基于LabVIEW虚拟示波器设计Word格式文档下载.docx

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LabVIEW

Abstract

Thehypothesizedinstrumentisthemoderncomputersoftwareandhardwaretechnologyrapiddevelopmentproduct,itissubstitutingfortraditionalgraduallytheelectronicinstrumentation,isthemodernelectricianelectronicsurveyinginstrumentdevelopmentdirection.Thehypothesizedinstrumentmainlybythedataacquisition,dataanalysisprocessing,thedataoutputanddemonstratedthreepartsofmodulescompose.ItssoftwaredevelopmentplatformhasLabView,VC++andsoon.

Inthisfoundation,hasdesignedthehypothesizedoscilloscopeusingAmericanNICorporation'

shypothesizedinstrumentdevelopmentenvironmentLabVIEW,theintroductionhypothesizedoscilloscoperealizationprocess.Thisinstrumentiswith,thishypothesizedoscilloscopewhichcompilesbasedonpresenteinfiguresanddiagramsprogramminglanguageLabVIEW8iinvolvesthemainfunctiontoinclude:

Doublechannelsignalinput,triggeringcontrol,channelcontrol,timebasecontrol,profiledemonstration,parameterfromsurveyandsoon.Thishypothesizedoscilloscopedataacquisitionfunctionandtheordinaryoscilloscopearesame;

Profiledemonstrationpattern:

ChannelAorB,A+BandA-Bandsoon.Thetestresultindicated,thisarticledesignstwochanneldigitaloscilloscopesystemdesigniscorrect.

Keyword:

Virtualinstrument;

Oscilloscope;

引言

随着计算机技术的发展，传统仪器开始向计算机化的方向发展。

虚拟仪器是90年代提出的新概念。

虚拟仪器技术的提出与发展，标志着二十一世纪自动测试与电子测量仪器领域技术发展的一个重要方向。

所谓虚拟仪器，就是在通用的计算机平台上定义和设计仪器的测试功能，使用者操作这台计算机，就像是在使用一台专门设计的电子仪器。

传统台式仪器是由仪器厂家设计并定义好功能的一个封闭结构，它有固定的输入/输出接口和仪器操作面板，每种仪器实现一类特定的测量功能，并以确定的方式提供给用户。

从一般的仪器设计模型看，一种仪器无非是由数据采集、分析处理、人机交互和显示等几部分功能模块组成的整体。

因此我们可以设想在必要的数据采集硬件和通用计算机支持下，通过软件设计实现仪器的全部功能，这就是虚拟仪器设计的核心。

与传统仪器相比，虚拟仪器除了在性能、易用性、用户可定制性等方面具有更多优点外，在工程应用和社会经济效益方面也具有突出优势。

一方面，目前我国高档台式仪器如数字示波器、频谱分析仪、逻辑分析仪等还主要依赖进口，这些仪器加工工艺复杂、对制造水平要求高，生产突破有困难，采用虚拟仪器技术可以通过只采购必要的通用数据采集硬件来设计资金的仪器系统；

另一方面，用户可以将一些先进的数字信号处理算法应用于虚拟仪器，提供传统台式仪器不具备的功能，而且完全可以通过软件配置实现多功能集成的仪器设计。

因此，可以说虚拟仪器代表了未来测量仪器设计发展的方向。

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。

数字示波器是在科学研究和工程设计中广泛应用的一种通用仪器。

LabVIEW是NI推出的虚拟仪器开发平台软件，它们能够以其直观简便的编程方式、众多的源码级的设备驱动程序、多种多样的分析和表达功能支持，为用户快捷地构筑自己在实际生产中所需要的仪器系统创造了基础条件。

LabVIEW采用图形化编程语言--G语言，产生的程序是框图的形式，易学易用，特别适合硬件工程师、实验室技术人员、生产线工艺技术人员的学习和使用，可在很短的时间内掌握并应用到实践中去。

