基于labview的雙通道示波器設計

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上本科畢業(yè)設計說明書基于LABVIEW的雙通道示波器設計DESIGN OF DUAL CHANNEL VIRTUAL OSCILLOSCOPE BASED ON LABVIEW學院（部）： 機械工程學院 專業(yè)班級： 學生姓名： 指導教師： 2013 年 6 月 10 日專心-專注-專業(yè)基于LABVIEW的雙通道示波器設計摘要虛擬儀器是現代計算機軟硬件技術飛速發(fā)展的產物，它正逐步取代傳統(tǒng)的電子儀器，是現代電工電子測量儀器的發(fā)展方向。虛擬儀器主要由數據采集、數據分析處理、數據輸出與顯示三部分模塊組成。本文主要介紹雙通道虛擬示波器的設計。這種儀器是基于被命名為LABVIEW圖

2、形化語言而發(fā)展形成的，并且它能夠實現數據采集、顯示波形、數據存儲、測量錄音、打印數據和在線傳輸等多種功能。實驗結果顯示這種儀器擁有以下優(yōu)勢，例如穩(wěn)定的顯示、精準的測量、功能擴展和方便不同水平的人員操作的友好的交互界面。關鍵詞：虛擬儀器, 雙通道示波器, LABVIEWDESIGN OF DUAL CHANNEL VIRTUAL OSCILLOSCOPE BASED ON LABVIEWABSTRACTThe hypothesized instrument is the modern computer software and hardware technology rapid developm

3、ent product, it is substituting for traditional gradually the electronic instrumentation, is the modern electrician electronic surveying instrument development direction. The hypothesized instrument mainly by the data acquisition, data analysis processing, the data output and demonstrated three part

4、s of modules compose.This article deals with the design of dual channel virtual oscilloscope.The instrument was developed based on graph language named LABVIEW,and it can perform various tasks such as acquiring data,displaying waveform,storing data,measuring playback,printing data,and online transmi

5、ssion.The experimental results show that the instrument enjoys such advantages as steady performance,precise measurement,expanded functions and friendly interface so people at various levels may use it. KEYWORDS: virtual instrument, dual channel virtual instrument, labview目錄1 緒論在數字電路實驗中，需要使用若干儀器、儀表觀

6、察實驗現象和結果。常用的電子測量儀器有萬用表、邏輯筆、普通示波器、存儲示波器、邏輯分析儀等。萬用表和邏輯筆使用方法比較簡單，而邏輯分析儀和存儲示波器目前在數字電路教學實驗中應用還不十分普遍。示波器是一種使用非常廣泛，且使用相對復雜的儀器。示波器是一種用途十分廣泛的電子測量儀器。它能把肉眼看不見的電信號變換成看得見的圖象，便于人們研究各種電現象的變化過程。示波器利用狹窄的、由高速電子組成的電子束，打在涂有熒光物質的屏面上，就可產生細小的光點。在被測信號的作用下，電子束就好像一支筆的筆尖，可以在屏面上描繪出被測信號的瞬時值的變化曲線。利用示波器能觀察各種不同信號幅度隨時間變化的波形曲線，還可以用它

7、測試各種不同的電量，如電壓、電流、頻率、相位差、調幅度等等。示波器用來測量交流電或脈沖電流波的形狀的儀器，由電子管放大器、掃描振蕩器、陰極射線管等組成。除觀測電流的波形外，還可以測定頻率、電壓強度等。凡可以變?yōu)殡娦闹芷谛晕锢磉^程都可以用示波器進行觀測。示波器分為數字示波器和模擬示波器。模擬示波器采用的是模擬電路（示波管，其基礎是電子槍）電子槍向屏幕發(fā)射電子,發(fā)射的電子經聚焦形成電子束,并打到屏幕上。屏幕的內表面涂有熒光物質,這樣電子束打中的點就會發(fā)出光來。 而數字示波器則是數據采集，A/D轉換，軟件編程等一系列的技術制造出來的高性能示波器。數字示波器一般支持多級菜單，能提供給用戶多種選擇，

8、多種分析功能。還有一些示波器可以提供存儲，實現對波形的保存和處理。利用示波器能觀察各種不同電信號幅度隨時間變化的波形曲線，還可以用它測試各種不同信號的電量，如電壓、電流、頻率、相位差、調幅度等等。1.1研究背景及動態(tài)隨著計算機、通信、微電子技術的日益完善，以及以Internet為代表的計算機網絡時代的到來和信息化要求的不斷提高，傳統(tǒng)的通信方式突破了時空限制和地域限制，大范圍通信變得越來越容易，對測控系統(tǒng)的組建也產生了越來越大的影響。一個大的復雜測試系統(tǒng)的輸入、輸出、結果分析往往分布在不同的地理位置，僅用一臺計算機并不能勝任測試任務，需要由分布在不同地理位置的若干計算機共同完成整個測試任務。集成

9、測試越來越不能滿足復雜測試任務的需要，因此，“網絡化儀器”的出現成為必然。網絡技術應用到虛擬信號發(fā)生器中是虛擬儀器發(fā)展的大趨勢。同傳統(tǒng)的編程語言相比，采用LabVIEW圖形化編程方式可以節(jié)省大約80%的程序開發(fā)時間，并且其運行速度幾乎不受影響，其一般特征是將虛擬信號發(fā)生器、外部設備、被測點以及數據庫等資源納入網絡，實現資源共享，共同完成測試任務。使用網絡化虛擬信號發(fā)生器，可在任何地點、任意時刻獲取測量數據。和以PC為核心的虛擬信號發(fā)生器相比，網絡化將虛擬儀器的發(fā)展產生一次革命，網絡化虛擬儀器將把單臺虛擬儀器實現的三大功能（數據采集、數據分析、及圖形化顯示）分開處理，分別使用獨立的基本硬件模塊實

