虚拟仪器系统是目前工业测试技术中新兴的系统，本文设计了一种功能强大的双路式虚拟示波器系统，详细介绍了基于LabWindows平台利用C语言进行仪器程序设计的方法。设计选用PC机为基本框架平台，通过数据采集卡进行信号传输，利用不同的软件模块实现不同功能。实验证明该虚拟示波器具备了传统示波器的基本功能，各项功能均能达到指定要求。与传统示波器相比，该虚拟示波器具有开发成本低、开发周期短、升级和维护容易等优点，而且用户可以根据需要进行扩展，方便实现人机交互。
【关键词】虚拟仪器 示波器 数据采集 LabWindows
示波器是生产实践和科学研究中应用十分广泛的电子测量仪器。模拟示波器由于无法高效地观察实验结果、数据处理功能弱等缺点，已逐渐被数字示波器取代，但数字示波器价格昂贵。虚拟仪器（Virtual Instrument，简称VI）是现代计算机技术和仪器技术深层次结合的产物，是当今计算机辅助测试（CAT）领域的一项重要技术。它解决了传统仪器设备面临的许多难题，改善了传统仪器设备配套固定、应用狭窄、功能单一的缺点，虚拟仪器系统可以灵活地应用于各种测量控制环境，而且实现了功能用途多元化，可以从软件方面改善许多传统仪器设备无法实现的功能。本文应用虚拟仪器开发平台LabWindows开发了一种双路式虚拟示波器，本系统完全可以替代模拟示波器来检测信号，还具有传统仪器所不具备的实时分析功能和数据保存处理功能，充分体现了虚拟仪器的优点。
1 系统总体方案选择
虚拟示波器设计的核心是数据采集，但与单纯的数据采集程序不同的是，虚拟示波器程序需要将采集得到的数据实时地显示在屏幕上，并需增加一定的分析代码。
综观目前国内外虚拟仪器开发的现状，其总体结构有以下两种形式：（1）系统集成式虚拟仪器系统：将测试仪器仪表设计成为可直接插入计算机I/O扩展槽中的插卡，这样可将不同仪器仪表集成在一个系统内，从而大大降低成本。所有的这些仪器插卡均在符合统一标准的软件支持下供用户操作，共享计算机资源。因此这样的系统具有成本上的优势，仪器插卡具有很强的抗干扰能力，在虚拟仪器系统设计中应用十分广泛。（2）基于总线技术式虚拟仪器系统：将虚拟仪器做成具有总线结构的测试仪器的主机板，在总线底板插槽上插入模拟量输入/输出、数字量输入/输出、频率或脉冲量输入/输出等功能插件，可组成具有不同规模和功能的测试系统，测控机箱与计算机通过互连总线相连，各测试设备与计算机网络通过现场总线相连，从而构成一个自动测控系统。这类虚拟仪器由于采用标准的总线结构，系统灵活方便，可以连接多种设备，而且其测控机箱独立，可减少干扰，具有较高的精度。但系统成本较高并且在跨总线连接设备时会增加软件开发的工作量。
综合比较上述两种方案的优缺点，考虑到设计要求和成本等因素，本次虚拟仪器系统的设计采用plug-in DAQ的硬件平台，即以标准的PC机为基本框架平台，通过插入数据采集卡获得具有信号输入/输出功能的硬件平台，利用不同的软件模块实现不同的功能。本方案的优点是成本较低，软件决定系统的功能，真正体现了虚拟仪器的灵活性和成本较低的优势。
2 系统硬件设计
虚拟示波器系统的总体结构如图1所示，硬件平台选用PC机为总体框架，数据采集卡为UN105N型A/D多功能数据采集卡，虚拟仪器系统运行环境为WINDOWS XP，开发语言选择为LabWindows。
3 系统软件设计
虚拟示波器系统程序主要是利用C语言进行编程，借助Labwindows进行界面设计。系统软件程序采用模块化设计思想，主要由四个部分组成，分别是采集函数、显示函数、分析函数以及打印函数。数据采集部分是整个系统的核心部分，所有的其他模块均建立在数据采集的基础上。
3.1 数据采集模块设计