特别是对于熟悉仪器结构和硬件电路的硬件工程师、现场工程技术人员及测试技术人员来说，编程就像设计电路图一样；

因此，硬件工程师、现场工程技术人员及测试技术人员们学习LabVIEW驾轻就熟，在很短的时间内就能够学会并应用LabVIEW。

该仪器是用基于图形化编程语言LabVIEW8i而编写的,主要功能包括：

本虚拟仪器的数据采集的功能与普通示波器一样；

通道A或B、A+B及A-B等；

实验结果表明,该仪器具有较高的精度和稳定性,而且具有友好的人机界面。

第一章：

虚拟仪器

1.1虚拟仪器概述

虚拟仪器（virtualinstrumention）是基于计算机的仪器。

计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。

粗略地说这种结合有两种方式，一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。

随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统的仪器。

另一种方式是将仪器装入计算机。

以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能。

虚拟仪器主要是指这种方式。

下面的框图反映了常见的虚拟仪器方案。

虚拟仪器的主要特点有：

⏹尽可能采用了通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件。

⏹可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功能更强的仪器。

⏹用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。

虚拟仪器实际上是一个按照仪器需求组织的数据采集系统。

虚拟仪器的研究中涉及的基础理论主要有计算机数据采集和数字信号处理。

目前在这一领域内，使用较为广泛的计算机语言是美国NI公司的LabVIEW。

虚拟仪器的起源可以追朔到20世纪70年代，那时计算机测控系统在国防、航天等领域已经有了相当的发展。

PC机出现以后，仪器级的计算机化成为可能，甚至在Microsoft公司的Windows诞生之前，NI公司已经在Macintosh计算机上推出了LabVIEW2.0以前的版本。

对虚拟仪器和LabVIEW长期、系统、有效的研究开发使得该公司成为业界公认的权威。

普通的PC有一些不可避免的弱点。

用它构建的虚拟仪器或计算机测试系统性能不可能太高。

目前作为计算机化仪器的一个重要发展方向是制定了VXI标准，这是一种插卡式的仪器。

每一种仪器是一个插卡，为了保证仪器的性能，又采用了较多的硬件，但这些卡式仪器本身都没有面板，其面板仍然用虚拟的方式在计算机屏幕上出现。

这些卡插入标准的VXI机箱，再与计算机相连，就组成了一个测试系统。

VXI仪器价格昂贵，目前又推出了一种较为便宜的PXI标准仪器。

虚拟仪器研究的另一个问题是各种标准仪器的互连及与计算机的连接。

目前使用较多的是IEEE488或GPIB协议。

未来的仪器也应当是网络化的。

1.2虚拟仪器的特点

虚拟仪器与传统仪器相比，有以下6个特点。

1）传统仪器的面板只有一个，其上布置着种类繁多的显示与操作元件，易

导致许多识别与操作错误。

虚拟仪器与之不同，它可以通过在几个分面板上的操作来实现比较复杂的功能。

这样，在每个分面板上就可以实现功能操作的单纯化面板布置的简捷化，从而提高操作的正确性与便捷性。

同时，虚拟仪器面板上的显示元件和操作元件的种类与形式不受“标准件”和“加工工艺”的限制，它们是由编程来实现的，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。

2）在通用硬件平台确定后，由软件取代传统仪器中的硬件来完成仪器的功能。

3）仪器的功能是用户根据需要由软件来定义的，而不是事先由厂家定义好的。

4）仪器性能的改进和功能扩展只需更新相关软件设计，而不需购买新的仪器。

研制周期较传统仪器大为缩短。

5）虚拟仪器开放、灵活，可与计算机同步发展，与网络及其它周边设备互联。

6）决定虚拟仪器具有传统仪器不可能具备的特点的根本原因在于“虚拟仪器的关键是软件”。

虚拟仪器在工程应用和社会经济效益方面具有突出的优势。

目前，我国高档台式仪器，如数字示波器、频谱分析仪、逻辑分析仪等还主要依赖进口，因为这些仪器加工工艺复杂，对制造水平要求高，生产突破有困难，而采用虚拟仪器技术后，就可以通过只采购必要的通用仪器硬件来设计自己的高性能价格比的仪器系统。