10、現傳統(tǒng)儀器的三大功能，以網線相連接，實現信息資源的共享。“網絡就是儀器”概念的確立，使人們明確了今后儀器儀表的研發(fā)戰(zhàn)略，促進并加速了現代測量技術手段的發(fā)展與更新。1.2本文的研究意義及內容1.2.1研究意義示波器、是科研機關、企業(yè)研發(fā)實驗室、大專院所的必備測量設備，而虛擬示波器系統(tǒng)集成了示波器、信號發(fā)生器和頻譜分析模塊，具有很大的應用價值，主要為： 1) 可以加強實驗室技術基礎建設。實驗室儀器儀表的現代化水平反映了實驗室技術基礎，而基于計算機技術的虛擬示波器系統(tǒng)極大地降低了儀器成本，使大部分學校的實驗室都能配備，這給學生的實驗操作帶來了極大的方便。同時，虛擬示波器系統(tǒng)是計算機技術和測量技術的完

11、美結合，不僅提高實驗儀器的技術含量，還符合實驗室儀器儀表現代化的教學要求。 2) 縮短測量系統(tǒng)的開發(fā)時間。虛擬示波器系統(tǒng)提供良好的性能擴展能力，用戶可以通過自定義模塊快速開發(fā)出一整套測量系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的開發(fā)效率。 3) 遠程數據測量。有的測量環(huán)境十分惡劣，用傳統(tǒng)儀器測量數據可能會使測量人員的人身安全受到威脅，用虛擬示波器系統(tǒng)可以進行遠程數據測量，使測量人員遠離危險環(huán)境。 4) 儀器智能化。虛擬示波器系統(tǒng)是計算機技術與測量技術的完美結合，利用它可以實現24小時無人值守的參數測量、數據分析、數據存盤等功能，為數據的實時測量提供保障。 總之，虛擬示波器系統(tǒng)是虛擬儀器在測量方面的典型應用，具有十分實用

12、的價值。1.2.2研究內容本文所研究的內容主要是利用虛擬儀器的基礎上設計出一個具有傳統(tǒng)示波器功能的簡單電子數字示波器，并且相對于傳統(tǒng)示波器，本文所研究的示波器有其相對的一些優(yōu)勢，例如本文研究的示波器可以實時存儲數據、打印波形等功能，而且這種示波器不拘泥于形式，可以根據實際情況的需要刪減和擴展一些功能，所付出的勞動只是在示波器主程序中做出一些修改。在本文第二章中，主要介紹了虛擬儀器的概念、特點和優(yōu)勢、系統(tǒng)組成、優(yōu)勢及發(fā)展現狀，闡述與本論文編程有關的虛擬儀器在示波器中的應用。第三章是介紹雙通道示波器的硬件部分，主要闡述了數據采集卡對外界信號的采集，單片機的電路設計，通過VISA與串口進行通信等內容

13、。第四章是全文的重點，詳細闡述了雙通道示波器的設計與實現，展示了示波器在測量信號時的各種功能。因為現實情況中條件的限制沒能用到一些硬件，本章中還設置了仿真信號的輸入，使之產生了仿真波形顯示。1.3 國內外的研究現狀虛擬儀器從二十世紀八十年代開始引起人們關注，之后迅速發(fā)展。經過數十年的發(fā)展，其所涉及領域不斷擴大，在對電子測量、實驗教學、測量分析、航天測控、工程過程控制等領域逐步替代了很大部分的傳統(tǒng)測量儀器，產生了很大的經濟和社會效益。在過去的幾十年里，儀器測量技術得到了長足的發(fā)展，發(fā)展過程大致經歷三個階段，即模擬儀器、數字儀器和智能儀器。但共同特點是“信號采集和控制、分析與處理、結果的表達與輸出

14、三大功能模塊，而這些模塊原來只能由廠家來制造定義、，那樣的話就會使儀器功能固定化、靈活性差。在如今的計算機技術支持下，將儀器與計算機結合進行測試，如將儀器的信號分析處理、結果輸出表達放到計算機上完成，或將儀器的三大功能設計模塊全部放到計算機上來完成，是完全可以實現的，在這種需求的背景條件下順理成章誕生了虛擬儀器。虛擬儀器的概念最初是由美國國家儀器公司（National Instruments Corp，簡稱NI）于1986年提出，NI公司在80年代研制和推出了許多總線系統(tǒng)的虛擬儀器，后來，美國HP公司，Tektronic公司，Racal公司也在此方面有了很多進展。虛擬儀器在國外發(fā)展很快，以NI

15、公司為首的很多公司已經在市場上推出了大量基于虛擬儀器技術的電子儀器產品。據“世界儀表及自動化”雜志預測，虛擬儀器在21世紀中期將占到儀器市場50%左右的份額。虛擬儀器在本世紀發(fā)展很快，大有取代傳統(tǒng)儀器的趨勢。近年來，世界很多公司推出了不少虛擬儀器軟件開發(fā)平臺，使儀器的使用者可以開發(fā)組建自己需要的虛擬儀器。其中，比較具有代表性的是NI公司Labview平臺和Labwindows/CVI平臺。相比而言，Labwindows是為熟悉C語言的傳統(tǒng)軟件開發(fā)人員所設計的。虛擬儀器的研究必將是測量儀器界的一次新的潮流。2 虛擬示波器的介紹2.1 虛擬儀器的簡介虛擬儀器技術就是利用高性能的模塊化硬件，結合高效

16、靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應用。自1986年問世以來，世界各國的工程師和科學家們都已將NI LabVIEW圖形化開發(fā)工具用于產品設計周期的各個環(huán)節(jié)，從而改善了產品質量、縮短了產品投放市場的時間，并提高了產品開發(fā)和生產效率。使用集成化的虛擬儀器環(huán)境與現實世界的信號相連，分析數據以獲取實用信息，共享信息成果，有助于在較大范圍內提高生產效率。虛擬儀器提供的各種工具能滿足我們任何項目需要。20年來，無論是初學乍用的新手還是經驗豐富的程序開發(fā)人員，虛擬儀器在各種不同的工程應用和行業(yè)的測量及控制的用戶中廣受歡迎，這都歸功于其直觀化的圖形編程語言。虛擬儀器的圖形化數據流語言和程序框圖能自然地顯

