基于LabVIEW的泰克示波器與計算機的通信

隨著測試技術的發展和測試要求的不斷提高，高性能示波器在測試領域中的應用越來越多。例如美國泰克公司生產的多款數字示波器，就是具有波形顯示、數據分析、數據存儲和打印，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 數據處理能力有限， 示波器本身只能做一些簡單的數據分析，數據處理能力和速度都遠不如計算機；
③ 受內存的限制，示波器本身只能短期存儲有限量的數據，而計算機可以永久存儲海量的數據， 并且還有個突出的優點就是這些數據可隨時方便的被調用、處理， 甚至傳輸到網絡上與其它人共享。

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。具體應用時，便要根據示波器的支持情況，以及應用的具體需要，選擇通信方式及其實現方法。
 

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、抗干擾能力強等優點，在測試領域中被廣泛應用。

本設計采用的泰克 TDS3014B 型號數字熒光示波器， 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據。配帶的通訊模塊上有 3種端口，能夠支持多種通信方式。當把示波器與計算機結合起來使用時， 有很多途徑可以把泰克示波器測得的數據傳輸到計算機上進行后期處理， 例如：

(1) 可使用示波器自帶的內置軟盤存儲測試數據， 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結， 計 算機可方便地獲得示波器的拷屏、 設置和波形數據；

(4) 通過內置以太網和使用 e*Scope可把示波器連接到 In-ternet 上，可對示波器進行遠程監測；

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

隨著儀器與計算機技術的發展，將會出現更多的方法，便于示波器與計算機聯合應用。
 

2、LabVIEW 的優點和應用

LabVIEW 是美國國家儀器公司推出的一種基于圖形開 發、 調試和運行程序的集成化環境，是目前國際上應用最廣、發展最快、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，是技術人員們 容易上手的語言。

LabVIEW 囊括了各種儀器通信總線標準的功能函數，不僅提供數百種不同接口測試儀器的驅動程序，還支持 VISA 、 SCPI 和 IVI 等最新的程控軟件標準，為用戶設計開發不同的 先進測試系統提供了軟件支持。本設計中就是應用了 Lab-VIEW 中的 VISA 節點，方便地設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， 能實現高級儀器測得數據的實時動態圖形化顯示。LabVIEW 擁有有 強大的分析處理波形數據的功能，可容易得到波形的各種特征參數。這些特性使其與示波器能很好地結合使用，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計功能， 設計的界面美觀友好，接近真實，讓操作人員樂于接受。

由于以上的優點，LabVIEW 在本設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是美國電子工業聯盟 (EIA ) 制定的串行數據通信 的接口標準。它被廣泛用于計算機串行接口外設連接 [4]。 傳統的 RS-232接口標準有 22根線，采用標準 25芯 D 型 插頭座。現在的大部分 PC 上使用簡化了的 9芯 D 型插座。本設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、 發送、 接收。 由于串口通信是異步的， 端口能夠 在一根線上發送數據同時在另一根線上接收數據。 其它線用于握手， 但不是必須的。 數據的發送流程是這樣的：在發送數據之前，發送端要給出請求發送信號 CTS 。接著接收端發出數據終端準備好信號 DTR，發送端的 DSR 接收到對方的 DTR 以后，開始在 TXD 上送出數據。

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

(2) 數據位：衡量通信中實際數據位的參數。當計算機發 送一個信息包，實際的數據不會是 8位的，標準的值是 5、 7和 8位。如何設置取決于傳送的信息。比如，標準的 ASCII 碼是 0~127(7位 ) 。擴展的 ASCII 碼是 0~255(8位 ) 。如果數據使用 簡單的文本 (標準 ASCII 碼 ) , 那么每個數據包使用 7位數據。 每個包是指一個字節，包括開始 /停止位，數據位和奇偶校驗位。由于實際數據位取決于通信協議的選取，術語 “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。由于數據是在傳輸線上定時的，并且每一個設備有其自 己的時鐘，很可能在通信中兩臺設備間出現了小小的不同步。 因此停止位不僅僅是表示傳輸的結束，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越多，不同時鐘同步的容忍程度越大，但是數據傳輸率同時也越慢。

