摘 要

虛擬儀器是現(xiàn)代計算機軟硬件技術(shù)飛速發(fā)展的產(chǎn)物，它正逐步取代傳統(tǒng)的電子儀器，是現(xiàn)代電工電子測量儀器的發(fā)展方向。虛擬儀器主要由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析處理、數(shù)據(jù)輸出與顯示三部分模塊組成。其軟件開發(fā)平臺有LabView、VC++ 等。

   在此基礎(chǔ)上，利用美國NI公司的虛擬儀器開發(fā)環(huán)境LabVIEW設(shè)計了虛擬示波器，介紹虛擬示波器的實現(xiàn)過程。該儀器是用基于圖形化編程語言LabVIEW8i 而編寫的, 本虛擬示波器涉及主要功能包括：雙通道信號輸入、觸發(fā)控制、通道控制、時基控制、波形顯示、參數(shù)自測量等。本虛擬示波器的數(shù)據(jù)采集的功能與普通示波器一樣；波形顯示模式：通道 A或B 、A+B及A-B等。測試結(jié)果表明，本文設(shè)計的兩通道數(shù)字示波器系統(tǒng)設(shè)計正確。

引 言

第一章：虛擬儀器

1.1虛擬儀器概述

1.2 虛擬儀器的特點

1.3虛擬儀器現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢

1.3.1 虛擬儀器的發(fā)展及特點

1.3.2 虛擬儀器的發(fā)展方向

1.4虛擬儀器的設(shè)計步驟

第二章：LabVIEW概述

2.1 什么叫LabVIEW

2.2  LabVIEW 軟件的特點

第三章 示波器設(shè)計

3.1本示波器功能

3.1.1主要功能模塊

3.1.2波形顯示模塊

3.2 示波器前面板設(shè)計

3.3示波器的后面板（程序設(shè)計）

3.3.1數(shù)據(jù)采集模塊（模擬數(shù)據(jù)采集）

3.3.2自動掃描控制

3.3.3波形顯示

3.3.4測量波形的各種參數(shù)

3.3.5手動/自動程序

3.4總程序

結(jié)  論

后記

參考文獻

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)儀器開始向計算機化的方向發(fā)展。虛擬儀器是90年代提出的新概念。虛擬儀器技術(shù)的提出與發(fā)展，標(biāo)志著二十一世紀自動測試與電子測量儀器領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的一個重要方向。所謂虛擬儀器，就是在通用的計算機平臺上定義和設(shè)計儀器的測試功能，使用者操作這臺計算機，就像是在使用一臺專門設(shè)計的電子儀器。

   傳統(tǒng)臺式儀器是由儀器廠家設(shè)計并定義好功能的一個封閉結(jié)構(gòu)，它有固定的輸入/輸出接口和儀器操作面板，每種儀器實現(xiàn)一類特定的測量功能，并以確定的方式提供給用戶。從一般的儀器設(shè)計模型看，一種儀器無非是由數(shù)據(jù)采集、分析處理、人機交互和顯示等幾部分功能模塊組成的整體。因此我們可以設(shè)想在必要的數(shù)據(jù)采集硬件和通用計算機支持下，通過軟件設(shè)計實現(xiàn)儀器的全部功能，這就是虛擬儀器設(shè)計的核心。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器除了在性能、易用性、用戶可定制性等方面具有更多優(yōu)點外，在工程應(yīng)用和社會經(jīng)濟效益方面也具有突出優(yōu)勢。一方面，目前我國高檔臺式儀器如數(shù)字示波器、頻譜分析儀、邏輯分析儀等還主要依賴進口，這些儀器加工工藝復(fù)雜、對制造水平要求高，生產(chǎn)突破有困難，采用虛擬儀器技術(shù)可以通過只采購必要的通用數(shù)據(jù)采集硬件來設(shè)計資金的儀器系統(tǒng)；另一方面，用戶可以將一些先進的數(shù)字信號處理算法應(yīng)用于虛擬儀器，提供傳統(tǒng)臺式儀器不具備的功能，而且完全可以通過軟件配置實現(xiàn)多功能集成的儀器設(shè)計。因此，可以說虛擬儀器代表了未來測量儀器設(shè)計發(fā)展的方向。虛擬儀器技術(shù)目前在國外發(fā)展很快，以美國國家儀器公司（NI公司）為代表的一批廠商已經(jīng)在市場上推出了基于虛擬儀器技術(shù)而設(shè)計的商品化儀器產(chǎn)品。數(shù)字示波器是在科學(xué)研究和工程設(shè)計中廣泛應(yīng)用的一種通用儀器。

   LabVIEW是NI推出的虛擬儀器開發(fā)平臺軟件，它們能夠以其直觀簡便的編程方式、眾多的源碼級的設(shè)備驅(qū)動程序、多種多樣的分析和表達功能支持，為用戶快捷地構(gòu)筑自己在實際生產(chǎn)中所需要的儀器系統(tǒng)創(chuàng)造了基礎(chǔ)條件。LabVIEW采用圖形化編程語言--G語言，產(chǎn)生的程序是框圖的形式，易學(xué)易用，特別適合硬件工程師、實驗室技術(shù)人員、生產(chǎn)線工藝技術(shù)人員的學(xué)習(xí)和使用，可在很短的時間內(nèi)掌握并應(yīng)用到實踐中去。特別是對于熟悉儀器結(jié)構(gòu)和硬件電路的硬件工程師、現(xiàn)場工程技術(shù)人員及測試技術(shù)人員來說，編程就像設(shè)計電路圖一樣；因此，硬件工程師、現(xiàn)場工程技術(shù)人員及測試技術(shù)人員們學(xué)習(xí)LabVIEW駕輕就熟，在很短的時間內(nèi)就能夠?qū)W會并應(yīng)用LabVIEW。該儀器是用基于圖形化編程語言LabVIEW8i 而編寫的,主要功能包括：雙通道信號輸入、觸發(fā)控制、通道控制、時基控制、波形顯示、參數(shù)自測量等。本虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集的功能與普通示波器一樣；波形顯示模式：通道 A或B 、A+B及A-B等；實驗結(jié)果表明,該儀器具有較高的精度和穩(wěn)定性,而且具有友好的人機界面。
                     