17、示您的數據流，同時地圖化的用戶界面直觀地顯示數據，使我們能夠輕松地查看、修改數據或控制輸入。 美國國家儀器公司NI（NationalInstruments）提出的虛擬測量儀器（VI）概念，引發(fā)了傳統(tǒng)儀器領域的一場重大變革，使得計算機和網絡技術得以長驅直入儀器領域，和儀器技術結合起來，從而開創(chuàng)了“軟件即是儀器”的先河。 “軟件即是儀器”這是NI公司提出的虛擬儀器理念的核心思想。從這一思想出發(fā)，基于電腦或工作站、軟件和IO部件來構建虛擬儀器。IO部件可以是獨立儀器、模塊化儀器、數據采集板（DAQ）或傳感器。NI所擁有的虛擬儀器產品包括軟件產品（如LabVIEW）、GPIB產品、數據采集產品、信號處

18、理產品、圖像采集產品、DSP產品和VXI控制產品等。2.2 虛擬示波器的功能虛擬示波器是利用高性能的硬件模塊和高效靈活的軟件來實現普通儀器的功能和許多拓展功能的一種軟硬件系統(tǒng)。虛擬示波器比傳統(tǒng)示波器價格要便宜，而且還具有波形觸發(fā)、存儲、顯示、測量、波形數據分析處理等獨特優(yōu)點，得到了越來越多的普及。采用當前示波器廣泛使用的USB接口，使得虛擬儀器與計算機接口更加方便，通信速度更高；使用高速模數轉換芯片（ADC）進行高速采樣；使用高性能的單片機進行控制，使用高速大容量的存儲器（RAM）實時保存采樣數據，提高了采樣的性能；使用LabVIEW語言設計上位機應用程序，可以實現波形顯示，以及對數據的分析與

19、處理。2.3 虛擬示波器的組成部分(1) 信號采集與控制。是由計算機和儀器硬件組成硬件平臺，實現對信號的采集、測量、轉換與控制。(2) 數據分析與處理。虛擬充分利用計算機的存儲、運算功能，并通過軟件實現對輸入數據信號的分析與處理。處理內容包括數字、數據統(tǒng)計、數值分析等。從數據分析上看，虛擬示波器比傳統(tǒng)儀器具有更強大的數據分析能力。(3) 測量結果的顯示。虛擬示波器充分利用計算機的資源，如顯示器、存儲器等，把測量結果進行方式的表達與輸出，其輸出形式包括通過總線網絡的遠距離，通過光盤、磁盤的拷貝輸出，在硬盤上存儲數據以及通過計算機屏幕等圖形接口的輸出方式。2.4 虛擬示波器的工作原理模擬信號經同軸

20、電纜進入采集卡的輸入通道，經過前置濾波電路、衰減電路、可變增益放大電路，將信號處理成A/D轉換器可以處理的標準電平，經過A/D采樣量轉化成計算機可以處理的數字信號兵緩存到卡上的存儲器。其支持軟件直接通過USB接口傳輸到計算機內存，同時對數據信號進行分析處理、顯示、存儲及打印輸出等。虛擬示波器是采用計算機的虛擬技術，用以模擬通用示波器面板操作和處理功能，也就是使用個人計算機及其接口電路來采集現場或實驗室信號，并通過圖形用戶界面（GUI）來模仿示波器的操作面板，完成信號采集、調理、分析、處理和顯示輸出等功能。一般開發(fā)的虛擬示波器，是在數據采集硬件的支持下，配備一定功能的軟件，完成波形的存儲、分析、

21、顯示等功能。一般測試儀器由信號采集。信號處理和結果顯示三大部分組成，這三部分均由硬件構成。虛擬示波器也是由這三大部分組成，但是除了信號采集部分是由硬件實現以外，其他兩部分都是由軟件實現。虛擬示波器總體上包括數據采集、觸發(fā)控制、波形顯示、參數測量、頻譜分析、波形存儲等模塊組成，其結構框圖如圖2-1所示。圖2-1 虛擬示波器的結構框圖3 采集系統(tǒng)的設計3.1 數據采集技術簡介硬件介紹：計算機與數據采集卡組成了虛擬示波器的硬件平臺的基礎。數據采集卡是虛擬示波器的重要組成部件，其性能指標直接影響虛擬示波器的采樣速率、精度等主要指標。CPU的速度及計算機的內存影響示波器處理數據的速度；計算機的硬盤決定了

22、數據存儲的容量。LabVIEW中數據采集庫包含了許多有關采樣和生成數據的函數，它們與NI的插卡式或遠程數據采集產品協(xié)同工作。數據采集卡價格低廉、操作攜帶方便，因此大大的降低了每個通道的成本。數據采集系統(tǒng)的任務是采集原始信號，其主要指標有采樣精度、采樣速度。采樣精度由轉換器的位數來決定，而采樣速度是與采樣頻率不可分的。從提高精度的角度出發(fā)，模數轉換器的位數與采樣頻率之間是相互制約的。數據采集卡的選擇主要與采樣率、測量通道、分辨率和測量精度有關。采樣率即在單位時間內的測量次數，一般用Hz即采樣頻率來表示，也有的用Ss表示。采樣率的選擇，取決于被測量的信號的變化速度，根據奈奎斯特采樣定理，所需的采樣

