一種基于USB-4704的電子電路虛擬測量系統(tǒng)設(shè)計

卞建勇

（東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子工程系，廣東 東莞 523808）

由于傳統(tǒng)的電子測量測試儀器設(shè)備的功能固定、單一（如示波器、信號發(fā)生器、頻譜分析儀等），使得使用傳統(tǒng)儀器的電子專業(yè)實驗、實訓(xùn)等電子電路測量領(lǐng)域通常需要多種測量儀器配合使用，不同的電子電路測量所使用的儀器也不盡相同，儀器之間存在功能缺失或冗余現(xiàn)象，耗費了大量的硬件投入成本，后續(xù)的設(shè)備更新成本也非常高[1]。

跟傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器（Virtual Instrument，VI）開創(chuàng)了電子測量和測試儀器發(fā)展的新紀(jì)元。虛擬儀器是隨著儀器技術(shù)與計算機技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的一種新的儀器。它通過圖形化的程序設(shè)計軟件在計算機屏幕上設(shè)計出虛擬儀器操作和顯示前面板，通過數(shù)據(jù)采集卡等硬件對信號進行采樣，再利用軟件通過計算機處理器實現(xiàn)對信號的運算、分析和處理，最終在虛擬儀器操作和顯示前面板上對測量結(jié)果進行顯示。對于整個虛擬儀器系統(tǒng)而言，數(shù)據(jù)采集卡等硬件的作用主要是實現(xiàn)對信號的輸入、輸出和調(diào)理，用戶自己設(shè)計的便于增加和減少儀器功能的軟件程序才是整個虛擬儀器系統(tǒng)的最大的特色，這樣的特色徹底克服了傳統(tǒng)儀器功能固定、單一的不足，突出了虛擬儀器使用方便、靈活、功能強大、便于維護、易于升級、性價比高等優(yōu)勢。

基于此，作者使用LabVIEW和Advantech（研華）公司的USB-4704數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計了一款集數(shù)字示波器 （帶頻譜分析功能）、信號發(fā)生器于一體的電子電路虛擬測量系統(tǒng)。

1 硬件部分

USB-4704是Advantech公司生產(chǎn)的一款基于USB2.0接口的數(shù)據(jù)采集卡，它包含了數(shù)據(jù)采集、模/數(shù)轉(zhuǎn)換、信號調(diào)理等完善的功能電路，具體技術(shù)參數(shù)有：1）8路14bit的模擬輸入通道（可接成 4路差分輸入）；2）2路 12bit的模擬輸出通道；3）8路TTL 數(shù)字輸入通道；4）8 路 TTL 數(shù)字輸出通道；5）32 bit，5 MHz的計數(shù)器；6）具有A/D外部觸發(fā)功能[2]。這些技術(shù)參數(shù)使得專業(yè)技術(shù)人員可以利用該采集卡設(shè)計虛擬示波器、虛擬頻譜分析儀、虛擬信號發(fā)生器、虛擬邏輯分析儀等一系列功能集成于一身的電子電路多功能虛擬測量系統(tǒng)，同時使得設(shè)計工作的重心落在了系統(tǒng)軟件設(shè)計上，減輕了專業(yè)技術(shù)人員的設(shè)計難度。

2 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計是設(shè)計電子電路虛擬測量系統(tǒng)的關(guān)鍵。LabVIEW是一種基于G語言的虛擬儀器軟件開發(fā)工具，廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集與控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)處理等方面。因此，電子電路虛擬測量系統(tǒng)的軟件采用LabVIE軟件進行編程設(shè)計，并采用模塊化程序設(shè)計思想編寫[3]，每個功能的實現(xiàn)由一個模塊完成，如圖1虛擬測量系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)圖所示，軟件系統(tǒng)總體包括虛擬示波器和虛擬信號發(fā)生器兩個大模塊，虛擬示波器又包含通道選擇、觸發(fā)控制、時基控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、波形顯示、參數(shù)測量（電壓、相位、功率）、數(shù)據(jù)存儲等模塊；虛擬信號發(fā)生器包含波形設(shè)定、通道控制、數(shù)據(jù)處理、波形輸出和波形顯示等模塊。

圖1 虛擬測量系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Virtual measurement system's program structure diagram

