基于LabVIEW的泰克示波器與計(jì)算機(jī)的通信

隨著測(cè)試技術(shù)的發(fā)展和測(cè)試要求的不斷提高，高性能示波器在測(cè)試領(lǐng)域中的應(yīng)用越來(lái)越多。例如美國(guó)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(chǔ)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(jì)算機(jī)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(jiǎn)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(jì)算機(jī)；
③ 受內(nèi)存的限制，示波器本身只能短期存儲(chǔ)有限量的數(shù)據(jù)，而計(jì)算機(jī)可以永久存儲(chǔ)海量的數(shù)據(jù)， 并且還有個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)就是這些數(shù)據(jù)可隨時(shí)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(qiáng)測(cè)試功能和提高測(cè)試效率， 把示波器與計(jì)算機(jī)結(jié)合起來(lái)使用成為必然。 這樣首先就要解決示波器與計(jì)算機(jī) 的通信問(wèn)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(shí)，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(shí)現(xiàn)方法。
 

1、泰克示波器

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

本設(shè)計(jì)采用的泰克 TDS3014B 型號(hào)數(shù)字熒光示波器， 四通道輸入，彩屏顯示，美觀實(shí)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(cè)得波形和儲(chǔ)存測(cè)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(jì)算機(jī)結(jié)合起來(lái)使用時(shí)， 有很多途徑可以把泰克示波器測(cè)得的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)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(pán)存儲(chǔ)測(cè)試數(shù)據(jù)， 然后拷貝到計(jì)算機(jī)上；

(2) TDS3014B 型號(hào)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(gè)通信接口， 通過(guò)這些接口可建立示波器與計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)的無(wú)縫聯(lián)結(jié)， 計(jì) 算機(jī)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(guò)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(duì)示波器進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)；

(5) 新型號(hào)示波器還帶有 USB 接口，可直接與計(jì)算機(jī) USB 接口相連來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。

隨著儀器與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，將會(huì)出現(xiàn)更多的方法，便于示波器與計(jì)算機(jī)聯(lián)合應(yīng)用。
 

2、LabVIEW 的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用

LabVIEW 是美國(guó)國(guó)家儀器公司推出的一種基于圖形開(kāi) 發(fā)、 調(diào)試和運(yùn)行程序的集成化環(huán)境，是目前國(guó)際上應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強(qiáng)的編譯型圖形化編程語(yǔ)言。它以程序流 程圖的方式編程而基本上不需要寫(xiě)程序代碼，是技術(shù)人員們 容易上手的語(yǔ)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(cè)試儀器的驅(qū)動(dòng)程序，還支持 VISA 、 SCPI 和 IVI 等最新的程控軟件標(biāo)準(zhǔn)，為用戶(hù)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)不同的 先進(jìn)測(cè)試系統(tǒng)提供了軟件支持。本設(shè)計(jì)中就是應(yīng)用了 Lab-VIEW 中的 VISA 節(jié)點(diǎn)，方便地設(shè)計(jì)出了串口通信程序。LabVIEW 可特別好地模擬真實(shí)儀器的操作面板， 能實(shí)現(xiàn)高級(jí)儀器測(cè)得數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)圖形化顯示。LabVIEW 擁有有 強(qiáng)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(jì)算機(jī)上方便地模擬示波器。

LabVIEW 有強(qiáng)大的交互式界面設(shè)計(jì)功能， 設(shè)計(jì)的界面美觀友好，接近真實(shí)，讓操作人員樂(lè)于接受。

由于以上的優(yōu)點(diǎn)，LabVIEW 在本設(shè)計(jì)中被用來(lái)編寫(xiě)軟件，取得了良好效果。
 

3、RS-232串口通信

RS-232是美國(guó)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(jì)算機(jī)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�，F(xiàn)在的大部分 PC 上使用簡(jiǎn)化了的 9芯 D 型插座。本設(shè)計(jì)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(shí)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(qǐng)求發(fā)送信號(hào) CTS 。接著接收端發(fā)出數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備好信號(hào) DTR，發(fā)送端的 DSR 接收到對(duì)方的 DTR 以后，開(kāi)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(yàn)。對(duì)于兩個(gè)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(gè)數(shù)。

(2) 數(shù)據(jù)位：衡量通信中實(shí)際數(shù)據(jù)位的參數(shù)。當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā) 送一個(gè)信息包，實(shí)際的數(shù)據(jù)不會(huì)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(jiǎn)單的文本 (標(biāo)準(zhǔn) ASCII 碼 ) , 那么每個(gè)數(shù)據(jù)包使用 7位數(shù)據(jù)。 每個(gè)包是指一個(gè)字節(jié)，包括開(kāi)始 /停止位，數(shù)據(jù)位和奇偶校驗(yàn)位。由于實(shí)際數(shù)據(jù)位取決于通信協(xié)議的選取，術(shù)語(yǔ) “包” 指任 何通信的情況。

