基于LabVIEW的数字式虚拟示波器

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2011年12月

第12卷第4期总第48期太原大学学报

JournalofTaiyuanUniversity

Vol．12No．4SumNo．48

文章编号：1671－5977（2011）04－0122－04

基于LabVIEW的数字式虚拟示波器

赵

（太原大学

摘

婕

太原030032）

计算机工程系，山西

要：虚拟仪器是虚拟现实技术在仪器业中的应用，是一种较先进的仪器设计技术。LabVIEW是针对虚

它的出现大大方便了虚拟仪器的设计和开发。将先进的仪器开发软件LabVIEW拟仪器开发而设计的开发平台，

与普通数据采集卡结合使用，构建数字式虚拟示波器，不但可以实现传统示波器，而且还增加了小波消噪等功能。

关键词：虚拟仪器；示波器；传感器；信号处理；信号测量中图分类号：TM935．3；TP391．9

文献标识码：A

0引言

虚拟仪器是随着计算机技术、现代测量技术

发展起来的新型高科技产品，代表着当今仪器发

［1，2］

。LabVIEW（LaboratoryVir-展的一个新方向

tualInstrumentEngineeringWorkbench）是美国国家仪器公司NI推出的用于虚拟仪器开发的工程

历史信号的处理。

1数据采集与数据采集卡

数据采集是测试测量的首要任务，而数据采集技术是LabVIEW的核心技术之一，也是Lab-VIEW与其他编程语言相比的优势所在。使用LabVIEW语言中的DAQ技术，可以编写出强大的数据采集应用软件，方便测试的进行。由于数它对整个系统进行据采集系统的核心是计算机，控制和数据处理。

计算机数据采集系统包括硬件和软件两大部分，硬件部分又可分为模拟部分和数字部分，计算机数据采集系统的硬件基本组成如图1所示。

路模拟开关

软件包，是一种图形化的编程语言即G语言（GraphicsLanguage）［3］。

本文所述的是基于USB数据采集卡，以Lab-VIEW为软件开发平台的虚拟实验仪器的开发和研究。文章围绕虚拟示波器设计信号处理、数据读取与存储模块，设计了小波处理模块，实现对

12n

传感器传感器

前置放大器前置放大器图1

滤波器滤波器

S/HA/D

计算机

系统

数据采集系统的硬件基本组成

本文所用的是MP422数据采集卡。它是一款USB2．0总线16位中速采集模块，具有16路模拟输入、开关量16路输入/16路输出、二路12位DA。采用USB2．0总线，支持即插即用、实时采集。MP422内置512KByteDFIFO，采集支持内、外部触发采集模式。MP422针对LabVIEW用户给出了相应的接口函数，这些接口函数被集成

［4，5］

，在动态链接库中可以通过LabVIEW中的CallLibraryFunctionNode节点调用。

2虚拟示波器设计

本文采用实时采样显示的方法，可以对任意

的波形进行测量。所设计的虚拟示波器是利用USB接口的数据采集卡以及计算机进行数据的采集、存储、处理以及相应的显示。工作原理框图如图2所示。

被测信号

计算机

显示

存储

数据

采集卡

图2虚拟示波器工作原理框图

10-20收稿日期：2011-作者简介：赵婕（1978-），女，山西孝义人，太原大学计算机工程系讲师。

2

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在设计虚拟示波器时参考了传统示波器的功能，同时结合了虚拟仪器的特点和计算机强大的信息处理能力，在仪器功能上进行了扩展，可实现波形的显示、存储和时域、频域参数的测量、显示。主要的技术参数为：采样速率：100kHz；采样位数：16位；波形显示模式：可单通道显示、双通道

显示以及波形的相加、相减；游标：根据使用可设置为自由拖拽或者在相应的曲线上滑动；

［6］

虚拟示波器的前面板显示如图4所示，采集、示，

处理、显示部分程序框图如图5所示。

量程设置图3

计

算

机

数据处理

数据读写虚拟示波器软件结构框图

数据存储方式：使用LabVIEW中的特有存储格式（lvm），也可存储为表格的形式；数据直接保存在计算机硬盘当中。

3虚拟示波器软件设计

虚拟示波器主要由数据采集卡完成信号的采集，并传输给计算机；软件主要包括数据采集卡的参数设置、数据处理、波形显示、参数测量、数据记录等模块。主要的程序结构框图如图3所

