基于LabVIEW的虚拟示波器设计样本.docx
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基于LabVIEW的虚拟示波器设计样本
测控仪器设计课程设计
阐明书
姓名:
******
学号:
*********
班级:
测控072
专业:
测控技术与仪器
学院:
机械工程学院
时间:
.7.2~.7.15
地点:
指引教师:
无
前言……………………………………………………………………………1
课程设计任务书………………………………………………………………2
虚拟仪器设计方案……………………………………………………………4
虚拟仪器设计环节……………………………………………………………6
一、DAQ数据采集模块…………………………………………………6
二、模仿采集模块………………………………………………………7
三、波形显示模块………………………………………………………8
四、参数测量模块………………………………………………………10
五、频谱分析模块………………………………………………………11
六、数据存储和回放模块………………………………………………13
七、波形打印模块………………………………………………………14
八、重要控制构造………………………………………………………15
总结……………………………………………………………………………17
附录:
前面板和程序框图……………………………………………………18
参照文献………………………………………………………………………20
前言
随着电子科学技术发展,微电子集成电路技术、计算机技术、通信技术、测控技术互相渗入,互相融合而形成了新型电子信息技术。
通过二十近年发展,虚拟仪器(VirtualInstrument,简称VI)概念已逐渐为工业界和学术界所结识,成为21实际测试技术与仪器技术发展一种重要方向,并且在研究、制造和开发等总舵领域得到广泛应用。
虚拟仪器技术是测试技术和计算机技术相结合产物,是以计算机为基本,配以相应测试功能硬件作为信号输入输出接口,运用虚拟仪器软件开发平台(如LabVIEW、LabWindows/CVI)在计算机屏幕上虚拟出仪器面板并实现相应功能,使得使用者在操作计算机时就像在操作一台自己设计得测试仪器。
虚拟仪器浮现,打破了老式仪器由厂家定义,顾客无法变化工作模式,使得顾客可以依照自己需求,设计自己仪器系统,给顾客提供了一种充分发挥自己才干和想象力空间,实质上代表了一种创新仪器设计思想。
与老式仪器相比,虚拟仪器具备性价比高、开放性好、智能化限度高、界面和谐、使用以便、模块化和网络化长处,在诸多领域大有取代老式仪器趋势。
虚拟仪器涉及硬件和软件两个基本要素,硬件功能是获取被测物理信号,提供信号传播通道;软件则是实现数据采集、分析、解决、显示等功能,并将其集成为仪器操作与运营一体化环境。
总体而言,虚拟仪器硬件以VXI、PXI等先进计算机接口总线发展为标志,而软件技术则是以VISA、SCPI、IVA等原则和LabVIEW、LabWindows/CVI等先进开发平台为核心,构成一种完整虚拟仪器技术体系。
示波器是以短暂扫迹形式显示一种量瞬时值仪器,也是一种测量、观测、记录仪器,在科研和实验室中应用十分广泛。
老式模仿示波器把需要观测两个电信号加至示波管X、Y通道以控制电子束偏移,从而获得荧光屏上关于两个电信号关系显示波形。
这种模仿示波器体积大、重量轻、成本高、价格贵,并不适合于对非周期、单次信号测量。
基于多功能DAQ卡和LabVIEW平台开发虚拟数字示波器,具备构造简朴、开发成本低等长处,在众多领域已得到广泛应用。
测控仪器设计课程设计任务书
设计题目:
基于Labview数字示波器设计
设计规定:
一、重要功能模块
数字示波器重要由软件控制完毕信号采集、解决和显示。
系统软件总体上涉及数据采集、波形显示、参数测量、频谱分析及波形存储和回放等五大模块,功能构造框图如下:
1.数据采集模块
重要完毕数据采集控制,涉及触发控制、通道选取控制、时基控制等。
其中:
1)触发控制涉及触发模式、触发斜坡、触发电平控制;
