基于LabWindows CVI虛擬示波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

0 引 言

　　隨著虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展，采用“虛擬儀器”來取代傳統(tǒng)儀器的新的測(cè)控方法正在取代傳統(tǒng)的測(cè)控系統(tǒng)，即利用數(shù)據(jù)采集卡、信號(hào)調(diào)理卡或其他計(jì)算機(jī)外圍硬件進(jìn)行信號(hào)的采集與檢測(cè)，然后由計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的處理、計(jì)算和分析以及測(cè)試結(jié)果的顯示。

　　LabWindows／CⅥ是基于標(biāo)準(zhǔn)C語言的集成軟件開發(fā)環(huán)境，其開發(fā)虛擬儀器的步驟主要是先確定程序的基本框架，創(chuàng)建用戶界面，然后完成程序代碼的編寫，最后創(chuàng)建工程文件，將程序文件、頭文件、用戶界面文件加入工程中，編譯調(diào)試生成可執(zhí)行文件。

　　1 數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計(jì)

　　傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集卡包括多路開關(guān)、放大器、采樣／保持器、A／D轉(zhuǎn)換器、D／A轉(zhuǎn)換器等器件組成。PCI(peripheral component interconnect)總線即外部部件互連總線，是一種高性能32／64位地址數(shù)據(jù)復(fù)用高速外圍設(shè)備接口局部總線。隨著微處理機(jī)的性能不斷提高，人們對(duì)微機(jī)系統(tǒng)的I／O帶寬不斷提出新的要求，原有的標(biāo)準(zhǔn)總線，如ISA、EISA和Mc已經(jīng)逐漸不能勝任現(xiàn)代數(shù)據(jù)采集技術(shù)的要求。PCI局部總線的引入，打破了數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i，以其優(yōu)異的性能和適應(yīng)性，成為微機(jī)總線的主流，基于PCI總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展方向。基于PCI總線的數(shù)據(jù)采集卡的整體結(jié)構(gòu)可以設(shè)計(jì)如圖1所示：

　　完成數(shù)據(jù)采集卡的硬件設(shè)計(jì)后，需要進(jìn)行板卡的驅(qū)動(dòng)程序編寫。其中的WDM(Window Driver Model)是Microsof訟司力推的驅(qū)動(dòng)模型，其提供了更多特性，包括即插即用、電源管理、WMI等，且WDM還是一個(gè)跨平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)程序模型，可以在不修改代碼的情況下重新編譯就可以在不同平臺(tái)上運(yùn)行了。

　　2 虛擬示波器軟件設(shè)計(jì)

　　虛擬示波器測(cè)試系統(tǒng)是通過外圍硬件電路獲得離散數(shù)據(jù)并對(duì)該信號(hào)進(jìn)行時(shí)域的顯示和分析。從而獲得近似真實(shí)儀器的測(cè)試結(jié)果。本設(shè)計(jì)利用數(shù)據(jù)采集卡獲得模擬信號(hào)，其軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示：

　　1)信號(hào)采集模塊

　　由于本設(shè)計(jì)采用非NI數(shù)據(jù)采集卡，不能直接運(yùn)用LabWindows／CVI的函數(shù)庫來實(shí)現(xiàn)。但是板卡設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)程序一般是以動(dòng)態(tài)鏈接庫的形式提供的，所以對(duì)于LabWindows／CVI而言，可以直接利用驅(qū)動(dòng)程序中的動(dòng)態(tài)鏈接庫來實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)文件的采樣。我們把采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在一個(gè)一維數(shù)組中以便進(jìn)行分析運(yùn)算。

　　2)波形顯示模塊

　　設(shè)計(jì)采用LabWindows／CVI提供的Graph來顯示波形，對(duì)于采集到的數(shù)據(jù)，存放在一個(gè)大小可調(diào)節(jié)的動(dòng)態(tài)數(shù)組中，對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域分析并畫圖顯示。波形顯示模塊還包括AB通道波形的疊加，相減等基本運(yùn)算。其實(shí)現(xiàn)方法就是利用C語言對(duì)數(shù)據(jù)元素的簡單加減。

　　3)時(shí)域分析模塊

　　時(shí)域分析包括A、B通道的自相關(guān)，AB通道信號(hào)互相關(guān)分析，AB通道的卷積，AB通道的李沙育圖。相關(guān)運(yùn)算設(shè)計(jì)利用LabWindows／CVI函數(shù)庫中的Convolve()函數(shù)來完成。卷積是通過Correlate()函數(shù)來完成。圖2左側(cè)是AB通道的信號(hào)，其中脈沖信號(hào)可表示為：正弦信號(hào)可以表示為：x(n)=sin(k)，0≤k≤1024，k∈Z圖3右側(cè)表示x(n)卷積u(k)的結(jié)果。其中橫坐標(biāo)表示采樣點(diǎn)數(shù)共1024個(gè)點(diǎn)，縱坐標(biāo)表示幅值。幅值增益1V／d，

