CN108802459A

CN108802459A - 一种示波器自动测试系统及方法

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Publication number: CN108802459A
Application number: CN201810562791.5A
Authority: CN
Inventors: 崔勇; 苏晨; 杨世武
Original assignee: Beijing Jiaotong University
Current assignee: Beijing Jiaotong University
Priority date: 2018-06-04
Filing date: 2018-06-04
Publication date: 2018-11-13
Anticipated expiration: 2038-06-04
Also published as: CN108802459B

Abstract

一种示波器自动测试系统及方法，属于测量仪器技术领域。基于LabVIEW平台自制一套示波器自动测试软件，可控制数字示波器自动设置测量参数；自动解除单次触发后的停止采集状态，实现信号的连续自动采集；自动存储采集数据至PC机，解决了数字示波器存储深度不足的问题，实现无人值守下信号长时间的测量与记录；根据测试需求，实现预定测试序列自动测量；根据信号的变化自动调整测量档位(水平时基、垂直档位)，实现未知信号的自适应测量。

Description

一种示波器自动测试系统及方法

技术领域

本发明涉及一种示波器自动测试系统及方法，属于测量仪器技术领域。

背景技术

在工程测试现场，受到现场环境约束，测试往往需要在无人值守下进行，如铁路现场测试，测试人员只能在天窗点布置测试设备，在设置好测量参数后即离开测试现场。而在测试过程中，许多情况下被测信号的幅值与频率往往未知，当信号的幅值与频率变化时需要测试设备自动调整测量档位，以保证测量精度。工程中，为减小测量的误差应尽量使得信号大小占据测量设备量程1/2以上；为保证采样精度，采样率应大于2倍信号频率。

现有设备不足：

(1)采用便携式存储记录仪测量，无人值守下，设备无法程控完成预设序列的自动测量；设备不具备采样率的自适应测量，当信号频率超过当前设置采样率下采样带宽时，信号不能得到准确测量；此外，仪器价格昂贵，测试成本高，应用受到限制。

(2)采用数字示波器测量，数字示波器存储深度有限，存储测量数据不断被刷新，无法满足信号长时间记录的测试需求；不能按预测试设序列自动设置测试参数，无法实现自动测量；信号变化时，不能根据信号变化自行调整测试参数，不具备自适应性。

目前现场测试时常用的存储记录仪，存储记录仪的主要缺陷是：

在实时记录模式下，采样率较低，如MR8880-21,实时记录模式下最大采样率为10KSa/s,工程中当采用点显示方式显示正弦信号时，应保证周期中至少有25个采样点才能较好逼近原信号波形，因此存储记录仪理想采样带宽较小。

存储记录仪采用CF卡或者SD卡来存储采集数据，其大小通常在2G～16G之间，不能在高速采样下实现长时间的记录。

在设置好量程后，当信号超出量程后，在监测画面无法看到信号全貌，即量程画面不可自动改变。

存储记录仪价格昂贵，一台小型存储记录仪，如MR8880-21价格在8万元人民币左右，大型记录仪价格更昂贵，测试成本较高，应用受到限制。

发明内容

基于现有设备的不足，本发明提供一种示波器自动测试系统及方法

一种示波器自动测试方法,含有以下步骤；

基于LabVIEW自制一套示波器自动测试软件，控制示波器自动设置数字示波器的测量参数；自动解除单次触发后停止采集状态实现信号的连续自动采集；设计数据存储程序将采集数据实时保存至PC机，实现信号长时间的测量与记录；根据测试需求，实现预定序列的自动测试；根据信号的变化自动调整测量档位(水平时基、垂直档位)，实现未知信号的自适应测量。

还含有以下步骤；

步骤一、上位机LabVIEW平台对示波器的读写控制，实现信号的自动测量，

步骤二、根据未知信号测量幅值、频率的变化自动修改测量档位，实现信号的自适应测量；

步骤三、利用时间函数模型，将示波器控制和测量参数看作随时间变化的函数，对预设序列的自动测量。

步骤一、上位机LabVIEW平台对示波器的读写控制，实现信号的自动测量步骤中还含有以下步骤；

步骤①、数据通信步骤：

首先实现LabVIEW与数字示波器的通信，数字示波器提供的USB、RS232两种方式与上位机相连接，本发明采用USB2.0作为系统的通信方式；

PC和Rigol-DS1052E建立通信，首先需要下载并安装NI-VISA驱动程序，利用VISA模块中VISA打开函数实现PC机对示波器的访问，选择I/O控件中的VISA资源名称并找到USB接口连接的设备代号，完成通信准备工作；

