基于labview的虛擬示波器設(shè)計(jì)—虛擬示波器

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內(nèi)蒙古科技大學(xué)《虛擬儀器》報告書目錄1LabVIEW軟件及其基本設(shè)計(jì)原理簡介11.1LabVIEW簡介11.2LabVIEW軟件設(shè)計(jì)基本原理12關(guān)于虛擬示波器的設(shè)計(jì)思路及方案的實(shí)現(xiàn)32.1設(shè)計(jì)思路32.2方案的實(shí)現(xiàn)32.2.1前面板的設(shè)計(jì)32.2.2設(shè)計(jì)的基本原理和設(shè)計(jì)步驟43設(shè)計(jì)心得94參考文獻(xiàn)：105程序調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)的問題和解決辦法1011 內(nèi)蒙古科技大學(xué)《虛擬儀器》報告書基于LABVIEW的虛擬示波器設(shè)計(jì)1LabVIEW軟件及其基本設(shè)計(jì)原理簡介1.1LabVIEW簡介LabVIEW（LaboratoryVirtualinstrumentEngineering）是一種圖形化的編程語言，它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接受，視為一個標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。LabVIEW集成了與滿足GPIB、VXI、RS-232和RS-485協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能。它還內(nèi)置了便于應(yīng)用TCP/IP、ActiveX等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫函數(shù)。這是一個功能強(qiáng)大且靈活的軟件。利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器，其圖形化的界面使得編程及使用過程都生動有趣。傳統(tǒng)文本編程語言根據(jù)指令的先后順序決定程序執(zhí)行順序，但LabVIEW則采用數(shù)據(jù)流編程方式，程序框圖中節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)流向決定了VI及函數(shù)的執(zhí)行順序。LabVIEW提供很多外觀與傳統(tǒng)儀器（如示波器、萬用表）類似的控件，可用來方便地創(chuàng)建用戶界面。用戶界面在LabVIEW中被稱為前面板。使用圖標(biāo)和連線，可以通過編程對前面板上的對象進(jìn)行控制。這就是圖形化源代碼，又稱G代碼。LabVIEW的圖形化源代碼在某種程度上類似于流程圖，因此又被稱作程序框圖。LabVIEW盡可能利用了技術(shù)人員、科學(xué)家、工程師所熟悉的術(shù)語、圖標(biāo)和概念。因此，LabVIEW是一個面向最終用戶的工具。它可以增強(qiáng)你構(gòu)建自己的科學(xué)和工程系統(tǒng)的能力，提供了實(shí)現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷途徑。使用它進(jìn)行原理研究、設(shè)計(jì)、測試并實(shí)現(xiàn)儀器系統(tǒng)時，可以大大提高工作效率。利用LabVIEW，可產(chǎn)生獨(dú)立運(yùn)行的可執(zhí)行文件。1.2LabVIEW軟件設(shè)計(jì)基本原理我們把用LabVIEW實(shí)現(xiàn)的一個完整的LabVIEW應(yīng)用程序成為一個虛擬儀器，稱為VI。所有的VI，它包括前面板、程序框圖圖以及圖標(biāo)/連結(jié)器三部分。