第一章：虛擬儀器

虛擬儀器（virtual instrumention）是基于計算機的儀器。計算機和儀器的密切結(jié)合是目前儀器發(fā)展的一個重要方向。粗略地說這種結(jié)合有兩種方式，一種是將計算機裝入儀器，其典型的例子就是所謂智能化的儀器。隨著計算機功能的日益強大以及其體積的日趨縮小，這類儀器功能也越來越強大，目前已經(jīng)出現(xiàn)含嵌入式系統(tǒng)的儀器。另一種方式是將儀器裝入計算機。以通用的計算機硬件及操作系統(tǒng)為依托，實現(xiàn)各種儀器功能。虛擬儀器主要是指這種方式。下面的框圖反映了常見的虛擬儀器方案。

虛擬儀器的主要特點有：

• 盡可能采用了通用的硬件，各種儀器的差異主要是軟件。
• 可充分發(fā)揮計算機的能力，有強大的數(shù)據(jù)處理功能，可以創(chuàng)造出功能更強的儀器。
• 用戶可以根據(jù)自己的需要定義和制造各種儀器。
  

虛擬儀器實際上是一個按照儀器需求組織的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。虛擬儀器的研究中涉及的基礎(chǔ)理論主要有計算機數(shù)據(jù)采集和數(shù)字信號處理。目前在這一領(lǐng)域內(nèi)，使用較為廣泛的計算機語言是美國NI公司的LabVIEW。

虛擬儀器的起源可以追朔到20世紀70年代，那時計算機測控系統(tǒng)在國防、航天等領(lǐng)域已經(jīng)有了相當(dāng)?shù)陌l(fā)展。PC機出現(xiàn)以后，儀器級的計算機化成為可能，甚至在Microsoft公司的Windows誕生之前，NI公司已經(jīng)在Macintosh計算機上推出了LabVIEW2.0以前的版本。對虛擬儀器和LabVIEW長期、系統(tǒng)、有效的研究開發(fā)使得該公司成為業(yè)界公認的權(quán)威。

普通的PC有一些不可避免的弱點。用它構(gòu)建的虛擬儀器或計算機測試系統(tǒng)性能不可能太高。目前作為計算機化儀器的一個重要發(fā)展方向是制定了VXI標(biāo)準，這是一種插卡式的儀器。每一種儀器是一個插卡，為了保證儀器的性能，又采用了較多的硬件，但這些卡式儀器本身都沒有面板，其面板仍然用虛擬的方式在計算機屏幕上出現(xiàn)。這些卡插入標(biāo)準的VXI機箱，再與計算機相連，就組成了一個測試系統(tǒng)。VXI儀器價格昂貴，目前又推出了一種較為便宜的PXI標(biāo)準儀器。

虛擬儀器研究的另一個問題是各種標(biāo)準儀器的互連及與計算機的連接。目前使用較多的是IEEE 488或GPIB協(xié)議。未來的儀器也應(yīng)當(dāng)是網(wǎng)絡(luò)化的。

    1）傳統(tǒng)儀器的面板只有一個，其上布置著種類繁多的顯示與操作元件，易

導(dǎo)致許多識別與操作錯誤。虛擬儀器與之不同，它可以通過在幾個分面板上的操作來實現(xiàn)比較復(fù)雜的功能。這樣，在每個分面板上就可以實現(xiàn)功能操作的單純化面板布置的簡捷化，從而提高操作的正確性與便捷性。同時，虛擬儀器面板上的顯示元件和操作元件的種類與形式不受“標(biāo)準件”和“加工工藝”的限制，它們是由編程來實現(xiàn)的，設(shè)計者可以根據(jù)用戶的認知要求和操作要求，設(shè)計儀器面板。

2）在通用硬件平臺確定后，由軟件取代傳統(tǒng)儀器中的硬件來完成儀器的功能。

3）儀器的功能是用戶根據(jù)需要由軟件來定義的，而不是事先由廠家定義好的。

4）儀器性能的改進和功能擴展只需更新相關(guān)軟件設(shè)計，而不需購買新的儀器。研制周期較傳統(tǒng)儀器大為縮短。

5）虛擬儀器開放、靈活，可與計算機同步發(fā)展，與網(wǎng)絡(luò)及其它周邊設(shè)備互聯(lián)。

    6）決定虛擬儀器具有傳統(tǒng)儀器不可能具備的特點的根本原因在于“虛擬儀器的關(guān)鍵是軟件”。

    虛擬儀器在工程應(yīng)用和社會經(jīng)濟效益方面具有突出的優(yōu)勢。目前，我國高檔臺式儀器，如數(shù)字示波器、頻譜分析儀、邏輯分析儀等還主要依賴進口，因為這些儀器加工工藝復(fù)雜，對制造水平要求高，生產(chǎn)突破有困難，而采用虛擬儀器技術(shù)后，就可以通過只采購必要的通用儀器硬件來設(shè)計自己的高性能價格比的儀器系統(tǒng)。   

電子測量儀器發(fā)展至盡，大體可分為四代：模擬儀器、分立元件式儀器、數(shù)字化儀器、智能儀器和虛擬化儀器。

    儀器的發(fā)展過程

    第一代——模擬儀器。這類儀器在某些實驗室仍能看到，是以電磁感應(yīng)基本定律為基礎(chǔ)的指針式儀器，如指針式萬用表、指針式電壓表、指針式電流表等。這類指針式儀表借助指針來顯示最終結(jié)果。