1.3虚拟仪器现状及其发展趋势

1.3.1虚拟仪器的发展及特点

电子测量仪器发展至尽，大体可分为四代：

模拟仪器、分立元件式仪器、数字化仪器、智能仪器和虚拟化仪器。

仪器的发展过程

第一代——模拟仪器。

这类仪器在某些实验室仍能看到，是以电磁感应基本定律为基础的指针式仪器，如指针式万用表、指针式电压表、指针式电流表等。

这类指针式仪表借助指针来显示最终结果。

第二代——分立元件式仪器。

当20世纪60年代出现晶体管时，便产生了以电子管或晶体管电子电路为基础的第二代测试仪器——分立元件式仪器。

第三代——数字化仪器。

20世纪70年代，随着集成电路的出现，诞生了以集成电路芯片为基础的第三代仪器——数字化仪器。

这类仪器目前相当普及，数字电压表、数字频率计等。

这类仪器将模拟信号的测量转化为数字信号的测量，并以舒数字方式输出最终结果，适用于快速响应和较高准确度的测量。

第四代——智能仪器。

随着微电子技术的发展和微处理器的普及，以微处理器为核心的第四代仪器——智能仪器迅速普及。

这类仪器内置微处理器，既能进行自动测试，又具有一定的数据处理能力，可取代部分脑力劳动，习惯上称其为智能仪器。

其缺点是它的功能块全部都以硬件（或固化的软件）的形式存在，无论对开发还是针对应用，都缺乏灵活性。

目前，微电子技术和计算机技术飞速发展，测试技术与计算机深层次的结核症引起测试仪器领域里的一场新的革命，一种全新的仪器结构概念导致了新一代仪器——虚拟仪器的出现。

它是现代计算机计术、通信技术和测量技术相结合的产物，是传统仪器观念的一次巨大的变革，是传统仪器仪器观念的一次巨大变革，是仪器产业发展的一个重要方向。

它的出现使得人类的测试技术进入一个新的发展纪元。

国际上从1988年开始陆续有虚拟仪器产品面市。

当时有5家制造商推出了30种产品，此后，虚拟仪器产品成倍增加。

1.3.2虚拟仪器的发展方向

随着计算机、通信、微电子技术的不断发展，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是虚拟仪器发展的大趋势。

在国内网络化虚拟仪器的概念目前还没有一个比较明确的提法，也没有一个被测量界广泛接受的定义。

其一般特征是将虚拟仪器、外部设备、被测试点以及数据库等资源纳入网络，实现资源共享，共同完成测试任务。

使用网路化虚拟仪器，可以在任何地点、任意时刻获取到测量数据信息的愿望成为现实。

网路化虚拟仪器也适合异地或远程控制、数据采集、故障检测、报警等。

与以PC为核心的虚拟仪器相比，网络化将对虚拟仪器的发展产生一次革命，网络化虚拟仪器是仪器发展史上的又一次革命。

网络化虚拟仪器将由单台虚拟仪器实现的三大功能（数据获取、数据分析及图形化显示）分开处理，分别使用独立的基本硬件模块实现传统仪器的三大功能，以网线相连接，实现信息资源的共享。

1.4虚拟仪器的设计步骤

在LabVIEW平台下，一个VI有两部分组成：

前面板和流程图（或称后面板），前面板的功能等效于传统测试仪器的前面板；

流程图的功能等效于传统测试仪器与前面板相联系的硬件电路。

在设计时，要考虑硬件部分。

虚拟仪器的设计方法包括I/O接口仪器驱动程序的设计、仪器面板的设计与仪器功能算法的设计三部分。

（1）确定程序设计的总体方案

在编制虚拟仪器程序前，必须首先对程序进行总体设计分析：

一是要确定程序要实现的功能、要显示的图形对象、要输出的报表；

二是确定程序的层次关系，如主程序和子程序之间的关系等、虚拟仪器程序与硬件的连接关系等。

（2）I/O接口仪器驱动程序的设计

根据仪器的功能要求，确定仪器的接口标准。

如果仪器设备具有RS-232串行接口，则直接用连线将仪器设备与计算机机的RS-232串行接口连接即可；

如果仪器是GPIB接口，则需要额外配备一块GPIB-488接口板，建立计算机与仪器设备之间的通信渠道；

如果使用计算机来控制VXI总线设备，则也需要配备一块GPIB接口卡，通过GPIB总线与VXI总线、VXI主机箱零槽模块通信，零槽模块的GPIB-VXI翻译器将GPIB命令，并把各模块返回的数据以一定的格式传回主控计算机。

I/O接口仪器驱动程序是控制硬件设备的驱动程序，是连接主控计算机与仪器设备的纽带。

如果没有设备驱动程序，则必须针对I/O接口仪器设备编写驱动程序。

（3）确定虚拟仪器程序前面板

仪器前面板的设计指在虚拟仪器开发平台上，利用各类子摸板图标创建用户界面，即在前面板上布置实现所需功能的显示对象，这些对象包括开关旋钮控制、相量图、频谱图显示等，前面板布置好这些对象后，工程技术人员通过鼠标、键盘就可像操作传统仪器一样地操作虚拟仪器。

