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NS-Scope基于LabVIEW虚拟示波器设计.pdf
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随着计算机技术的发展,传统仪器开始向计算机化的方向发展。虚拟仪器是90年代提出的新概念。虚拟仪器技术的提出与发展,标志着二十一世纪自动测试与电子测量仪器领域技术发展的一个重要方向。所谓虚拟仪器,就是在通用的计算机平台上定义和设计仪器的测试功能,使用者操作这台计算机,就像是在使用一台专门设计的电子仪器。由附件我们来讲解一下NS-Scope基于LabVIEW虚拟示波器的设计。
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NS-Scope
基于
LabVIEW
虚拟示波器设计
随着计算机技术的发展,传统仪器开始向计算机化的方向发展。虚拟仪器是
90
年代提
出的新概念。虚拟仪器技术的提出与发展,标志着二十一世纪自动测试与电子测量仪器领域
技术发展的一个重要方向。所谓虚拟仪器,就是在通用的计算机平台上定义和设计仪器的测
试功能,使用者操作这台计算机,就像是在使用一台专门设计的电子仪器。
传统台式仪器是由仪器厂家设计并定义好功能的一个封闭结构,它有固定的输入
/
输出接
口和仪器操作面板,每种仪器实现一类特定的测量功能,并以确定的方式提供给用户。从一
般的仪器设计模型看,一种仪器无非是由示波器数据采集、分析处理、人机交互和显示等几
部分功能模块组成的整体。因此我们可以设想在必要的数据采集硬件和通用计算机支持下,
通过软件设计实现仪器的全部功能,这就是虚拟仪器设计的核心。与传统仪器相比,虚拟仪
器除了在性能、易用性、用户可定制性等方面具有更多优点外,在工程应用和社会经济效益
方面也具有突出优势。一方面,目前我国高档台式仪器如数字示波器、频谱分析仪、逻辑分
析仪等还主要依赖进口,这些仪器加工工艺复杂、对制造水平要求高,生产突破有困难,采
用虚拟仪器技术可以通过只采购必要的通用数据采集硬件来设计资金的仪器系统;另一方
面,用户可以将一些先进的数字信号处理算法应用于虚拟仪器,提供传统台式仪器不具备的
功能,而且完全可以通过软件配置实现多功能集成的仪器设计。因此,可以说虚拟仪器代表
了未来测量仪器设计发展的方向。虚拟仪器技术目前在国外发展很快,美国的一批厂商已经
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。数字示波器是在科学研究和工
程设计中广泛应用的一种通用仪器。
LabVIEW
是虚拟仪器开发平台软件,它们能够以其直观简便的编程方式、众多的源码级
的设备驱动程序、多种多样的分析和表达功能支持,为用户快捷地构筑自己在实际生产中所
需要的仪器系统创造了基础条件。
LabVIEW
采用图形化编程语言
--G
语言,产生的程序是框
图的形式,易学易用,特别适合硬件工程师、实验室技术人员、生产线工艺技术人员的学习
和使用,可在很短的时间内掌握并应用到实践中去。特别是对于熟悉仪器结构和硬件电路的
硬件工程师、现场工程技术人员及测试技术人员来说,编程就像设计电路图一样;因此,硬
件工程师、现场工程技术人员及测试技术人员们学习
LabVIEW
驾轻就熟,在很短的时间内
就能够学会并应用
LabVIEW
。该仪器是用基于图形化编程语言
LabVIEW8i
而编写的
,
主要
功能包括:双通道信号输入、触发控制、通道控制、时基控制、波形显示、参数自测量等。
本虚拟仪器的数据采集的功能与普通示波器一样;波形显示模式:通道
A
或
B
、
A+B
及
A-B
等;实验结果表明
,
该仪器具有较高的精度和稳定性
,
而且具有友好的人机界面。
1.1
虚拟仪器概述
虚拟仪器(
virtual instrumention
)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。下面的框图反映了常见的虚拟仪器方案。
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。目前在这一领域内,使用较为广泛的计算机语言
是
LabVIEW
。
虚拟仪器的起源可以追朔到
20
世纪
70
年代,那时计算机测控系统在国防、航天等领域已
经有了相当的发展。
PC
机出现以后,仪器级的计算机化成为可能。对虚拟仪器和
LabVIEW
长期、系统、有效的研究开发使得该公司成为业界公认的权威。
普通的
PC
有一些不可避免的弱点。用它构建的虚拟仪器或计算机测试系统性能不可能太高。
目前作为计算机化仪器的一个重要发展方向是制定了
VXI
标准,这是一种插卡式的仪器。每