    第二代——分立元件式儀器。當(dāng)20世紀60年代出現(xiàn)晶體管時，便產(chǎn)生了以電子管或晶體管電子電路為基礎(chǔ)的第二代測試儀器——分立元件式儀器。

    第三代——數(shù)字化儀器。20世紀70年代，隨著集成電路的出現(xiàn)，誕生了以集成電路芯片為基礎(chǔ)的第三代儀器——數(shù)字化儀器。這類儀器目前相當(dāng)普及，數(shù)字電壓表、數(shù)字頻率計等。這類儀器將模擬信號的測量轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號的測量，并以舒數(shù)字方式輸出最終結(jié)果，適用于快速響應(yīng)和較高準確度的測量。

    第四代——智能儀器。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展和微處理器的普及，以微處理器為核心的第四代儀器——智能儀器迅速普及。這類儀器內(nèi)置微處理器，既能進行自動測試，又具有一定的數(shù)據(jù)處理能力，可取代部分腦力勞動，習(xí)慣上稱其為智能儀器。其缺點是它的功能塊全部都以硬件（或固化的軟件）的形式存在，無論對開發(fā)還是針對應(yīng)用，都缺乏靈活性。

    目前，微電子技術(shù)和計算機技術(shù)飛速發(fā)展，測試技術(shù)與計算機深層次的結(jié)核癥引起測試儀器領(lǐng)域里的一場新的革命，一種全新的儀器結(jié)構(gòu)概念導(dǎo)致了新一代儀器——虛擬儀器的出現(xiàn)。它是現(xiàn)代計算機計術(shù)、通信技術(shù)和測量技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是傳統(tǒng)儀器觀念的一次巨大的變革，是傳統(tǒng)儀器儀器觀念的一次巨大變革，是儀器產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個重要方向。它的出現(xiàn)使得人類的測試技術(shù)進入一個新的發(fā)展紀元。

    國際上從1988年開始陸續(xù)有虛擬儀器產(chǎn)品面市。當(dāng)時有5家制造商推出了30種產(chǎn)品，此后，虛擬儀器產(chǎn)品成倍增加。

    隨著計算機、通信、微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，以及網(wǎng)絡(luò)時代的到來和信息化要求的不斷提高，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到虛擬儀器領(lǐng)域中是虛擬儀器發(fā)展的大趨勢。在國內(nèi)網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器的概念目前還沒有一個比較明確的提法，也沒有一個被測量界廣泛接受的定義。其一般特征是將虛擬儀器、外部設(shè)備、被測試點以及數(shù)據(jù)庫等資源納入網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)資源共享，共同完成測試任務(wù)。使用網(wǎng)路化虛擬儀器，可以在任何地點、任意時刻獲取到測量數(shù)據(jù)信息的愿望成為現(xiàn)實。網(wǎng)路化虛擬儀器也適合異地或遠程控制、數(shù)據(jù)采集、故障檢測、報警等。

與以PC為核心的虛擬儀器相比，網(wǎng)絡(luò)化將對虛擬儀器的發(fā)展產(chǎn)生一次革命，網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器是儀器發(fā)展史上的又一次革命。網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器將由單臺虛擬儀器實現(xiàn)的三大功能（數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)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現(xiàn)傳統(tǒng)儀器的三大功能，以網(wǎng)線相連接，實現(xiàn)信息資源的共享。

• 確定程序設(shè)計的總體方案
  

• I/O接口儀器驅(qū)動程序的設(shè)計
  

• 構(gòu)建圖形化流程圖
  

•      調(diào)試和優(yōu)化程序
  

LabVIEW是NI推出的虛擬儀器開發(fā)平臺軟件，它們能夠以其直觀簡便的編程方式、眾多的源碼級的設(shè)備驅(qū)動程序、多種多樣的分析和表達功能支持，為用戶快捷地構(gòu)筑自己在實際生產(chǎn)中所需要的儀器系統(tǒng)創(chuàng)造了基礎(chǔ)條件。
      LabVIEW采用圖形化編程語言--G語言，產(chǎn)生的程序是框圖的形式，易學(xué)易用，特別適合硬件工程師、實驗室技術(shù)人員、生產(chǎn)線工藝技術(shù)人員的學(xué)習(xí)和使用，可在很短的時間內(nèi)掌握并應(yīng)用到實踐中去。特別是對于熟悉儀器結(jié)構(gòu)和硬件電路的硬件工程師、現(xiàn)場工程技術(shù)人員及測試技術(shù)人員來說，編程就像設(shè)計電路圖一樣；因此，硬件工程師、現(xiàn)場工程技術(shù)人員及測試技術(shù)人員們學(xué)習(xí)LabVIEW駕輕就熟，在很短的時間內(nèi)就能夠?qū)W會并應(yīng)用LabVIEW。也不必去記憶那眼花繚亂的文本式程序代碼。
       LabVIEW這么容易學(xué)習(xí)和使用，是不是LabVIEW的功能十分有限呢？不。像C或C++等其它計算機高級語言一樣，LabVIEW也是一種通用編程系統(tǒng)，具有各種各樣、功能強大的函數(shù)庫，包括數(shù)據(jù)采集、GPIB、串行儀器控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲，甚至還有目前十分熱門的網(wǎng)絡(luò)功能。LabVIEW也有完善的仿真、調(diào)試工具，如設(shè)置斷點、單步等。LabVIEW的動態(tài)連續(xù)跟蹤方式，可以連續(xù)、動態(tài)地觀察程序中的數(shù)據(jù)及其變化情況，比其它語言的開發(fā)環(huán)境更方便、更有效。而且LabVIEW與其它計算機語言相比，有一個特別重要的不同點：其它計算機語言都是采用基于文本的語言產(chǎn)生代碼行，而LabVIEW采用圖形化編程語言--G語言。
       LabVIEW程序又稱為虛擬儀器，它的表現(xiàn)形式和功能類似于實際的儀器；但LabVIEW程序很容易改變設(shè)置和功能。因此，LabVIEW特別適用于實驗室、多品種小批量的生產(chǎn)線等需要經(jīng)常改變儀器和設(shè)備的參數(shù)和功能的場合，及對信號進行分析研究、傳輸?shù)葓龊稀?br />     總之，由于LabVIEW能夠為用戶提供簡明、直觀、易用的圖形編程方式，能夠?qū)⒎爆崗?fù)雜的語言編程簡化成為以菜單提示方式選擇功能，并且用線條將各種功能連接起來，十分省時簡便，深受用戶青睞。與傳統(tǒng)的編程語言比較，LabVIEW圖形編程方式能夠節(jié)省85％以上的程序開發(fā)時間，其運行速度卻幾乎不受影響，體現(xiàn)出了極高的效率。使用虛擬儀器產(chǎn)品，用戶可以根據(jù)實際生產(chǎn)需要重新構(gòu)筑新的儀器系統(tǒng)。例如，用戶可以將原有的帶有RS232接口的儀器、VXI總線儀器以及GPIB儀器通過計算機，聯(lián)接在一起，組成各種各樣新的儀器系統(tǒng)，由計算機進行統(tǒng)一管理和操作。
      可以預(yù)見，由于LabVIEW這些其他語言無法比擬的優(yōu)勢，已經(jīng)成為該領(lǐng)域的一朵奇葩！最終將引發(fā)傳統(tǒng)的儀器產(chǎn)業(yè)新的革命。

