基于LabVIEW的示波器采集系统设计

时间：2024-05-04

（西京学院，陕西西安 710000）

0 引言

示波器作为信号测量领域的高精度仪器，广泛应用于信号采集、材料老化测试等领域。其优点为波形测量的精度和采样频率高。但在材料老化测试等领域应用却有其局限性。

（1）单次显示时间短：示波器最大显示采样时间仅有50 s，对于长时间的波形观测，需要对前次波形回放，但波形回放操作烦琐，必须要24 h不停监测。

（2）距离设备现场近：示波器的探头线长有限，不能远离设备现场，考虑到设备运行有一定危险性，要求测试人员能够远程读取示波器。

针对以上局限，文章提出了一种示波器采集存储系统的设计，该系统可以通过TCP协议远程对示波器进行实时读取、参数设定等，并且能够方便地保存及回放波形[1]。

1 LabVIEW与示波器

1.1 LabVIEW与VISA协议

LabVIEW是由美国国家仪器（NI）公司研制开发的一种程序开发环境，相较于C和Python等文本编程语言，LabVIEW使用的图形化编程语言—G语言，让用户能够较快掌握。其程序的框架易于读取，后期维护较为方便。

N I公司参与制定的虚拟仪器软件结构（Virtual Instrument Software Architecture，VISA）是VXI plug&play联盟制定的I/O接口软件标准及其规范的总称。作为一种通用的规范，它独立于操作系统、硬件设备、编程语言等，因此可以广泛适用于各种仪器接口。而LabVIEW自带的VISA库包含各种VISA函数，可以方便快捷地与示波器等硬件进行通信。

1.2 示波器与可编程仪器标准命令

示波器的控制指令是基于可编程仪器标准命令（Standard Commands for Programmable Instruments，SCPI）,SCPI是一种建立在现有标准IEEE 488.1和IEEE 488.2基础上，遵循了IEEE 754标准中浮点运算规则、ISO646信息交换7位编码符号等多种标准的标准化仪器编程语言。它规定了在控制器到仪器和仪器到控制器之间信息交换层消息的内容和构造，从而以一种标准的方式来描述各种各样的仪器功能，其目的在于减少自动测试设备的程序开发时间。

2 LabVIEW波形采集的实现

LabVIEW的VISA库如图1所示，包含VISA写入、VISA读取、高级VISA等函数，使用这些函数能够简化与示波器建立通信的操作。另一方面，示波器与PC间的通信协议为RS232，将PC与示波器用USB线连接后，硬件环境搭建完毕，此时运行程序即可读取到示波器所采集的波形。

图1 LabVIEW的VISA函数库

设定采集通道为CH2，信号源为标准5 V/1 kHZ的脉冲信号，运行程序以读取采集到的波形，可以看到，波形与示波器屏幕显示的波形完全一致。图2为与示波器屏幕1∶1的波形显示。

图2 上位机波形显示

在实际应用过程中，测试人员希望能够直接在PC端设定示波器的参数，从而达到较好的显示效果[2]。示波器可设置的参数包括：电压档位、偏移量；时基档位、偏移量；触发通道以及电压等，通过相应的SCPI指令可以分别对其设定，可以达到远程对示波器操作的目的[3]。其操作界面如图3所示。

3 波形存储及回放

示波器检测设备工作状态情况下，需要长时间对设备进行检测。但是测试人员希望能够将波形保存，并且在期望的时候回放历史波形。示波器能够回放波形，但是操作较为烦琐，而且保存设定需要在示波器界面进行设定。本设计中示波器返回的点不仅用于实时显示，还将数据值以帧为单位保存为逗号分隔符（.csv）文件。测试人员可以按页读取历史波形，从而方便快捷地浏览历史波形。图4为示波器主界面。

在使用过程中，并不能保证每次保存的波形，都能较好地反应出期望的变化范围。这种情况下，人们希望可以对某一帧的波形进行缩放和调整。如本设计中的电压档位为5 V，界面上边缘的电压为20 V，但在波形回放时候希望能够放大某一部分的变化。例如设定Y轴上下限的值，可以得到较好的显示效果。图5是对Y轴上下限设定过后的波形显示。

4 远端控制及TCP通信

RS232的通信距离仅有数米，示波器的探头长度更短。因此，若要同时监控多台设备的工作状态，就必须利用远端通信，摆脱距离的限制。本设计采用TCP/IP通信协议作为远程通信方式。TCP/IP传输协议，即传输控制/网络协议，也叫作网络通信协议。它是在网络中最基本的通信协议。通过TCP/IP协议和本地网络接线，测试人员就可以在总控室而非现场工作。

LabVIEW中TCP/IP函数库包含打开连接、读取数据、写入数据和关闭连接等函数[4]，如图6所示。

通过这些函数，可以搭建一个TCP/IP通信框架，从而实现远程读取及控制。

图3 示波器参数设置界面

图4 示波器主界面

图5 对Y轴上下限设定的波形显示

图6 TCP/IP函数库