0600000

AD配置hDevice

150ADData

ADData

图4虚拟示波器的前面板显示

菜单选择

数据初始化，数据个数

01

Y-Max

Data

电压触发

电压触发（V）

初始化

显示1

显示

时间调节

波形显示XScale,%Maximum

显示2

True

Y轴范围

Y轴最小值Y轴最大值0

Disabled

Disabled

Butterworth”，Default“

滤波器选择

Tab%Control

YScale，Maximum

YScale，Minimum

Butterworth

Butterworth

模式选择

通道A通道B

暂停

输出

输出波形显示

频率大小频率范围

Y-MinY-Min

记录记录

error%outerror%out

频谱

参数

FlaseFalse

频率大小2

Disabled

滤波波形

滤波波形记录

Y轴最大值Y轴最小值

启动采集

图5采集、处理、显示部分程序框图

4小波消噪模块

在LabVIEW中，可以通过MATLAB脚本节主要使用虚拟仪器平台部分中的虚拟示波

器以及信号分析部分对常规波形如正弦波、三角波、锯齿波进行波形的采集；同时使用常规示波器进行采集对比，检测虚拟仪器对波形测量的精度以及可能出现的一些问题。

用于测试虚拟示波器性能的主要试验仪器

TektronixTDS210示波为：计算机、虚拟示波器、TektronixAFG310信号发生器。虚拟示波器器、

与TDS210示波器所采集到的信号波形及参数显示如图6所示。为方便对比，将采集的信号参数

·23点，使用MATLAB进行部分的数据处理，实现与MATLAB之间的数据交换［7］。本文在设计虚拟示波器时，加入了小波模块，可以实现小波消噪。其中所使用的几种简单的小波函数如下：1）Haar2）Daubechies（dbN）小波系，3）SymletsA小波，

（symN）小波系，4）Coiflet（coifN）小波系。5

虚拟仪器性能测试1）常规波形测试

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列入表格如表1所示。

543210-1-2-3-4-5

CH1CH2

50.00Hz

CH2

2.10V

CH1关闭

00.010.020.030.040.050.060.070.080.090.1

时间（s）

CH2500mVM10.0ms

CH1/0.00V

1.2

10.80.60.40.20

Amplitude

020406080100

120140160频率（Hz）

180200220240

图6参数

信号

50Hz～1V正弦200Hz～1V正弦1kHz～1V

正弦1kHz～2V正弦1kHz～3V正弦1kHz～3V三角波2kHz～3V锯齿波

50Hz～1V，正弦信号，虚拟示波器与TDS210示波器采集波形及参数显示

表1频率50．0009Hz200．004Hz1000．03Hz1000．04Hz1000．03Hz1000．03Hz2000．35Hz

虚拟示波器与TDS210示波器常规波形采集对比

虚拟示波器峰－峰值2．06V2．12V2．14V4．11V6．17V6．03V6．09V

均方根（RMS）

712mV712mV712mV1．422V2．134V1．742V1．74V

频率50Hz200Hz

998．7Hz1kHz1kHz1kHz2kHz

TDS210示波器峰－峰值均方根（RMS）2．

12V718mV2．14V716mV2．10V716mV4．16V1．44V6．16V2．14V6．08V1．75V6．04V1．75V

通过表1可知，当所需采集的信号为常规波

虚拟示波器与TDS210示形信号且频率较低时，

波器所测量的信号参数基本一致；通过图6的波

形对比和表1的数据对比，可以认为这时虚拟示波器和TDS210示波器采集结果是一致的，即在采集低频信号时，虚拟示波器可以替代常规示波器进行信号采集。

2）小波消噪测试

对于小波处理部分，可以进行简单的消噪处理，这里使用了由LabVIEW中的波形生成模块产生一个含噪信号，信号及噪声见图7。

使用小波模块进行处理，选择不同的小波，

图8是采用Haar小波进行处理时的结果，分解层数为2层。

图8Haar小波2层分解处理结果

图9

图7

原始信号、噪声及加噪信号

db4小波处理结果

选取不同的小波对原始信号进行消噪处理，发现，当采用db4小波进行处理时，效果较好，结

4

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果如图9所示。

6虚拟仪器平台性能分析

1）频率错误

543210-1-2-3-4-5

加入图10所示USR3信号，虚拟示波器采集的波形出现图10中的现象

。

00.00010.00020.00030.00040.0005

0.50.40.30.20.10

5000100001500020000250003000035000400004500050000

频率（Hz

）

图10USR3信号，虚拟示波器与TDS210示波器采集波形及参数显示

当信号频率过高时，虚拟示波器出现失真现象，这是由于所使用的数据采集卡采集的最高采

集速率为200kHz，而当采用双通道时，单一通道在进的最高频率为100kHz。根据采样定理可知，行模拟/数字信号的转换过程中，当采样频率fs．max大于信号的最高频率fmax的2倍时，即：fs．max＞=2fmax，则采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息。当信号发生器输出USR3信号时，其信号中包含的最高频率约为60kHz，采样频率fs．max＜=2fmax，因此发生了信号失真现象，而所测得的信号的信息已经变为错误信号的参数。因此，在实际应用中保证采样频率为信号最高频率的5～10倍，才能不影响对波形信号的观测。

2）数据点丢失

使用虚拟示波器可以对所采集的信号进行存储，存储格式为LVM格式，而当对存储的数据文件进行读取还原波形时，会出现图11中的情况。

所存储的波形为700Hz的正弦波，由图11可以看出，读取的数据文件在0．3s时（图中矩形框部分）波形衔接出现了问题，显示的不再是完整的周期性正弦曲线，而是由两部分正弦曲线连接而成的。此时对频率的测量基本正确。