2)通道选取重要控制单通道或双通道测量;
3)时基控制重要控制采集卡扫描率、每一通道扫描次数(取样数)。
2.波形显示模块
软件需提供五种波形显示模式:
1)A、B、A&B模式:
通过显示通道选取按键A和B,可以任意显示某一通道或两通道输入信号波形。
2)XY模式:
当两通道都处在选通状态时,使用此模式来显示李沙育(Lissajous)图形、测量相位差或频率。
3)A+B,A-B模式:
当两通道处在选通状态时,使用此模式显示两通道信号代数相加、相减后波形。
4)A&A积分
5)A&A微分
3.参数测量模块
重要模仿HP54603B参数测量功能,完毕涉及Vrms等19个电压参数和频率、周期等7个时间参数测量,并显示其测量成果。
4.频谱分析模块
采用迅速FFT算法,完毕频域信号分析。
可实现频谱分析控制涉及:
1)Window选取,提供9种频谱分析窗口;
2)Log/Linear选取,提供3种坐标显示模式;
3)DisplayUnit选取,提供8种单位。
5.数据存储和回放模块
按键“写盘”控制与否进行数据存储;按键“读盘”控制与否从数据文献中读取数据。
主面板提供了两个文献名输入框,前—个为信号波形数据文献名输入框,后一种为采样周期文献名输入框,这两个文献由写盘功能和读盘功能共用。
从软盘或硬盘上读取数据同实时采集数据同样,可以进行自动参数测量以及显示波形,并保存在显示窗口(显示模式可以设立为三种模式中任意一种),还可以依照需要设立进行频谱分析。
二、重要控制构造
1.测量控制构造
通过逻辑按键“测量”控制与否进行测量;通过逻辑按键“通道”控制通道选取。
2.自动调节扫描率控制构造
由逻辑按键组“自动”、“手动”来控制是自动调节扫描率,还是手动调节扫描率。
虚拟仪器设计方案
本虚拟数字存储示波器是在对老式示波器进行分析后,基于多功能DAQ采集卡和LabVIEW开发平台来设计具备数字存储示波器、数字万用表、数字频率计三者功能与一体一种功能强大电子测试仪器,重要由数据采集某些、数据解决某些、波形显示某些、波形存储和回放以及频谱分析等某些构成,可以完毕对信号输入及获取、信号电压参数及时间频率参数自动测量、信号波形显示及存储回放和信号频谱分析等功能。
该示波器重要由数据采集DAQ(DataAcquisition)、接口总线、硬件驱动程序和虚拟数字示波器软件构成。
图2.1所示为虚拟数字示波器整体构成构造图。
信号检测电路时信号调理辅助电路,接受传感器传送过来物理信号,并从混合信号中提取出待测薄弱信号,输出多路信号时已经放大滤波和电平变换后原则信号,送入数据采集卡板(由硬件程序驱动工作),通过系统总线送进计算机进行解决。
在使用DAQ卡之前必要对DAQ卡硬件进行配备,这些控制程序用到了相应底层DAQ驱动程序。
图2.1虚拟数字示波器构造图
该虚拟仪器软件是以LabVIEW开发环境为平台,采用是自顶而下设计办法,一方面,有要实现目的功能来制定一种整体框架。
由一种采集开关启动整个仪器采集过程,在采集状态下,可以进行参数测量显示;同步,还可以进行时基设立、触发通道设立、触发模式设立等;对于显示面板上波形可以任意地进行位置调节、缩放;对于当前波形可以保存到硬盘上或U盘上;同样,也能把硬盘或U盘上数据读到显示面板上(这是将停止数据采集)并还能进行参数测量;还可以把当前波形打印出来。
此外,应用高效数字信号解决技术,还可实现FFT算法,对频域信号进行分析。
该示波器重要控制构造有:
自动/手动设立扫描率控制构造,写盘/读盘控制构造,采集控制构造,测量控制构造,打印控制构造,通道选取控制构造,以及频谱分析控制构造。
在这个总体框架基本上来进行各个模块详细设计,并分别测量,测试通过后再把它们连接起来,构成一种完整系统,最后进行整个系统性能调试,直到调试成果符合规定为止。
主程序流程图及模块条用如图2.2所示。
此外,主面板设计要力求简朴、以便、使用、美观。
图2.2主程序流程图
虚拟仪器设计环节
本虚拟数字示波器设计参照了HP公司双通道台式数字存储示波器HP54603B功能,并在仪器分析和解决功能上有所扩展。
仪器重要功能涉及:
