一、实验目的

     1、掌握虚拟仪器的设计思想和方法；

     2、掌握labVIEW编程、调试等技能；

     3、学习“波形图”控件各种复杂功能的使用；

     4、学习数据采集卡的使用。

    二、    实验设备

     1、计算机；

     2、labVIEW8.5软件；

     3、PLC-6221数据采集卡及集线盒；

    三、  实验步骤

     1、硬件设计

  计算机、PLC-6221、集线盒、导线等

     2、软件设计

  数据连续采集（AI）、数据处理、显示

  主要功能：

     1、运行、停止；

     2、可显示两路以上波形，X，Y轴调整；

     3、显示模式：单通道、多通道模式、运行模式；

     4、测量：频率、周期、幅值：

     5、高级功能：FFT、储存、网络等。

基于LABVIEW的虚拟示波器设计

1 LabVIEW软件及其基本设计原理简介

1.1 LabVIEW简介

       LabVIEW（Laboratory Virtual instrument Engineering）与 C 和BASIC 一样，LabVIEW也是通用的编程系统，有一个完成任何编程任务的庞大函数库。LabVIEW的函数库包括数据采集、GPIB、串口控制、数据分析、数据。LabVIEW标志显示及数据存储，等等。LabVIEW也有传统的程序调试工具，如设置断点、以动画方式显示数据及其子程序（子VI）的结果、单步执行等等，便于程序的调试。

       LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言。传统文本编程语言根据语句和指令的先后顺序决定程序执行顺序，而 LabVIEW 则采用数据流编程方式，程序框图中节点之间的数据流向决定了VI及函数的执行顺序。VI指虚拟仪器，是 LabVIEW 的程序模块。

       LabVIEW 提供很多外观与传统仪器（如示波器、万用表）类似的控件，可用来方便地创建用户界面。用户界面在 LabVIEW 中被称为前面板。使用图标和连线，可以通过编程对前面板上的对象进行控制。这就是图形化源代码，又称G代码。LabVIEW 的图形化源代码在某种程度上类似于流程图，因此又被称作程序框图代码。

1.2 LabVIEW软件设计基本原理

       我们把用LabVIEW实现的一个完整的LabVIEW应用程序成为一个虚拟仪器，称为VI。所有的VI，它包括前面板、程序框图图以及图标/连结器三部分。

1）前面板。前面板是图形用户界面，也就是VI的虚拟仪器面板，前面板直接面向用户，是用户使用虚拟仪器的基本操作面板。这一界面上有用户输入和显示输出两类对象，具体表现有开关、旋钮、图形以及其他控制和显示对象。一个典型实现正弦波显示和幅值调节的前面板。

         2） 程序框图提供VI的图形化源程序。它的功能是对前面板上的控件进行定义、操作和连线以实现虚拟仪器的功能，是LabVIEW程序设计的核心。在程序框图中存在着对VI编程，以控制和操纵定义在前面板上的输入和输出。它包括前面板上的控件和控件的连线端子，还有一些前面板上没有，但编程必须有的东西，例如函数、结构和连线等。如果将VI与标准仪器相比较，那么前面板上的东西就是仪器面板上的东西，而流程图上的东西相当于仪器箱内的东西。在许多情况下，使用VI可以仿真标准仪器，不仅在屏幕上出现一个惟妙惟肖的标准仪器面板，而且其功能也与标准仪器相差无几。

上述正弦波的程序框图如图1。

                 图1  正弦波显示及幅值调节VI程序框图

3）图标/连接器。VI具有层次化和结构化的特征，一个VI可以作为子程序，这里称为子VI，被其他VI调用。图标与连接器在这里相当于图形化的参数。LabVIEW的强大功能归因于它的层次化结构，用户可以把创建的VI程序当作子程序调用，以创建更复杂的程序，而这种调用的层次是没有限制的。

在VI设计过程中，可以利用工具选板、前面板中的控件选板、程序框图中的函数选板进行设计。这些选板的详细功能及用法通过不断的学习设计VI的过程逐渐地掌握。

2 关于虚拟示波器的设计思路及方案的实现

2.1 设计思路

本设计的想法是尽量与现实中的面板相一致，实现示波器最基本的显示和调节功能。所以本设计我设计了包含CH1和CH2的双通道示波器，即双踪示波器。设计时考虑的是分几个部分:

