基于labview的示波器设计

毕业设计（论文）题目：基于labview的示波器设计摘要设计：基于labview的示波器设计。其主要介绍虚拟仪器的概念、组成和虚拟仪器开发软件LabVIEW，以及基于LabVIEW的数据采集系统。同时具体LabVIEW软件实现虚拟数字示波器。比较了虚拟仪器和硬件仪器的各自特点。分析了虚拟仪器的先进性，介绍了LABVIEW系列软件的应用方法和最新功能【关键词】示波器、虚拟仪器、函数模快、前面板、程序框图、接口板、控制件、数据采集。AbstractDesign:BasedonlabviewoscilloscopedesignItsmainintroductionhypothesizedinstrumentconcept,compositionandhypothesizedinstrumentdevelopmentsoftwarelabviewaswellasbasedonLabviewdataacquisitionsystemSimultaneouslyspecificallyintroducedhowusesthedataacquisitioncardandtheLabviewsoftwarerealizationhypothesizeddigitaloscilloscopeComparedwithhypothesizedinstrumentandhardwareinstrumentrespectivecharacteristicIntroducedtheLabviewseriessoftwareapplicationmethodandthenewestfunction.[Keyword]theoscilloscope,thehypothesizedinstrument,theletterdigital-analogarequick,thedataacquisition.一、绪论1、虚拟仪器概况虚拟仪器（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。（1）虚拟仪器的基本功能虚拟仪器（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。图1-1-（1）常见的虚拟仪器方案图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。因为目前在这一领域内，使用较为广泛的计算机语言是美国NI公司的LabVIEW。现在的虚拟仪器是充分利用计算机技术，并可由用户自己设计、自己定义的仪器通常由计算机、仪器模块和软件三部分组成。仪器模块的功能主要靠软件实现，通过编程在显示屏上构成波形发生器、示波器或数字万用表等传统仪器的软面板，而波形发生器发生的波形、频率、占空比、幅值、偏置等，或者示波器的测量通道、标尺比例、时基、极性、触发信号(沿口、电平、类型)等都可用鼠标或按键进行设置，如同常规仪器一样使用，不过，虚拟仪器具有更强的分析处理能力。随着计算机技术和虚拟仪器技术的相应发展，用户只能使用制造商提供的仪器功能的传统观念正在改变，而用户自己设计、定义的范围进一步扩大；同一台虚拟仪器可在更多场合应用，比如既可在电量测量中应用，又可在振动、运动和图像等非电量测量中应用，甚至在网络测控中应用。软件技术是虚拟仪器的核心技术。常用的虚拟仪器开发软件有Labview、Labwindows/CVI、VEE等等。这些软件已相当完善，而且还在升级、提高。以LabVIEW为例，这是基于图形化编程语言G的开发环境，用于如GPIB、VXI、PXI、PCI仪器及数据采集卡等硬件的系统构成，而且，具有很强的分析处理能力。LabVIEW6i的问世，将智能化测量与控制技术进一步扩展到了Internet网。（2）虚拟仪器的构成虚拟仪器系统是由计算机、应用软件和仪器硬件组成的。硬件是指获得测试数据的各种硬件I/O接口设备，大致可分为4类：DAQ、GPIB、VXI、PXI，因此组成了4种虚拟仪器体系结构。无论哪种结构，都是将硬件仪器嵌入到笔记本电脑、台式计算机或工作站等各种计算机平台上，再加上应用软件而构成的因而现在虚拟仪器的发展已经与计算机技术的发展步伐完全同步。图1-1-（2）、虚拟示波器的软件结构框图（3）虚拟仪器软件开发工具测控软件设计选用的美国NI公司推出的Labview。Labview是一种基于G语言（Graphicalprogranminglanguage)的可视化（图形化）优秀的开发平台，主要用于数据采集、分析、处理、表达、总线借口、VXI仪器以及CPIB与串口仪器的驱动程序编制和驱动虚拟仪器。它是把复杂、繁琐、费时的代码编写输入简化成使用菜单式图表的提示的发法选择功能，并用线条把各种功能（图形）连接起来的简单图形编程方式。LaBVIEW前面板用于设置输入数值和观察输出量L4J。由于程序前面板是模拟真实仪表的面板，输入量被称为Controls，输出量被称为Indicators。用户可以从控制工具箱中选用许多图板，如旋钮、开关、按键、数字显示、LED显示器、图表、数据存储等当完成设计后，只需在程序执行时按一下开关，拨动一下旋钮，就可以完全操控整个仪器。(4)虚拟仪器优势所在虚拟仪器技术取代传统仪器成为必然趋势。虚拟仪器相对于传统仪器，具有明显的优点：灵活性、高性价比、技术更新快、易于网络化、实现传统仪器不可能实现的功能。它的灵活性体现在，用户可以自定义功能，选择自己喜欢的界面图标符号，而不象传统仪器那样，一出厂其功能及外观已经固化，用户只是被动应用。