基于LabVIEW的虚拟示波器的设计

第３２奄　１　１　ｊ９】　２００６年Ｉ　１　Ｊ　Ｊ　电子工程师　ＥＩ．　ＥＣＴＲ０ＮＩＣ　ＥＮＣＩＮＥＥＲ　Ｖ（）ｌ＿３２　Ｎｏ．１１　Ｎｏｖ．２００６　基于ＬａｂＶＩＥＷ的虚拟示波器的设计　朱红林　，刘　武　（１．华中师范大学物理科学与技术学院，湖北省武汉市４３００７９；　２．湖北省教育信息化研究中心，湖北省武汉市４３００７９）　摘－要：虚拟仪器是电子测量技术与计算机技术深层次结合的、具有很好发展前景的新一类电子　ｆｚ￣－。基于声卡的数据采集与分析的虚拟示波器，具有实现简单、界面友好、性能稳定可靠等优点。　关键词：虚拟仪器；声卡；ＬａｂＶＩＥＷ；虚拟示波器　中图分类号：ＴＭ９３５．３７　ＶＩＥＷ），　汁算机的屏幕上形象地模拟各利ｔ仪器的而　板（包括显示器、指　灯、旋纠【、丌关、按键等）以及相　在ＬａｂＶＩＥＷ环境中实现了与现实中实际示波器相似的功能。　０　引　言　虚拟仪器系统『ｆ１，硬件解决信号的输入和输出，　软什可以力‘便地修改、改变仪｛｝｝｝系统的功能，以适应小　同使用　的需要　叶１信号的输入部分一般他ＪｆＪ数掂　采集　实现。商川的数据采集｝÷具有较大的通用　，　的功能。与传统仪器相比，它有以Ｆ特点：　ａ）迎Ｊｆ｛硬件甲台确定后，ｒｆ１软件取代传统仪器ｉｆ，　的硬件米完成和扩展仪器的功能，增强仪器的性能；　ｂ）仪器的功能足州户根据需要由软件设计和定　义的（Ｉｆｆ『小是　先由厂家定义好的），可以　活方便地　定制仪器，满足川广１的特殊需要；　ｅ）研制川期较传统仪器大为缩短；　ｄ）虚拟仪器开放、灵活，可与汁算机ＩｒｊＪ步发腱，町　与网络及儿周边设备　联。　价格昂贵，在儿－体的成川场合，柯些功能叮能并　实，ｔＪ。　通，　，儿有１６位最化精度，数据采集频牢　为４４　ｋｌｔｚ，完个ｎ　以满足特定　川范　内数槲采集的　需蛰，个别性能指标还优ｆ－商川数据：采集ｋ，　价格却　为商刖数　采集　的卜ｌＪＬ分之一　儿ｔＪ分之一。　夺义利』｛Ｊ普通卢卜做采集　，利用荚　ＮＩ公刊的　虚拟仪器软件ＬａｂＶＩＥＷ做开发平台，设汁实现＿ｒ一个　虚拟尔波器。该系统能够正确采集，　ｉ卡设计频率范Ⅲ　内的　，实现＿ｒ基本示波器的测｛干｝功能和频谱分析　功能，町以川米测量　菏频范　的信号（如声　、脉搏、　心ｉＵ、＂卤｝乜、｝乜话等）．．　虚拟仪器足现代仪　技术雨Ｉ汁箅机技术深层次结　合的产物，是引　算机辅助测试（ＣＡＴ）领域的一项莆婴　技术．．随存汁算机、仪器和网络通信技术的不断完善，　虚拟仪器将阳外挂式虚拟仪器、ＰＸＩ　高精度集成虚　拟仪器洲试系统、网络化虚拟仪器３个力‘向发展。　２基于声卡数据采集的实现　在一块卢｝÷上自‘　ｆＩ振、Ａ／Ｄ和Ｄ／Ａ转换芯片以及　１虚拟仪器的特点　仪器技术发展至今，经历了模拟仪器、数宁化仪　器、智能仪器以及　台仪器、层叠式仪器系统阶段，从　２０　纪８０年代进入ｒ虚拟仪器系统阶段。虚拟仪器　足以汁算机为基础，眄己以ｌ卡『１　Ｊ、　测试功能的硬件作为信　输入／输出的接几，完成信弓‘的采集、测量　凋　，从　完成各种测试功能的一种计算机化仪器系统　虚拟　数字信号处　芯片和其他辅助电路。因此，它可以作　为数据采集　使用，小过被采集的信号的频率被　在音频范同之内。人耳埘频率的感觉为２０　Ｈｚ一２０　ｋＨｚ，　声卡的频率响应卜限范刚在２０　ｋＨｚ。设定丫采样　频率、采样他数、缓冲　大小之后，再利用声卡的ＤＭＡ　方式进行数　采集ｌ　作。　仪器通过软件将汁算机硬件资源　ｌｊ＿仪器碰件有机地融　俞为一・体，从Ｉ　把计算机强大的计算处圳能力和仪器　硬件的测量、控制能力结合在一起，大大缩小＿ｒｌ仪器碰　在ＩｍＩｌＶＩＦｗ环境下，功能模板【ｌＪ提供了　ｆｆ书的相　火虚拟仪器，如ＳＩＣｏｎｆｉｇ、ＳＩＳｔａｒｔ、ＳＩＲｅａｄ、ＳＩＳｔｏｐ等。借　件的成本和体积，并通过软件实现对数据的　示、存储　以及分析处理．．利川虚拟仪器软什外发　台（如Ｌａｂ一　收稿日期：２００５．１　１．０８；修回日期：２００６－０６－０５。　助硬件驱动　序对声卡的采样频率、采样位数、缓冲　犬小等分别进行控制，当没定好声卡的音频格式并启　动声　后，声＋÷就ｎｒ以实现数据采集，采集到的数据通　过ＤＭＡ传送到内存巾指定的缓冲区，当缓冲区满后，　再通过　ｆｆＵ或Ｉｆ　Ｉ断机制通知ＣＰＵ执行显示程序　示　・１７・　维普资讯 http://www.cqvip.com