1）CH1和CH2通道设计及选择。设置两个开关控制CH1和CH2选通状况，开即显示波形，关不显示，同时选择了开就在波形图上同时显示两个波形。

2）波形产生。由于没有外界信号输入设备，所以不能用外部数据采集的方法输入信号波形，那么自己设计一个建议信号发生器，使两个通道都能实现基本模拟信号正弦波、三角波、方波、锯齿波的输入。

3）波形显示。采用波形图控件。

4）波形控制部分。包括CH1信号幅度调节和幅度偏移、CH2信号幅度调节和幅度偏移、时间扫描速率、同时开的时候两个信号叠加开关。

5）停止示波器。通过while循环的停止按钮设置示波器停止工作。

2.2 方案的实现

2.2.1 前面板的设计

   根据设计思路，设计成的前面板如图2所示。

 

                    图2 虚拟双踪示波器前面板

2.2.2 设计的基本原理和设计步骤

1）通道CH1和CH2选择即波形产生。在程序框图上创建两个条件结构。把CH1和CH2的开关控制（布尔开关）分别接到这两个条件结构的条件输入端，然后在每个“真”条件下，并且通过再添加条件结构，在这个子条件结构里面，并在分置里面选择产生相应的波形，这样就产生了大条件结构的“真”操作，也即在CH1或CH2通道开的情况下，通过文本下拉列表控制波形产生。然后将外部条件结构的输出隧道在“假”的条件下，设为“未连接时使用默认”并且处理“假”分支，这样，当通道选择开关“关”时就不输出波形。如图3所示。

  

图3

2）波形显示控制部分。这部分是控制波形在波形图上更好的显示出来。控制CH1、CH2通道幅值，调节波形图上每单位表示多少电压值；控制时间扫描速率，调节时间轴上每单位表示多少时间。这些都是为了让波形以最直观、最清楚的方式显示在波形图上。如图4、5所示。

图4 波形显示控制部分前面板

图5 波形显示控制部分程序框图

  

3）输入信号测量值的显示部分。通过“获取单频信息”子VI获取波形频率；通过“幅值和电平测量”子VI获取波形幅值电压。设计的前面板如图6所示，程序框图如图7所示。

   

                       图6 测量参数显示  

             

                图7 测量参数模块程序框图

4） 停止测量部分。通过while循环的STOP按钮停止测量。程序框图如图8所示。

图8  while循环以及STOP按钮

  

5）整个程序框图的设计图图9所示。至此为止设计全部完成。

图9 虚拟双踪示波器的整个程序框图

3 设计心得

此次labVIEW虚拟示波器的设计，首先我看了几本介绍虚拟仪器和LabVIEW方面的书籍，随即对这个软件强大的仿真功能产生了极大的兴趣，并且自己动手做了一些简单的仿真程序，比如利用调用for循环和移位寄存器计算数学递归公式、产生数字波形、建立数学计算的子VI等。做的程序渐渐从简单到难，学的东西也越来越多。直到这个设计完毕，除了这个设计里面的知识外，我还了解了公式节点的用法；滤波器的用法；图形编辑器的用法和子VI的建立过程及调用；掌握了while循环、for循环、条件结构循环的用法；初步了解了顺序结构的用法；了解了数据采集的基本知识；熟悉了写入测量文件及保存数据的基本操作、程序调试过程中的单步执行、断点设置以及探针工具的使用方法、延时程序的调用方法等等。刚开始我还觉得做能力拓展耽误了自己学习的时间，后来感觉到学了LabVIEW之后也很充实。也为自己能做出这个“不简单”的虚拟示波器而感到骄傲。在此过程中，班上的同学给了我不少帮助，比如他们把借的的资料给我看，还有一起动脑动手实现了某个困难的操作，这让我深深体会到团队协作的重要性和同学之间友谊的可贵。

