基于LabWindows／CVI虛擬示波器的設(shè)計與實現(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)儀器的新的測控方法正在取代傳統(tǒng)的測控系統(tǒng)，即利用數(shù)據(jù)采集卡、信號調(diào)理卡或其他計算機外圍硬件進行信號的采集與檢測，然后由計算機來實現(xiàn)對信號的處理、計算和分析以及測試結(jié)果的顯示。
    Labwindows／CⅥ是基于標準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
    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。隨著微處理機的性能不斷提高，人們對微機系統(tǒng)的I／O帶寬不斷提出新的要求，原有的標準總線，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?；赑CI總線的數(shù)據(jù)采集卡的整體結(jié)構(gòu)可以設(shè)計如圖1所示：

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

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

    1)信號采集模塊
    由于本設(shè)計采用非NI數(shù)據(jù)采集卡，不能直接運用LabWindows／CVI的函數(shù)庫來實現(xiàn)。但是板卡設(shè)計的驅(qū)動程序一般是以動態(tài)鏈接庫的形式提供的，所以對于LabWindows／CVI而言，可以直接利用驅(qū)動程序中的動態(tài)鏈接庫來實驗數(shù)據(jù)文件的采樣。我們把采集到的數(shù)據(jù)存儲在一個一維數(shù)組中以便進行分析運算。
    2)波形顯示模塊
    設(shè)計采用LabWindows／CVI提供的Graph來顯示波形，對于采集到的數(shù)據(jù)，存放在一個大小可調(diào)節(jié)的動態(tài)數(shù)組中，對該數(shù)據(jù)進行時域分析并畫圖顯示。波形顯示模塊還包括AB通道波形的疊加，相減等基本運算。其實現(xiàn)方法就是利用C語言對數(shù)據(jù)元素的簡單加減。
    3)時域分析模塊
    時域分析包括A、B通道的自相關(guān)，AB通道信號互相關(guān)分析，AB通道的卷積，AB通道的李沙育圖。相關(guān)運算設(shè)計利用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，其中脈沖信號可表示為：正弦信號可以表示為：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。其中橫坐標表示采樣點數(shù)共1024個點，縱坐標表示幅值。幅值增益1V／d，

    4)信號調(diào)節(jié)模塊
    信號調(diào)節(jié)模塊主要設(shè)計完成信號的垂直增益，垂直位移，水平增益的調(diào)節(jié)。設(shè)計的具體實現(xiàn)也是通過C語言對數(shù)組的操作實現(xiàn)。圖4表示信號調(diào)節(jié)模塊程序流程圖。

    5)存儲模塊
    真實示波器由于存儲硬件的限制，只能存儲2～4個數(shù)據(jù)，而在在虛擬的數(shù)字存儲示波器中，利用硬盤等存儲介質(zhì)，可以任意存取無限多個數(shù)據(jù)，而且存儲更加安全。具體實現(xiàn)方法是：存儲對被測信號取樣，然后轉(zhuǎn)換成數(shù)組，再將數(shù)組保存到文件中，讀取時恰好相反，其工作流程如圖5所示。

3 測試結(jié)果及仿真分析
    按照LabWindows／CVI的設(shè)計流程，我們完成虛擬示波器的設(shè)計，并對正弦信號進行采樣分析，結(jié)果如圖6所示：

    虛擬儀器的主要問題就是儀器的仿真，而仿真包括兩個方面的內(nèi)容，一個是儀器功能的仿真，另一個就是儀器外觀及面板的仿真。本設(shè)計著重于儀器功能的仿真。
    1)數(shù)據(jù)處理功能及波形存儲功能的仿真
    通過虛擬儀器軟件功能設(shè)計，我們完成信號的顯示、相關(guān)運算、卷積運算、文件的存儲與讀取，基本實現(xiàn)了示波器的功能。達到仿真的目標。
    2)頻帶寬度仿真
    一般來說，用計算機直接生成的虛擬示波器的帶寬實際上就是計算機的帶寬，其所能測量的頻率的上限取決于計算機的性能。而實際上示波器受到種種因素的限制，其帶寬遠遠低于計算機的帶寬。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時基電路掃描速度的限制。
    為了達到仿真的效果，為虛擬示波器設(shè)計了一個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信號的幅頻特性，但其相頻特性很不理想。因此，采用矩形窗設(shè)計了一個FIR濾波器，保證了經(jīng)過濾波器的信號能夠線性的逼近被測信號的相位。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)對于測試測量行業(yè)是一個轉(zhuǎn)折點，它意味著我們可以根據(jù)自己的需要隨時隨地的通過對虛擬儀器軟件模塊的更改而改變儀器的性能。但是，想要完成一個高性能的虛擬測試系統(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，相信隨著計算機技術(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。