・测控技术－　田手，工暖师　２００６年１１月　缓冲区数据的波形。根据用户的需要，可以调整波形　的ＣＤ音质界限，４８　ｋＨｚ则更加精确一些。采样频率　不同，采集到的波形的质量也不同，应视具体情况而采　用合适的频率。在本设计中，为了得到良好的演示效　果，采用４４．１　ｋＨｚ采样频率。而在采样率的选择方　面，采用了一个ｃａｓｅ循环，目的是在采样率４４．１　ｋＨｚ　的条件下，在循环内产生波形数据。　在整个ｗｈｉｌｅ　ｌｏｏｐ中，控制方式采用了一个ＯＲ函　数，目的在于在数据采集产生错误或者人为进行暂停　两个条件下进行对程序的控制。此处对控制循环按钮　显示，进行波形分析，从而构成功能强大的虚拟存储示　波器。本虚拟示波器所能测量的信号全部为弱电，约　为１　Ｖ（ＡＣ）以下的信号（一般由声卡的性能决定），如　果需要测量更大的信号，应先将信号衰减到量程以内。　３虚拟示波器的软件实现　虚拟示波器软件设计与实现虚拟示波器主要由普　通声卡和相应的软件组成。ＬａｂＶＩＥｗ是一种基于图　形编程语言（Ｇ语言）的可视化（图形化）优秀开发平　台，它与传统编程语言最大的区别是使用图形语言　（即各种图标、图形符号、连线等），以框图的形式编写　程序。一个ＬａｂＶＩＥＷ程序主要包括前面板、框图程　序、图标／接线端口３部分。前面板是交互式图形化用　户界面，用于设置输入数值和观察输出量；框图程序是　利用图形语言对前面板的控制量和指示量进行控制；　图标／接线端口用于把ＬａｂＶＩＥＷ程序定义成一个子程　序，以便在其他程序中加以调用。　本虚拟示波器由软件控制完成参数的设置以及信　号的采集、处理和显示。　３．１数据采集与处理模块　数据采集与处理模块如图１所示。　圈１数据采集与处理模块　在ＬａｂＶｉｅｗ软件中，对于声卡的声道可以分为　ｍｏｎｏ　８．ｂｉｔ（单声道８位），ｍｏｎｏ　１６－ｂｉｔ（单声道１６位），　ｓｔｅｒｅｏ　８－ｂｉｔ（立体声８位）和ｓｔｅｒｅｏ　１６－ｂｉｔ（立体声ｌ６　位）。其中，１６位声道比８位声道采样的信号质量好，　立体声（ｓｔｅｒｅｏ）比单声道（ｍｏｎｏ）采样信号好，最好的　采样通道形式是ｓｔｅｒｅｏ　１６－ｂｉｔ，这样采样的波形稳定，　而且干扰小。另外，用单声道采样，左右声道信号都相　同，而且每个声道的幅值只有原信号幅值的１／２；采用　立体声采样，左右声道互不干扰，可以采用两路不同的　信号，而且采样的信号幅值与原幅值相同。所以这里　采用ｓｔｅｒｅｏ　１６．ｂｉｔ进行双声道采样。　在当今的主流采集卡上，采样频率一般分为　２２．０５　ｋＨｚ、４４．１　ｋＨｚ、４８　ｋＨｚ这３个等级，２２．０５　ｋＨｚ　只能达到ＦＭ广播的声音品质，４４．１　ｋＨｚ则是理论上　・１８・　进行了一个高级设置，目的是为了在循环进行时，能明　显地在前面板看到按钮的闪烁，从而较容易地判断程　序是否在循环执行中。　３．２波形产生模块　波形产生模块如图２所示。　圈２波形产生模块　该模块使用了波形操作函数，主要是Ｂｕｉｌｄ　Ｗａｖｅ—　ｆｏｒｍ函数，包括ｔｏ，ｄｔ，Ｙ这３个输入端子。其中，ｔ０为　波形的起始时间，ｄｔ为波形的数据点中间的时间间隔　或持续时间，Ｙ为包含了波形的数据值。此处，设置起　始时问为０，但因为数据格式不匹配，增加了一个数据　格式转换函数ｔｏ　ｔｉｍｅ　ｓｔａｍｐ，从而把一个数值转化成时　间值。ｄｔ值取自ＳＩ　Ｃｏｎｉｆｇ的格式中的采样率倒数，倒　数取得的方法利用了ｒｅｃｉｐｒｏｃａｌ函数。Ｙ值来自ＳＩ　Ｒｅａｄ的ｓｔｅｒｅｏ　１６一ｂｉｔ输出端子。其中利用Ｉｎｄｅｘ　Ａｒｒａｙ　函数进行数据格式的转换。