4 参考

Search Examples》Demonstrations》Instrument I/O》  Two-Channel Oscilloscope

5 程序调试过程中发现的问题和解决办法

1）完成了一部分并查看波形的时候，发现波形向左移动的非常快，这样很不利于观察波形信号。通过查资料发现可以通过在前面板上添加时间延迟Express VI，设置程序循环延时时间可以解决这一问题。但是要在程序框图上添加并设置，这很不方便，后来发现模板上的VI波形图都可以均匀的慢速的向左移，经过对比发现，只要修改配置仿真信号的属性即可，具体操作时将定时区域的“以可达到的最快速度运行”取消，并勾选中“仿真采集时钟”。

2）在选择CH1条件结构的“假”分支时，因为不用输出波形，所以我没有连接输出隧道，这是幸运星出现错误，这个错误是因为条件结构中多个分支的输出隧道公用输出。仅执行结构的某一帧时，各个帧必须给所有的输出赋值，不赋值时要使用默认。解决办法是右键单击隧道并选择“未连线时使用默认”，即可以满足该要求。

3）幅值测量用模拟波形-波形测量里面的“幅值和电平”函数时发现，当北侧通道处于关的状态时发生了错误，显示的是“输入波形的大小为0”，这是因为这个函数测量模块当波形输入为0时就会发生错误。解决办法是将它替换为波形测量里面的“幅值和电平测量”子VI，这个子VI在输入波形为0时满足了输出幅值电平是0。

虚拟仪器课程设计

报告

题目：双通道虚拟示波器

姓名：张彦吉

学号：1067106210

班级：10自动化2班

指导教师：肖俊生

 

第二篇：基于Labview的虚拟示波器设计及应用(1)

基于Ｌａｂｖｉｅｗ的虚拟示波器设计及应用木

韦巍韦仲

广西大学计算机与电子信息学院，广西南宁５３０００４

摘要：虚拟仪器技术利用了计算机的处理能力实现对信号数据的运算和分析，该技术对高校实验教学工作所具有一定的意义。结合实验室设备的现状，采用了计算机声卡设计一个基于Ｌａｂｖｉｅｗ的虚拟示波器，具有传统示波器的主要功能，经过初步的使用及误差分析，该示波器具有一定的精确度。表明虚拟仪器技术能够为改善高校实验条件提供新途径。

关键词：虚拟仪器声卡虚拟示波器数据采集误差

ｌ’引言

随着我围高等教育规模的不断扩大和高等教育课程教学内容的更新，许多院校实验室的仪器设备由于数量不够功能落后等原因，已经难以满足日常教学的需要。作为教学仪器发展的方向之一。虚拟仪器技术正好可以克服传统仪器功能单一、无法灵活配置的缺点，用它来解决时下的这个Ｉ’ｕＪ题不失为一个好办法ＩｌＪ。Ｎａｔｉｏｎａｌｌｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ公司提供了行业标准图形化编程软件—Ｌａｂｖｉｅｗ，使用该软件设计并编程实现了一个虚拟示波器。该虚拟示波器具有传统示波器的主要功能。

示波器是电子实验室常用的时域测量仪器，虚拟示波器在功能上利用计算机的处理能力实现了示波器的虚拟，方便了使用者从实际的示波器转至虚拟示波别引。但是一种新的设计方案实现以后，要投入实际应用，还需要考虑是否能满足要求，如测量信号时会有多少误差。因此，对于虚拟示波器，除了功能实现之外，还应该对其基本的性能进行评价。经过初步的使用及误差分析，该示波器具有一定的精确度。表明虚拟仪器技术能够为改善高校实验条件提供新途径。

２虚拟仪器技术

“虚拟仪器（ＶｉｎｕａＩｌｎｓｔｒｕｍｅｎｔ，ＶＩ）是计算机技术、仪器技术和通信技术相结合的产物。虚拟仪器的目的是利用计算机的强大资源使硬件技术软件化，分立元件模块化，降低程序开发的复杂程度，增强系统的功能和灵活性。”【３ｊ所谓虚拟仪器，就是在以计算机为核心的硬件平台上，其功能由用户设计和定义，具有虚拟面板，其测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统【４】。虚拟仪器利用了计算机程序的处理功能来模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达和输出检测结果：利用计算机强大的软件功能实现对信号数据的运算、分析和处理：利用Ｉ／Ｏ接口设备完成信号的采集、测量与调理，从而完成各种测试功能的一种计算机仪器系统１５Ｊ。虚拟仪器的出现，使测量仪器与计算机的界限模糊了。