我經(jīng)常聽到，甚至有時關(guān)注于對LabVIEW的爭論，即LabVIEW是一種通用的語言還是一種用于測量和自動化的特定應(yīng)用程序的開發(fā)環(huán)境。一方面，有經(jīng)驗的程序員指出了LabVIEW缺乏的流行編程語言所具有的特性，但是另一方面，一些用戶詳細闡述了他們使用LabVIEW所建立的通用應(yīng)用程序，而完全沒有使用任何數(shù)據(jù)采集或分析。對LabVIEW用戶的調(diào)查可能與最近一個非正式的對一個團隊中的開發(fā)者的調(diào)查一致，這個團隊中的絕大多數(shù)人都認為LabVIEW已具有足夠的功能來被歸為通用語言類，而且事實上，正是以這種方式在使用它。LabVIEW被提到次數(shù)最多的不足是常用的遞歸和遞歸式數(shù)據(jù)類型，以及面向?qū)ο蟮慕Y(jié)構(gòu)，但是這些都不是建立通用應(yīng)用程序的嚴重障礙。錯誤的問題盡管有了調(diào)查結(jié)果，但是我認為這是一個錯誤的問題而且試圖回答它會導(dǎo)致錯誤的方向。對我來說，這有點像在問：汽車是不是用來就座的地方？當(dāng)然你可以在汽車里就座，但是如果那是你利用它所做的全部，那么你失去了擁有它可以得到的主要用途。一個較好的問題是：LabVIEW可以被用作通用編程語言嗎？或者更好的是：LabVIEW能夠被用來創(chuàng)建通用的應(yīng)用程序嗎？這個問題的新表述在什么被視為通用這個方面仍然是同樣模糊的，但是它沒有強調(diào)有時顯得嚴謹?shù)臓幷�，即LabVIEW是不是一種編程語言？一些人并不認為它是一種語言，因為它不是基于文本的 而且它不是順序化的。更為奇怪的是，關(guān)于什么被看作是一種編程語言的這個問題上，那些具有計算機科學(xué)背景的人持有最為狹隘的觀點。但是，經(jīng)過改正后的問題最為重要的一個方面是它將包容性轉(zhuǎn)換到了正確的方向。換一種方式來 表達，即最初的問題間接地暗示了通用編程語言在某種程度上是一個更大的問題或者是測量和自動化編程的一個父集，然而，實際上子集卻在其他的方向。通常，測量和自動化的程序必須處理所有與通用程序一樣的問題，如數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法、文件I/O、網(wǎng)絡(luò)I/O、用戶I/O和數(shù)據(jù)庫存取、打印等等這些常見的問題。但是測量和自動化程序也必須處理比通用程序更多的問題，例如物理I/O、實時性約束和硬件配置。它們也可以具有一些最為苛刻的用戶界面要求。測量和自動化程序處理了一個通用程序所處理問題的父集。如果工具A和工具B可以被用于一定的任務(wù)集，但是工具B具有更多的功能可使它益于完成額外的任務(wù)，哪一種工具是事實上更為通用的呢？這正是我們關(guān)于LabVIEW問題。LabVIEW適于測量和自動化應(yīng)用程序的能力不是來自于它的基本編程能力被某種方式所限制，而是因為它們經(jīng)過了增強和擴展。這就是為什么有必要提出“LabVIEW能夠被用來創(chuàng)建通用的應(yīng)用程序嗎？”這個問題而不是 “LabVIEW是一種通用編程語言嗎？”。我們不希望通過把LabVIEW僅視為一種編程語言而限制了它的范圍或它將來的發(fā)展。

LabVIEW軟件的特點如下：

1） 具有圖形化的編程方式，設(shè)計者無需寫任何文本格式的代碼，是真正的工程師的語言：

2）提供豐富的數(shù)據(jù)采集、分析及存儲的庫函數(shù)：

3) 提供傳統(tǒng)的程序調(diào)試手段，如設(shè)置斷點、單步運行，同時提供獨具特色的執(zhí)行工具，使程序動畫式運行，利于設(shè)計者觀察到程序運行的細節(jié)，使程序的調(diào)試和開發(fā)更為便捷；