双通道信号输入、触发控制、通道控制、时基控制、波形显示、参数自动测量、频谱分析、波形存储和回放等。
功能构造框图如下:
一、DAQ数据采集模块:
数据采集模块重要完毕数据采集控制,涉及触发控制、通道选取控制、时基控制等。
其中:
1、触发控制涉及触发模式、触发斜坡、触发电平控制;
2、通道选取重要控制单通道或双通道测量;
3、时基控制重要控制采集卡扫描率、每一通道扫描次数(取样数)。
模块采用了测量I/O模板→DataAcquisition子模板→AnalogInput子模板→AnalogInputUtilities子模板中AIWaveformScan(scaledarray).vi来控制数据采集卡进行数据采集,此VI图标如图3.1.1所示。
注:
应用此类VI,计算机需安装TraditionalNI-DAQ。
整个程序框图其她连线点都是AIWaveformScan(scaledarray).vi服务,由于牵扯到硬件,和该vi解释,因此在此不再过多解释框图含义。
图3.1.1AIWaveformScan(scaledarray).vi
模块图标如图3.1.2所示。
图3.1.2数据采集模块图标及前面板
模块程序框图如图3.1.3所示。
图3.1.3DAQ数据采集模块程序框图
二、模仿采集模块
由于DAQ数据采集模块是建立在数据采集卡基本上,因此,本设计采用一种虚拟采集模块代替DAQ数据采集模块。
该模块应用两个基本函数发生器来产生两仿真信号分别用来模仿A、B通道信号,其采样信息通过对簇sample/pol扫描率和扫描数解除捆绑后再捆绑构成新簇输入。
通过前面板还可以调节仿真信号参数(波形类型、频率、幅值)和屏幕刷新速度,最后经提取波形成分将信号幅值信息构成一种二维数组。
模块图标如图3.2.1所示。
图3.2.1模仿采集模块图标
模块程序框图如图3.2.2所示。
图3.2.2模仿采集模块程序框图
三、波形显示模块
软件提供了五种波形显示模式:
◆ABA&B模式:
在此模式下,通过显示通道选取按键“A”和“B”,可以任意显示某一通道或两通道输入信号波形。
◆XY模式:
当A、B两通道都处在选通状态时,使用此模式来显示李沙育(Lissajous)图形、测量相位差或频率。
◆A+BA-B模式:
当A、B两通道都处在选通状态时,使用此模式显示两通道信号代数相加、相减后波形。
◆A&A积分模式:
当A通道处在选通状态时,使用此模式显示A通道信号和A通道信号对采样间隔离散积分波形。
◆A&A微分模式:
当A通道处在选通状态时,使用此模式显示A通道信号和A通道信号对采样间隔离散求导波形。
对于前三种模式其横坐标是时间参数,一方面对扫描数求倒数,然后看其与否不大于等于扫描周期(乘1000后以毫秒为单位),若不大于(即扫描数×以毫秒为单位扫描周期不不大于等于1毫秒),则单位显示ms;若不不大于(即扫描数×以毫秒为单位扫描周期不大于1毫秒),则单位显示为us,同步横坐标时间参数通过条件变量把数值扩大1000倍。
前面板单位显示是通过一种布尔输出来显示。
通过对电压二维数组索引分别提取A、B两波形幅值数据,在依照相应通道按钮来决定与否将其数据清零,然后依照A、B基值位置相应变化其幅值数据,最后通过对横纵坐标参数数值捆绑成簇,以便显示在display显板(即XY图)。
A积分和微分运算分别通过积分X(t)和微分X(t)节点来实现波形数据离散积分和微分,其求导时间参数采用扫描周期(即采样间隔)。
而A、B图形采样模式变化时通过一种条件构造来实现。
模块图标和程序框图分别如图3.3.1、图3.3.2所示。
图3.3.1波形显示模块图标
图3.3.2波形显示模块程序框图
四、参数测量模块
本模块重要模仿HP54603B参数测量功能,完毕涉及Vrms等12个电压参数和频率、周期等7个时间参数测量,并显示其测量成果。
模块图标如图3.4.1所示。
图3.4.1参数测量模块图标
模块程序框图如图3.4.2所示。
◆运用数组最大值与最小值(ArrayMax&Min)节点求出最大值、最小值和峰峰值。
◆运用交流和直流分量预计(AC&DCEstimator)节点求出直流和交流分量。
◆分别运用均方根节点(RMS.vi)和均值节点(Mean.vi)求均方根值和平均值。