在国外，以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设计的商品化仪器产品。Ｌａｂｖｉｅｗ采用图形化的数据流语言，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’基金资助：广西大学校级基金项目．

作者简介：韦巍（１９７４．），男，博士，广西大学教师，副教授，研究方向：虚拟仪器技术的应用，电子测鼍与控制，医学图像的计算机三维重建．

据采集和仪器控制软件。虚拟仪器系统及其图形化编程语言已成为美国各个大学理上类学生的一门必修课。在国内，也有一些院校的实验室引入了虚拟仪器系统，如复旦大学、上海交通大学、四川大学、华中理工大学、暨南大学等。这些学校在原有的基础上，开发出了一批新的虚拟仪器系统用于教学和科研。广西大学的电工电子实验中心也对虚拟仪器技术进行研究，在虚拟仪器的数据采集、数据分析及处理等方面获得了相应的成果。广西师范大学出版了相关的书籍。国内～些以虚拟仪器技术为核心技术的公司可提供虚拟仪器产品和虚拟仪器技术支持，例如北京中科泛华测控技术有限公司就是其中比较有实力的公司。还有一些爱好者与小团体制作一些低端的产品在网络上发布。

３虚拟示波器的设计

虚拟仪器硬件的核心是数据采集卡，而目前市场上出售的数据采集卡的价格与性能基本成正比，一般比较昂贵【６Ｊ。但是多媒体计算机中的声卡也可以成为一个相当不错的数据采集系统，而且它的兼容性好、性能稳定、灵活通用。对于许多工程测量和科学实验来说，声卡中的的Ａ／Ｄ和Ｄ／Ａ转换器所提供的精度可以满足了，而它的价格却比市场上专业的数据采集膏低了很纠７’引。

使用ＰＣ机中的声卡设计实现的虚拟示波器，在声卡的输入范围即音频范围内，具有数据采集、数据分析和处理、电压、频率和波形显示、频谱图及李萨如图显示等功能，同时还具有了图形数据的存储功能，达到了对传统示波器的功能和操作上模仿。图ｌ为虚拟示波器的软件结构。

图ｌ虚拟示波器的软件结构

基于ＰＣ声卡的虚拟示波器系统包含了数据采集、信号频谱图显示、通道信号瞬时频率显示、信号瞬时最大值显示、信号瞬时最小值显示、通道电压幅度值显示、触发控制、波形垂直方向调节、李萨如图显示、显示模式选择、波形水平方向调节、波形显示和波形存储等１３个模块组成。在ＬａｂＶＩＥｗ８．２０环境中，ＬａｂｖＩＥｗ提供了一系列使用ｗｉｎｄｏＷＳ底层函数编写的与声卡有关的ｖＩ【酬。

３．１ＬａｂＶＩＥｗ中关于声音信号的输入节点Ⅵ

（１）ｓＩＣｏｎｆｉｇ．ｖｉ节点：用于设置声音信号输入设备的参数和数字声音的格式，包含模数转换器ＡＤＣ缓冲区大小、采样速率及采样通道为单通道还是双通道、样本位数为８ｂｉｔｓ还是１６ｂｉｔＳ等的设置；

（２）ＳＩＳｔａｎ．ｖｉ节点：用于驱动声音采集设备开始采集输入的数据；

（３）ｓＩＲｅａｄ．ｖｉ节点：用于从缓冲区读取采集到的数据，并根据不同的数字声音格式，输出相应数据格式的数组；

（４）ｓＩＳｔｏｐ．ｖｉ节点：用于终止声音采集设备对数据的采集：

（５）ｓＩＣｌｅ筑ｖｉ节点：用于关闭声音采集设备，释放其占用的计算机资源。

利用上述的ＬａｂｖＩＥｗ中的这些声音输入和记录甘点，结合其他相应的甬数和控件，就可以通过Ｐｃ声｝采集外部数据，用软件设计并史现虚拟取踪数字存储示波器了。该虚拟示波器在刊算机上的操作界面如图２阱呆．