4)32位的編儀器編譯生成32位的編譯程序，保證用戶數(shù)據(jù)采集、測試和測量方案的高速執(zhí)行；

5) 囊括了PCI，GPIB，PXI，VXI，RS-232/485，USB等各種儀器通信總線標(biāo)準的所有功能函數(shù)，使得不懂得總線標(biāo)準的開發(fā)者也能夠驅(qū)動不同總線標(biāo)準接口設(shè)備與儀器。  

本虛擬儀器涉及主要功能包括：雙通道信號輸入、觸發(fā)控制、通道控制、時基控制、波形顯示、參數(shù)自測量等。本虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集的功能與普通示波器一樣；波形顯示模式：通道 A或B 、A+B及A-B等；電壓參數(shù)測量，時間/頻率參數(shù)測量，定位標(biāo)尺，測量結(jié)果顯示。由于條件有限，沒有數(shù)據(jù)采集卡，我在設(shè)計數(shù)據(jù)采集時，采用了LaBVIEW內(nèi)部信號發(fā)生器來產(chǎn)生信號；這些發(fā)生器有正弦波發(fā)生器、方波發(fā)生器、三角波發(fā)生器、鋸齒波發(fā)生器，通過這些信號的輸入來進行測量。

3.1.1主要功能模塊

概括地講，虛擬儀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(shù)據(jù)采集、波形顯示、參數(shù)測量等模塊。其功能結(jié)構(gòu)如下圖

注釋：由于條件有限，沒有數(shù)據(jù)采集卡，我在設(shè)計數(shù)據(jù)采集時，采用了LaBVIEW內(nèi)部信號發(fā)生器來產(chǎn)生信號；這些發(fā)生器有正弦波發(fā)生器、方波發(fā)生器、三角波發(fā)生器、鋸齒波發(fā)生器，通過這些信號的輸入來進行測量。

軟件提供了三種波形顯示模式：

*A  B A&B 模式：通過顯示通道選擇按鍵可以任意顯示某一通道或兩通道輸入信號的波形；

*XY模式：當(dāng)兩通道都處于選同狀態(tài)時，使用此模式來顯示李沙育圖形，測量相位差或頻率；

*A+B A-B模式：當(dāng)兩通道都處于選通狀態(tài)時使用此模式來顯示兩通道信號帶數(shù)相加、相減后的波形。

虛擬示波器的界面圖，分為波形顯示區(qū)和操作面板區(qū)。波形顯示區(qū)橫軸表示時間，縱軸表示幅值。單元格當(dāng)前時間和幅值也可通過操作面板的“時間”框、“幅值”框顯示。操作區(qū)有：顯示模式轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)采集配置，時基控制，數(shù)據(jù)處理等。顯示模式轉(zhuǎn)換是選擇要測量的設(shè)備類型，通道和極性選擇。數(shù)據(jù)采集是調(diào)節(jié)波形幅值，波形周期和選擇顯示的波形是哪個通道的，先是波形的類型等。時基控制是選者掃描率，掃描數(shù)，選擇手動、自動等。

前面板用于設(shè)置輸入數(shù)值和觀察輸出量,用于模擬真實示波器的前面板。由于虛擬面板直接面向用戶,是虛擬示波器控制軟件的核心。我設(shè)計這部分時,主要考慮界面美觀、操作簡潔,用戶能通過面板上的各種按鈕、開關(guān)等控鍵來控制虛擬示波器的工作。根據(jù)傳統(tǒng)示波器的面板控鍵的功能,利用LabVIEW 中的控制模板,分別在設(shè)計面板上放入模擬實際控鍵的顯示器、通道選擇控鍵、水平與垂直增益控鍵、觸發(fā)方式選擇控鍵及開關(guān)。打開LabVIEW 前面板編輯窗口,點擊鼠標(biāo)右鍵,顯示控制模板,選擇Graph m Waveform Graph ,作為示波器的顯示器。在顯示器模板上點擊鼠標(biāo)右鍵,對其進行屬性設(shè)置,如根據(jù)示波器的頻率與幅度值的變化, 利用工具模板中的文字工具,對顯示器橫(時間) 、縱(幅度) 坐標(biāo)的刻度重新設(shè)置。

示波器的前面板如下圖3-1：

由于條件有限，沒有數(shù)據(jù)采集卡，我在設(shè)計數(shù)據(jù)采集時，采用了LaBVIEW內(nèi)部信號發(fā)生器來產(chǎn)生信號；這些發(fā)生器有正弦波發(fā)生器、方波發(fā)生器、三角波發(fā)生器、鋸齒波發(fā)生器，通過這些信號的輸入來進行測量。

方波發(fā)生器

三角波發(fā)生器

正弦波發(fā)生器

鋸齒波發(fā)生器

方波發(fā)生器     均勻分布的隨機信號發(fā)生器

正弦波形發(fā)生器函數(shù)圖標(biāo)左側(cè)一列為輸入端口，即該函數(shù)調(diào)用前的參數(shù)設(shè)置端口。

• samples: 生成波形的總點數(shù)N。
• amplitude:生成波形的幅值。
• f:生成信號的數(shù)字頻率。
• phase in: 生成波形的初始相位，單位為度。
• reset phase: 默認值為TRUE。當(dāng)為TRUE時，函數(shù)以phase in 的值作為初始相位，如果該值為FALSE， 則函數(shù)以上一次調(diào)用后的phase out輸出值為此次波形的初始相位（默認值為TRUE），顯然，此時產(chǎn)生的信號波形是連續(xù)光滑的。
  

