基于LabVIEW的虚拟数字示波器的设计

2009年6月

甘肃科技

GansuScienceandTechnology

Vol.25　No.11Jun.　2009

基于LabVIEW的虚拟数字示波器的设计

吴小红

(甘肃政法学院计算机学院,甘肃兰州730070)

摘　要:介绍了虚拟仪器的基本概念及构成虚拟仪器的基本结构,并对图形化编程语言LabVIEW进行了介绍。在此基础上结合一个虚拟数字示波器的设计与实现过程的实例,具体阐述使用开发软件工具LabVIEW进行虚拟仪器设计的方法、步骤与实现技术。

关键词:虚拟仪器;示波器;LabVIEW;教学仪器中图分类号:TP216

　　传统的实验室使用的实体实验仪器一般由3个功能模块组成:信号的采集与控制单元、信号的分析与处理单元、结果的表达与输出单元。由于这些功能模块基本上是以硬件或固化的软件形式存在,仪器只能由生产厂家来定义、制造。因此,传统仪器设计复杂、灵活性差,没有摆脱独立使用、手动操作的模式;投资费用高、运行成本高、仪器设备利用率低、

),而且这些实验次数低的缺点(俗称“两高两低”

传统的仪器大多缺乏相应的计算机接口,因而在配合数据采集和处理方面显得比较困难。

计算机科学和微电子技术的迅速发展和普及,有力地促进了多年来发展相对缓慢的仪器技术,于是一个新型的仪器概念————虚拟仪器(VirtualInstrument,VI)出现了。

以充分利用计算机资源。在实验过程中,通过声、光、动画等手段的结合,教学将会更加生动形象,实验结果将会更加精确。将来进入网络教学时代,虚拟仪器将更加显示出其优越性。1.2　虚拟仪器的结构

虚拟仪器包括硬件平台和软件两部分,具体示意图,如图1所示。

1　虚拟仪器

1.1　虚拟仪器介绍

图1　虚拟仪器结构示意图

虚拟仪器就是在通用仪器硬件平台上定义和设计仪器的功能,用户在操作虚拟仪器的同时就是在使用一台专门的电子仪器。

首先,虚拟仪器使用软件实现。软件就是仪器,一个机房就可以是一个多功能实验室;其次,虚拟仪器人机界面好,内容丰富,借助虚拟仪器的功能,可以直观生动地展示其物理实质,减轻实验人员的教学负担,加深学生的理解;再次,使用虚拟仪器,可以提高实验效率,降低教学成本。在教学中,调试和校准往往比较费时,而虚拟仪器恰好可以避免这一点,参数输入简便,结果显示明确,且仪器不会有任何损坏。实际设备的更新只是软件的更新而已;最后,利用网络教学,可以实现教学手段现代化。借助虚拟仪器技术,可以把仪器技术与计算机技术相结合,可

构成虚拟仪器的硬件平台包括二部分:①计算机:各种类型的计算机均可,主要用来管理虚拟仪器的软、硬件资源,是构成虚拟仪器的硬件基础。

②输入/输出接口设备:主要用来完成被测量信号的采集、放大、模/数转换等功能。可以根据实际的情况采用不同的接口硬件设备,如,数据采集卡((DAQ),GPIB总线仪器、VXI总线仪器模块、串口仪器等。

构成虚拟仪器的软件有二部分:

①输入/输出接口驱动程序:主要用来完成特定外部硬件设备的扩展、驱动与通信等。

②应用软件:建立在仪器驱动程序之上,直接面对操作用户,通过提供直观、友好的操作界面,丰富

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言写的程序代码;利用LabVIEW中的CallLibrary