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３上虚拟示波器的主要控制部分功能二一堕楚●张一

（１）显示屏：用于显示声｝采集的信号的波形、频谱阁和李萨如图。

（２）时间／分度选择旋钮：用于调节显示屏水平方向上每个格所代表时间的多少，每格所表示的时间值可由相应的档位读出。

（３）水平位置调市旋钮：用咀调节信哮波形罔在水甲方向上的左店位置。

（４）触发源选择开关：用于选择示虚拟示波器的触发源。

（５）波形存储腋形存储停ｌＥ开关：默认情况下，这个开关处于关闭的状态．示波器的波形数据存储功能暂停，同时，红色的开关按钮中间显示有“波形存储停止”的字样：在开关上单击鼠标左键后，开关变成绿色的，并且中问位置的显示也变成了“波形存储”字样，示波器的波形存储功能打开了．示渡器开始向存盘路径文本框中指定的立什中存储波形数据。

（６）显示模式选择开关：当显示屏卜显示的是信号波形图时，通过这个开关，可以选择波形图的显示模式。

（７）电征／分度Ａ、电压／分度Ｂ衰减器：用十调节信号波形的幅度，显示屏垂直方向上每个格所表示的电压太小可由其ｆｌ｛ｌ应档位读出。

（８）信号采集／暂停开关：默认情乱Ｆ，此开关处于绿色的“信号采集”状态，信号采集正在进行当中；接下此开关。它马上变成红色的“暂停”．提示暂停信号采集，这时用户可以仔细观察显示屏上的波形。

４实验结果

为了检验虚拟示渡器的使片ｊ效果，需萼对虚拟示波器系统的误差进行分析。这里是以对虚拟示波器的电压特性和频率特性的测试为恻的，电压特性和频率特性的相关测量结果的误差曲线则分别见于嘲３和图４。其中，铡试电压特性口｛保持输入信号的频率为２ｋＨｚａ；变，Ｈ改变信号的电压：而测试频率特性时则保

持输入信号的电压值为Ｏ．１Ｖ不变，只改变信号的频率。

图３虚拟示波器电压特性测量误差曲线

图４虚拟示波器频率特性测量误差曲线

由前面的测量数据记录表格及示波器特性误差曲线图可见，随着输入信号电压的升高，示波器的电压特性逐渐变差，测量误差也逐渐增大，当输入信号电压超过了ＰＣ声卡的允许电压范围时，虚拟示波器就失去了正常的测试功能；在５００Ｈｚ～４２００Ｈｚ的频率范围内，虚拟示波器也具有比较好的频率特性，但是当信号的频率离该范围的两端越远时，测量误差就越大，示波器的频率特性也变得越来越差。一旦输入信号的电压或频率超过了计算机声卡的适用范围，这个基于声卡的虚拟示波器也就失去了它的使用价值。经过试验，在声卡允许的电压和频率范围内，这个虚拟示波器能够完成传统示波器的测试和测量工作，工作效果良好。

５结束语

软件对仪器的作用越来越重要，虚拟仪器就是这一趋势的代表，并体现出日趋成熟的特点。以计算机技术为基础，随着其不断高速发展，虚拟仪器也正朝着智能化、网络化的形式迈进，它巨大的技术优势也是日益突显。而利用计算机声卡可在音频范围内代替专用的数据采集卡进行数据采集，在此基础上构建的虚拟示波器，具有成本低、兼容性好、通用性和灵活性强的优点。经过误差分析，可以看出对实验室的使用所具有实际意义。

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ＬａｂＶｉｅｗ—ｂａｓｅｄⅥｒｔｕａｌｏｓｃｉｌｌｏｓｃｏｐｅＤｅｓｉｇｎａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ

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基于Labview的虚拟示波器设计及应用

作者：

作者单位：韦巍， 韦仲广西大学计算机与电子信息学院,广西南宁 530004

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