函數(shù)圖標(biāo)的右側(cè)一列為輸出端口（即該函數(shù)調(diào)用后的輸出參數(shù) ），其各自的含義如下：

• sine wave: 數(shù)組名，該數(shù)組內(nèi)存放所生成的波形數(shù)據(jù)。
• phase out: 當(dāng)reset phase 為TRUE時，該參數(shù)無效。當(dāng)reset phase為FALSE時，該參數(shù)作為下一次生成正弦波的初始相位。
• error: 錯誤代碼。若有錯誤，則輸出錯誤代碼。根據(jù)錯誤代碼，查找LabVIEW幫助文件，可以找到與錯誤代碼對應(yīng)的錯誤含義。
  

信號發(fā)生器的產(chǎn)生

介紹怎樣產(chǎn)生標(biāo)準頻率的信號，以及怎樣創(chuàng)建模擬函數(shù)發(fā)生器。使用分析庫中的信號發(fā)生VI產(chǎn)生各種類型的信號。信號產(chǎn)生的應(yīng)用主要有：

•              當(dāng)無法獲得實際信號時，（例如沒有DAQ板卡來獲得實際信號或者受限制無法訪問實際信號），信號發(fā)生功能可以產(chǎn)生模擬信號測試程序。
•      產(chǎn)生用于D/A轉(zhuǎn)換的信號
  

在LabVIEW 中提供了波形函數(shù)，為制作函數(shù)發(fā)生器提供了方便。以Waveform>>Waveform Generation中的基本函數(shù)發(fā)生器（Basic Function Generator.vi）為例，其圖標(biāo)如下：

其功能是建立一個輸出波形，該波形類型有：正弦波、三角波、鋸齒波和方波。這個VI會記住產(chǎn)生的前一波形的時間標(biāo)志并且由此點開始使時間標(biāo)志連續(xù)增長。它的輸入?yún)��?shù)有波形類型、樣本數(shù)、起始相位、波形頻率（單位：Hz）

參數(shù)說明：

offset：波形的直流偏移量，缺省值為0.0。數(shù)據(jù)類型DBL

reset signal：將波形相位重置為相位控制值且將時間標(biāo)志置為0。缺省值為FALSE.

signal type：產(chǎn)生的波形的類型，缺省值為正弦波。

frequency ：波形頻率（單位 Hz），缺省值為10。

amplitude ：波形幅值，也稱為峰值電壓，缺省值為1.0。

phase ：波形的初始相位（單位 度）缺省值為0.0.

error in ：在該VI運行之前描述錯誤環(huán)境。缺省值為 no error. 如果一個錯誤已經(jīng)發(fā)生，該VI在error out端返回錯誤代碼。該VI僅在無錯誤時正常運行。 錯誤簇包含如下參數(shù)。

status ：缺省值為FALSE，發(fā)生錯誤時變?yōu)門RUE。

code ：錯誤代碼，缺省值為0。

source ：在大多數(shù)情況下是產(chǎn)生錯誤的VI或函數(shù)的名稱，缺省值為一個空串。

sampling info ：一個包括采樣信息的簇。共有Fs和#s 兩個參數(shù)。

Fs ：采樣率，單位是樣本數(shù)/秒，缺省值為1000。

#s ：波形的樣本數(shù)，缺省值為1000。

duty cycle (%)：占空比，對方波信號是反映一個周期內(nèi)高低電平所占的比例，缺省值為50%。

signal out：信號輸出端

phase out ：波形的相位，單位：度。

error out ：錯誤信息。如果 error in 指示一個錯誤，error out 包含同樣的錯誤信息。否則，它描述該VI 引起的錯誤狀態(tài)。

使用該VI制作的函數(shù)發(fā)生器如下，由框圖可以看出，其中沒有附加任何其他部件。

數(shù)據(jù)采集主要是把通道A、通道B、設(shè)備，掃描率、掃描數(shù)、極性， 觸發(fā)源、模式、斜坡、電平，信號分別生成一個簇然后輸入到子程序OSCdaq 這個子程序是里，里面有一個自生成的波形發(fā)生器，通過外面的變量來對波形發(fā)生器進行控制。

圖3-4 數(shù)據(jù)采集的總的程序圖

子VI的建立

子VI（SubVI）相當(dāng)于普通編程語言中的子程序，也就是被其他的 VI調(diào)用的VI�？梢詫⑷魏我粋�定義了圖標(biāo)和聯(lián)接器的 VI作為另一個 VI的子程序。在流程圖中打開 Functions»Select a VI…. ，就可以選擇要調(diào)用的子 VI 。構(gòu)造一個子VI主要的工作就是定義它的圖標(biāo)和聯(lián)接器。

每個VI在前面板和流程圖窗口的右上角都顯示了一個默認的圖標(biāo)。啟動圖標(biāo)編輯器的方法是，用鼠標(biāo)右鍵單擊面板窗口的右上角的默認圖標(biāo)，在彈出菜單中選擇 Edit Icon。

下圖顯示了圖標(biāo)編輯器的窗口�？梢杂么翱谧筮叺母鞣N工具設(shè)計像素編輯區(qū)中的圖標(biāo)形狀。編輯區(qū)右側(cè)的一個方框中顯示了一個實際大小的圖標(biāo)。圖標(biāo)編輯器的具體使用細節(jié)參閱有關(guān)資料。

聯(lián)接器是 VI 數(shù)據(jù)的輸入輸出接口。如果用面板控制對象或者顯示對象從子 VI 中輸出或者輸入數(shù)據(jù)，那么這些對象都需要在聯(lián)接器面板中有一個連線端子。您可以通過選擇 VI的端子數(shù)并為每個端子指定對應(yīng)的前面板對象以定義聯(lián)接器。