◆运用脉冲参数节点(PulseParameters.vi)可以求时域参数。
如上升时间、下降时间、电压顶部、电压底部、电压幅值、延迟时间和持续时间,并通过对扫描周期运算可求出正宽度、负宽度和占空比。
◆运用应用程序控制→属性节点可以控制调用模块时前面板显示。
◆点击暂停可以暂停参数测量,点击返回可以退出参数测量前面板。
当按键暂停按键未按下时,第一种条件构造执行假时程序进行参数测量;当暂停按键按下时,第一种条件构造执行真时空程序,参数测量暂停。
返回按键未按下时,第二个条件构造执行假时程序,通过相应用程序控制属性节点调用和一种布尔真常量,使其前面板始终处在打开状态,且输出(送入测量按键局部变量)为真,该子VI持续运营;当返回按键按下时,第二个条件构造执行真时程序,通过相应用程序控制属性节点调用和一种布尔假常量,是其前面板由打开转为关闭状态,且输出(送入测量按键局部变量)变为假,分析按键被弹起,该子VI停止运营。
图3.4.2参数测量模块程序框图
五、频谱分析模块
采用迅速FFT算法,完毕频域信号分析。
可实现频谱分析控制涉及:
◆运用按窗函数缩放(ScaledWindow.vi)完毕信号加窗,提供9种频谱分析窗口;
◆运用频谱单位转换(SpectrumUnitConversion.vi)完毕Log/Linear选取,提供3种坐标显示模式和8种频谱单位;
◆运用频谱分析显示模块子VI完毕频谱分析成果显示和主VI对其调用。
一方面依照通道选取提取要分析信号(A信号或B信号),然后完毕信号加窗,自功率谱输出,最后完毕对显示坐标及频谱单位转换,并送入频谱分析显示模块,此外通过功率和频率预计节点来提取信号基频,供其她模块使用。
通过度析逻辑按键和一种条件构造决定与否调用其显示模块。
频谱分析显示模块是将输入df(频谱间隔)和频谱通过捆绑成簇,然后送入频谱图(XY图)显示,输入频谱单位通过一字符显示控件显示在频谱图相应位置。
此外,通过在其前面板上添加了暂停和返回按键和两个条件构造,使其可以暂停分析和关闭该子VI。
当按键暂停按键未按下时,第一种条件构造执行假时程序进行频谱分析;当暂停按键按下时,第一种条件构造执行真时空程序,频谱分析暂停。
返回按键未按下时,第二个条件构造执行假时程序,通过相应用程序控制属性节点调用和一种布尔真常量,使其前面板始终处在打开状态,且输出(送入分析按键局部变量)为真,该子VI持续运营;当返回按键按下时,第二个条件构造执行真时程序,通过相应用程序控制属性节点调用和一种布尔假常量,是其前面板由打开转为关闭状态,且输出(送入分析按键局部变量)变为假,分析按键被弹起,该子VI停止运营。
模块程序框图如图3.5.1。
图3.5.1频谱分析模块程序框图
频谱分析显示模块图标如图3.5.2所示。
图3.5.2频谱分析显示模块图标
频谱分析显示模块程序框图如图3.5.3所示。
图3.5.3频谱分析显示模块程序框图
六、数据存储和回放模块
老式示波器存储数据普通是易失性存储器,但这样保存数据容易丢失,而该虚拟示波器使用存储工具是软盘或硬盘,数据不易丢失且携带以便,实现了数据保存和读取,对波形事后分析有很大意义。
按键“写盘”控制与否进行数据存储;按键“读盘”控制与否从数据文献中读取数据。
主面板提供了一种文献名输入框,这一种文献由写盘功能和读盘功能共用。
从软盘或硬盘上读取数据同实时采集数据同样,可以进行自动参数测量、显示波形以及波形打印,并保存在显示窗口(显示模式设立为五种模式中任意一种)。
模块程序框图如图3.6.1所示。
在该模块设计中应用了各种局部变量,使用时要注意选取对的,此外,通过对数组写入时转置,可以使咱们在察看数据文献时看到完整数据。
图3.6.1数据存储和回放模块程序框图
七、波形打印模块
普通数字示波器都没有打印功能,这在一定限度上限制了示波器功能。
为了完善该示波器功能,本虚拟示波器设计添加了一种波形打印模块,将主面板波形数据送到波形打印模块子VI显示面板,模块程序框图如图3.7.1所示。
当按下打印按键时,完毕主VI对子VI波形数据和单位传播,它没有循环,打印原理就是执行一次波形显示。