23、頻率應為所測信號的最高頻率分量的兩倍以上，即應選用100kHz的板卡才能完成最高頻率為50kHz的被測信號的測量工作。本虛擬數字存儲示波器是在對傳統(tǒng)示波器進行分析后，基于多功能DAQ采集卡和LabVIEW開發(fā)平臺來設計的具有數字存儲示波器功能的電子測試儀器，主要由數據采集部分、數據處理部分、波形顯示部分、波形存儲等部分組成，可以完成對信號的輸入及獲取、信號電壓參數及時間頻率參數的自動測量、信號的波形顯示及存儲回放等功能。該示波器主要由數據采集DAQ（Data Acquisition）、接口總線、硬件驅動程序和虛擬數字示波器軟件構成。圖3-1所示為虛擬數字示波器的整體組成結構圖。信號檢測電路時信

24、號調理輔助電路，接收傳感器傳送過來的物理信號，并從混合信號中提取出待測的微弱信號，輸出的多路信號時已經放大濾波和電平變換后的標準信號，送入數據采集卡板（由硬件程序驅動工作），通過系統(tǒng)總線送進計算機進行處理。在使用DAQ卡之前必須對DAQ卡的硬件進行配置，這些控制程序用到了相應的底層DAQ驅動程序。該虛擬儀器的軟件是以LabVIEW開發(fā)環(huán)境為平臺，采用的是自頂而下的設計方法，首先，有要實現的目標功能來制定一個整體框架。由一個采集開關啟動整個儀器采集過程，在采集狀態(tài)下，可以進行參數的測量顯示；同時，還可以進行時基的設置、觸發(fā)通道的設置、觸發(fā)模式的設置等；對于顯示面板上的波形可以任意地進行位置的調整

25、、縮放；對于當前的波形能夠保存到硬盤上或U盤上；同樣，也能把硬盤或U盤上的數據讀到顯示面板上（這是將停止數據的采集）并還能進行參數的測量。該示波器的主要控制結構有：手動設置掃描率的控制結構，存儲控制結構，采集控制結構，測量控制結構，通道選擇控制結構，時基、幅值分度控制結構。在這個總體框架的基礎上來進行各個模塊的具體設計，并分別測量，測試通過后再把它們連接起來，構成一個完整的系統(tǒng)，最后進行整個系統(tǒng)性能的調試，直到調試結果符合要求為止。圖3-1 虛擬示波器結構圖計算機與數據采集卡組成了虛擬示波器的硬件平臺的基礎。數據采集卡是虛擬示波器的重要組成部件，其性能指標直接影響虛擬示波器的采樣速率、精度等主

26、要指標。CPU的速度及計算機的內存影響示波器處理數據的速度；計算機的硬盤決定了數據存儲的容量。LabVIEW中數據采集庫包含了許多有關采樣和生成數據的函數，它們與NI的插卡式或遠程數據采集產品協(xié)同工作。數據采集卡價格低廉、操作攜帶方便，因此大大的降低了每個通道的成本。數據采集系統(tǒng)的任務是采集原始信號，其主要指標有采樣精度、采樣速度。采樣精度由轉換器的位數來決定，而采樣速度是與采樣頻率不可分的。從提高精度的角度出發(fā)，模數轉換器的位數與采樣頻率之間是相互制約的。數據采集卡的選擇主要與采樣率、測量通道、分辨率和測量精度有關。采樣率即在單位時間內的測量次數，一般用Hz即采樣頻率來表示，也有的用Ss表示

27、。采樣率的選擇，取決于被測量的信號的變化速度，根據奈奎斯特采樣定理，所需的采樣頻率應為所測信號的最高頻率分量的兩倍以上，即應選用100kHz的板卡才能完成最高頻率為50kHz的被測信號的測量工作。沒有軟件，甚至沒有好的軟件，數據采集硬件系統(tǒng)不可能發(fā)揮很大的作用。數據系統(tǒng)一個主要方面是驅動軟件的使用。驅動軟件是直接對數據采集硬件系統(tǒng)來進行設計的軟件層，管理著系統(tǒng)的操作以及和計算機資源的組合，比如CPU中斷、DMA傳送、存儲器等。驅動軟件在保持高性能、提高給用戶易于理解的基礎的同時，隱藏了復雜、詳細的硬件及程序設計。NI一DAQ就是N1公司高性能數據采集及驅動程序。數據采集技術是電子測量儀器的基礎

28、，當然也是虛擬儀器的基礎。只有當數據采集部分正確工作，整個虛擬儀器系統(tǒng)才能正確工作。3.2 數據采集系統(tǒng)的設計數據采集系統(tǒng)簡稱 DAS(DataAequisitionSystem)是信息科學的重要分支，它不僅應用在現代智能檢測系統(tǒng)中，而且在現代工業(yè)生產、國防軍事及科學研究等方面都得到廣泛應用，無論是過程控制狀態(tài)檢測、還是故障診斷、質量檢測，都離不開數據采集系統(tǒng)。數據采集系統(tǒng)是計算機、智能儀器與外界物理世界聯系的橋梁，是獲取信息的重要途徑。其核心是計算機，它對整個系統(tǒng)進行控制和數據處理。它所處理的是數字信號，因此輸入的模擬信號必須進行模數(A/D)轉換，將模擬信號量化:，變成數字信號。數據采集系

29、統(tǒng)的原理框圖如3-2所示，它由多路開關、采樣/保持器、放大器、A/D轉換器、計算機等組成。數據采集要經過采樣和量化兩個必要步驟。采樣過程是將被測的連續(xù)信號離散化，從連續(xù)信號中抽取采樣時刻的信號值，由多路開關、采樣/保持器完成。如果被測信號變化緩慢，也可以不用采樣/保持器。多路開關將各路信號輪流切換到輸入端，對各路信號分時采樣。A/D轉換器將采樣信號量化，將轉換成的數字信號輸入到計算機中。放大器、濾波器可根據被測信號的大小及干擾的強弱選用。有的系統(tǒng)不采用公用放大器，而根據信號特點單獨配置。圖3-2 數據采集卡結構圖3.2.1 系統(tǒng)硬件配置本次采用ADC0809與AT89C51單片機的接口設計。A