定義聯(lián)接器的方法是，用鼠標(biāo)右鍵單擊面板窗口中的圖標(biāo)窗口，在快捷菜單中選擇 Show Connector。

聯(lián)接器圖標(biāo)會取代面板窗口右上角的圖標(biāo)。LabVIEW 自動選擇的端子連接模式是控制對象的端子位于聯(lián)接器窗口的左邊，顯示對象的端子位于聯(lián)接器窗口右邊。選擇的端子數(shù)取決于前面板中控制對象和顯示對象的個數(shù)。

聯(lián)接器中的各個矩形表示各個端子所在的區(qū)域，可以用它們從 VI 中輸入或者輸出數(shù)據(jù)。如果必要，也可以選擇另外一種端子連接模式。方法是在圖標(biāo)上單擊鼠標(biāo)右鍵單出快捷菜單，選擇 Show Connector，再次彈出快捷菜單，選擇Patterns。

本子程序主要用到程序結(jié)構(gòu)有While循環(huán)、分支結(jié)構(gòu)、數(shù)簇、數(shù)組等。While循環(huán)模塊位置為Functions->Execution Control子模板。單擊鼠標(biāo)左鍵后，指針變?yōu)槭中�。把鼠�?biāo)指針移到框圖上，可以看到，鼠標(biāo)指針縮小的While循環(huán)樣子。循環(huán)右下角是條件端子，用于在每次循環(huán)結(jié)束后判斷循環(huán)是否繼續(xù)執(zhí)行。具體的循環(huán)繼續(xù)條件有兩種：Stop if True和Continue if True，具體采用哪種方式可在條件端子上彈出的快捷菜單指定，也可以使用操作工具在端子上單擊鼠標(biāo)，以切換兩種不同的條件。條件不同，端子的圖標(biāo)也不同，默認的條件是Stop if True。左下角標(biāo)有字母i的矩形框圖是重復(fù)端子(Iteration Terminal)，可以在每次循環(huán)中提供當(dāng)前循環(huán)次數(shù)的計數(shù)值，i的初始值為0。兩個端子之外的其他空白區(qū)域都可以放置程序代碼。

分支結(jié)構(gòu)（Case Structure）位于Functions->Programming->Structures子模版上。分支結(jié)構(gòu)左邊框上有一個輸入端子，該端子中心有一個問號，稱為選擇器端子(Selector Terminal)；上邊框上有分支選擇器標(biāo)簽（Case Selector Label）。

分支結(jié)構(gòu)有一個或多個子框圖，每一個子框圖都是一個執(zhí)行分支，每一個執(zhí)行分支都有自己的分支選擇器標(biāo)簽。當(dāng)執(zhí)行分支時只有與接入選擇器端子相匹配的標(biāo)簽對應(yīng)的框圖被執(zhí)行。端子的值可以是布爾型、字符串型、整型或者是枚舉類型。此選擇器端子的值的類型是無符號長整型。分支結(jié)構(gòu)子框圖是堆疊在一起的，單擊標(biāo)簽左邊和右邊的增量、減量按鈕將使當(dāng)前顯示框圖在堆疊起來的多個框圖中進行一次前、后切換。單擊分支選擇器標(biāo)簽右邊端的向下黑色箭頭，將彈出所有已定義的標(biāo)簽列表，可以利用這個列表在多個子框圖之間實現(xiàn)快速跳轉(zhuǎn)。與C語言的分支結(jié)構(gòu)不同的是，C語言的switch語句的Default分支是可選的，在沒有Default分支時，如果沒有任何匹配，則任何Case后面的代碼都不會執(zhí)行。而對于LabVIEW的Case結(jié)構(gòu)，要么在選擇器標(biāo)簽中列出所有可能的情況，要么必須給出一種默認情況。

自動掃描控制主要是利用軟件編程來對采集到的數(shù)據(jù)進行對掃描率和掃描數(shù)的控制程序如下圖3-6：

圖3-6 自動掃描控制

掃描數(shù)乘以dt乘以基頻然后輸入到分支結(jié)構(gòu)的輸入端子，若選擇端子是True將判斷輸入端子大于6 ，又掃描率大于等于8 則掃描率加1。若第一個分子結(jié)構(gòu)選擇結(jié)構(gòu)輸入端子小于3，又掃描率小于0，則掃描率減去1。

圖形顯示對于虛擬儀器面板設(shè)計是一個重要的內(nèi)容。LabVIEW為此提供了豐富的功能。。

我們不從圖形的實現(xiàn)方法上去討論問題,那是計算機圖形學(xué)的課題。但我們需要從用戶的可能的需求角度探求一下，如果你需要做虛擬儀器方面的開發(fā)，那么可能遇到些什么圖形問題。LabVIEW在這方面所做的工作是非常值得借鑒的。

在LabVIEW的圖形顯示功能中Graph和Chart是兩個基本的概念。一般說來Chart是將數(shù)據(jù)源（例如采集得到的數(shù)據(jù)）在某一坐標(biāo)系中，實時、逐點地顯示出來，它可以反映被測物理量的變化趨勢，例如顯示一個實時變化的波形或曲線，傳統(tǒng)的模擬示波器、波形記錄儀就是這樣。而Graph則是對已采集數(shù)據(jù)進行事后處理的結(jié)果。它先將被采集數(shù)據(jù)存放在一個數(shù)組之中，然后根據(jù)需要組織成所需的圖形顯示出來。它的缺點是沒有實時顯示，但是它的表現(xiàn)形式要豐富得多。例如采集了一個波形后，經(jīng)處理可以顯示出其頻譜圖�，F(xiàn)在，數(shù)字示波器也可以具備類似Graph的顯示功能。