Function,可以调用标准动态链接库。总之,Lab2VIEW作为图形化编程语言环境,为虚拟仪器开发

的数据分析和处理功能完成测试任务。

2　LabVIEW图形化编程语言

LabVIEW是美国国家仪器公司(NationalInstru2ments)推出的一种基于图形开发、调试和运行

程序的集成化环境,是目前国际上惟一的编译型图形化编程语言,使用“所见即所得”的可视化技术建立人机界面,使用图标表示功能模块,使用图标之间的连线表示各模块间的数据传递。同时,LabVIE继承了高级编程语言的结构化和模块化编程的优点,支持模块化与层次化的设计,这种结构的设计增强了程序的可读性。LabVIEW使不熟悉文本式语言编程的设计者也可以建立计算机仪器系统————虚拟仪器,被誉为“科学家与工程师”的语言。

提供了一种快捷、方便和功能强大的软件工具,因

此,本虚拟数字示波器采用LabVIEW进行设计开发。3.3　虚拟数字示波器的实现过程这个系统的基本工作原理是对模拟信号进行数据采集后存入数据文件,根据使用者的不同要求由软件对数据进行相应分析、处理,最终在屏幕上显示处理结果。系统要求支持双通道工作,即可以同时分析扫描两路信号,这种功能的简易实现也得益于计算机的高速运算能力。计算机只需要多做一组运算,在速度上不会有问题;而如果是传统仪器,就需要增加电路器件,提高了电路的复杂度,而且要同时显示分析结果也不方便。由于系统运行需要具备较高的精度,因此对电源的稳定性和系统的抗干扰去噪能力提出了很高的要求。设计时必须充分考虑外界的电磁干扰及电路稳定性等因素,并采取相应措施,包括硬件、软件二方面。创建虚拟仪器的过程分三步:

(1)由于虚拟仪器的形式是仿照实际仪器面板的,所以,他的人机对话用户界面又称为前面板。前面板可以包括旋钮、按钮、图形显示器、其他的控制器和显示器等。用户可以使用鼠标或键盘输入数据,在计算机屏幕上看到结果。

(2)虚拟仪器从流程图中接收命令(用G语言创建)。流程图是一个编程问题的图形化解决方案,流程图也是虚拟仪器的源代码。

(3)一个虚拟仪器的图标和连接就像一个图形的参数列表,这样,其它的虚拟仪器才能将数据传输给一个子仪器。图标和连接允许将此仪器作为最高级的程序,也可以作为其他程序或子程序中的子程序。

首先,根据实际要求设计,在前面板上设计如图2所示的器件,其框图如图3所示。

在设计之初,就要考虑到模块化、层次化的要求。将前面板分为几个部分:波形显示部分,通道调试部分,水平及垂直扫描部分,外加一个停止按钮。将各个模块各自独立,按各自的功能要求进行设计。其内部包含二部分:信号发生器和信号处理部分。信号处理部分的功能实现较多,因而对每一个功能采用定制子仪器的方法将其做成子仪器,用特定的图标表示。此法可减少流程图的复杂程度,便于数

3　虚拟数字示波器的实现设计的虚拟数字示波器主要由一块PCI总线的多功能数据采集卡和相应的软件组成。将他们安装在一台运行Windows系统的PC机上,即构成一个功能强大的数字示波器。3.1　确定仪器的接口形式

DAQ(DataAcquisition)数据采集接口是基于计算机标准总线的内置功能插卡,可以充分利用计算机的资源增加测试系统的灵活性和扩展性。利用DAQ,可以方便快捷地组建虚拟仪器,实现“一机多型”和“一机多用”。DAQ结构虚拟仪器不但实用而且具有很高的性价比,是一种特别适合我国国情的虚拟仪器方案。PCI总线传输速率高,数据吞吐量大,是今后数据采集板卡设计的主流。因此,本虚拟数字示波器采用一块美国国家仪器公司出品的NI6024E型PCI总线数据采集卡。3.2　确定接口卡的设备驱动程序本虚拟数字示波器采用的NIE系列数据采集卡采用最新的DAQPnP(即插即用)总线技术,保证了仪器的性能与可靠性。配有的驱动软件支持Windows9x/NT等操作系统的不同编程语言,可以方便地对其编程,实现对数据的采集、分析处理、显示表达、输出控制等多种功能。确定仪器应用程序的编程语言LabVIEW编程将软件的界面设计与功能设计独立开来,修改人机交互界面无需对整个程序进行调试,这对设计像仪器操作面板这样复杂的人机界面而言是十分方便的。LabVIEW还为用户提供了函数扩展功能,利用LabVIEW中的Codein2terfaceNode(CIN),可以调用C语言等传统编程语