30、DC0809與單片機AT89C51的硬件接口方式一般有：查詢方式、中斷方式和等待延時方式。本設計采用查詢方式。由于ADC0809芯片內部沒有時鐘脈沖源我選擇利用單片機8051提供的地址鎖存控制輸入信號ALK經D觸發(fā)器二分頻后作為ADC0809的時鐘輸入。當CPU訪問外存儲器時，ALK的輸出作為外部鎖存地址的低字節(jié)的控制信號；又因ADC0809的時鐘頻率有一定的范圍kHz取時鐘頻率為6MHz。則ALK端輸出的頻率為1MHz，再經二分頻后為500kHz。符合ADC0809對時鐘的要求。由于ADC0809內部設有地址鎖存器所以通道地址由P2口的低3位直接與ADC0809的A、B、C相連。通道基本地址

31、為0000H-0007H。模擬量直接ADC0809的IN0一IN7輸入。數字量由ADC0809的DOD7輸出并直接接到單片機89C51的IO口的PO口 (P0El作為輸人E1)，ADC0809其 他 引腳 如 ：START、OE、ALK、A、B、C等直接接到單片機 的P2口(P2口作為輸出口)。最后ADC0809的結束信號端口直接接到單片機P3.7口。接口電路如圖3-3。圖3-3 ADC0809與AT89C51的接口電路本通信系統(tǒng)采用AT89C51作為下位機,PC 機作為上位機,二者通過RS-232串口接收或發(fā)送數據和指令。傳輸介質為二芯屏蔽電纜。RS-232信號和單片機串口信號的電平轉換采用

32、MAX232,它是具有雙驅動器、雙接收器的通信器接口電路,不需外接電容而進行倍壓及電壓極性轉換,只需+5V供電,電源電流為5mA ,傳輸率200kb/s。串行接口電路原理見圖3-4。圖3-4串行接口電路原理圖3.2.2 通信協(xié)議 系統(tǒng)中PC機承擔主控任務,負責該測控系統(tǒng)的通信參數設定、數據的采集處理及對單片機運行的控制。單片機接收PC機的指令,根據指令信息實現對波形的發(fā)生和結束,并對波形的頻率、幅值、相位、偏移量等進行實時調節(jié)。其通信協(xié)議為:采用RS-232異步通信方式,51單片機串行口共有4 種工作方式,這里采用單片機串口通信的方式1,該方式為8位異步串行通信方式,其波特率是可變的,1位起始

33、位,8位數據位,1位停止位,無奇偶校驗,若晶振頻率為11.0592MHz,取波特率為9 600b/s。下位機按接收到的指令工作, 若主控機發(fā)出無效或錯誤指令, 將不作任何控制。3.2.3 主機通信程序在主機通信程序設計中,采用圖形化語言LabVIEW作為編程語言它把高級語言中的函數封裝為圖形功能模塊,圖標間的連線表示各個功能模塊之間的數據傳遞。編程方式簡單、直觀、便于使用。串口通信功能模塊包括串口初始化模塊、串口讀模塊以及串口寫模塊,通過這些模塊就可以實現對單片機的控制。主程序運行后, 首先設置串口,如選擇端口、設置波特率等；然后啟動測控系統(tǒng), 并可以通過按鈕控制波形的生成、結束和頻率、幅值等

34、的調整。圖3-5串口通信的流程圖3.2.4 下位機的串行通信程序設計89C51單片機的程序采用匯編語言寫成。利用匯編語言直接對相關硬件進行操作,具有開銷小、效率高的特點。在編寫單片機程序時應當注意的是必須保證PC機與單片機串口通信時的波特率一致。如果兩者不同的話, 就無法進行數據的傳輸而導致通信失敗。所以在單片機程序中初始化時應當根據單片機晶振和串口通信方式對寄存器進行設置。在本系統(tǒng)中,單片機除了負責串口通信外,還承擔著波形發(fā)生的作用。通過軟件生成波形會帶來很大的硬件消耗,因此必須注意與串口通信的協(xié)調。圖3-6 集串口通信和軟件生成波形的算法流程圖3.3數據采集的實現3.3.1 LabVIEW

35、通訊資源VISA簡介VISA是虛擬儀器軟件結構框架（virtual instrumentation software architecture ）的簡稱。它本身不提供儀器編程能力，是一個調用底層代碼來控制硬件的高層API（應用程序接口），為高級儀器驅動程序和低級I/O驅動程序之間提供了一個層，使得高級儀器驅動程序和硬件無關，更大大提高了儀器（目前主要是VXI儀器，CPIB儀器，RS232儀器）的互換性。在LabVIEW里使用VISA，必須安裝NI-VISA程序包，安裝后與串口通信相關的VISA函數位于serial子模板上，如下圖3-7所示：圖3-7 serial子模板其中共有8個操作函數，下面

36、分別介紹在串口通訊中常用到的4個函數-VISA配置串口、VISA寫入、VISA讀取、VISA關閉，如下圖所示。 圖3-8 VISA配置串口功能：設定波特率，數據位，停止位，奇偶校驗位，流控制，超時處理，終止符和終止符使能等參數，將VISA資源名稱指定的串口按特定設置初始化。 圖3-9 VISA寫入功能：將“寫入緩沖區(qū)”的數據寫入VISA資源名稱指定的串口。 圖3-10 VISA讀取功能：從VISA資源名稱所指定的串口中讀取指定字節(jié)的數據，并將數據返回至讀取緩沖區(qū)。 圖3-11 VISA關閉功能：關閉VISA資源名稱指定的串口會話或事件對象。由LabVIEW設計的VISA顯示界面，如下圖3-10