然后采用一个ｄｉｖｉｄｅ函数　对其电压值进行电压标定，因为每个声卡允许的输入　范围不同，所以对信号采集之前，需要对声卡输入端的　标定，并且因为Ｌａｂｖｉｅｗ中信号的采集是用二进制表　示的，所以还需要进行适当的加减乘除，使得用ｌａｂ－　ｖｉｅｗ的观察值准确。最后使用ｂｕｉｌｄ　ａｒｒａｙ函数对两路　信号进行组合，以便在同一个ｇｒａｐｈ下显示波形。　３．３功能模块　ａ）电压峰峰值测量模块：主要用于获得波形的最　大电压值与最小电压值，其中采用的是Ｗａｖｅｆｏｒｍ　Ｍｉｎ　Ｍａｘ函数。它是用来确定波形运行时的最大值与最小　值，其中数值类型取决于输入的数值类型。　ｂ）频率测量模块：主要用于测量信号波形的频　维普资讯 http://www.cqvip.com

第３２卷笫１　１期　朱红林，等：　Ｊ　ＬａｂＶＩＥＷ的虚拟示波器的设计　・测控技术・　率，其ｌ１Ｉ采用的函数为Ｅｘｔｒａｃｔ　Ｓｉｎｇｌｅ　Ｔｏｎｅ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　阑数。它是川米获取一个信号，求出音频信号的最高　幅度或者・个指定的频率范围，并返回一个单一的频　率、幅度、相位值。　ｌ皋Ｉ　３所示足在对一个电压为２００　ｍＶ、频率为　１２．７６　ｋＨｚ的正弦信弓　进行示波器显示的波形。　Ｃ）频谱分析模块：用于埘信号进行频谱分析。实　现一个ＦＦＴ运算。主要利用ＦＦＴ　Ｓｐｅｃｔｒｕｍ函数。ＦＦＴ　Ｓｐｅｃｔｒｕｍ鬲数的功能为训‘算一个时间信号的平均ＦＦＴ　Ｓｐｒｃｔｒｕｍ。其结果是返回一个幅度和相位值。　ｄ）波形暂停　存储模块：用于对波形在某一时间　点的　示进行暂停，并对波形以ｂｍｐ格式进行图片保　存，以便埘波形的数据进行分析　处理。其ｌ１＿ｌ，在波形　暂停的功能卜采用了一个ｃａｓｅ循环，再加上一个ｂｏｏｌ　图３电压２００　ｍＶ、频率１２．７６　ｋＨｚ的正弦信号波形　ｅａｎ控制按钮，　取值为真的情况下，对该叫‘问点的波　形进行暂停显爪。在波形存储模块中，也采ｊ＋ｊ　ｅａｓｅ循　结＾粜证明，本’发计　卢卡代丰牟数据采集　，　ＬａｂＶＩＥＷ图形编程语占环境下实现ｒ一种方便、灵活　的虚拟示波器　环，　循环中主要利用一个ｗｒｉｔｅ　ＢＭＰ　ｆｉｌｅ晒数，该函　数的作用足把波形写成一个ｂｍｐ格式的文件。　ｅ）坐标移动功能模块：用于改变时问轴０纵轴的　５结束语　受声卡硬件条件，频率范围较窄，可以用米测　坐标值，以便　数值超出　示范嗣后可以调整）【９Ｉ！．察范　，进行更全　的分析。其中选用ｃａｓｅ循环对坐标的　量音频范［｝４的信号（如声音、脉搏、心电、腑电、电活活　音等）。在ＬａｂＶＩＥＷ开发环境下，可以把本文设计的　虚拟示波器软件创建为一个的，脱离开发环境的　町执行文件，不但调用方便，而且提高了执行速度。总　６种　爪范同进行分别的坐标刻度设计。　４调试结果　设计中测试的信号来源选用ＹＢＩ６０２型信号发生　器（２　Ｈｚ～２　ＭＨｚ），　时采用ＹＢ４３０２０示波器测定输　入信弓‘的频率和幅度，以进行对比。虚拟示波器能测　之，本设计用普通价廉的声卡代替数据采集｝÷，在　ＬａｂＶＩＥＷ语言　环境下设计实现丁一种　‘使、灵活的虚　拟示波器，对…－　应用领域是一种很好的选择。　参考文献　量的频率和幅度与传统示波器的埘比如表１所示。　表１虚拟示波器与传统示波器测量范围的对比　出版社，２００４．　［１］张爱平．ＬａｂＶＩＥＷ入门与虚拟仪器［Ｍ］．北京：电子工业　［２］叶德云，曹薇．基ｒ　ＬａｂＶＩＥＷ的测量与控制系统及其在　教学中的应用［Ｊ］．电子上程师，２００５，３１（３）：３４．　［３］ＭＡＴＯＵＫＡ　Ｍ　Ｆ．Ａ　ｗｉｄｅ—ｒａｎｇｅ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｐｏｗｅｒ／ｅｎｅｒｇｙ　ｍｅｔｅｒ　ｆｏｒ　ｓｙｓｔｅｍｓ　ｗｉｔｈ　ｕｏｎｓｉｎｕｓｏｉｄａｌ　ｗａｖｅｆｏｒｍｓ．