步骤②、参数设置与查询：

在建立通信后，通过示波器控制指令与VISA写入函数向示波器发送控制命令，设置测量档位和测量参数，包括设置示波器的水平时基、垂直档位、触发模式、触发电平、存储方式、耦合方式、探头衰减比例参数；通过示波器查询指令与VISA写入函数向示波器发送查询参数，由VISA读取函数获得对应的查询结果，查询信号数据和信号的测量参数，包括信号波形数据、各种设置参数的查询、以及信号测量参数(信号周期、幅值、有效值)；

步骤③、信号连续采集：

完成参数的设置和查询后，系统要实现信号的连续自动测量；信号连续采集实现的难点是需要解除当前触发状态，在单次触发模式下，示波器需要手动执行AUTO键，解除触发后才能继续测量；在完成示波器初始化配置和信号波形测量后，利用示波器指令系统中的:RUN指令解除当前触发，并将整套采集程序置于循环控制结构中，实现了信号的自动连续采集；

步骤④、数据存储：

实现信号的连续采集后，将采集的数据实时存储至上位机；由于数据存储时，除采集数据外还需记录测试参数，利用数组的概念，将一次采集的信号数据看做是一维数组，对于测试参数的记录采用数组插入的方法；

示波器自动测试系统需要连续采集信号数据，在数据记录时，利用二维数组的框架，将测量参数插入单次采集数据前，组成新的一维数组，然后依次将采集数据写入组成二维数组；

在人机界面提供采集列数的设定接口，实现对写入列数的控制，便于用户控制单个excel文件中采集数据的数量；数据连续采集的程序设计由两个wihle循环架构实现，内循环控制单个excel文件中存储数据的样本列数(采集次数)，未到达结束条件时运用查询信号波形指令将数据读取到数据缓冲区，待达到指定样本数量时内循环结束；利用数据流索引方法将信号数据通过内循环隧道，从内循环输出的是一个二维数组，写入Excel文件，实现按列排序方式的数据存储；

首先采集信号数据，接着查询测试的必要参数(采样率、采样点数、测量时间、垂直档位)，然后在第一个循环结构中判断是否达到结束条件，若没有循环测量；若达到条件将缓冲区数据按列写入Excel文件，并按照时间戳保存文件；判断测试是否结束，若没结束，循环执行采集过程。

步骤二、根据未知信号测量幅值、频率的变化自动修改测量档位，实现信号的自适应测量中还含有以下步骤；

信号参数查询步骤：通过示波器查询指令与LabVIEW程序设计实现信号测量参数的查询，并以此作为控制参数的输入；

信号自适应测量步骤：将示波器查询得到的信号参数输入至控制器，输出最佳的测量档位，实现信号的自适应测量；

模糊控制步骤：在测量信号幅值时，通常选择使信号占据量程一半以上的垂直档位；

对于一个具体信号幅值，在示波器中选择多个测量档位对其测量，350mV大小的信号采用100mV/div、200mV/div、500mV/div、1V/div多个档位进行测量；

垂直档位计算过程步骤，首先由上位机控制平台向示波器发送查询指令，测量信号的幅值，将查询结果拆分为数字档位与量程档位处理，数字档位由模糊控制器实现，量程档位由程序计算获得；在获取信号幅值后，取数值的前两位有效数字作为输入，送到模糊控制器，采用模糊控制步骤由模糊控制器的模糊关系与模糊规则控制找到系统最佳的测量档位输出1、2或5三个数字档位，然后由程序计算出信号幅值的量程档位，两者相乘得到垂直档位；水平时基的计算过程相同；

模糊控制器设计步骤包括主要有以下步骤：

步骤1)、确定模糊控制器的输入变量、输出变量、论域；

步骤2)、设计隶属度函数，即模糊化方法；

步骤3)、确定解模糊化方法；

步骤4)、确定模糊控制器的控制规则；

步骤5)、编制算法程序；

步骤6)、系统仿真实验；

采用三角形隶属度函数与梯形隶属度函数表征元素和模糊子集的隶属度关系；设计垂直档位的隶属函数时，为覆盖1、2、5三个档位以及信号过程量程防护，采用4个模糊子集来覆盖整个论域；采用IF-THEN模糊规则，实现档位的选择过程；