1）前面板。前面板是圖形用戶界面，也就是VI的虛擬儀器面板，前面板直接面向用戶，是用戶使用虛擬儀器的基本操作面板。這一界面上有用戶輸入和顯示輸出兩類對象，具體表現(xiàn)有開關(guān)、旋鈕、圖形以及其他控制和顯示對象。一個典型實(shí)現(xiàn)正弦波顯示和幅值調(diào)節(jié)的前面板如圖1。11 內(nèi)蒙古科技大學(xué)《虛擬儀器》報告書圖1正弦波顯示及幅值調(diào)節(jié)VI前面板2）程序框圖提供VI的圖形化源程序。它的功能是對前面板上的控件進(jìn)行定義、操作和連線以實(shí)現(xiàn)虛擬儀器的功能，是LabVIEW程序設(shè)計(jì)的核心。在程序框圖中存在著對VI編程，以控制和操縱定義在前面板上的輸入和輸出。它包括前面板上的控件和控件的連線端子，還有一些前面板上沒有，但編程必須有的東西，例如函數(shù)、結(jié)構(gòu)和連線等。如果將VI與標(biāo)準(zhǔn)儀器相比較，那么前面板上的東西就是儀器面板上的東西，而流程圖上的東西相當(dāng)于儀器箱內(nèi)的東西。在許多情況下，使用VI可以仿真標(biāo)準(zhǔn)儀器，不僅在屏幕上出現(xiàn)一個惟妙惟肖的標(biāo)準(zhǔn)儀器面板，而且其功能也與標(biāo)準(zhǔn)儀器相差無幾。上述正弦波的程序框圖如圖2。圖2正弦波顯示及幅值調(diào)節(jié)VI程序框圖11 內(nèi)蒙古科技大學(xué)《虛擬儀器》報告書3）圖標(biāo)/連接器。VI具有層次化和結(jié)構(gòu)化的特征，一個VI可以作為子程序，這里稱為子VI，被其他VI調(diào)用。圖標(biāo)與連接器在這里相當(dāng)于圖形化的參數(shù)。LabVIEW的強(qiáng)大功能歸因于它的層次化結(jié)構(gòu)，用戶可以把創(chuàng)建的VI程序當(dāng)作子程序調(diào)用，以創(chuàng)建更復(fù)雜的程序，而這種調(diào)用的層次是沒有限制的。在VI設(shè)計(jì)過程中，可以利用工具選板、前面板中的控件選板、程序框圖中的函數(shù)選板進(jìn)行設(shè)計(jì)。這些選板的詳細(xì)功能及用法通過不斷的學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)VI的過程逐漸地掌握。2關(guān)于虛擬示波器的設(shè)計(jì)思路及方案的實(shí)現(xiàn)2.1設(shè)計(jì)思路本設(shè)計(jì)的想法是盡量與現(xiàn)實(shí)中的面板相一致，實(shí)現(xiàn)示波器最基本的顯示和調(diào)節(jié)功能。所以本設(shè)計(jì)我設(shè)計(jì)了包含CH1和CH2的雙通道示波器，即雙蹤示波器。設(shè)計(jì)時考慮的是分幾個部分:1）CH1和CH2通道設(shè)計(jì)及選擇。設(shè)置兩個開關(guān)控制CH1和CH2選通狀況，開即顯示波形，關(guān)不顯示，同時選擇了開就在波形圖上同時顯示兩個波形。2）波形產(chǎn)生。由于沒有外界信號輸入設(shè)備，所以不能用外部數(shù)據(jù)采集的方法輸入信號波形，那么自己設(shè)計(jì)一個建議信號發(fā)生器，使兩個通道都能實(shí)現(xiàn)基本模擬信號正弦波、三角波、方波、鋸齒波的輸入。3）波形顯示。采用波形圖控件。4）波形控制部分。包括CH1信號幅度調(diào)節(jié)和幅度偏移、CH2信號幅度調(diào)節(jié)和幅度偏移、時間掃描速率、同時開的時候兩個信號疊加開關(guān)。5）停止示波器。通過while循環(huán)的停止按鈕設(shè)置示波器停止工作。2.2方案的實(shí)現(xiàn)2.2.1前面板的設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)成的前面板如圖3所示。