设计基于LabVIEW的虚拟仪器系统

　　本文将介绍如何在LabVIEW下快速搭建基于MSP-060101的虚拟示波器和频谱分析软件。

　　一、硬件部分

　　本文中所用到的MSP-060101是一款16bit、500ksps的单通道USB数据采集卡。它具有接口简单、量程可选（±1V与±10V）、速度快、精度高、驱动函数接口简单等优点，非常适合用来快速实现虚拟示波器和频谱分析功能。

　　MSP-060101硬件连接非常简单，将采集卡插入PC的USB接口，按说明安装好驱动程序，就可以进行数据采集了，不需要外接电源和其他繁琐的设备。MSP-060101前端接信号的端口只有两个，分别接到差分输入信号的正端和负端即可，简单明了，一目了然。

　　二、底层函数

　　连接好硬件，接下来了解该卡驱动函数的使用。该卡驱动函数只有两个，封装于MSP-16bitDAQCard.dll中，用户可通过调用DLL的方式来执行函数。函数定义如下：

　　int SetSampleRate (int SampleRate, int DeviceNumber)

　　int GetVoltage(float *DataArray, int ArraySize, float mult, float Offset, int DeviceNumber)

　　SetSampleRate 函数用来设置采集卡的采样率。其参数为 SampleRate（采样率，1K-500K范围内任意设置） 和 DeviceNumber（设备序号，同时支持10块采集卡）。

　　GetVoltage 函数用来采集电压数据。其参数为DataArray（缓存数组）、ArraySize（缓存长度）、mult（增益系数）、Offset（偏移量）和DeviceNumber（设备序号）。

　　这两个函数都有返回值，如果函数执行成功，则返回1，否则返回0。

　　在LabVIEW中，是通过Call Library Function Node来调用DLL函数的。为了便于使用，我们将调用DLL的代码做成子VI函数，子VI主要有两个，即采集数据.VI 和 频率设置.VI。其内部程序框图如下：

　　三、软件编写

　　编写好子VI，接下来的工作就是按照LabVIEW的程序设计方法来设计应用软件。本文以基本的示波软件为例，并结合频谱分析，示范如何利用LABVIEW的高效控件来编写测试软件。

　　软件的整体设计思路大致如下：软件执行为一个无限循环，每次循环分为三个步骤，一是设置采集卡的采样率，二是连续采集一段长度的数据，三是进行数据分析。因此，程序的主体框架就是一个while循环内嵌套一个顺序结构。

　　下面我们来看每次循环的第一个步骤，设置采样率。采样率的设置很简单，直接调用子VI即可。但为了让程序运行的稳定，防止由于采集卡无响应造成的程序死机，同时也使软件更人性化，在这里需要加入一个硬件检查报错机制。其思路是调用设置采样率的函数，如果采集卡硬件没有连好，或是硬件工作不正常，函数执行不成功，将返回0，则通过判断返回值是否为0，就可以判断采集卡硬件是否出现问题。如果出现问题，则向用户报错，提示用户检查硬件，并停止程序，不再向下执行。如果硬件正常，则继续执行数据采集程序。

　　接下来是第二个步骤，采集一定长度的数据。这部分也较为简单，直接调用采集函数即可。数据采集的同时可以设置数据的增益系数和偏移量，以便获得更好的波形效果，也可以用来进行数据校准。

　　对于一个数据采集软件来讲，重点在于第三个步骤，即数据的处理。本例中，目的是要显示一个稳定的波形，并对其频谱做初步的分析。这里将用到一个比较重要的功能，即软件的内触发。该功能是通过判断波形在某一个特定电平（触发电平）点上是上升还是下降（触发极性）来决定后续显示波形的起始点。经过内触发后，每次采集得到的波形都将从相同的电压点，按相同的变化趋势开始，因此对于周期变化的信号来说，波形就能较为稳定的重复出现，便于人们进行观察和分析。在本例中，内触发功能被做成了功能子VI，通过调用该VI就可以将波形进行软件触发。

　　波形经过触发后，基本已经有了一个较为稳定的显示效果。接下来需要给波形数据加入时间特性。其方法是根据采样率算出采样间隔时间Δt，并通过建立波形的控件将Δt赋给波形数据。

　　至此，我们已经得到了一个较为完整的显示波形，简单示波器的功能就已经实现了。

　　想要给软件加上频谱分析的功能，在LabVIEW中也是很容易实现的。只需将我们前面得到的波形数据直接送入FFT函数中，就可以得到波形的频域数据。但为了便于分析，我们希望能自动从频域中提取信号的主频。其算法也很简单，就是由低到高依次扫描不同频率的功率分布值，找到最大值后，根据最大值所在的位置序号来推算主频。值得注意的是扫描时不能从频率0点开始，不然0频率可能对应的是最大的功率分布，一般要把前几个点排除在外。

至此，软件的基本功能都已经完成，我们已经实现了一个简单的示波器软件。应用该软件，配合MSP-060101数据采集卡，就能