一种仪器是一个插卡,为了保证仪器的性能,又采用了较多的硬件,但这些卡式仪器本身都
没有面板,其面板仍然用虚拟的方式在计算机屏幕上出现。这些卡插入标准的
VXI
机箱,再
与计算机相连,就组成了一个测试系统。
VXI
仪器价格昂贵,目前又推出了一种较为便宜的
PXI
标准仪器。
虚拟仪器研究的另一个问题是各种标准仪器的互连及与计算机的连接。目前使用较多的是
IEEE 488
或
GPIB
协议。未来的仪器也应当是网络化的。
1.2
虚拟仪器的特点
虚拟仪器与传统仪器相比,有以下
6
个特点。
1
)传统仪器的面板只有一个,其上布置着种类繁多的显示与操作元件,易
导致许多识别与操作错误。虚拟仪器与之不同,它可以通过在几个分面板上的操作来实现比
较复杂的功能。这样,在每个分面板上就可以实现功能操作的单纯化面板布置的简捷化,从
而提高操作的正确性与便捷性。同时,虚拟仪器面板上的显示元件和操作元件的种类与形式
不受
“
标准件
”
和
“
加工工艺
”
的限制,它们是由编程来实现的,设计者可以根据用户的认知要
求和操作要求,设计仪器面板。
2
)在通用硬件平台确定后,由像
NS-Scope
、
NSAT-4000
等软件取代传统仪器中的硬件来
完成仪器的功能。
3
)仪器的功能是用户根据需要由软件来定义的,而不是事先由厂家定义好的。
4
)仪器性能的改进和功能扩展只需更新相关软件设计,而不需购买新的仪器。研制周期较
传统仪器大为缩短。
5
)虚拟仪器开放、灵活,可与计算机同步发展,与网络及其它周边设备互联。
6
)决定虚拟仪器具有传统仪器不可能具备的特点的根本原因在于
“
虚拟仪器的关键是软件
”
。
虚拟仪器在工程应用和社会经济效益方面具有突出的优势。目前,我国高档台式仪器,
如数字示波器、频谱分析仪、逻辑分析仪等还主要依赖进口,因为这些仪器加工工艺复杂,
对制造水平要求高,生产突破有困难,而采用虚拟仪器技术后,就可以通过只采购必要的通
用仪器硬件来设计自己的高性能价格比的仪器系统。
1.3
虚拟仪器现状及其发展趋势
1.3.1
虚拟仪器的发展及特点
电子测量仪器发展至尽,大体可分为四代:模拟仪器、分立元件式仪器、数字化仪器、智能
仪器和虚拟化仪器。
仪器的发展过程
第一代
——
模拟仪器。这类仪器在某些实验室仍能看到,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、指针式电压表、指针式电流表等。这类指针式仪表借助指
针来显示最终结果。
第二代
——
分立元件式仪器。当
20
世纪
60
年代出现晶体管时,便产生了以电子管或晶
体管电子电路为基础的第二代测试仪器
——
分立元件式仪器。
第三代
——
数字化仪器。
20
世纪
70
年代,随着集成电路的出现,诞生了以集成电路芯
片为基础的第三代仪器
——
数字化仪器。这类仪器目前相当普及,数字电压表、数字频率计
等。这类仪器将模拟信号的测量转化为数字信号的测量,并以舒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。
第四代
——
智能仪器。随着微电子技术的发展和微处理器的普及,以微处理器为核心的
第四代仪器
——
智能仪器迅速普及。这类仪器内置微处理器,既能进行自动测试,又具有一
定的数据处理能力,可取代部分脑力劳动,习惯上称其为智能仪器。其缺点是它的功能块全
部都以硬件(或固化的软件)的形式存在,无论对开发还是针对应用,都缺乏灵活性。
目前,微电子技术和计算机技术飞速发展,测试技术与计算机深层次的结核症引起测试
仪器领域里的一场新的革命,一种全新的仪器结构概念导致了新一代仪器
——
虚拟仪器的出
现。它是现代计算机计术、通信技术和测量技术相结合的产物,是传统仪器观念的一次巨大
的变革,是传统仪器仪器观念的一次巨大变革,是仪器产业发展的一个重要方向。它的出现
使得人类的测试技术进入一个新的发展纪元。
国际上从
1988
年开始陆续有虚拟仪器产品面市。当时有
5
家制造商推出了
30
种产品,
此后,虚拟仪器产品成倍增加。
1.3.2
虚拟仪器的发展方向
随着计算机、通信、微电子技术的不断发展,以及网络时代的到来和信息化要求的不断
提高,网络技术应用到虚拟仪器领域中是虚拟仪器发展的大趋势。在国内网络化虚拟仪器的
概念目前还没有一个比较明确的提法,也没有一个被测量界广泛接受的定义。其一般特征是
将虚拟仪器、外部设备、被测试点以及数据库等资源纳入网络,实现资源共享,共同完成测
试任务。使用网路化虚拟仪器,可以在任何地点、任意时刻获取到测量数据信息的愿望成为
现实。网路化虚拟仪器也适合异地或远程控制、数据采集、故障检测、报警等。
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