37、所示：圖3-10 VISA顯示界面注釋： 1、點擊“VISA資源名稱”右邊的下拉按鈕會出現刷新提示，單擊刷新，可以連接到當前工作的串口上。 2、所用LabVIEW串口通訊程序的波特率設置為9600，無奇偶校驗，8位數據位，一位停止位。圖3-11 VISA程序框圖3.3.2 在LabVIEW中調用C語言在進行一些數據處理和開發(fā)數據采集卡驅動子程序時，LabVIEW的圖形化編程語言就難以實現。通過CIN 技術，可以在LabVIEW調用C 語言源代碼。C 語言是目前公認的功能非常強大的程序語言，LabVIEW通過與C 語言接口，可增強其整體功能。Windows系統(tǒng)下，通過CIN 技術在LabVIEW

38、 8.6程序中利用Visual C + + 6.0 開發(fā)環(huán)境調用C語言源代碼。步驟為：框圖程序設計、建立模塊文件、編譯CIN 源代碼、在LabVIEW 8.6中調入.lsb 文件。C語言程序見附錄。 4 設計與實現4.1 設計目標及要求示波器是以短暫掃跡的形式顯示一個量的瞬時值的儀器，也是一種測量、觀察、記錄的儀器，在科研和實驗室中應用十分廣泛。傳統(tǒng)的模擬示波器把需要觀察的兩個電信號加至示波管的X、Y通道以控制電子束的偏移，從而獲得熒光屏上關于兩個電信號關系的顯示波形。這種模擬示波器體積大、重量輕、成本高、價格貴，并不適合于對非周期的、單次信號的測量?；诙喙δ蹹AQ卡和LabVIEW平臺開發(fā)

39、的虛擬數字示波器，具有結構簡單、開發(fā)成本低等優(yōu)點，在眾多領域已得到廣泛應用。數字示波器主要由軟件控制完成信號的采集、處理和顯示。系統(tǒng)軟件總體上包括數據采集、波形顯示、參數測量、及波形存儲和回放等模塊。(1) 數據采集:主要完成數據采集的控制，包括設備號、通道選擇控制、采樣速率、采樣點數等，另外選擇采集的波形類型。(2) 波形顯示:對采集到的波形進行觸發(fā)控制和時基控制后再顯示波形，可以實現單信道顯示和雙信道顯示，以及對波形運算后的輸出顯示，有:A、B、A&B、XY模式。(3) 參數測量:完成電壓參數、頻率參數的測量功能。(4) 結果整形、打印、保存模塊:讀取已存在文件中的波形數據，并將當前的波形

40、參數寫到文檔中，打印波形。4.2 虛擬示波器簡介虛擬數字示波器是把模擬信號轉換成數字形式( 一串二進制數) , 進行顯示或進行存儲的存儲式示波器.由它的波形是用數字方式存儲的。該數字示波器的軟件是以LabVIEW開發(fā)環(huán)境為平臺，采用的是自頂而下的設計方法，首先，有要實現的目標功能來制定一個整體框架。由一個采集開關啟動整個儀器采集過程，在采集狀態(tài)下，可以進行參數的測量；同時，還可以進行時基的設置、觸發(fā)通道的設置、觸發(fā)模式的設置等；對于顯示面板上的波形可以任意地進行位置的調整、縮放；對于當前的波形能夠保存到硬盤上或U盤上；同樣，也能把硬盤或U盤上的數據讀到顯示面板上（這是將停止數據的采集）并還能進

41、行參數的測量；還可以把當前的波形打印出來。此外，應用高效數字信號處理技術，還可實現FFT算法，對頻域信號進行分析。該虛擬示波器主要包括以下基本模塊：顯示信號采集模塊、通道選擇模塊、水平分度調節(jié)模塊、幅值分度調節(jié)模塊、數據保存模塊等。在對示波器主要功能了解的基礎上來進行各個模塊的具體設計，并分別測量，測試通過后再把它們連接起來，構成一個完整的系統(tǒng)，最后進行整個系統(tǒng)性能的調試，直到調試結果符合要求為止。4.3 雙通道示波器VI的主體及程序如下圖圖4-1和圖4-2所示，分別為本章所創(chuàng)建的雙通道示波器的前面板及后面板程序框圖。雙通道示波器的運行主要是通過后面板程序框圖的幾個模塊來編程實現的。接下來將對

42、這幾個主要的功能模塊要實現的功能和作用分別進行介紹。圖4-1 雙通道示波器前面板4-2 雙通道示波器程序框圖4.3.1 仿真信號采集模塊波形信號的輸入一般是通過數據采集卡從外界采集再傳輸到計算機與主程序進行互動，本章數據采集的是仿真信號，即在主程序中直接輸入采樣頻率、采樣數、信號頻率、信號幅值等產生仿真波形。信號類型選項控制輸入的波形類型，將采樣頻率、采樣數捆綁成簇構成信號的采樣信息，頻率、幅值、相角作為產生波形的自帶參數，這些參數決定了示波器仿真信號的產生，與采樣信息一起構成了仿真信號的采集模塊。4.3.2 通道選擇模塊通道選擇功能塊通過調節(jié)選擇，可以表明示波器顯示哪一通道信號，可以選擇的通

43、道信號為通道A、通道B以及通道A和通道B兩路信號同時顯示。常見的一般示波器都可以進行單通道信號顯示或兩路通道信號顯示。通道選擇以及示波器中的信號顯示同樣是一般示波器的主要功能之一。本章在創(chuàng)建雙通道示波器進行簡單的期間模擬時，對這部分功能進行了實現和模擬。4.3.3水平分度調節(jié)模塊通道選擇功能塊通過調節(jié)選擇，可以表明示波器顯示哪一通道信號，可以選擇的通道信號為通道A、通道B以及通道A和通道B兩路信號同時顯示。常見的一般示波器都可以進行單通道信號顯示或兩路通道信號顯示。通道選擇以及示波器中的信號顯示同樣是一般示波器的主要功能之一。本章在創(chuàng)建雙通道示波器進行簡單的期間模擬時，對這部分功能進行了實現和

