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基于labview的虚拟示波器设计论文
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2009-01-15
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这是一篇用LabVIEW做的虚拟示波器的论文,很好的介绍了示波器的结构,应用,以及设计方法
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基于 LABVIEW 的虚拟示波器设计
第一章:绪论
1.1 虚拟仪器概述
1.1.1 虚拟仪器的产生
虚拟仪器技术是现在计算机系统和仪器系统相结合的产物,是当今计算机辅助测
试领域的一项重要技术。它推动着传统仪器朝着数字化,智能化,模块化,网络化的
方向发展。电子测量仪器发展至今,大体上可以分为四代:模拟仪器、数字化仪器、
智能一起和虚拟仪器。第一代模拟仪器,这类仪器在某些实验室里还能看到,它是以
电磁感应基本定律为基础的指针式仪器,如指针式万用表、晶体管电压表、指针式电
流表等。第二代数字化仪器,这类仪器现在相当普遍,这类仪器将模拟信号的测量值
转化为数字信号,并以数字方式输出最终结果,适用于快速响应和较高准确度的测量,
如数字万用表、数字频率计等。第三代智能仪器,这类仪器内置微处理器,可以进行
自动测试和数据处理功能,可能代替部分脑力老公,习惯上称为智能仪器。它的功能
模块全部都是以硬件或固定软件的形式存在,无论是开发还是应用,都缺乏灵活性。
第四代虚拟仪器,它是现在计算机软件技术、通信技术和测试技术高速发展孕育出的
一项革命性技术,其导致了传统仪器的结构、概念和设计观点都发生了巨大的变革,
它的出现使得人类的测试技术进入了一个新的发展纪元。
虚 拟 仪 器( Virtual Instruments. 简 称 VI ) 的 概念,是 美 国 国 家 仪 器 公 司
(National Instruments Corp.简称 NI)于 1986 年提出的。NI 公司同时也提出了
“软件即仪器”的口号,彻底打破了传统仪器只能由厂家定义,用户无法改变的局面,
从而引起了仪器和自动化工业的一场革命。随着现在硬件和软件技术的飞速发展,仪
器的智能化和虚拟化成为各级实验室以及研究机构发展的方向。虚拟仪器,它既具有
传统仪器的功能,又有别于其他传统仪器。它能够充分利用和发挥现有计算机的先进
技术,使仪器的测试和测量及自动化工业的系统测试和监控变得异常方便和快捷。
1.1.2 虚拟仪器的概念
虚拟仪器是指通过应用程序将计算机、软件的功能模块和仪器硬件结合起来,用
户可以通过友好的图形界面(通常叫做虚拟前面板,简称前面板)来操作这台计算机
就像在操作自己定义、自己设计的一台个人仪器一样,从而完成对被测信号的采集、
分析、判断、显示、数字存储等。虚拟仪器以透明的方式,通过软件对数据的分析处
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基于 LABVIEW 的虚拟示波器设计
理、表达以及图形化用户接口,把计算机资源(如微处理器、显示器等)和仪器硬件
(如 A/D、D/A、数字 I/O、定时器、信号调理等)的测试能力和控制能力结合起来。
虚拟一起突破了传统仪器以硬件为主体的模式,实际上使用者是在操作具有测试软件
的电子计算机进行测量,犹如操作一台虚设的电子仪器。
虚拟仪器技术的实质是充分利用最新的计算机技术来实现和扩展传统仪器的功能。
软件是虚拟仪器的关键,当基本硬件确定以后,就可以通过不同的软件实现不同的功
能。用户可以根据自己的需要,设计自己的仪器系统,满足多种多样的应用要求。利
用计算机丰富的软、硬件资源,可以大大突破传统仪器的数据的分析、处理、表达、
传递、存储等方面的限制,达到传统仪器无法比拟的效果。它不仅可以用于电子测量、
测试、分析、计量等领域,而且还可以用于进行设备的监控以及工业过程自动化。虚
拟仪器还可以广泛用于电力工程、物矿勘探、医疗、振动分析、声学分析、故障诊断
及教学科研等多个方面。
1.1.3 虚拟仪器的构成