11 內(nèi)蒙古科技大學(xué)《虛擬儀器》報告書圖3虛擬雙蹤示波器前面板2.2.2設(shè)計(jì)的基本原理和設(shè)計(jì)步驟1）通道CH1和CH2選擇即波形產(chǎn)生。在程序框圖上創(chuàng)建兩個條件結(jié)構(gòu)。把CH1和CH2的開關(guān)控制（布爾開關(guān)）分別接到這兩個條件結(jié)構(gòu)的條件輸入端，然后在每個“真”條件下，并且通過再添加條件結(jié)構(gòu)，在這個子條件結(jié)構(gòu)里面，利用基本函數(shù)發(fā)生器創(chuàng)建波形產(chǎn)生模塊，用文本下拉列表控制條件輸入端，將正弦波、三角波、方波、鋸齒波的固定值0、1、2、3設(shè)為四個分支，并在分置里面選擇產(chǎn)生相應(yīng)的波形，這樣就產(chǎn)生了大條件結(jié)構(gòu)的“真”操作，也即在CH1或CH2通道開的情況下，通過文本下拉列表控制波形產(chǎn)生。然后將外部條件結(jié)構(gòu)的輸出隧道在“假”的條件下，設(shè)為“未連接時使用默認(rèn)”并且處理“假”分支，這樣，當(dāng)通道選擇開關(guān)“關(guān)”時就不輸出波形。程序框圖如圖4、圖5所示，前面板顯示效果如圖6、圖7、圖8所示。11 內(nèi)蒙古科技大學(xué)《虛擬儀器》報告書圖4通道打開時波形產(chǎn)生圖5通道關(guān)閉時無輸出圖6CH1開、CH2關(guān)11 內(nèi)蒙古科技大學(xué)《虛擬儀器》報告書圖7CH1關(guān)、CH2開圖8CH1開、CH2開11 內(nèi)蒙古科技大學(xué)《虛擬儀器》報告書2）波形顯示控制部分。這部分是控制波形在波形圖上更好的顯示出來?？刂艭H1、CH2通道幅值，調(diào)節(jié)波形圖上每單位表示多少電壓值；控制時間掃描速率，調(diào)節(jié)時間軸上每單位表示多少時間。這些都是為了讓波形以最直觀、最清楚的方式顯示在波形圖上。通過公式子VI的功能改變輸出電平和幅度偏移；通過獲取波形成分、除法和創(chuàng)建波形改變輸出的頻率；通過創(chuàng)建一個子條件結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)波形疊加。這些控制部分如圖9所示，程序框圖如圖10所示。圖9波形顯示控制部分前面板11 內(nèi)蒙古科技大學(xué)《虛擬儀器》報告書圖10波形顯示控制部分程序框圖3）輸入信號測量值的顯示部分。通過“獲取單頻信息”子VI獲取波形頻率；通過“幅值和電平測量”子VI獲取波形幅值電壓。設(shè)計(jì)的前面板如圖11所示，程序框圖如圖12所示。圖11測量參數(shù)顯示圖12測量參數(shù)模塊程序框圖4）停止測量部分。通過while循環(huán)的STOP按鈕停止測量。程序框圖如圖13所示。11 內(nèi)蒙古科技大學(xué)《虛擬儀器》報告書圖13while循環(huán)以及STOP按鈕5）整個程序框圖的設(shè)計(jì)圖圖14所示。至此為止設(shè)計(jì)全部完成。圖14虛擬雙蹤示波器的整個程序框圖3設(shè)計(jì)心得11 內(nèi)蒙古科技大學(xué)《虛擬儀器》報告書此次能力拓展訓(xùn)練設(shè)計(jì)規(guī)定時間在開學(xué)前完成，責(zé)任老師提供了整個暑假的時間給我們做。我個人的情況是暑假實(shí)習(xí)到8月中旬，回來之后又忙著準(zhǔn)備一些考研復(fù)習(xí)，所以就耽擱了不少時間，直到8月底才開始做。首先我看了幾本介紹虛擬儀器和LabVIEW方面的書籍，隨即對這個軟件強(qiáng)大的仿真功能產(chǎn)生了極大的興趣，并且自己動手做了一些簡單的仿真程序，比如利用調(diào)用for循環(huán)和移位寄存器計(jì)算數(shù)學(xué)遞歸公式、產(chǎn)生數(shù)字波形、建立數(shù)學(xué)計(jì)算的子VI等。