基于LabVIEW的泰克示波器與計算機的通信

隨著測試技術(shù)的發(fā)展和測試要求的不斷提高，高性能示波器在測試領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越多。例如美國泰克公司生產(chǎn)的多款數(shù)字示波器，就是具有波形顯示、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)存儲和打印，以及有通信功能的高性能示波器，在科研和工程中被廣泛使用。

然而示波器本身也有很多限制：
① 受體積大小限制，其屏幕不能很大，顯示效果不如在計算機寬屏上的效果好；
② 數(shù)據(jù)處理能力有限， 示波器本身只能做一些簡單的數(shù)據(jù)分析，數(shù)據(jù)處理能力和速度都遠(yuǎn)不如計算機；
③ 受內(nèi)存的限制，示波器本身只能短期存儲有限量的數(shù)據(jù)，而計算機可以永久存儲海量的數(shù)據(jù)， 并且還有個突出的優(yōu)點就是這些數(shù)據(jù)可隨時方便的被調(diào)用、處理， 甚至傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)上與其它人共享。

為了增強測試功能和提高測試效率， 把示波器與計算機結(jié)合起來使用成為必然。 這樣首先就要解決示波器與計算機 的通信問題。通信方式有多種，如 RS-232串行通信、GPIB總線通信等。不同的示波器帶有不同的接口， 支持的通信方式也不同。具體應(yīng)用時，便要根據(jù)示波器的支持情況，以及應(yīng)用的具體需要，選擇通信方式及其實現(xiàn)方法。
 

1、泰克示波器

美國泰克示波器由于其功能多、精度高、記錄長、抗干擾能力強等優(yōu)點，在測試領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用。

本設(shè)計采用的泰克 TDS3014B 型號數(shù)字熒光示波器， 四通道輸入，彩屏顯示，美觀實用。擁有 100M 的帶寬，最大 3600波形 /秒的波形捕獲速率，并且能夠鎖定測得波形和儲存測得數(shù)據(jù)。配帶的通訊模塊上有 3種端口，能夠支持多種通信方式。當(dāng)把示波器與計算機結(jié)合起來使用時， 有很多途徑可以把泰克示波器測得的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C上進(jìn)行后期處理， 例如：

(1) 可使用示波器自帶的內(nèi)置軟盤存儲測試數(shù)據(jù)， 然后拷貝到計算機上；

(2) TDS3014B 型號示波器配帶的通信模塊帶有 RS-232、 GPIB 和 VGA (視頻圖形陣列 ) 3個通信接口， 通過這些接口可建立示波器與計算機的通信；

(3) 泰克示波器還帶有通信軟件 OpenChoice PC Communi-cation Software , 此軟件能建立示波器與計算機的無縫聯(lián)結(jié)， 計 算機可方便地獲得示波器的拷屏、 設(shè)置和波形數(shù)據(jù)；

(4) 通過內(nèi)置以太網(wǎng)和使用 e*Scope可把示波器連接到 In-ternet 上，可對示波器進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測；

(5) 新型號示波器還帶有 USB 接口，可直接與計算機 USB 接口相連來傳輸數(shù)據(jù)。

隨著儀器與計算機技術(shù)的發(fā)展，將會出現(xiàn)更多的方法，便于示波器與計算機聯(lián)合應(yīng)用。
 

2、LabVIEW 的優(yōu)點和應(yīng)用

LabVIEW 是美國國家儀器公司推出的一種基于圖形開 發(fā)、 調(diào)試和運行程序的集成化環(huán)境，是目前國際上應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強的編譯型圖形化編程語言。它以程序流 程圖的方式編程而基本上不需要寫程序代碼，是技術(shù)人員們 容易上手的語言。