44、模擬。4.3.4 幅值分度調節(jié)模塊通道選擇功能塊通過調節(jié)選擇，可以表明示波器顯示哪一通道信號，可以選擇的通道信號為通道A、通道B以及通道A和通道B兩路信號同時顯示。常見的一般示波器都可以進行單通道信號顯示或兩路通道信號顯示。通道選擇以及示波器中的信號顯示同樣是一般示波器的主要功能之一。本章在創(chuàng)建雙通道示波器進行簡單的期間模擬時，對這部分功能進行了實現和模擬。4.3.5 波形存儲、停止模塊一般的虛擬儀器示波器都有數據存儲、波形打印等模塊，這是虛擬示波器相對于傳統(tǒng)示波器的優(yōu)勢之一。本章介紹的示波器可以在波形測量結束后，將輸出的波形數據進行存儲。停止按鈕可結束示波器對信號的采集與測量，是主程序停止運

45、行。4.4 雙通道示波器VI的設計過程打開LabVIEW8.6的運行程序，彈出啟動界面，選擇雙通道虛擬示波器項目，如圖4-3所示。雙擊打開該項目，出現項目關系，單擊“新建”按鈕或從“文件”菜單選擇“新建VI”后創(chuàng)建新的LabVIEW控件，彈出新的VI前程序框圖。圖4-3 打開LabVIEW8.6程序項目此時，單擊“保存”按鈕或從“文件”菜單選擇“保存”后，輸入名稱“雙通道虛擬示波器”保存，如圖4-4所示。圖中左側的文檔列表中，顯示了項目關系圖，包括在該項目下的所有已經創(chuàng)建的LabVIEW的VI項目名稱，以及依賴關系和程序生成規(guī)范；中間為創(chuàng)建的前程序框圖，在前程序框圖的標題中已經顯示所保存的文件

46、名；在運行界面右側，同時顯示出前面板的控件面板、工具面板和及時幫助對話框。本章在創(chuàng)建雙通道示波器的步驟中，首先進行雙通道示波器運行界面的設計，然后，利用LabVIEW提供的VI控件進行程序編程部分的工作，和前面的創(chuàng)建過程有所不同。前面的設計創(chuàng)建過程首先通過程序框圖的設計之后，再進行前面板的設計。這兩種不同的創(chuàng)建過程對一般的LabVIEW控件的創(chuàng)建過程比較常用，各有其優(yōu)缺點。此外，在創(chuàng)建非常復雜的LabVIEW控件VI的過程中，這兩種創(chuàng)建和設計過程需要根據具體情況進行交叉進行，能夠完成功能比較完善、界面比較美觀的LabVIEW的VI。圖4-4 創(chuàng)建VI并保存后的界面4.4.1 前面板的創(chuàng)建和設計

47、在本章創(chuàng)建雙通道的設計過程中，首先對該LabVIEW的VI前界面進行整體創(chuàng)建和設計。前界面的主要創(chuàng)建設計為：創(chuàng)建波形圖顯示控件，用于示波器的波形圖顯示；創(chuàng)建信號輸入面板，對信號類型進行選擇；創(chuàng)建通道選擇面板，可以對示波器可以顯示的通道波形進行選擇；創(chuàng)建定位面板，可以對示波器的水平分度和幅值分度進行調節(jié)；創(chuàng)建程序控制面板，對示波器控件的程序功能進行控制和調節(jié)。1示波器波形圖控件的創(chuàng)建具體的示波器圖形控件創(chuàng)建步驟如下。在LabVIEW前面板，選擇波形圖控件，選擇順序為“控件經典經典圖形波形圖”或“新式”“圖形”“波形圖”?？梢灾苯釉谇懊姘暹x擇，也可以在前面板單擊鼠標右鍵，再按照以上順序進行選擇，如

48、圖4-5所示。根據基本的設計構想創(chuàng)建簡單雙通道示波圖形的界面布局，將該波形圖控件放在LabVIEW前面板左上角。圖4-5波形圖控件的選擇過程示波器波形圖控件的屬性設置。在波形圖控件上，單擊鼠標右鍵，在彈出的快捷菜單上選擇“屬性”彈出屬性對話框，此時，可以設置示波器波形圖控件的屬性選項。根據示波器波形圖控制的情況，設置相應的屬性選項卡。（1）外觀選項卡屬性設置。外觀屬性頁設置的屬性直接和波形圖控件的外觀特性有關。設置時，取消構選“標簽”的“可見”、“標題”的“可見”及“顯示圖例”復選框，從而使示波器波形圖控件的顯示更加接近真實的物理示波器面板，在添加曲線欄設置曲線為2條。設置如圖4-6所示。（2

49、）顯示格式選項卡屬性設置。該屬性頁能夠對波形圖控件的X和Y軸的現實數值格式及精度進行設置和調節(jié)。設置時，將X軸和Y軸的“數據類型”均設置為浮點數、“精度類型”均選擇“精度位數”、“位數”選擇3，具體如圖4-7所示。圖4-6 波形圖圖屬性外觀選項卡設置圖4-7波形圖格式與顯示格式選項卡設置（4）標尺選項卡屬性設置。標尺屬性頁設置的屬性對波形圖控件顯示標簽、網絡線等屬性都有比較重要的影響。設置 “Y軸”標尺選項卡的屬性設置，勾選“顯示標尺標簽”復選框。 “刻度樣式與顏色”屬性中，“主刻度”、“輔刻度”和“標記文本”的顏色均設置為綠色。“網絡樣式與顏色”中，“主網絡”設置為綠色、“輔網絡”設置為“T

