基于高速数据采集卡DAQCard-010501的虚拟示波器设计

2013-06-13王明艳王珺楠

电子测试 2013年6期

吴建王高王明艳李瑞王珺楠

（中北大学信息与通信工程学院山西太原 030051）

0 引言

随着科学技术的发展，在测量领域中需要不断更新测量设备，以满足越来越高的测量要求。近年来，世界各国的虚拟仪器公司开发了不少虚拟仪器开发平台软件，以便使用者利用这些仪器公司提供的开发平台软件组建自己的虚拟仪器或测试系统，并编制测试软件[1-3]。最早和最具影响的开发软件，是NI公司的LabVIEW软件和LabWindwos/CVI开发软件。LabVIEW采用图形化编程方案，是非常实用的开发软件[4]。LabVIEW是一种用图标代替文本语句创建应用程序的虚拟仪器编程语言, 其中数据采集是LabVIEW最具竞争力的核心技术之一, 它提供了大量的工具和函数用于数据的采集、分析、显示和存储, 以及丰富的虚拟仪器图形控件, 用来方便地创建用户界面[5-7]。用LabVIEW设计的虚拟仪器可以脱离LabVIEW开发环境，最终用户看见的是和实际的硬件仪器相似的操作面板[8-9]。

本文采用基于虚拟仪器技术设计了一台虚拟数字存储示波器，此仪器结构简单、功能丰富、价格低廉、能重复开发、具备用户自定义的优势，同时能显示记录和存储多通道输入的波形，并且可以对波形进行数据分析和处理，具有一定的现实意义与实际应用价值。

1 虚拟示波器基本原理

虚拟仪器由仪器硬件和功能模块软件两部分组成。虚拟仪器软件采用LabVIEW开发平台，硬件主体为计算机和数据采集卡，虚拟示波器主要构成如图1所示。

图1 虚拟示波器结构图

该示波器结构图被测数据首先通过数据采集卡采集到计算机系统中,然后由DAQCard-010501传输到LabVIEW 的图形化程序中，对采集过程的控制及数据的分析、处理、显示等功能可由操作前面板（虚拟示波器工作界面）来实现。

2 虚拟示波器硬件、软件设计

2.1 数据采集设备

计算机与数据采集卡组成了虚拟仪器的硬件平台的基础。数据采集系统的任务是采集原始信号，其主要指标有采样精度、采样速度数据采集卡是虚仪器的重要组成部件，其性能直接影响到整个示波器的采样速率和精度。数据采集卡的选择主要与采样率、测量通道、分辨率和测量精度有关。这里数据采集使用的是DAQCard-010501数据采集卡，它主要由C8051F020和CY7C68013A组成，其中C8051F020为主控模块，CY7C68013A为通信模块。DAQCard-010501通过USB接口供电和传输数据，支持即插即用和热插拔。提供可供用户调用的设备驱动函数，函数封装于DAQCard-B.dll中，可被VC、VB、LabVIEW等调用。

2.2 虚拟示波器软件设计

创建虚拟仪器的过程的过程分为三步：（1）设计虚拟仪器的前面板。（2）编写虚拟仪器流程图。（3）确定虚拟仪器的图标和连接。采用模块化的软件设计思想编写，每个功能的实现由一个模块完成，系统软件总体包括数据采集、参数测量、相位分析、数据存储和回放等模块，最终实现数据采集、处理、记录、显示等功能。系软件组成如图2所示：

图2 软件组成框图

2.2.1 前面板设计

LabVIEW前面板用于设置输入数值和观察输出量，用于模拟真实示波器的前面板。由于虚拟面板直接面向用户，是虚拟示波器控制软件的核心。根据传统示波器的面板控件的功能，利用LabVIEW中的控件选板，分别在设计面板上放入模拟实际控件的显示器、通道选择控件、触发源、触发电平、时基控制等。

软面板程序用来提供用户与虚拟示波器的接口。当按下“开始采集”按钮，然后运行程序就可以开始采集信号。用户可以进行单通道和双通道的任意切换；各种功能模块的实现在面板上都对应着相应的按钮，按下该按钮就可以调出该模块子程序。在子程序中按下返回键就回到主程序面板。设计的前面板如图3所示：

图3 虚拟示波器前面板

2.2.2 信号采集模块

数据采集模块是虚拟示波器软件的核心，主要完成数据的采集。包括触发控制、通道控制和时基控制等。通道控制主要控制单通道或者是双通道测量。时基控制主要控制采集卡的扫描率及采样数。图4为模拟信号采集程序框图。

2.2.3 参数测量模块

参数测量模块包括Vrms等12个电压参数和频率、周期等7个时间参数的测量并显示其测量结果。主要测量的参数为:交流电压AC、直流电压DC、均方根电压、采样周期、上升时间、下降时间、平均电压、最大压差、最高电压、最低电压、峰值电压等。它主要用到的节点有:交直流分量估计节点、均方根节点、平均值节点、脉冲参数节点。

图4 模拟信号采集程序

参数测量的前面板如图5(a)所示:

图5 (a) 参数测量前面板

程序框图如图5(b)所示：

图5 (b) 参数测量程序

2.2.4 数据存储和读取

LabVIEW有丰富的文件操作函数库，可以方便进行文件的读写(I/O)操作。

数据存储前面板、程序框图分别如图6(a)、6(b)所示：

数据存储模块主要用到的程序是Write To Spreadsheet File.Vi

图6 (a)数据存储前面板图

图6 （b）数据存储程序

图7 （a）数据读取前面板

图7 (b)数据读取程序

数据读取前面板、程序框图分别如图7(a)、7(b) 所示：

数据读取主要用到的是程序Read From Spreadsheet File.Vi

在实际测试中，使用哪种采样方法取决于信号的类型。对于周期性信号，实时和非实时采样方法都可以使用，主要由被测信号的频率来决定。而对于非周期性信号和瞬态信号，通常要使用实时采样的方法。

3 实验结果分析

虚拟示波器是由数据采集模块、参数测量模块、数据存储和读取模块等组成，主要功能包括双通道信号输入、通道控制、触发控制、时基控制、波形显示、波形存储和读取等。采集到的波形直接在虚拟示波器的主面板上显示。已经完成的虚拟示波器软件，通过改变A、B通道信号来验证虚拟示波器系统软件的可行性。采用信号发生器的信号作为输入信号，直接从计算机显示器上观察波形的改变情况。

当通道选择处于 A状态时，采样频率25kHz，分别输入幅值为2V，频率为250Hz，触发电平为0的方波、三角波、正弦波，波形显示如图8所示

当波形显示如图8 (c)时，调节控制面板上的按钮，改变波形形状，如图9所示

当选择通道为A&B时，A通道输入2V正弦波，B通道输入1V三角波，触发源为A通道，采样率为25KHz，输入的波形如图10所示

当通道A频率为250HZ时，波形如图11所示：

当按下主面板上的电压测量按钮时候，则完成所选通道的参数测量，同时显示。测量结果如图12所示：

按下写盘按钮时，对显示的波形以文本设计档的格式存至D:wave.txt，当按下读盘按钮时，读取存储的波形，如图13所示：