LabVIEW 囊括了各種儀器通信總線標(biāo)準(zhǔn)的功能函數(shù)，不僅提供數(shù)百種不同接口測試儀器的驅(qū)動程序，還支持 VISA 、 SCPI 和 IVI 等最新的程控軟件標(biāo)準(zhǔn)，為用戶設(shè)計開發(fā)不同的 先進(jìn)測試系統(tǒng)提供了軟件支持。本設(shè)計中就是應(yīng)用了 Lab-VIEW 中的 VISA 節(jié)點，方便地設(shè)計出了串口通信程序。LabVIEW 可特別好地模擬真實儀器的操作面板， 能實現(xiàn)高級儀器測得數(shù)據(jù)的實時動態(tài)圖形化顯示。LabVIEW 擁有有 強大的分析處理波形數(shù)據(jù)的功能，可容易得到波形的各種特征參數(shù)。這些特性使其與示波器能很好地結(jié)合使用，能在計算機上方便地模擬示波器。

LabVIEW 有強大的交互式界面設(shè)計功能， 設(shè)計的界面美觀友好，接近真實，讓操作人員樂于接受。

由于以上的優(yōu)點，LabVIEW 在本設(shè)計中被用來編寫軟件，取得了良好效果。
 

3、RS-232串口通信

RS-232是美國電子工業(yè)聯(lián)盟 (EIA ) 制定的串行數(shù)據(jù)通信 的接口標(biāo)準(zhǔn)。它被廣泛用于計算機串行接口外設(shè)連接 [4]。 傳統(tǒng)的 RS-232接口標(biāo)準(zhǔn)有 22根線，采用標(biāo)準(zhǔn) 25芯 D 型 插頭座。現(xiàn)在的大部分 PC 上使用簡化了的 9芯 D 型插座。本設(shè)計中的泰克示波器上的接口也是 9芯 D 型插座。

典型地，串口用于 ASCII 碼字符的傳輸。通信使用 3根 線完成：地線、 發(fā)送、 接收。 由于串口通信是異步的， 端口能夠 在一根線上發(fā)送數(shù)據(jù)同時在另一根線上接收數(shù)據(jù)。 其它線用于握手， 但不是必須的。 數(shù)據(jù)的發(fā)送流程是這樣的：在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，發(fā)送端要給出請求發(fā)送信號 CTS 。接著接收端發(fā)出數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備好信號 DTR，發(fā)送端的 DSR 接收到對方的 DTR 以后，開始在 TXD 上送出數(shù)據(jù)。

串口通信最重要的參數(shù)是波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和奇偶校驗。對于兩個進(jìn)行通行的端口，這些參數(shù)必須匹配： (1) 波特率：衡量通信速度的參數(shù)。它表示每秒鐘傳送的 bit 的個數(shù)。

(2) 數(shù)據(jù)位：衡量通信中實際數(shù)據(jù)位的參數(shù)。當(dāng)計算機發(fā) 送一個信息包，實際的數(shù)據(jù)不會是 8位的，標(biāo)準(zhǔn)的值是 5、 7和 8位。如何設(shè)置取決于傳送的信息。比如，標(biāo)準(zhǔn)的 ASCII 碼是 0~127(7位 ) 。擴(kuò)展的 ASCII 碼是 0~255(8位 ) 。如果數(shù)據(jù)使用 簡單的文本 (標(biāo)準(zhǔn) ASCII 碼 ) , 那么每個數(shù)據(jù)包使用 7位數(shù)據(jù)。 每個包是指一個字節(jié)，包括開始 /停止位，數(shù)據(jù)位和奇偶校驗位。由于實際數(shù)據(jù)位取決于通信協(xié)議的選取，術(shù)語 “包” 指任 何通信的情況。

(3) 停止位：表示單個包的最后一位。 典型的值為 1、 1.5和 2位。由于數(shù)據(jù)是在傳輸線上定時的，并且每一個設(shè)備有其自 己的時鐘，很可能在通信中兩臺設(shè)備間出現(xiàn)了小小的不同步。 因此停止位不僅僅是表示傳輸?shù)慕Y(jié)束，并且提供計算機校正 時鐘同步的機會。適用于停止位的位數(shù)越多，不同時鐘同步的容忍程度越大，但是數(shù)據(jù)傳輸率同時也越慢。

