基于LabVIEW的示波器波形采集系统的设计.pdf

科技与创新Science and Technology&Innovation962023 年 第 20 期文章编号：2095-6835（2023）20-0096-03基于 LabVIEW 的示波器波形采集系统的设计俞丙威，王宇霄，王 飞，夏利勇（浙江广厦建设职业技术大学智能制造学院，浙江 金华 322100）摘要：示波器是一种功能强大的电子测量仪器，是电类专业的高校师生必须要接触和掌握的工具之一。在高校实验室教学过程中，示波器常用于观测电信号的波形并读取相应的参数。学生需要将示波器波形通过手绘的形式添加到实验报告中，并最终以纸质报告的形式上交教师并存档，这十分不利于资料的保存和管理。利用 LabVIEW 友好的人机交互性和强大的通信能力，开发了一款基于 LabVIEW 的示波器波形采集系统。它可通过 LAN 接口，将示波器波形自动采集到LabVIEW 端，并可一键导出实验报告，实现了实验报告的无纸化管理。关键词：示波器；LabVIEW；LAN 接口；无纸化管理中图分类号：TP311文献标志码：ADOI：10.15913/ki.kjycx.2023.20.028示波器能够把随时间变化的电信号绘制到屏幕上，以图形化的形式显示，将人类肉眼看不见的电信号变换成看得见的图像。它属于通用基础类测试仪器，可广泛应用于电子系统的科研、生产与维修保障等多种测试场合1。在高校教学过程中，示波器与电类专业实验实训紧密相关。现有的高校实验实训设备基本仅将示波器作为一个辅助用测试仪器，并未将其融入到实验系统中，是一个独立的“个体”。但在对实验实训的结果考查中，又需要借助于示波器观测的波形和参数，现一般都通过照片或者手绘的形式还原示波器波形和参数，其存在一定的局限性，并且不利于后续的资料管理和保存。LabVIEW 是虚拟仪器开发过程中最具代表性的图形化编程语言，它用图标、连线、框图代替传统的程序代码，能形象地观察数据的传输过程2。LabVIEW又是目前国际上应用最广的数据采集和控制开发环境之一，它拥有十分强大的功能，例如数值运算、信号处理、图形获取和传输等3。在大力推行信息化数字化的大背景下，本文根据上述情况，以 OWON 品牌的 EDS 系列示波器为例，借助 LabVIEW 软件，在计算机端设计开发了一套示波器波形采集系统。1系统概述该示波器支持通过 USB、LAN 或 COM 接口与计算机进行通信。OWON 自带的 Oscilloscope 上位机软件可通过 USB 或 LAN 接口对示波器测量数据进行存储、分析和显示以及远程控制等。但该上位机软件只是将示波器的数据波形显示出来，并不开放接口，支持用户对数据进行二次管理，不适用于高校教学所需。本文所设计的示波器波形采集系统不仅可以将示波器波形完整地显示在计算机上位机软件中，也可通过不同指令读取波形中的参数数据，还能对读取的数据进行整合，并与用户信息等进行绑定通过报表的形式输出。整个系统原理框架如图 1 所示，其主要功能通过两大模块实现：数据交互模块和报表管理模块。图 1波形采集系统原理框架数据交互模块主要通过标准化 LAN 接口，借由SCPI（StandardCommandsForProgrammableInstruments，可编程仪器的标准命令）实现示波器与计算机的通信。SCPI 是用于 IEEE 488.2 标准的可用于程控仪器的标准指令，被广泛用于各种通用测量仪器的开发和测试4。本系统涉及的 SCPI 功能指令表如表 1所示。基金项目浙江广厦建设职业技术大学专业内涵建设项目子项目（编号：BK08-16）；浙江省大学生科技创新活动计划（新苗人才计划）（编号：2023R469001）Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 20 期97报表管理模块主要是将用户信息、静态参数读取、动态波形图片 3 种信息进行整合，最后以 PDF 的形式进行输出，便于后续资料的管理。表 1SCPI 功能指令表指令功能返回格式:SDSLSPCI#进入 SCPI 通信模式:SCPION*TST?设备自检“0”表示自检通过*IDN?查 询 仪 器 ID字符串OWON，型号，序列号，软件版本:MEASure:SOURce?查询通道信源“CH1”或“CH2”:MEASure:SOURceCH1设置通道 1 为信源无返回值:MEASure:SOURceCH2设置通道 2 为信源无返回值:MEASure:PERiod?查询通道波形的周期测量值以字符串形式返回测量结果:MEASure:FREQuency?查询通道波形的频率测量值以字符串形式返回测量结果:MEASure:AVERage?查询指定通道波形的平均值以字符串形式返回测量结果:MEASure:MAX?查询指定通道波形的最大值以字符串形式返回测量结果:MEASure:MIN?查询指定通道波形的最小值以字符串形式返回测量结果:TIMebase:SCALe?查询时基档位值以字符串形式返回测量结果2SCPI 命令测试在进行系统开发前，需对示波器进行网络设置。