高性价比主要指，用户拥有一台计算机，运行不同的应用程序就得到相应的仪器。换句话就是，一台计算机完全可以取代实验室里的所有仪器实现测量，从而节约大笔资金。由于虚拟仪器中软件是关键，所以更新软件使之功能更新所需时间大大减少。借助于计算机，实现测量系统的网络化、在线测量已成为可能。此外，传统仪器基于硬件、性能必然受到硬件的种种限制。如普通示波器无法捕捉很窄的脉冲，国外生产的特殊示波器能够作到这一点，其价格又不菲，而通过数据采集卡与计算机组成的虚拟仪器则可轻松实现。2、.设计目的由于LABVIEW的强大功能和广阔的市场前景，本文将介绍利用LABVIEW8.2制作简单的示波器，以学习这一软件。通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机的融合为一体，从而把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量，控制能力结合在一起，大大缩小了仪器硬件的成本和体积，并通过软件实现对数据的显示、存储以及分析处理。实现了“软件即仪器”的概念。要求程序要实现有通道选择，信号发生，触发控制，时基幅值控制，信号测量，波形输出并能输出被测信号随时间变化的图形。3、设计方案的比较与选择针对以上设计要求有以下设计方案：介绍一款USB接口的虚拟示波器的设计方案，重点介绍了USB总线接口芯片CH371的原理及应用，降低了USB系统开发的门槛，并达到令人满意的效果。对于学校教学实验以及某些特定需求来说，目前市场上的模拟及数字示波器也许并不适用，价格高昂、体积较大且很多专业功能并不实用。而现在电脑的普及程度也达到了相当的规模，利用电脑以及附加的数采模块实现一个灵活便捷的虚拟示波器能够满足大多数的工作、学习和开发需要，并且可以通过较低代价的硬件和软件升级实现相当复杂的信号处理功能，能够以较低的成本、较小的体积实现配置灵活的智能仪器组合；完全可以与便携电脑结合，构成便携式检测维修工作站。目前已经有计算机并口通信的数据采集器但是USB的应用日趋广泛和深入，如果将USB功能融合在里面则可以实现更高的数据传输率、更方便的使用方式，更为优越的体现出虚拟仪器的性能。此虚拟示波器的数据采集器由以下功能模块组成：前端信号变换模块、高速模数转换模块、高速数据缓冲模块、单片机控制模块、USB接口模块和电源模块。前端信号变换、高速数据采集有成熟的方案并且可根据需要的指标，譬如采样率、量程控制、采样深度等进行设计，我们这里主要讨论USB接口部分的开发。4、硬件设计单片机对于CH371的控制依靠对其内部的16个寄存器的操作来实现。根据系统的要求我们设计硬件如下。USB接口提供数据交换及电源供应（经适当变换后供高速AD使用），CH371在12M晶振下倍频工作，提供与单片机接口的同时提供看门狗复位输出功能，I2C主控功能没有使用，A3~A0可以由计算控制驱动4只LED作为工作显示信号。单片机89C52的P1口组用于控制数据采集模块，包括量程转换控制、AD触发信号、采集数据溢出信号等；高速缓存62256通过低功耗的CPLD控制存放高速AD采集的结果，单片机定时将其中数据读出经CH371传送到计算机的数据显示和分析软件，实现虚拟示波器功能。5、软件设计单片机端软件：单片机端软件主要完成数据采集控制、数据报告这两个功能。计算机端软件：计算机端软件主要功能是模拟一个示波器的界面，实现数据的显示以及满足不同需要的分析功能，同时完成对数据采集硬件的参数设定。在这个设计中已经实现了基本的功能，虚拟示波器的界面如下图。进一步开发后可以实现量程的自动转换、数据的深度分析（譬如波形测量、频谱分析等），甚至可以结合硬件的升级实现波形发生器、逻辑分析仪、扫频仪、网络分析仪等功能。计算机端有关USB通信的开发不需要了解USB底层驱动，并且芯片生产商已经以动态链接库的形式封装好了面向功能应用的API函数，开发者可以在多种高级语言中调用，功能强大且灵活方便。CH371动态链接库提供的API函数主要包括：设备管理API、数据传输API、中断查询API、I2C操作API和直接控制API。5、结束语虚拟示波器有以下几个特点：(1)集成度高，模块化特性明显(2)性能提高，基于LabVIEW的虚拟示波器在稳定性、精度等方面都优于传统的测试仪器。(3)具有“虚拟仪器”特征，整个系统只有输入、输出端，其它仪器功能键都在可视化软面板上完成，这样的系统既有高度集成化，又具有操作简单、方便等优点。。二、LabVlEW开发软件在必要仪器硬件支持下，开发和使用VI的关键就是软件。VI开发软件可采用各种编程软件，如C、BA—SIC、c++、VisualC、VisualBASIC等目前，图形化编程语言正成为发展主流，它使科研和工程人员从编程中解脱出来，专注于VI的设计，同时缩短了开发周期(与传统软件相比，开发时间节省80)。最具代表性的图形化vI软件开发平台首推NI的LV1、LabVIEW的背景美国国家仪器公司（NI）成立于1976年，30年来NI一直是虚拟仪器技术的技术先锋与领导者——虚拟仪器技术这一创新概念已经改变了各个领域的工程师和科学家们进行测试测量和自动化的方式。通过采用PC和现成即用商业技术，虚拟仪器技术通过易于集成的软件，如图形化开发环境NILabVIEW，以及基于PXI、PCI、PCIExpress、PXIExpress、USB和以太网的模块化测量和控制硬件，为用户降低测试、控制和设计领域应用的成本，并大幅提高生产效率。NI总部设于美国德克萨斯州的奥斯汀，在40个国家中设有分支