(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，串口會設置校驗位 (數據位后面的一 位 ) ，用一個值確保傳輸的數據有偶個或者奇個邏輯高位。例如， 如果數據是 011，那么對于偶校驗， 校驗位為 0，保證邏輯 高的位數是偶數個。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據， 簡單置位邏輯 高或者邏輯低校驗。 這樣使得接收設備能夠知道一個位的狀態，有機會判斷是否有噪聲干擾了通信或者是否傳輸和接收 數據是否不同步。

由于 RS-232應用廣泛，硬件編程要求比較簡單，價格便宜，而且大多設備中已經內置了這種接口，故本設計也采用了 RS-232通信。
 

4、示波器的設置

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進行設置。其設置要根據硬件連 接情況，并與其后程序中的設置相一致。

著重指出的是 Flagging (流控制 ) 的設置。當設為缺省值 Hard (硬件流控制 ) 時，則必須將通訊兩端的 RTS 、 CTS 線對應相連。在編程時根據接收端緩沖區大小設置一個高位標志 (可 為緩沖區大小的 75%) 和一個低位標志 (可為緩沖區大小的 25%) , 當緩沖區內數據量達到高位時，我們在接收端將 CTS 線 置低電平 (送邏輯 0) , 當發送端的程序檢測到 CTS 為低后，就停止發送數據，直到接收端緩沖區的數據量低于低位而將 CTS 置高電平。RTS 則用來標明接收設備有沒有準備好接收數據 。硬件流控制對硬件和軟件都有要求，增加了復雜度，在 計算機處理速度遠高于儀器的情況下，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來實現軟件流 控制。其方法是：當接收端的輸入緩沖區內數據量超過設定 的高位時，就向數據發送端發出 XOFF 字符 (十六進制的 13) ， 發送端收到 XOFF 字符后就立即停止發送數據；當接收端的輸入緩沖區內數據量低于設定的低位時， 就向數據發送端發出 XON 字符 (十六進制的 11) ，發送端收到 XON 字符后就立即開始發送數據。波特率設為 9600bit/s。標志設為無。行結束設為默認值的換行。調試功能關閉，設置完畢后，可通過通信軟件 OpenChoice 或自編小程序進行測試及調試。本設計測試結果通信順利。
 

5、程 序

5.1串口設置

LabVIEW 中的 VISA 節點用于串口通信。其中的函數可 實現串口初始化、串口寫、串口讀、檢測和清空緩存、串口關閉 等功能。當硬件連接好、示波器設置好了，程序中的設置要 保持相一致，才能正確地通信。本設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束設置一致， 為換行， 換行的 ASCII 碼為 LF , 十六進制碼 為 0A 。為了在數據傳輸過程中，不遺漏不混疊數據和易于檢測錯誤， 設置輸入緩存區和超時，緩存區為 1024個字節，超時為 1000ms 。波特率與示波器設置一致為 9600bit/s, 8位數據 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送命令， 以便得到波形數據和相關 參數。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，要把其中的有效數據提取出來，并把它們 轉化成十進制數字。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。利用節點 Decimal String To Number 便可實現所需的字符串到十進制數的轉換。另外一個需要注意的是要對直接得到的數據進行運算處理，才能得到需要的波形數據。對于太小的時間標度，如納秒級的時間，可以乘以一個轉換常數使之成為易于顯示的時間。對于電壓值， 由運算公式決定。

5.3獲取波形
每次傳輸的最大數據量有限 (如最多 1000個數據每次 ) ，根據每次獲取數據量和需要的總數據量，設定循環次數。得 到的數據依次存入波形數組，并由 Waveform Graph 顯示出來。其中要對得到的字符串進行轉換，才能得到波形數據，以便顯示。另外還要根據高壓探頭的設定，最后的波形數據要乘以探頭衰減指數方可得到實際的電壓波形。 

5.4運行結果
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，進行進一步處理。
 

6、結束語

本文系統總結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，給出了詳細的應用程序。實驗結果表明，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。程序對波形的后期處理功能強大，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，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。本研究中的實現方法，可類推到其它類型示波器及其它通信方式中。