9.7萬(wàn)，差分輸出，量程正負(fù)10V。適合設(shè)計(jì)要求。

1.3.2 虛擬儀器的軟件體系構(gòu)成

(1)I/O 接口軟件；

(2)儀器驅(qū)動(dòng)程序；

(3)應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境。

2 示波器的制作

2.1 硬件連接

連接宿主PC 機(jī)和數(shù)據(jù)采集卡，該連接驅(qū)動(dòng)程序較為簡(jiǎn)單，在此不作詳細(xì)介紹。

2.2 設(shè)計(jì)前面板

如圖3所示，前面板設(shè)計(jì)主要是對(duì)虛擬示波器的波形進(jìn)行顯示,是示波器的主體部分。它主要包括3種顯示方式:通道1,通道2；stop開(kāi)關(guān)控制2個(gè)通道波形的顯示,可以根據(jù)需要打開(kāi)或關(guān)閉對(duì)應(yīng)的波形；按下停止采集按鈕,示波器將停止工作。

為了判讀準(zhǔn)確、方便,在顯示區(qū)設(shè)置了網(wǎng)格線和光標(biāo)。網(wǎng)格間距大小與X、Y軸刻度相同,可以由用戶自己定義,光標(biāo)有2個(gè),可以由用戶選定顏色,同時(shí)在控件下面的顯示區(qū)能夠自動(dòng)顯示光標(biāo)所在位置的數(shù)值,可以精確定位。

用戶可以通過(guò)波形設(shè)置的彈出菜單設(shè)定波形曲線的各種屬性,包括波形的名稱、圖形表示方式、數(shù)據(jù)點(diǎn)風(fēng)格、線型、線寬、顏色等等。在多條波形曲線同時(shí)顯示的情況下, 通過(guò)設(shè)置波形曲線的不同屬性, 如每條波形用不同的顏色或不同的線形來(lái)表示, 或根據(jù)信號(hào)代表的實(shí)際物理量名稱給每條波形賦予了一個(gè)一目了然的名字。直觀地區(qū)分不同信號(hào)的波形通過(guò)波形顯示控件自帶的控制模板, 不但可以快捷地調(diào)準(zhǔn)控件外觀, 還可以在程序運(yùn)行中實(shí)現(xiàn)波形的動(dòng)態(tài)調(diào)準(zhǔn), 如放大、縮小或移動(dòng)所顯示的波形，還可以改變X、Y軸的刻度值, 從而有針對(duì)性地對(duì)波形中感興趣的部分進(jìn)行詳細(xì)的觀察。

2.3 編寫程序框圖

2.3.1 繪制示波器界面

通知wait，一方面作示波延時(shí)用，另一方面監(jiān)聽(tīng)新的數(shù)據(jù)，如果有新的數(shù)據(jù)到來(lái)，便將上次未繪制完的數(shù)據(jù)丟棄，用新的數(shù)據(jù)來(lái)繪制。

繪制示波器界面，程序框圖如圖4、圖5所示。

2.3.2 監(jiān)控運(yùn)行程序塊

響應(yīng)用戶操作，這部分由一個(gè)簡(jiǎn)單的事件結(jié)構(gòu)構(gòu)成，根據(jù)事件選擇的不同處理不同的事務(wù)。示波器采樣頻率設(shè)置并發(fā)送到實(shí)驗(yàn)箱。程序框圖如圖6、圖7所示。

2.3.3 同步采樣頻率

實(shí)現(xiàn)和其他AD 應(yīng)用程序的采樣頻率同步，程序框圖如圖8所示。

2.3.4 連機(jī)調(diào)試

在PC端運(yùn)行VI程序，連接成功后，面板狀態(tài)應(yīng)有相應(yīng)變化。如圖9所示。

在實(shí)驗(yàn)箱的示波器信號(hào)輸入端口(CHA)輸入信號(hào)，比如正弦波：5000Hz，在前面板可觀察到如圖10所示的界面。

3 結(jié)論

如今，虛擬儀器系統(tǒng)廣泛地應(yīng)用在通訊、自動(dòng)化、半導(dǎo)體、航空、電子、電力、生化制藥和工業(yè)生產(chǎn)等各種領(lǐng)域。在電子專業(yè)教學(xué)成本高的前提下，PC機(jī)加數(shù)據(jù)采集卡的模式大大節(jié)約了教學(xué)成本，并且具有更好的可開(kāi)發(fā)性，除了虛擬示波器，虛擬萬(wàn)用表、虛擬信號(hào)發(fā)生器、虛擬IO控制、虛擬傳感器、虛擬動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀、虛擬邏輯分析儀、虛擬頻率計(jì)、虛擬計(jì)數(shù)器、虛擬脈沖發(fā)生器、虛擬任意波形發(fā)生器等等虛擬儀器都可以實(shí)現(xiàn)，相信基于LabVIEW的虛擬儀器在電子實(shí)驗(yàn)室及教學(xué)中運(yùn)用也會(huì)隨著時(shí)間的推移越來(lái)越廣泛。

參考文獻(xiàn)：

[1]張立學(xué).基于LabVIEW的虛擬數(shù)字示波器設(shè)計(jì)[J].長(zhǎng)沙大學(xué)學(xué)報(bào),2008，(5):66～69.

[2]楊樂(lè)平,呂荃軍.虛擬數(shù)字示波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].自動(dòng)化與儀器儀表,2001,38(12):29，33.

[3]楊樂(lè)平,李海濤,肖相生,等.LabVIEW程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用(2版)[M].北京：電子工業(yè)出版社,2005.

[4]王懷興.基于Labview的示波器仿真實(shí)驗(yàn)程序設(shè)計(jì)[J].湖北第二師范學(xué)院學(xué)報(bào),2008，(8):80，81，92.

[5]劉君華.基于LabVIEW的虛擬儀器設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003.

[6]張毅,周紹磊,楊秀霞.虛擬儀器技術(shù)分析與應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

[7]張重雄.虛擬儀器技術(shù)分析與設(shè)計(jì)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2007.