(3) 停止位：表示單個(gè)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(shí)的，并且每一個(gè)設(shè)備有其自 己的時(shí)鐘，很可能在通信中兩臺(tái)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(jì)算機(jī)校正 時(shí)鐘同步的機(jī)會(huì)。適用于停止位的位數(shù)越多，不同時(shí)鐘同步的容忍程度越大，但是數(shù)據(jù)傳輸率同時(shí)也越慢。

(4) 奇偶校驗(yàn)位：串口通信中一種簡(jiǎn)單的檢錯(cuò)方式。有 4種檢錯(cuò)方式：偶、 奇、 高和低。當(dāng)然沒(méi)有校驗(yàn)位也是可以的。 對(duì)于偶和奇校驗(yàn)的情況，串口會(huì)設(shè)置校驗(yàn)位 (數(shù)據(jù)位后面的一 位 ) ，用一個(gè)值確保傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有偶個(gè)或者奇?zhèn)�邏輯高位。例如， 如果數(shù)據(jù)是 011，那么對(duì)于偶校驗(yàn)， 校驗(yàn)位為 0，保證邏輯 高的位數(shù)是偶數(shù)個(gè)。如果是奇校驗(yàn)， 校驗(yàn)位位 1，這樣就有 3個(gè)邏輯高位。高位和低位不真正的檢查數(shù)據(jù)， 簡(jiǎn)單置位邏輯 高或者邏輯低校驗(yàn)。 這樣使得接收設(shè)備能夠知道一個(gè)位的狀態(tài)，有機(jī)會(huì)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(jiǎn)單，價(jià)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(jì)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(jì)算機(jī)連起來(lái)后，要對(duì)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(shí)，則必須將通訊兩端的 RTS 、 CTS 線對(duì)應(yīng)相連。在編程時(shí)根據(jù)接收端緩沖區(qū)大小設(shè)置一個(gè)高位標(biāo)志 (可 為緩沖區(qū)大小的 75%) 和一個(gè)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(shí)，我們?cè)诮邮斩藢?CTS 線 置低電平 (送邏輯 0) , 當(dāng)發(fā)送端的程序檢測(cè)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(lái)標(biāo)明接收設(shè)備有沒(méi)有準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù) 。硬件流控制對(duì)硬件和軟件都有要求，增加了復(fù)雜度，在 計(jì)算機(jī)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(jiǎn)便的軟件流控制�？赏ㄟ^(guò) XON/XOFF來(lái)實(shí)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(guò)設(shè)定 的高位時(shí)，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(shí)， 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(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)。波特率設(shè)為 9600bit/s。標(biāo)志設(shè)為無(wú)。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(guò)通信軟件 OpenChoice 或自編小程序進(jìn)行測(cè)試及調(diào)試。本設(shè)計(jì)測(cè)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(diǎn)用于串口通信。其中的函數(shù)可 實(shí)現(xiàn)串口初始化、串口寫(xiě)、串口讀、檢測(cè)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(jì)中示波器連接的是計(jì) 算機(jī)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(guò)程中，不遺漏不混疊數(shù)據(jù)和易于檢測(cè)錯(cuò)誤， 設(shè)置輸入緩存區(qū)和超時(shí)，緩存區(qū)為 1024個(gè)字節(jié)，超時(shí)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(yàn)和流控制為無(wú)。

5.2寫(xiě)命令
通過(guò)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(shí)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(cè)中可查得。注意的是從示波器輸出到計(jì) 算機(jī)的也是字符串，要把其中的有效數(shù)據(jù)提取出來(lái)，并把它們 轉(zhuǎn)化成十進(jìn)制數(shù)字。輸出的字符串會(huì)附帶輸入命令的開(kāi)始部分，要把這些不需要的字符剔除掉。利用節(jié)點(diǎn) Decimal String To Number 便可實(shí)現(xiàn)所需的字符串到十進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換。另外一個(gè)需要注意的是要對(duì)直接得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理，才能得到需要的波形數(shù)據(jù)。對(duì)于太小的時(shí)間標(biāo)度，如納秒級(jí)的時(shí)間，可以乘以一個(gè)轉(zhuǎn)換常數(shù)使之成為易于顯示的時(shí)間。對(duì)于電壓值， 由運(yùn)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(gè)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(lái)。其中要對(duì)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(shí)際的電壓波形。 

5.4運(yùn)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(shí)時(shí)采集的信號(hào)波形和采集后鎖存的信號(hào)波形，都可在程序運(yùn)行后傳到計(jì)算機(jī)上，進(jìn)行進(jìn)一步處理。
 

6、結(jié)束語(yǔ)

本文系統(tǒng)總結(jié)了泰克示波器與計(jì)算機(jī)的通信，提出并解決了其中的疑難問(wèn)題，給出了詳細(xì)的應(yīng)用程序。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通信安全可靠，計(jì)算機(jī)最終得到了正確而完整的示波器測(cè)得的波形。程序?qū)Σㄐ蔚暮笃谔幚砉δ軓?qiáng)大，程序界面美觀友好，能滿(mǎn)足眾多測(cè)試場(chǎng)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(shí)現(xiàn)方法，可類(lèi)推到其它類(lèi)型示波器及其它通信方式中。