圖2 為電子電路虛擬測量系統(tǒng)前面板，圖3為電子電路虛擬測量系統(tǒng)程序流程圖，測量系統(tǒng)框圖程序由一個二分支的事件結(jié)構(gòu)構(gòu)成，前面板的“虛擬示波器”或“信號發(fā)生器”按鈕為事件觸發(fā)按鈕。程序運行后，點擊前面板的“虛擬示波器”或“信號發(fā)生器”按鈕，程序?qū)⒆詣訄?zhí)行程序框圖中相應(yīng)的“虛擬示波器”或“信號發(fā)生器”子程序模塊，并彈出相應(yīng)的“虛擬示波器”或“信號發(fā)生器”前面板操作界面。

圖2 虛擬測量系統(tǒng)前面板Fig.2 Virtual measurement system's front panel

圖3 虛擬測量系統(tǒng)程序流程圖Fig.3 Virtual measurement system's program flow chart

2.1 虛擬示波器子模塊軟件設(shè)計

如圖4虛擬示波器子模塊前面板和圖5虛擬示波器子模塊程序流程圖所示，虛擬示波器子模塊程序主要由通道選擇、觸發(fā)控制、時基控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、波形顯示、參數(shù)測量（電壓、相位、功率）、數(shù)據(jù)存儲等模塊構(gòu)成。通道選擇主要控制單、雙通道測量，采樣通道的設(shè)定，硬件增益和采樣點數(shù)的設(shè)定；觸發(fā)控制包括對觸發(fā)方式、觸發(fā)源、觸發(fā)電平和觸發(fā)極性的設(shè)定；時基控制主要是對時基和幅度的設(shè)定；數(shù)據(jù)采集模塊主要通過Advantech采集卡自帶的多通道模擬電壓采集子函數(shù)MAIVoltageIn.vi來控制USB-4704數(shù)據(jù)采集卡進行數(shù)據(jù)采集；數(shù)據(jù)處理主要是對采樣數(shù)據(jù)的濾波等處理；波形顯示是根據(jù)模式設(shè)定將采集到的數(shù)據(jù)進行波形顯示；參數(shù)測量主要包括對電壓、相位和功率的測量；數(shù)據(jù)存儲負責(zé)將采集到的數(shù)據(jù)輸出到指定的文件，通過相應(yīng)的按鈕操作可以將數(shù)據(jù)進行回放顯示[4-6]。

圖4 虛擬示波器子模塊前面板Fig.4 Sub-module's front panel of virtual oscilloscope

圖5 虛擬示波器子模塊程序流程圖Fig.5 Sub-module's program flow chart of virtual oscilloscope

2.2 虛擬信號發(fā)生器子模塊軟件設(shè)計

如圖6虛擬信號發(fā)生器子模塊前面板和圖7虛擬信號發(fā)生器子模塊程序流程圖所示，虛擬信號發(fā)生器子模塊程序主要由波形設(shè)定、通道控制、數(shù)據(jù)處理、波形輸出和波形顯示等模塊構(gòu)成。波形設(shè)定主要負責(zé)對信號發(fā)生器產(chǎn)生的波形的相關(guān)參數(shù)進行設(shè)定；通道控制主要負責(zé)對信號輸出通道進行設(shè)定；數(shù)據(jù)處理主要負責(zé)對波形數(shù)據(jù)進行相關(guān)處理；波形輸出集模塊主要通過Advantech采集卡自帶的模擬電壓輸出子函數(shù)AOVoltageOut.vi來控制USB-4704數(shù)據(jù)采集卡進行波形輸出；波形顯示模塊負責(zé)對輸出的波形進行顯示[6-8]。

圖6 虛擬信號發(fā)生器子模塊前面板Fig.6 Sub-module's front panel of virtual signal generator

圖7 虛擬信號發(fā)生器子模塊程序流程圖Fig.7 Sub-module's program flow chart of virtual signal generator

3 結(jié)束語

利用Advantech公司的USB-4704數(shù)據(jù)采集卡及LabVIEW開發(fā)環(huán)境設(shè)計的電子電路虛擬測量系統(tǒng)基本實現(xiàn)了傳統(tǒng)的雙蹤示波器的顯示、測量功能，基本實現(xiàn)了傳統(tǒng)信號發(fā)生器的信號產(chǎn)生功能，而且還實現(xiàn)了頻譜分析功能以及對波形數(shù)據(jù)的存儲和回放等功能，相比較于傳統(tǒng)的單一功能的儀器設(shè)備成本低廉，系統(tǒng)界面友好，操作簡單，修改方便，可擴展性極強，與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器的經(jīng)濟性、靈活性和可擴展性等方面都有獨特的優(yōu)勢，虛擬儀器的出現(xiàn)給電子電路測量儀器的建設(shè)帶來了新的契機，必將廣泛應(yīng)用于科研、教學(xué)以及生產(chǎn)等領(lǐng)域。

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