LabVIEW的Graph子模板中有許多可供選用的控件，其中常用的見下表：

由表中可以看出，Chart方式盡管能實時、直接地顯示結(jié)果，但其表現(xiàn)形式有限，而Graph方式表現(xiàn)形式要遠為豐富，但這是以犧牲實時為代價的。

Graph控件

各種圖形都提供了相應(yīng)的控件，以Graph為例介紹。圖４－１所示為它的控件。所有這些控件都包含在圖形快速菜單的Visible Items選項下。

曲線圖例可用來設(shè)置曲線的各種屬性，包括線型（實線、虛線、點劃線等）、線粗細、顏色以及數(shù)據(jù)點的形狀等。

圖形模板可用來對曲線進行操作，包括移動、對感興趣的區(qū)域放大和縮小等。

光標(biāo)圖例可用來設(shè)置光標(biāo)、移動光標(biāo)，幫助你用光標(biāo)直接從曲線上讀取感興趣的數(shù)據(jù)。

刻度圖例用來設(shè)置坐標(biāo)刻度的數(shù)據(jù)格式、類型（普通坐標(biāo)或?qū)��?shù)坐標(biāo)），坐標(biāo)軸名稱以及刻度柵格的顏色等。

圖3-8生成時間軸序列

A、B顯示模塊的調(diào)節(jié)按鈕元素通過Bundle中把它們打包生成一個簇然后通過Unbundle By Name 把輸入簇中的元素按標(biāo)簽解包，A、B通道電壓數(shù)據(jù)分別用分支結(jié)構(gòu)來對其進行顯示A、顯示B、顯示A&B等。

圖3-9 測量波形的各參數(shù)程序

當(dāng)測量信號輸入到分支結(jié)構(gòu)輸入端子時，電壓數(shù)據(jù)通過 Index Array 數(shù)組，當(dāng)選擇通道按鈕按下時則有它來控制索引電壓數(shù)據(jù)數(shù)組，然后輸入到osc測量子VI中。

測量表如下圖3-10：

事件結(jié)構(gòu)位于Functions->All Functions->Strunctures 子模板上。事件結(jié)構(gòu)包含有幾個基本組成部分：上方邊框中間是事件選擇標(biāo)簽，用于標(biāo)識當(dāng)前顯示的子框圖所處理事件的事件源；事件數(shù)據(jù)節(jié)點為子框圖提供所處理事件的相關(guān)數(shù)據(jù)；超時端子隸屬整個事件結(jié)構(gòu)，用于為超時事件提供超時時間參數(shù)。事件數(shù)據(jù)節(jié)點有若干事件數(shù)據(jù)端子組成，分為手動、自動、Time out .超時端子接入的，以毫秒為單位的整數(shù)值指定了超時時間，在等待其他類型事件發(fā)生的時間超過時間后，將自動觸發(fā)Time out事件。為超時端子接入-1值表示不產(chǎn)生Time out事件。事件結(jié)構(gòu)的組織方式與Case結(jié)構(gòu)相似，都是把多個子框圖堆疊在一起。根據(jù)所發(fā)生事件的不同，每次只有一個子框圖得到執(zhí)行，并且該子框圖執(zhí)行完后，事件結(jié)構(gòu)隨之退出。

.

如圖3-13

虛擬示波器設(shè)計完成后,經(jīng)使用,所有控制鍵和功能正常,符合使用要求。本設(shè)計論文的主要工作就是利用LabVIEW設(shè)計兩通道數(shù)字示波器系統(tǒng)。主要完成了以下幾方面的工作：
1）              認真研讀了教材《LabVIEW的虛擬儀器設(shè)計》（電子工業(yè)出版社），同時又在參考大量國內(nèi)外文獻資料的基礎(chǔ)上，總結(jié)了虛擬儀器的概念、特點及虛擬儀器的設(shè)計步驟。并對虛擬示波器設(shè)計所用到的LabVIEW知識進行了較為詳細的闡述。
2）              利用LabVIEW編程設(shè)計了兩通道數(shù)字示波器，達到了傳統(tǒng)示波器所具有的基本功能。

通過驗證，由于現(xiàn)實條件和時間上的原因，本文設(shè)計的兩通道數(shù)字示波器系統(tǒng)還很不完善，還有以下幾方面的工作要做：
1）              含有數(shù)據(jù)采集卡的示波器設(shè)計，由于沒有數(shù)據(jù)采集卡，本次設(shè)計的示波器，它的數(shù)據(jù)采集是通過軟件模擬實現(xiàn)的。
2）              具有更多功能的虛擬示波器設(shè)計。本次設(shè)計的兩通道數(shù)字示波器具有傳統(tǒng)示波器的基本功能，還需要豐富更多的功能，如顯示模式可以加上微分、積分、A+B和A-B等功能。
3） 也不具有數(shù)據(jù)存儲功能，利有網(wǎng)絡(luò)遠程操作等

因此，我還要不斷地學(xué)習(xí)，不斷地探索不斷完善虛擬示波器。

  本設(shè)計能順利完成與我的指導(dǎo)老師的不停的教誨和關(guān)懷分不開的。本設(shè)計的選題和具體的實現(xiàn)，朱老師花費了大量的心血，并提出了大量的寶貴意見，幫我們解決了不少設(shè)計上的困難。在我來這學(xué)校這幾年朱老師的嚴謹?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、淵博的知識、寬大的胸懷和兢兢業(yè)業(yè)的敬業(yè)精神都令我非常佩服。在畢業(yè)設(shè)計即將完成之時，謹向朱老師致以最衷心的感謝！

同時感謝這幾年教導(dǎo)我們的老師 ，感謝你們這幾年的孜孜不倦的教誨!

感謝所有關(guān)心我的人！

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