(4) 奇偶校驗位：串口通信中一種簡單的檢錯方式。有 4種檢錯方式：偶、 奇、 高和低。當(dāng)然沒有校驗位也是可以的。 對于偶和奇校驗的情況，串口會設(shè)置校驗位 (數(shù)據(jù)位后面的一 位 ) ，用一個值確保傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有偶個或者奇?zhèn)�邏輯高位。例如， 如果數(shù)據(jù)是 011，那么對于偶校驗， 校驗位為 0，保證邏輯 高的位數(shù)是偶數(shù)個。如果是奇校驗， 校驗位位 1，這樣就有 3個邏輯高位。高位和低位不真正的檢查數(shù)據(jù)， 簡單置位邏輯 高或者邏輯低校驗。 這樣使得接收設(shè)備能夠知道一個位的狀態(tài)，有機會判斷是否有噪聲干擾了通信或者是否傳輸和接收 數(shù)據(jù)是否不同步。

由于 RS-232應(yīng)用廣泛，硬件編程要求比較簡單，價格便宜，而且大多設(shè)備中已經(jīng)內(nèi)置了這種接口，故本設(shè)計也采用了 RS-232通信。
 

4、示波器的設(shè)置

在用 RS-232串口線把裝有通信模塊的示波器和計算機連起來后，要對示波器的 I/O進(jìn)行設(shè)置。其設(shè)置要根據(jù)硬件連 接情況，并與其后程序中的設(shè)置相一致。

著重指出的是 Flagging (流控制 ) 的設(shè)置。當(dāng)設(shè)為缺省值 Hard (硬件流控制 ) 時，則必須將通訊兩端的 RTS 、 CTS 線對應(yīng)相連。在編程時根據(jù)接收端緩沖區(qū)大小設(shè)置一個高位標(biāo)志 (可 為緩沖區(qū)大小的 75%) 和一個低位標(biāo)志 (可為緩沖區(qū)大小的 25%) , 當(dāng)緩沖區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)量達(dá)到高位時，我們在接收端將 CTS 線 置低電平 (送邏輯 0) , 當(dāng)發(fā)送端的程序檢測到 CTS 為低后，就停止發(fā)送數(shù)據(jù)，直到接收端緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)量低于低位而將 CTS 置高電平。RTS 則用來標(biāo)明接收設(shè)備有沒有準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù) 。硬件流控制對硬件和軟件都有要求，增加了復(fù)雜度，在 計算機處理速度遠(yuǎn)高于儀器的情況下，傳輸可以不用流控制 或采用簡便的軟件流控制。可通過 XON/XOFF來實現(xiàn)軟件流 控制。其方法是：當(dāng)接收端的輸入緩沖區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)量超過設(shè)定 的高位時，就向數(shù)據(jù)發(fā)送端發(fā)出 XOFF 字符 (十六進(jìn)制的 13) ， 發(fā)送端收到 XOFF 字符后就立即停止發(fā)送數(shù)據(jù)；當(dāng)接收端的輸入緩沖區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)量低于設(shè)定的低位時， 就向數(shù)據(jù)發(fā)送端發(fā)出 XON 字符 (十六進(jìn)制的 11) ，發(fā)送端收到 XON 字符后就立即開始發(fā)送數(shù)據(jù)。波特率設(shè)為 9600bit/s。標(biāo)志設(shè)為無。行結(jié)束設(shè)為默認(rèn)值的換行。調(diào)試功能關(guān)閉，設(shè)置完畢后，可通過通信軟件 OpenChoice 或自編小程序進(jìn)行測試及調(diào)試。本設(shè)計測試結(jié)果通信順利。
 