软件设计中，设置的AD采集时长越长，所丢失的数据点数越多，因此在能获取足够的点数进行波形的显示时，应尽量的减少AD采集时长。

这样能减少数据点的丢失，但是不能完全避免。

要解决数据点丢失，波形无法正确衔接的问题，即需要使用双缓冲区的数据采集卡。当对一个

AD转换继续进缓冲区A内的数据进行读取时，

行，并将转换后的数据存储在另一缓冲区B内，

在下次读取时，硬件电路将选择缓冲区B读取数据，而AD转换的数据将存储在缓冲区A中。这

实现波形的无间样交替进行数据的存储和读取，断采集

。

图11对存储的数据文件进行读取时所还原的波形

7结束语

能够将先进的仪器开发软件LabVIEW与普

通数据采集卡很好的结合起来使用，是很多工程技术人员所希望的。在本文中，设计了以MP422数据采集卡为硬件平台，基于LabVIEW的数字式

（下转第128页）

·25

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置不断加入的无线网卡地址；如何能为不同的无线使用者设置不同的WEP密钥（大家都使用同一个WEP密钥根本起不到作用）。太原大学原有的有线网络是采用WEB认证的方式，对于每一个网络内的用户而言，必须有网络中心为每个用户开通的独立账户才能访问网络，不论这个用也不论这个用户用什么样的户上网地点在那里，

计算机都必须通过认证。这样，无线网络的安全问题依靠有线网络得到解决。5小结

在进行无线网络建设的时候，要充分考虑现

在网络的连通性、安全性和有网络结构的特点，

可行性方面进行深入的研究，得出一个综合解决问题的方案。在本论文中采用的方式并不一定适用于其他学校网络，也不能够进行大面积全校性的使用，究其原因就是因为无线网络的建设根据不同的需求有不同的选择，不能浪费现有资但也不能盲目的进行不切实际的扩展，一定源，

要做到恰到好处。

［责任编辑：赵自谦］

ApplicationofWirelessNetworkinCampusNetwork

ZHANGXiao-ming

（NetworkCenter，TaiyuanUniversity，Taiyuan030032，China）

Abstract：Withthedevelopmentandapplicationofwirelessnetworktechnology，networkconstructionandapplicationproducedarevolutionarychange．Now，campusnetworkhasalreadybeenuniversalineverycollegeandallkindsofnetworkapplicationhavebeenusedwidely．Foreachcampus，itissignificanttoexpandthewirelessnetworkbasedoncablenetwork，andtomakeitbeappliedeffectively．

Keywords：wirelessnetwork；campusnetwork；application

櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅（上接第125页）

虚拟示波器。除了能够实现传统示波器的功能外，还设计了滤波、频谱分析以及相关的参数测

可以对记录的数据文件进行波形的还原量模块，

以及相关的处理，并添加了小波模块。最后对虚

拟示波器进行了测试，发现并解决了出现的问题，为虚拟仪器的使用提供了保障。

参考文献：

［1］．现代科学仪器，李青霞，任焱晞．虚拟仪器综述［J］1999（4）．

［2］J］．重庆大杨忠仁，等．基于LabVIEW数据采集系统［2004，27（2）：32－35．学学报（自然科学版），

［3］尹秉奎，徐敏，黄镇昌．基于LabVIEW的噪声测试分J］．现代制造工程，2006（9）：87－89．析仪［

［4］叶子郁，朱目成．基于动态链接库的LabVIEW高级应J］．仪器仪表用户，2005（2）．用［

［5］赖永泉，王毅，曹银强．基于DLL的虚拟仪器系统开J］．自动化技术与应用，2005（4）．发技术［

［6］罗光坤，张令弥．多通道虚拟动态测试分析系统的设J］．振动测试与诊断，2007，27（1）：40－44．计［

［7］江炜炜，吕晔，王代强．虚拟仪器中基于小波包变换的J］．重庆工学院学报（自然科学版），2008，22信号去噪［（5）：88－90．

［责任编辑：袁太生］

VirtualDigitalOscilloscopeBaseonLabVIEW

ZHAOJie

（DepartmentofComputerEngineering，TaiyuanUniversity，Taiyuan030032，China）

Abstract：Virtualinstrumentisanapplicationofvirtualrealitytechnologyininstrumentindustry．Anditisamoreadvancedin-strumentdesigntechnology．LabVIEWistheplatformforvirtualinstrumentdevelopment．Theappearanceofitfacilitatesthede-signanddevelopment．UsingadvanceddevelopmentsoftwareLabVIEWandgeneraldataacquisitioncard，digitalvirtualoscillo-scopeisbuilt．Notonlythetraditionaloscilloscopeisrealized，butalsothewaveletdenosingfunctionsetc．havebeenadded．Keywords：virtualinstrument；oscilloscope；sensor；signalprocessing；signalmeasurement

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/n55j.html