数据采集模块是整个系统的核心部分，其他模块均建立在数据采集的基础上。本系统设计中，硬件选用的是优采公司UA105N型多功能数据采集卡，由于该卡未带WINDOWS下驱动，没有Win32接口函数供调用。故在编程时需要自己编写采集代码。数据采集系统的采集控制有多种方法，分别说明如下：（1）软件触发，软件通道选择：这种方法是由程序指令触发A/D转换板进行数据采集，由程序指令任意选择A/D转换板采样通道，是一种比较灵活的采集控制方法。（2）定时触发，软件通道选择：这种方法是采用定时器定时触发采集，即是通过对板上定时器8253通道0的控制编程，使之发出等间隔的脉冲触发A/D转换板采集，可以在单通道采集时获得准确的采样频率。但由于软件转换通道不能实现最佳时序，所以在多通道采集时不能达到采集要求。（3）手动触发，自动通道扫描：可实现最高频率下通道顺序递增快速循环采集，也可设置不连续的通道。
根据设计的要求，本程序采用了定时触发方法，自动通道扫描的方式进行数据采集，通过设定的定时器，每隔1秒调用一次采集函数，不停地更新缓存中数据内容。
3.2 波形显示模块设计
波形显示模块的设计可利用LabWindows提供的丰富的库函数和强大的控件，靠不间断的刷新屏幕来获得动态实时的数据波形图，美观实用，方便简洁。
3.3 数据分析模块设计
数据分析模块的设计方案是设立缓存区，当移动光标时，程序将自动分析缓存区变量中的数据，进行计算、显示等处理，并将处理后的结果显示在电脑屏幕上。
通过本程序可实现双路的信号采集显示，可同时观测两路信号的波形；能够对信号进行增益等调节。可对信号数据的分析，能够在任意时刻将正在观测的信号数据重现在屏幕上。能够对选定的范围求解最大值、最小值、平均值等统计数据，也能求解光标所在两点间的电压差和时间差。所绘制的波形图可打印。可以在波形图上直接选定需要察看数据的坐标点，通过移动光标，程序会自动将光标移动到邻近点上，并将该点的时间和电压值显示在屏幕上。
4 仪器前面板设计
虚拟示波器系统操作界面如图2所示，可根据用户需求自行调节界面大小并可全屏显示。设计总体上包括三个部分，参数设定部分、波形显示部分及结果显示部分。
4.1 参数设定部分设计
参数设定部分在界面的下方，在用户打开程序入口界面窗口后，应先进行设置，即填写起始通道号，采集频率，每个通道采集点数。每个参数都有相应的范围，以满足基本测量需求，上述参量都赋有默认值，并且限定了各参量输入值的取值范围，为了使界面美观，将其设置为隐藏项，当用户输入超出范围时，系统会自动提示输入范围，及变量类型。同时考虑到用户输入的方便性，设置了上下拉箭头，及下拉菜单，使用户更改数据更为方便。最左边是采集开关，拨动采集开关，可以启动或停止示波器的工作。当采集开关拨向上时，左边的指示灯变为红色，示波器开始工作；当采集开关拨向下时，左边的指示灯变为棕色，示波器停止工作。参数设置中还可以选择通道，分别可以选择通道1、通道2以及通道1&2，选择不同，就会显示不同通道的波形。通道选择的右侧是调节水平增益的两个旋钮，可以分别调节两个通道波形的水平位置，使用户更方便的观察波形。
4.2 波形显示部分设计
参数设置的上方是波形显示部分，如图3所示，可以实时的显示采集到的波形，每一秒刷新一次屏幕，并且随着两个光标的移动，可以在波形的上面显示出光标的坐标以及两光标间的电压差和时间差。
4.3 结果显示部分设计
参数设置部分的右面是结果显示部分，如图4所示，先选择需要分析的通道，就可以分别显示出所选通道的最大最小值、均值以及信号频率。
5 结论
本文设计的虚拟示波器系统实现了双路数据采集、显示、分析及打印的功能，并生成执行文件，使得用户不需在PC机上安装LabWindows/CVI软件即可运行虚拟示波器系统，完全可代替传统示波器来检测信号，还具有传统仪器所不具备的实时分析功能和数据保存处理功能。实际应用表明，该系统具有成本低、功能强、操作简单、使用方便等特点，同时虚拟仪器“软件决定系统功能”的思想也使得本系统具有很高的灵活性和扩展性，用户可在本系统的基础上通过改变或增加软件程序来改变或者扩展系统的功能。
参考文献
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作者单位
青海大学机械工程学院 青海省西宁市 810016
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