虚拟仪器从构成要素上讲,由计算机、应用软件和仪器硬件等构成;从构成分式
上讲 则 由以 DAQ 板和信号 调理 为 仪器硬 件而组 成的 PC-DAQ 测 试 系统, 或已
GPIB,VXI,Serial 和 Field bus 等标准总线仪器为硬件组成的 GPIB 系统、VXI 系
统、串口系统和现场总线系统等多种形式。虚拟仪器的构成如图 1.1 所示。
图 1-1 虚拟仪器的结构
显示器
信号分析及处理器入机接口 各类接口
A/D 转
换器
数 据
发生器
信 号
调理器
信 号
调理器
输入
信号
D/A 转
换器
信 号
调理器
信号
输出
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基于 LABVIEW 的虚拟示波器设计
目前,虚拟仪器的构成方式有以下几种:
(1) PC-DAQ 插卡式的 VI
这种方式用数据采集卡配以计算机平台和虚拟仪器软件,便可构成各种数据采
集和虚拟仪器系统。它充分利用了计算机的总线、机箱、电源以及软件的便利,其
关键在于 A/D 转换技术。这种方式受 PC 机机箱、总线限制,存在电源功率不足,
机箱内噪声电平较高、无屏障,插槽数目不多、尺寸较小等缺点。随着基于 PC 的
工业控制计算机技术的发展,PC-DAQ 方式存在的缺点已经和正在被克服。因个人
计算机数目非常庞大,插卡式仪器价格便宜,因此其用途广泛,特别适用于工业测
控现场、各种实验室和教学部门使用。
(2) 并行口式的 VI
最新发展的可连接到计算机并行口的测试装置,其硬件集成在一个采集盒里或
探头上,软件装在计算机上,可以完成各种 VI 功能。它的最大好处是可以与笔记本
计算机相连,方便野外作业,又可与台式 PC 相连,实现台式和便携式两用,非常
方便。
(3) GPIB 总线方式的 VI
GPIB(General Purpose Interface Bus)技术是 IEEE488 标准的 VI 早期
的发展阶段。它的出现使电子测量由独立的单台的手工操作向大规模自动测试系统
发展。典型的 GPIB 系统由一台 PC 机,一块 GPIB 接口卡和若干台 GPIB 仪器通过
GPIB 电缆连接而成。在标准情况下,一块 GPIB 接口卡可带多达 14 台的仪器,电
缆长度可达 20m。
GPIB 技术可以用计算机实现对仪器的操作和控制,代替传统的人工操作方式 ,
很方便的把多台机器组合起来,形成大的自动测试系统。GPIB 测试系统的结构和
命令简单,造价较低,主要市场在台式仪器市场。适用于精确度要求高,但对计算
机速率要求和总线控制实时性要求不高的场合应用。
(4) VXI 总线方式的 VI
VXI 总线是 VMEbus eXtension for Instrumentation 的缩写,是高速计算
机总线 VME 在 VI 领域的扩展,有稳定的电源,强有力的冷却能力和严格的 RFI/E
MI 屏蔽。由于它的标准开放,且具有结构紧凑、数据吞吐能力强、定时和同步精确、
模块可重复利用、众多仪器厂家支持的优点,得到广泛的应用。经过多年的发展 ,
VXI 系统的组建和使用越来越方便,有其他仪器无法比拟的优势,适用于组建大、
中规模自动测量系统以及对速度、精度要求高的场合,但 VXI 系统要求有专用的机
箱、零槽管理器及嵌入式控制器,造价比较高。
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基于 LABVIEW 的虚拟示波器设计
(5) PXI 总线形式的 VI
PXI 总线是 PCI eXtension for Instrumentation 的缩写,是 PCI 在 VI 领域
的扩展。这种新型模块化仪器系统是在 PCI 总线内核技术上增加了成熟的技术规范
和要求形成的,具有多板同步触发、精确定时的星形触发、相邻模块间高速通讯的
局部总线以及高度的可扩展性等优点,适用于大型高精度集成系统。
(6) 网络接口方式的 VI
尽管 Internet 技术最初并没有考虑如何将嵌入式智能仪器设备连接在一起,
不过 NI 等公司已经开发了通过 Web 浏览器观测这些嵌入式仪器设备的产品,使人
