基于LabVIEW的虚拟示波器的教学运用

潘 丽

(1.西北师范大学 物理与电子工程学院，兰州 730070；2.兰州职业技术学院 信息工程系，兰州 730070)

引言

电子专业教学相对于其他专业来说具有更新快、教学成本高等特点。对于电子专业在教学过程中所用到的各种教学仪器很难做到每位学生人手一台，尤其是作为日常运用的示波器。这对于教学工作的开展以及学生实践能力的提高有很大的局限性。然而基于LabVIEW的虚拟仪器可以很好地解决这一问题。

1 虚拟仪器概述

1.1 LabVIEW软件的优点

LabVIEW由美国NI公司研发，是一种图形化的编程语言，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW集成了与满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。它还内置了便于应用TCP/IP、ActiveX等软件标准的库函数。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣，在教学过程中可以极大地调动学生的积极性。

1.2 虚拟仪器

虚拟仪器(Virtual Instrument，简称VI)是计算机技术与仪器技术深层次结合产生的全新概念的仪器。虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。这是虚拟仪器近30年来始终引领测试测量行业发展的原因所在。虚拟仪器技术具有高性能、高扩展性、开发时间短、出色的集成四大优势。这些优点也能使其在电子专业的教学过程中大展身手。

1.3 基于于LabVIEW的虚拟仪器的模型

虚拟仪器灵活高效的LabVIEW软件能帮助用户创建完全自定义的界面，模块化的硬件能方便地提供全方位的系统集成，标准的软硬件平台能满足对定时和同步应用的需求。这就是基于LabVIEW的虚拟仪器的模型。

1.3.1 虚拟仪器的硬件构成

虚拟仪器的硬件构成有多种方案，通常采用以下几种：

(1)基于数据采集的虚拟仪器系统；

(2)基于通用接口总线GPIB的仪器系统；

(3)利用VXI总线仪器实现虚拟仪器系统；

(4)基于串行口或其他工业标准总线的系统。

在本设计中采用的是基于数据采集的虚拟仪器系统，这种方式借助于插入计算机内的数据采集卡与专用的软件如LabVIEW(或LabWindows/CVI)相结合，通过A/D 变换将模拟、数字信号采集到计算机进行分析、处理、显示等，并可通过D/A 转换实现反馈控制，根据需要还可加入信号调理和实时DSP 等硬件模块。本设计采用的是MPS-080102是一款基于USB总线的高性能24位信号采集卡，能采集两路电压信号并将数据传送到计算机进行分析、显示和记录。MPS-080102集成了两路24位高分辨率ADC，采样率可调，最高能达到每秒9.7万，差分输出，量程正负10V。适合设计要求。

1.3.2 虚拟仪器的软件体系构成

(1)I/O 接口软件；

(2)仪器驱动程序；

(3)应用软件开发环境。

2 示波器的制作

2.1 硬件连接

连接宿主PC 机和数据采集卡，该连接驱动程序较为简单，在此不作详细介绍。

2.2 设计前面板

如图3所示，前面板设计主要是对虚拟示波器的波形进行显示,是示波器的主体部分。它主要包括3种显示方式:通道1,通道2；stop开关控制2个通道波形的显示,可以根据需要打开或关闭对应的波形；按下停止采集按钮,示波器将停止工作。

为了判读准确、方便,在显示区设置了网格线和光标。网格间距大小与X、Y轴刻度相同,可以由用户自己定义,光标有2个,可以由用户选定颜色,同时在控件下面的显示区能够自动显示光标所在位置的数值,可以精确定位。

用户可以通过波形设置的弹出菜单设定波形曲线的各种属性,包括波形的名称、图形表示方式、数据点风格、线型、线宽、颜色等等。在多条波形曲线同时显示的情况下, 通过设置波形曲线的不同属性, 如每条波形用不同的颜色或不同的线形来表示, 或根据信号代表的实际物理量名称给每条波形赋予了一个一目了然的名字。直观地区分不同信号的波形通过波形显示控件自带的控制模板, 不但可以快捷地调准控件外观, 还可以在程序运行中实现波形的动态调准, 如放大、缩小或移动所显示的波形，还可以改变X、Y轴的刻度值, 从而有针对性地对波形中感兴趣的部分进行详细的观察。

2.3 编写程序框图

2.3.1 绘制示波器界面

通知wait，一方面作示波延时用，另一方面监听新的数据，如果有新的数据到来，便将上次未绘制完的数据丢弃，用新的数据来绘制。

绘制示波器界面，程序框图如图4、图5所示。

2.3.2 监控运行程序块

响应用户操作，这部分由一个简单的事件结构构成，根据事件选择的不同处理不同的事务。示波器采样频率设置并发送到实验箱。程序框图如图6、图7所示。

2.3.3 同步采样频率

实现和其他AD 应用程序的采样频率同步，程序框图如图8所示。

2.3.4 连机调试

在PC端运行VI程序，连接成功后，面板状态应有相应变化。如图9所示。

在实验箱的示波器信号输入端口(CHA)输入信号，比如正弦波：5000Hz，在前面板可观察到如图10所示的界面。

3 结论

如今，虚拟仪器系统广泛地应用在通讯、自动化、半导体、航空、电子、电力、生化制药和工业生产等各种领域。在电子专业教学成本高的前提下，PC机加数据采集卡的模式大大节约了教学成本，并且具有更好的可开发性，除了虚拟示波器，虚拟万用表、虚拟信号发生器、虚拟IO控制、虚拟传感器、虚拟动态信号分析仪、虚拟逻辑分析仪、虚拟频率计、虚拟计数器、虚拟脉冲发生器、虚拟任意波形发生器等等虚拟仪器都可以实现，相信基于LabVIEW的虚拟仪器在电子实验室及教学中运用也会随着时间的推移越来越广泛。

参考文献：

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