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ　ｏｎ　Ｉｎｄｕｓ—　从最低频率至最高频率的测试来看，频率测蕈的　误差值很微小。　ｔｒａｌ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，１９８２，２９（１）：１８－３１．　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｖｉｒｔｕａｌ　Ｏｓｃｉｌｌｏｓｃｏｐｅ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＬａｂＶＩＥＷ　ＺＨＵ　Ｈｏｎｇｌｉｎ　，ＬＩＵ　Ｗｕ。　（１．Ｈｕａｚｈｏｎｇ　Ｎｏｒｍａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｈａｎ　４３００７９，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｃｅｎｔｅｒ　ｏｆ　Ｅｄｕｃａｔｉｏｎａｌ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｈｕｂｅｉ，Ｗｕｈａｎ　４３００７９，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｖｉｒｔｕａｌ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ（ＶＩ）ｉｓ　ａ　ｎｅｗ　ｋｉｎｄ　ｏｆ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　ｔｈａｔ　ｃｏｍｂｉｎｅｄ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ．Ａｎｄ　ｉｔ　ｈａｓ　ａ　ｖｅｒｙ　ｇｏｏｄ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｐｒｏｓｐｅｃｔ．Ｔｈｅ　ｖｉｔｒｕａｌ　ｏｓｃｉｌｌｏｓｃｏｐｅ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｓｏｕｎｄ　ｃａｒｄ　ｆｏｒ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｄａｔａ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｓｉｓ，ｈａｓ　ｔｈｅ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ｓｕｃｈ　ａｓ　ｓｉｍｐｌｅ　ｒｅａｌｉ－　ｚａｔｉｏｎ，ｆｒｉｅｎｄｌｙ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ，ｓｔａｂｌｅ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ｅｔｃ．Ｒｅａｌｉｚｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ｏｆ　ＬａｂＶＩＥＷ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈｅ　ＶＩ　ｈａｓ　ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ　ｓｉｍｉｌａｒ　ｔｏ　ｔｈｏｓｅ　ｏｆ　ａｃｔｕａｌ　ｏｓｃｉｌｌｏｓｃｏｐｅ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｖｉｔｒｕａｌ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ；ｓｏｕｎｄ　ｃａｒｄ；ＬａｂＶＩＥＷ；ｖｉｔｕａｌｒ　ｏｓｃｉｌｌｏｓｃｏｐｅ　・ｌ９・