50、”型樣式?！癤軸”的屬性設置中，“自動調整標尺”選項中的最小值和最大值分別調整為0和0.1。其他屬性的設置與“Y軸”設置相同。（5）波形圖屬性對話框的其他設置。其他設置選項，如游標屬性頁的設置、說明信息屬性頁的設置以及數據綁定屬性頁的設置，這些屬性的設置在前面章節(jié)中已經作過簡單的介紹。感興趣的讀者可以根據需要設置相應的一些屬性。而對于數據幫定等屬性頁的設置，設計到比較高級的數據處理功能，可以和數據庫及其他相關的數據關聯起來，實現數據綁定的設置與顯示，本章對這些屬性暫時不予以介紹。感興趣的讀者可以按照屬性頁中的提示來完成相應的屬性設置。圖4-8 波形圖曲線選項卡設置2布置雙通道示波器界面的其他面

51、板如前文所述，本章創(chuàng)建雙通道波形圖VI控件，首先創(chuàng)建該波形圖控件的外觀界面。根據外觀界面的整體布局，需要在前面板界面上，布置多個面板，用于對不同調節(jié)功能、說明功能和控件功能的調節(jié)、顯示和完成控件目的。需要布置的主要包括以下一些面板：信號采集面板（用于采集簡單雙通道示波器的仿真信號）、程序控制面板（控制簡單雙通道示波器的信息存儲和程序終止命令的執(zhí)行任務）、通道選擇面板（選擇示波器不同通道的信號，如單通道還是雙通道信號顯示）和定位面板（水平分度的調節(jié)及數值分度的調節(jié)和顯示）。（1）面板選擇和設置在實現時，這些面板都選擇使用“上凸盒”控件顯示，從而達到比較美觀的外觀效果在LabVIEW8.6設計的前

52、面板，選擇“上凸盒”控件的順序為“控件修飾上凸盒”可以通過控件選板進行選擇，也可以通過單擊右鍵鼠標后再按照以上順序進行選擇。選擇這些控件后，按照需要改變這些控件的大小，布置幾個面板。同時，再者些不同的面板上，添加“文字”標簽，用于說明具體的面板功能。經過以上的布局調整之后，簡單雙通道示波器的前面布局如圖4-9所示，結構相對比較緊湊、比較美觀。圖4-9簡單的雙通道示波器界面的面板布局3.前面板各模塊控件的添加（1）通道選擇面板的創(chuàng)建在通道選擇面板上選擇添加“下拉列表”控件，選擇順序為“控件經典下拉列表”如圖4-10所示。改變所添加控件的大小和寬度，使之外觀比較適合于顯示。在選擇的下拉列表控件上單

53、擊右鍵，在彈出的快捷菜單中選擇“屬性”，修改屬性對話框中的屬性選項卡。在“外觀”選項卡中，標簽選擇可見，標簽名為“單通道選擇”，其他的不變?！皵祿愋汀薄皵祿斎搿薄帮@示格式”等選項卡參數不用設置，在“編輯項”選項卡中，勾選有序值復選框，并分別添加三個有序值，分別為“A”，“B”，“A&B”。 這3項分別表示，示波器只顯示通道A中的信號和只顯示通道B中的信號、同時顯示兩路通道的信號。另一控件“單雙選擇”與“單通道選擇”控件的添加類似，將控件標簽改為“單雙選擇”，將有序值選項添加2個有序值，分別對應“單通道”，“雙通道”。此控件控制雙通道示波器信號輸入的單雙通道選擇。圖4-10 下拉列表控件的選

54、擇（2）信號輸入與采集面板的創(chuàng)建在信號輸入模塊，添加“枚舉”控件和“數值”控件，“枚舉”控件控制波形信號的類型，“數值”控件控制輸入信號的頻率與幅值參數。選擇“控件經典經典下拉列表及枚舉枚舉”添加枚舉控件。右鍵單擊該控件選擇“屬性”對該控件的選項卡進行設置。在“外觀”選項卡中，標簽“可見”復選框不選，選擇標題“可見”復選框，標題名輸入“A信號類型”，“顯示格式”選項卡選擇“十進制”格式，“編輯項”選項卡添加4個選項，分別為“Sine Wave”、“Triangle Wave”、“Square Wave”、“Sawtooth Wave”。同樣，另一控件“B信號類型”與“A信號類型”的創(chuàng)建類似。選

55、擇“新式數值數值輸入控件”，右鍵單擊“屬性”進行設置，標簽選擇不可見，勾選標題“可見”復選框，輸入標題名為“頻率”，“顯示格式”選項卡選擇“自動格式”，精度為“有效數字”，位數為“6”。如圖4-11所示為該控件的屬性設置，接下來的“幅值”控件設置以及B信號的兩個頻率與幅值控件的添加都與上面的添加方法相同，這里不再贅述。采樣信息模塊的選擇，選擇“新式數組矩陣與簇簇”添加簇控件，然后在簇控件里面添加兩個數值輸入控件。右鍵單擊“簇”屬性，在“外觀”選項卡中將簇的標簽名改為“A采樣屬性”?！按亍敝袃蓚€數值輸入控件的“外觀”選項卡中標簽名分別為“Fs”和“采樣數”，數據類型選擇“雙精度”，顯示格式選擇“SI符號”，精度位數為2位，精度類型為有效數字。圖4-11 數值控件的屬性設置（3）水平時間分度旋鈕“Time Base”的屬性設置。在水平幅度調節(jié)面板上添加兩個經典的數值旋鈕控件，該數值旋鈕的選擇過程如圖4-12所示，將兩個數值旋鈕作為A與B通道時分別對應的水平分度調節(jié)旋鈕。以下將分別具體對這個值旋鈕進行設置。在該旋鈕上單擊鼠標右鍵，從彈出的快捷菜單中選擇“屬性”，在彈出的“屬性”對話中，進行屬性設置。 第一步：“外觀”選項卡中，勾選“標題”中的“可見”復選框，填入文