（4）构建图形化流程图

在LabVIEW开发环境中，后台流程图与前面板控制显示对象一一对应，开发人员的任务是通过连接不同的功能函数模块使数据流从输入对象经过处理传送到输出对象。

与传统的文本式程序设计一样，LabVIEW也有控制流程图功能执行部分，包括Sequence、CaseStatement、ForLoop、Whileloop结构，这些结构被描述成图形化的边界结构，开发人员不必注意传统设计所需的语法细节，只需直接将它们连接起来就可完成数据传递。

在编制大型复杂的虚拟仪器应用程序时，由于所用模块很多，这时必须考虑程序的层次结构，这可以通过灵活编制子程序、采用更为简单高效的计算原理等方式来实现。

（5）调试和优化程序

和传统程序一样，在编制虚拟仪器程序时，需要不断对程序进行调试分析，LabVIEW程序调试功能十分强大易用，可以灵活设定程序断点，进行带数据探针的单步运行，加亮执行程序进行数据流追踪判断。

同时，LabVIEW是目前唯一带有编辑器的图形化编程环境，他可根据用户编制程序自动产生最优化代码，加快程序运行速度。

另外，用户还可以利用内置的绘图器对程序代码部分进行分析和优化。

从上面五个方面可以看出，在计算机和仪器等资源确定的情况下，有不同的处理算法，就有不同的虚拟仪器。

软件在虚拟仪器的重要作用由此可见一斑。

第二章：

LabVIEW概述

2.1什么叫LabVIEW

LabVIEW是NI推出的虚拟仪器开发平台软件，它们能够以其直观简便的编程方式、众多的源码级的设备驱动程序、多种多样的分析和表达功能支持，为用户快捷地构筑自己在实际生产中所需要的仪器系统创造了基础条件。

LabVIEW采用图形化编程语言--G语言，产生的程序是框图的形式，易学易用，特别适合硬件工程师、实验室技术人员、生产线工艺技术人员的学习和使用，可在很短的时间内掌握并应用到实践中去。

也不必去记忆那眼花缭乱的文本式程序代码。

LabVIEW这么容易学习和使用，是不是LabVIEW的功能十分有限呢？

不。

像C或C++等其它计算机高级语言一样，LabVIEW也是一种通用编程系统，具有各种各样、功能强大的函数库，包括数据采集、GPIB、串行仪器控制、数据分析、数据显示及数据存储，甚至还有目前十分热门的网络功能。

LabVIEW也有完善的仿真、调试工具，如设置断点、单步等。

LabVIEW的动态连续跟踪方式，可以连续、动态地观察程序中的数据及其变化情况，比其它语言的开发环境更方便、更有效。

而且LabVIEW与其它计算机语言相比，有一个特别重要的不同点：

其它计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码行，而LabVIEW采用图形化编程语言--G语言。

LabVIEW程序又称为虚拟仪器，它的表现形式和功能类似于实际的仪器；

但LabVIEW程序很容易改变设置和功能。

因此，LabVIEW特别适用于实验室、多品种小批量的生产线等需要经常改变仪器和设备的参数和功能的场合，及对信号进行分析研究、传输等场合。

总之，由于LabVIEW能够为用户提供简明、直观、易用的图形编程方式，能够将繁琐复杂的语言编程简化成为以菜单提示方式选择功能，并且用线条将各种功能连接起来，十分省时简便，深受用户青睐。

与传统的编程语言比较，LabVIEW图形编程方式能够节省85％以上的程序开发时间，其运行速度却几乎不受影响，体现出了极高的效率。

使用虚拟仪器产品，用户可以根据实际生产需要重新构筑新的仪器系统。

例如，用户可以将原有的带有RS232接口的仪器、VXI总线仪器以及GPIB仪器通过计算机，联接在一起，组成各种各样新的仪器系统，由计算机进行统一管理和操作。

可以预见，由于LabVIEW这些其他语言无法比拟的优势，已经成为该领域的一朵奇葩！

最终将引发传统的仪器产业新的革命。

我经常听到，甚至有时关注于对LabVIEW的争论，即LabVIEW是一种通用的语言还是一种用于测量和自动化的特定应用程序的开发环境。

一方面，有经验的程序员指出了LabVIEW缺乏的流行编程语言所具有的特性，但是另一方面，一些用户详细阐述了他们使用LabVIEW所建立的通用应用程序，而完全没有使用任何数据采集或分析。