们可以通过 Internet 操作仪器设备。根据虚拟仪器的特性,我们能够方便的将虚
拟仪器组成计算机网络。利用计算机网络将分散在不同地理位置不同功能的设备联
系在一起,使昂贵的硬件设备、软件在网络上得以共享,减少了设备重复投资。现
在,有关 MCN(Measurement and Control Networks )方面的标准正在积极
进行,并取得一定的进展。由此可见,网络化虚拟仪器将具有广泛的应用前景。
(7) USB 接口方式的 VI
Universal Serial Bus(USB)因为其在 PC 机上的广泛使用、即插即用的易用
性和 USB2.0 高达 480Mbits/s 的传输速率,逐渐的成为仪器控制的主流总线技术。
现在计算机上的 USB 接口越来越多,也使得工程师可以很方便的将基于 USB 的测量
仪器连接到整个系统中。但是 USB 在仪器控制方面上亦有一些缺点。比如说 USB 的
排线没有工业标准的规格,在恶劣的环境下,可能造成数据的丢失,此外,USB 对排
线的距离也有一定的限制。
无论哪种 VI 系统,都是将仪器硬件搭载到笔记本电脑,台式微机和工作站等各
种计算机平台加上应用软件而构成的。
1.1.4 虚拟仪器的优点
一台性能优良的虚拟仪器不仅可以实现传统仪器的大部分功能,而且在许多方面
有传统仪器无法比拟的优点,如使用灵活方便、功能丰富、价格低廉、可一机多用、
可重复开发等。与传统仪器相比虚拟仪器主要有以下几个优点:
(1)融合了计算机强大的硬件资源,突破了传统仪器在数据处理、显示、存储等方
面的限制,大大增强了传统仪器的功能。而且高性能处理器、高分辨率显示器、大容
量硬盘等已成为虚拟仪器的标准配置。
(2)利用计算机丰富的软件资源,一方面,实现了部分仪器硬件的软件话,节省了
物质资源,增加了系统的灵活性;一方面,通过软件技术和相应的数值算法、实时、
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基于 LABVIEW 的虚拟示波器设计
直接的对测量数据进行各种分析和处理;另一方面,通过图形用户界面( Graph
User Interface)技术,真正做到界面友好,人机交互。
(3)基于计算机总线和模块化仪器总线,使仪器的硬件实现了模块化、系列化,大
大缩小了系统的尺寸,可方便的构建模块化仪器(Instrument on a Card)。
(4)基于计算机网络技术和接口技术,使 VI 系统具有方便、灵活的互联能力,广泛
支持诸如 CAN,Field Bus,PROFIBUS 等各种工业总线标准。因此,利用 VI 技术
可方便的构建自动测试系统(ATS,Automatic Test System),实现测量、控制过
程的网络化。
(5)基于计算机的开放式标准体系结构。虚拟仪器的硬、软件都具有开放性、模块
化、可重复使用及互换性等特点。因此,用户可以根据自己的需要选择不同厂家的产
品,使仪器系统的开发更为灵活、效率更高,缩短了系统组建和维修的时间。
下表是虚拟仪器与传统仪器的比较。
表 1-1 虚拟仪器与传统仪器的比较
虚拟仪器 传统仪器
开放、灵活,可与计算机技术保持同步发展
封闭性、仪器间相互配合较差
关键是软件,系统性能升级方便,通过网络下载
升级程序即可。
关键是硬件,升级成本较高,且升级必须上门
服务。
价格低廉,仪器间资源可重复利用率高 价格昂贵,仪器间一般无法相互利用
用户可定义仪器功能 只有厂家能定义仪器功能
可以与网络及周边设备方便互连
与其他设备仪器的连接十分有限
软件使得开发和维护费用降至最低 开发和维护开销高
技术更新周期短(1-2 年) 技术更新周期长(5-10 年)
数据可编辑、存储、打印 数据无法编辑
1.2 虚拟仪器的现状
1.2.1 国外虚拟仪器的现状
虚拟仪器技术目前在国外发展很快,以美国国家仪器公司(NI 公司)为代表的一
批厂商已经在市场上推出了基于虚拟仪器技术而设计的商品化仪器产品。在美国虚拟
仪器系统及其图形编程语言,已作为各大学理工科学生的一门必修课程。美国的斯福
坦大学的机械工程系要求三、四年级的学生在实验时应用虚拟仪器进行数据采集和实
验控制。
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