该子VI运营时用获取日期/时间字符串(GetData/TimeString)节点可以获取系统当前时间,并显示在打印波形显示面板右上部。
通过对VI属性中打印选项设立使每次VI执行结束自动打印前面板,如图3.7.2所示,其她打印选项可依照需要自由选取。
图3.7.3为一打印出波形截图。
图3.7.1波形显示模块程序框图图3.7.2波形显示模块打印选项设立
图3.7.3打印出波形截图
八、重要控制构造
1、测量控制构造
通过逻辑按键“测量”控制与否进行测量;通过逻辑按键“通道”控制通道选取,且在测量过程中可随时切换测量通道。
2、自动调节扫描率控制构造
由逻辑按键“自动”和“手动”来控制与否依照扫描数来自动调节扫描率,两个按键之间通过使用一种事件构造来进行自动/手动按键切换,使一种按键变化时候,另一种按键也相应变换一次。
3、模仿信号控制
可通过对模仿信号选取内参数调节,来变化使用两模仿信号类型及有关数据;可通过刷新控制滑动条实现屏幕刷新快慢限度。
4、按键总体使用状况
当主模块运营时,如果采集按键没有按下,则可使用功能涉及“写盘”、“读盘”、“测量”、“波形打印”等;当采集按键按下时,可使用所有功能模块,但当进行“读盘”操作时,采集按键将会自动弹起。
总结
课程设计是测控仪器设计与LabVIEW课程重要综合性与实践性教学环节,通过设计实践不但可以检测咱们对所学知识掌握限度,更有助于培养咱们独立学习、搜寻所需信息能力,引导咱们树立对的设计思想,因此咱们要认真对待本次课程设计。
刚拿到设计题目时,感到这个设计很难,由于诸多概念、原理和术语都不曾见过。
因此,做设计之前,我花了很长时间来理解设计任务书中所给执行文献,并通过书籍和网络来搜寻有关设计资料。
等到基本掌握执行文献各个模块有关功能后,我开始了各个子VI设计工作。
设计过程是辛苦,但成果是高兴,整个设计过程基本上就是一种调试、修改、再调试、再修改过程。
有时候为了一种功能实现也许要花去整整一种下午和一种晚上时间,而当你完毕后有时却发既有更简便办法,可是这个时候却一点也不感到失落,由于那是自己独立思考成果,也许复杂,但正因复杂才得了别人没有经验。
各子VI设计调试好后,便是建立主程序模块将它们连接起来,进行整体功能调试,直至符合设计规定。
设计过程中存在某些问题及解决方案:
1、在数据采集模块,参照有关资料进行设计时,发当前LabVIEW中找不到DataAcquisition子模板中AIWaveformScan(scaledarray).vi,运用搜索功能也不能找到,经上网查询后得知需要安装TraditionalDAQ,并最后在网站上下载到TDAQ750,使得问题得以解决。
2、在波形打印模块,实现打印功能时使用了报表打印,但打印成果不够抱负,最后经同窗点拨通过对VI属性设立较好实现了这一功能。
3、未完毕自动/手动按钮切换,在主VI程序框图中加入事件构造后,发现循环不能正常进行,各功能按键失去相应功能,经检查发现时间构造左上角“超时”接线端未连接值,给“超时”连线端连接上数值常量1后,问题得以解决。
4、调用子VI时,对于子VI暂停以及前面板弹出和关闭,可通过添加一条件构造和应用程序控制属性节点使问题得以解决。
虽然本虚拟示波器能基本完毕设计规定各项功能,但依然存在诸多局限性之处,例如对自动调节扫描率理解不到位,前面板可再优化设计,缺少硬件无法实际检测,无法网络化、远程控制等。
通过课程设计,基本掌握了虚拟示波器构成原理及其设计普通规律,进一步巩固、加深和拓展了所学知识,培养了分析问题、解决问题能力,完毕了预定目的。
附录:
示波器前面板
示波器程序框图
参照文献
[1]袁渊等主编.虚拟仪器基本教程.电子科技大学出版社.
[2]杨乐平、李海涛、肖凯等主编.虚拟仪器技术概论.电子工业出版社.
[3]刘君华主编.基于LabVIEW虚拟仪器设计.电子工业大学出版社.
[4]唐黔湘.一种虚拟多功能数字示波器设计与实现.华中科技大学研究生学位论文.
- 配套讲稿:
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- 关 键 词:
- 基于 LabVIEW 虚拟 示波器 设计 样本