对LabVIEW用户的调查可能与最近一个非正式的对一个团队中的开发者的调查一致，这个团队中的绝大多数人都认为LabVIEW已具有足够的功能来被归为通用语言类，而且事实上，正是以这种方式在使用它。

LabVIEW被提到次数最多的不足是常用的递归和递归式数据类型，以及面向对象的结构，但是这些都不是建立通用应用程序的严重障碍。

错误的问题尽管有了调查结果，但是我认为这是一个错误的问题而且试图回答它会导致错误的方向。

对我来说，这有点像在问：

汽车是不是用来就座的地方？

当然你可以在汽车里就座，但是如果那是你利用它所做的全部，那么你失去了拥有它可以得到的主要用途。

一个较好的问题是：

LabVIEW可以被用作通用编程语言吗？

或者更好的是：

LabVIEW能够被用来创建通用的应用程序吗？

这个问题的新表述在什么被视为通用这个方面仍然是同样模糊的，但是它没有强调有时显得严谨的争论，即LabVIEW是不是一种编程语言？

一些人并不认为它是一种语言，因为它不是基于文本的而且它不是顺序化的。

更为奇怪的是，关于什么被看作是一种编程语言的这个问题上，那些具有计算机科学背景的人持有最为狭隘的观点。

但是，经过改正后的问题最为重要的一个方面是它将包容性转换到了正确的方向。

换一种方式来表达，即最初的问题间接地暗示了通用编程语言在某种程度上是一个更大的问题或者是测量和自动化编程的一个父集，然而，实际上子集却在其他的方向。

通常，测量和自动化的程序必须处理所有与通用程序一样的问题，如数据结构和算法、文件I/O、网络I/O、用户I/O和数据库存取、打印等等这些常见的问题。

但是测量和自动化程序也必须处理比通用程序更多的问题，例如物理I/O、实时性约束和硬件配置。

它们也可以具有一些最为苛刻的用户界面要求。

测量和自动化程序处理了一个通用程序所处理问题的父集。

如果工具A和工具B可以被用于一定的任务集，但是工具B具有更多的功能可使它益于完成额外的任务，哪一种工具是事实上更为通用的呢？

这正是我们关于LabVIEW问题。

LabVIEW适于测量和自动化应用程序的能力不是来自于它的基本编程能力被某种方式所限制，而是因为它们经过了增强和扩展。

这就是为什么有必要提出“LabVIEW能够被用来创建通用的应用程序吗？

”这个问题而不是“LabVIEW是一种通用编程语言吗？

”。

我们不希望通过把LabVIEW仅视为一种编程语言而限制了它的范围或它将来的发展。

2.2LabVIEW软件的特点

LabVIEW软件的特点如下：

1）具有图形化的编程方式，设计者无需写任何文本格式的代码，是真正的工程师的语言：

2）提供丰富的数据采集、分析及存储的库函数：

3）提供传统的程序调试手段，如设置断点、单步运行，同时提供独具特色的执行工具，使程序动画式运行，利于设计者观察到程序运行的细节，使程序的调试和开发更为便捷；

4）32位的编仪器编译生成32位的编译程序，保证用户数据采集、测试和测量方案的高速执行；

5）囊括了PCI，GPIB，PXI，VXI，RS-232/485，USB等各种仪器通信总线标准的所有功能函数，使得不懂得总线标准的开发者也能够驱动不同总线标准接口设备与仪器。

第三章示波器设计

3.1本示波器功能

本虚拟仪器涉及主要功能包括：

电压参数测量，时间/频率参数测量，定位标尺，测量结果显示。

由于条件有限，没有数据采集卡，我在设计数据采集时，采用了LaBVIEW内部信号发生器来产生信号；

这些发生器有正弦波发生器、方波发生器、三角波发生器、锯齿波发生器，通过这些信号的输入来进行测量。

3.1.1主要功能模块

概括地讲，虚拟仪器主要由软件控制完成信号的采集、处理和显示。

系统软件总体上包括数据采集、波形显示、参