在示波器中，按功能（Utility）按键，再按 H1 键，旋转通用旋钮选择网络设置选项；按 H2 键，右侧出现设置菜单。将其 IP 地址设置为 192.168.1.72，端口号设置为 3000；按 H3 键，选择“保存设置”，界面提示“重启示波器更新设置”。将示波器关机重启后，打开调试助手，并将调试助手端口设置为与示波器一致。借助于调试助手，对示波器进行指令测试，分析其回复的指令内容和响应时间。部分测试结果如图 2 所示。图 2SCPI 命令测试结果由测试结果可知，指令“:MEASure:SOURce CH2”对示波器进行通道切换时，示波器无响应，但执行后重新发送通道查询指令“:MEASure:SOURce？”，示波器返回“CH2”，可知通道切换指令已生效，其余指令示波器均有指令返回。观察调试助手的发送时间戳，可知各指令的响应时间均在 50 ms 以内。根据上述测试结果，编写 LabVIEW 端通信模块程序。3系统设计系统主界面如图 3 所示。整个界面可分为 5 个模块：用户登录模块、自检校验模块、波形显示模块、参数读取模块和报表导出模块。图 3示波器波形采集系统主界面用户登录模块设置了 3 级权限，分别是学生、管理员和教师。登录界面如图 4 所示。图 4示波器波形采集系统登录界面不同等级权限的人员在登录后可执行不同的操作。学生权限仅可对参数进行选择并读取以及实验完成后的报表导出操作；管理员权限还可对示波器地址和通信端口号进行设置；教师权限除上述功能外，还可对根据不同的实验对象内容对读取的参数进行增减。自检校验模块根据调试助手测试结果和 SCPI 标准指令，利用 TCP Open Connection 模块、TCP Write模块和 TCP Read 模块，实现对示波器的自检、仪器 ID读取等，确保数据交互前示波器与计算机已准确连接。波形显示模块包括数据采集和数据转换两大部分。数据采集部分同样利用 TCP Open Connection 模块、TCP Write 模块和 TCP Read 模块，借助于不同的指令实现对波形数据的读取，其程序框图如图 5 所示。图 5波形显示模块数据采集部分程序框图数据转换部分涉及字符串截取、数据格式变换等内容，其程序框图如图 6 所示。科技与创新Science and Technology&Innovation982023 年 第 20 期图 6波形显示模块数据转换部分程序框图参数读取模块通过前面板所选择的不同的参数，根据预设的程序，向示波器发送不同的指令以读取不同的参数结果。本设计涉及的参数主要包括读取当前信源编号、设置当前信源、读取周期、读取频率、读取最大值、读取最小值、读取平均值、读取时基单位长度等。报表导出模块可在波形采集和参数读取完成后，通过一键导出按钮，将采集到的波形和参数填入到预设的模板报表中，并将其以“班级+用户名+时间”的形式保存到固定目录路径下。以读取 CH1 通道波形的周期为例，整个系统执行步骤如下：运行可执行文件后，须在登录界面选择不同的用户权限进行登录。登录成功后，进入系统主界面，同时会对系统和设备进行自检和仪器 ID 参数等的读取。待自检和 ID 读取完成后，系统主界面会刷新相关信息并显示。点击左下角“START”按钮，可实时采集示波器波形数据并将其显示到主界面中，波形显示区左侧会显示相关的横轴和纵轴单位长度。在参数栏选择“设置当前信源为 CH1”，并点击“READ”按钮进行指令发送。随后在参数栏选择“读取周期”，并点击“READ”按钮发送指令，若通信失败，会弹窗提醒“指令发送失败，请检查设备”；若通信成功，在结果汇总表格中会刷新显示出周期值。以示波器自带的 1 kHz 方波信号作为测试源进行测试，测试界面和参数读取结果汇总如图 3 所示。根据图 3 可知，系统读取的参数结果和波形与测试源保持一致。4结束语本文设计了一种基于 LabVIEW 的示波器波形采集系统，实现了用户登录信息的管理、示波器自校验、示波器波形采集、示波器数据读取和报表一键导出等功能，其中示波器波形采集和数据读取是本系统的重点。该系统借助于 LabVIEW 软件，具有通用性强、界面友好、数据存储方便、性能稳定、可靠性强等优势5，同时具有极强的可移植性和可扩展性，方便了学生实验过程的记录，也便于教师和实验室管理员后续的批改和资料管理，实现了实验室的无纸化管理。参考文献：1刘洪庆，向前，李云彬.数字示波器工程化设计的关键技术J.电子质量，2016（2）：67-69.2李苏.基于 LabVIEW 的声波采集系统J.电子质量，2012（7）：9-11.3孙春龙.基于 LabVIEW 多通道数据采集分析系统开发D.武汉：武汉大学，2004.4高青君，周钦山，曹利建.两种基于 LabVIEW 自动测试仪表程控驱动设计方法J.信息记录材料，2022，23（6）：192-195.5部德才，张永平.基于 LabVIEW 的虚拟数字存储示波器的设计J.科技与创新，2014（20）：105-107.作者简介：俞丙威（1992），男，浙江诸暨人，硕士研究生，讲师，研究方向为智能控制。（编辑：王霞）