做的程序漸漸從簡單到難，學(xué)的東西也越來越多。直到這個設(shè)計(jì)完畢，除了這個設(shè)計(jì)里面的知識外，我還了解了公式節(jié)點(diǎn)的用法；濾波器的用法；圖形編輯器的用法和子VI的建立過程及調(diào)用；掌握了while循環(huán)、for循環(huán)、條件結(jié)構(gòu)循環(huán)的用法；初步了解了順序結(jié)構(gòu)的用法；了解了數(shù)據(jù)采集的基本知識；熟悉了寫入測量文件及保存數(shù)據(jù)的基本操作、程序調(diào)試過程中的單步執(zhí)行、斷點(diǎn)設(shè)置以及探針工具的使用方法、延時程序的調(diào)用方法等等。剛開始我還覺得做能力拓展耽誤了自己考研復(fù)習(xí)的時間，后來感覺到學(xué)了LabVIEW之后也很充實(shí)。也為自己能做出這個“不簡單”的虛擬示波器而感到驕傲。在此過程中，板上的同學(xué)給了我不少幫助，比如他們把借的的資料給我看，還有一起動腦動手實(shí)現(xiàn)了某個困難的操作，這讓我深深體會到團(tuán)隊(duì)協(xié)作的重要性和同學(xué)之間友誼的可貴。4參考文獻(xiàn)[1]楊樂平，李海濤，楊磊編著.LabVIEW程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用（第二版）.北京：電子工業(yè)出版社，2007[2]劉君華主編.基于LabVIEW的虛擬儀器設(shè)計(jì).北京：電子工業(yè)出版社，2003[3]黃松林，吳靜編著.虛擬儀器設(shè)計(jì)教程.北京：清華大學(xué)出版社，2008[4]陸綺榮編著.基于虛擬儀器技術(shù)個人實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建.北京：電子工業(yè)出版社5程序調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)的問題和解決辦法1）完成了一部分并查看波形的時候，發(fā)現(xiàn)波形向左移動的非?？?，這樣很不利于觀察波形信號。通過查資料發(fā)現(xiàn)可以通過在前面板上添加時間延遲ExpressVI，設(shè)置程序循環(huán)延時時間可以解決這一問題。但是要在程序框圖上添加并設(shè)置，這很不方便，后來發(fā)現(xiàn)模板上的VI波形圖都可以均勻的慢速的向左移，經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)，只要修改配置仿真信號的屬性即可，具體操作時將定時區(qū)域的“11 內(nèi)蒙古科技大學(xué)《虛擬儀器》報告書以可達(dá)到的最快速度運(yùn)行”取消，并勾選中“仿真采集時鐘”。2）在選擇CH1條件結(jié)構(gòu)的“假”分支時，因?yàn)椴挥幂敵霾ㄐ?，所以我沒有連接輸出隧道，這是幸運(yùn)星出現(xiàn)錯誤，這個錯誤是因?yàn)闂l件結(jié)構(gòu)中多個分支的輸出隧道公用輸出。僅執(zhí)行結(jié)構(gòu)的某一幀時，各個幀必須給所有的輸出賦值，不賦值時要使用默認(rèn)。解決辦法是右鍵單擊隧道并選擇“未連線時使用默認(rèn)”，即可以滿足該要求。3）幅值測量用模擬波形-波形測量里面的“幅值和電平”函數(shù)時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)北側(cè)通道處于關(guān)的狀態(tài)時發(fā)生了錯誤，顯示的是“輸入波形的大小為0”，這是因?yàn)檫@個函數(shù)測量模塊當(dāng)波形輸入為0時就會發(fā)生錯誤。解決辦法是將它替換為波形測量里面的“幅值和電平測量”子VI，這個子VI在輸入波形為0時滿足了輸出幅值電平是0。11