5、程 序

5.1串口設(shè)置

LabVIEW 中的 VISA 節(jié)點用于串口通信。其中的函數(shù)可 實現(xiàn)串口初始化、串口寫、串口讀、檢測和清空緩存、串口關(guān)閉 等功能。當(dāng)硬件連接好、示波器設(shè)置好了，程序中的設(shè)置要 保持相一致，才能正確地通信。本設(shè)計中示波器連接的是計 算機的 COM2口，所以串口名為 COM2。終止符與示波器的行結(jié)束設(shè)置一致， 為換行， 換行的 ASCII 碼為 LF , 十六進(jìn)制碼 為 0A 。為了在數(shù)據(jù)傳輸過程中，不遺漏不混疊數(shù)據(jù)和易于檢測錯誤， 設(shè)置輸入緩存區(qū)和超時，緩存區(qū)為 1024個字節(jié)，超時為 1000ms 。波特率與示波器設(shè)置一致為 9600bit/s, 8位數(shù)據(jù) 位，停止位為 1，奇偶校驗和流控制為無。

5.2寫命令
通過程序給示波器發(fā)送命令， 以便得到波形數(shù)據(jù)和相關(guān) 參數(shù)。最終要有波形顯示，必須要獲得橫軸上的時間和豎軸 上的電壓值。命令是以字符串形式在程序中輸入，其具體命令在示波器編程手冊中可查得。注意的是從示波器輸出到計 算機的也是字符串，要把其中的有效數(shù)據(jù)提取出來，并把它們 轉(zhuǎn)化成十進(jìn)制數(shù)字。輸出的字符串會附帶輸入命令的開始部分，要把這些不需要的字符剔除掉。利用節(jié)點 Decimal String To Number 便可實現(xiàn)所需的字符串到十進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換。另外一個需要注意的是要對直接得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行運算處理，才能得到需要的波形數(shù)據(jù)。對于太小的時間標(biāo)度，如納秒級的時間，可以乘以一個轉(zhuǎn)換常數(shù)使之成為易于顯示的時間。對于電壓值， 由運算公式?jīng)Q定。

5.3獲取波形
每次傳輸?shù)淖畲髷?shù)據(jù)量有限 (如最多 1000個數(shù)據(jù)每次 ) ，根據(jù)每次獲取數(shù)據(jù)量和需要的總數(shù)據(jù)量，設(shè)定循環(huán)次數(shù)。得 到的數(shù)據(jù)依次存入波形數(shù)組，并由 Waveform Graph 顯示出來。其中要對得到的字符串進(jìn)行轉(zhuǎn)換，才能得到波形數(shù)據(jù)，以便顯示。另外還要根據(jù)高壓探頭的設(shè)定，最后的波形數(shù)據(jù)要乘以探頭衰減指數(shù)方可得到實際的電壓波形。 

5.4運行結(jié)果
綜合以上的程序，便可得到通信的總程序。示波器實時采集的信號波形和采集后鎖存的信號波形，都可在程序運行后傳到計算機上，進(jìn)行進(jìn)一步處理。
 

6、結(jié)束語

本文系統(tǒng)總結(jié)了泰克示波器與計算機的通信，提出并解決了其中的疑難問題，給出了詳細(xì)的應(yīng)用程序。實驗結(jié)果表明，通信安全可靠，計算機最終得到了正確而完整的示波器測得的波形。程序?qū)Σㄐ蔚暮笃谔幚砉δ軓姶螅�程序界面美觀友好，能滿足眾多測試場合下的要求。不足之處是傳輸速度不是很高，傳輸距離不能太遠(yuǎn)，這是由于串行通信本身所限制。本研究示波器支持的串口傳輸速度最高為 38400位 /秒。若要提高速度，可采取其它高速通信方式。本研究中的實現(xiàn)方法，可類推到其它類型示波器及其它通信方式中。