第11期　　　　　　　　　　吴小红:基于LabVIEW的虚拟数字示波器的设计17

卡,可对外接入的模拟信号直接扫描分析。介绍的

虚拟数字示波器不仅具有一般台式数字示波器的功能,而且充分发挥了微机强大的功能和软件设计的灵活性。

4　结束语

LabVIEW是开放型模块化程序设计语言,使用

它可以快速建立自己的仪器仪表系统,而又不用担心程序的质量和运行速度。虚拟仪器设计已经成为测试与仪器技术发展的一个重要方向。随着高速A/D芯片和电路的进一步集成化,可以设想在不远的将来,一台安装有虚拟仪器软件的标准微机将会成为一个多功能的测量仪器站,从根本上改变目前专用仪器的研制和生产方式,具有广阔的应用前景和研究价值。

参考文献:[1]　赵勇.虚拟仪器软件平台和发展趋势[J].国外电子测

量技术,2002(1).

[2]　陈光禹.VXI总线测试平台[M].北京:电子科技大学

据流的跟踪和调试。左边就是波形显示控件,右边

最上面的控件为通道选择部分,中间为水平扫描速率调整部分,下面为垂直灵敏度调整部分,左下角是停止按钮。通道A,通道B,及通道A&B与显示部分接通。水平扫描速率与垂直灵敏度调整电路分别接入三种扫描方式的显示部分的前端。实现了接入、扫描、调试、显示各自功能。最后接入数据采集

出版社,1996.

[3]　赵美泽.关于虚拟教学仪器的设计与实现[J].莱阳农

学院学报,2005,22(2):1572158.

[4]　杨乐平.LabVIEW程序设计与应用[M].北京:电子工

业出版社,2001.

[5]　张毅,周绍磊,杨秀霞.虚拟仪器技术分析与应用

[M].北京:机械工业出版社,2004.

(上接第31页)

3　结论

基于吉布斯自由能最小原理,构建了发酵制氢剩留残液在超临界水中气化制氢的化学平衡模型。依据平衡模型,对发酵残液组分丁酸和固体物质分别进行化学平衡计算,得到了发酵残液超临界水气化制氢在温度、压力、浓度等因素影响下,平衡气体产物的气体产量、气体摩尔分数和气化率的变化规律以及最佳反应条件。将化学平衡计算的数值解与试验结果进行比较,得到了有关发酵残液超临界水气化制氢反应中气化规律和条件优化的有价值的结[4]

论。温度是气化最重要的影响因素,生物质超临界水气化制氢适宜的温度范围是600～800℃。压力是保证超临界状态的条件,适宜的压力范围是22～30MPa,试验工况取25MPa。物料浓度对气化结

果有很大影响。试验中物料浓度高不利于气化的原因是受到现有工艺条件限制和无法准确获取反应器内气化反应温度的信息。

参考文献:

[1]　阎秋会,郭烈锦,张西民,等.超临界水中葡萄糖气化

制氢的热力学分析[J].化工学报,2004,55(11):19162

1920.

[2]　YoujunLu,LiejinGuo,XiminZhang,QiuhuiYan.

Thermodynamicmodelingandanalysisofbiomassgasifi2cationforhydrogenproductioninsupercriticalwater[J].ChemicalEngineeringJournal,2007(131):2332244.

[3]　DuanZ,MollerN,WeareJH.Ageneralequationofstate

forsupercriticalfluidmixtureandmoleculardynamicssim2ulationofmixturePVTXproperties[J].GeochimicaetCosmochimicaActa.1996,60(7):120921216.

[4]　薛小欧.发酵液在超临界水中气化制氢的试验研究

[D].西安交通大学,硕士学位论文,2008.