　　4)信號(hào)調(diào)節(jié)模塊

　　信號(hào)調(diào)節(jié)模塊主要設(shè)計(jì)完成信號(hào)的垂直增益，垂直位移，水平增益的調(diào)節(jié)。設(shè)計(jì)的具體實(shí)現(xiàn)也是通過C語言對(duì)數(shù)組的操作實(shí)現(xiàn)。圖4表示信號(hào)調(diào)節(jié)模塊程序流程圖。

　　5)存儲(chǔ)模塊

　　真實(shí)示波器由于存儲(chǔ)硬件的限制，只能存儲(chǔ)2～4個(gè)數(shù)據(jù)，而在在虛擬的數(shù)字存儲(chǔ)示波器中，利用硬盤等存儲(chǔ)介質(zhì)，可以任意存取無限多個(gè)數(shù)據(jù)，而且存儲(chǔ)更加安全。具體實(shí)現(xiàn)方法是：存儲(chǔ)對(duì)被測(cè)信號(hào)取樣，然后轉(zhuǎn)換成數(shù)組，再將數(shù)組保存到文件中，讀取時(shí)恰好相反，其工作流程如圖5所示。

　　3 測(cè)試結(jié)果及仿真分析

　　按照LabWindows／CVI的設(shè)計(jì)流程，我們完成虛擬示波器的設(shè)計(jì)，并對(duì)正弦信號(hào)進(jìn)行采樣分析，結(jié)果如圖6所示：

虛擬儀器的主要問題就是儀器的仿真，而仿真包括兩個(gè)方面的內(nèi)容，一個(gè)是儀器功能的仿真，另一個(gè)就是儀器外觀及面板的仿真。本設(shè)計(jì)著重于儀器功能的仿真。

　　1)數(shù)據(jù)處理功能及波形存儲(chǔ)功能的仿真

　　通過虛擬儀器軟件功能設(shè)計(jì)，我們完成信號(hào)的顯示、相關(guān)運(yùn)算、卷積運(yùn)算、文件的存儲(chǔ)與讀取，基本實(shí)現(xiàn)了示波器的功能。達(dá)到仿真的目標(biāo)。

　　2)頻帶寬度仿真

　　一般來說，用計(jì)算機(jī)直接生成的虛擬示波器的帶寬實(shí)際上就是計(jì)算機(jī)的帶寬，其所能測(cè)量的頻率的上限取決于計(jì)算機(jī)的性能。而實(shí)際上示波器受到種種因素的限制，其帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于計(jì)算機(jī)的帶寬。限制示波器帶寬的因素主要有：

①示波器上限工作頻率的限制。
②Y通道放大器帶寬的限制。
③時(shí)基電路掃描速度的限制。

　　為了達(dá)到仿真的效果，為虛擬示波器設(shè)計(jì)了一個(gè)100MHz，-3dB的低通數(shù)字濾波器。使用契必雪夫等IIR濾波器雖然能夠較好的保持被測(cè)信號(hào)的幅頻特性，但其相頻特性很不理想。因此，采用矩形窗設(shè)計(jì)了一個(gè)FIR濾波器，保證了經(jīng)過濾波器的信號(hào)能夠線性的逼近被測(cè)信號(hào)的相位。矩形窗的頻譜特性如下式(見圖7)所示。

　　如圖7所示：H(ejω)

　　4 結(jié)束語

　　虛擬儀器的出現(xiàn)對(duì)于測(cè)試測(cè)量行業(yè)是一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，它意味著我們可以根據(jù)自己的需要隨時(shí)隨地的通過對(duì)虛擬儀器軟件模塊的更改而改變儀器的性能。但是，想要完成一個(gè)高性能的虛擬測(cè)試系統(tǒng)的開發(fā)仍然很困難。不同的接口總線之間的不可交換性，使得我們必須得為每一種接口總線開發(fā)不同的硬件驅(qū)動(dòng)程序，從而降低了虛擬儀器的通用性。高性能虛擬儀器接口電路的復(fù)雜與數(shù)據(jù)高速測(cè)量需求之間的矛盾也是制約其廣泛應(yīng)用的原因。然而，虛擬儀器技術(shù)作為新興的儀器儀表技術(shù)，它的發(fā)展也不過短短的數(shù)十年，相信隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)，虛擬儀器技術(shù)的不斷發(fā)展與完善，其必將取代傳統(tǒng)儀器而成為儀器儀表行業(yè)的主力軍。