对于过量程信号，信号幅值的测量值为溢出值，此时无法采用模糊控制器进行计算，为实现这类信号的自适应控制，包括步进控制步骤与二分查找算法的自适应测量步骤；

示波器垂直档位和水平时基的档位设置为1-2-5离散单值，并按照步进方式增加或减小，

基于垂直档位和水平时基的特点，结合示波器步进控制指令，利用步进控制步骤实现信号的自适应测量；

应用步进控制步骤时需要得到信号参数与当前的测量档位，因此需要通过示波器查询系统指令完成当前档位和必要参数的测量，然后将测量参数与当前档位进行比较，由程序设定的规则进行判断(是否处于最佳测量档位)，最后输出控制档位；

二分查找算法的自适应测量步骤，首先查询信号幅值与测量档位，接着判断信号幅值是否超出当前量程，将垂直档位按照2mV～10V的编号，计算出当前档位的编号作为low，当信号大小超过当前量程时，将下个档位作为low，执行二分查找过程，直至信号处于最佳量程或者测量档位为最大档位结束。

步骤三、利用时间函数模型，将示波器控制和测量参数看作随时间变化的函数，对预设序列的自动测量中还含有以下步骤；

预设序列信号是随时间推进而变化的，建立时间函数模型研究测量参数的预设示波器测量时，设置如水平时基、垂直档位、触发电平、采集方式控制参数，将其分别看作为时间的函数，以X₁(t)，X₂(t)，…，X_n(t)表示，

在程序控制方面以时间为线索，获取上位机时间在LabVIEW平台设计读取测试序列的配置文件，提供设置预设序列测试的人机界面，按照信号特征写入测试的序列号、信号可能出现的时间范围、信号的幅值与频率范围等待上位机时间到达测试序的设定的时间t_i时刻时，根据配置文件中的测试信息完成测试参数的自动设置或修改。

一种示波器自动测试系统，上位机的LabVIEW的控制平台连接以数字示波器为基础的检测装置，检测装置接收包括电压信号及非电压信号的输入信号。

本发明可在无人值守下实现：预设序列信号的自动测量；对于未知信号，可根据信号幅值、频率的变化自动调整测量档位实现未知信号的自适应测量；以更高采样率记录更长时间的信号数据；数据时域与频域的分析。

本发明的有益效果与现有设备相比，在满足测量要求下，大大降低成本。

本发明通过LabVIEW开发平台编制自动测试软件实现对示波器的控制，使其可以完成信号的自动测试。

本发明的有益效果：

(1)基于LabVIEW平台设计了信号实时检测平台与数据回放中心，信号实时检测平台可控制示波器实现测量参数的自动设置、信号数据的自动采集、信号特征参数的自动测量。数据回放中心通过重建波形与FFT变换实现对信号在时域和频域的分析。

(2)通过建立测量参数的时间函数模型，设计参数配置文件，结合LabVIEW程序设计实现了预设序列的自动测试、信号的智能筛选。预设序列的自动测试提高了熟知信号的测试效率，系统可针对地自动捕捉特定信号。信号的智能筛选使得示波器自动测试系统对采集信号具备“选择”能力，一方面可对采集信号进行筛选；另一方面可节约存储资源，在数据存储源头减小数据存储的压力。

(3)在LabVIEW平台设计数据存储程序，将信号采集数据及其必要测试参数信息以Excel文件格式实时保存至PC机。设计二维数组存储架构实现数据的有序存放，以时间戳命名存储文件。经测试计算得出示波器自动测试系统在常用水平时基下的最大传输速率约200KB/s，普通存储模式下连续测试时长可达约104小时，充分利用了PC机深度存储的硬盘空间，解决了数字示波器存储深度不足的缺陷，使系统具备信号长时间的记录功能。相比于铁路现场现有设备存储记录仪，示波器自动测试系统以更高的采样率实现了更长时间信号的测量与记录。

(4)对信号的自适应测量的进行深入研究，提出了模糊控制、步进控制以及二分查找三种自适应控制方法，对于有确定输入的量程内信号，采用模糊控制方法，在LabVIEW设计模糊控制器与控制程序，对幅值在1％～100％量程范围内的信号可通过一次调整找到最佳垂直档位，稳定测试时最大相对误差为±2.7％，有效减小了档位调整时间并提高了测量准确程度。对于幅值过量程的信号采用步进控制与二分查找算法结合的方法实现了以较少调整次数找到最佳垂直档位，优化了步进控制方式查找次数较多的问题，实现过量程信号的自适应测量。自适应控制方法可控制示波器在数字带宽内始终保持较高采样精度，实现信号频率的自适应测量。示波器自动测试系统改善了现有测试设备不具备自适应测量功能的局限。

附图说明

当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，其中：

图1为本发明示波器自动测试系统；

图2为本发明系统建立通信过程；

图3为本发明上位机对示波器的读写控制实现过程；

图4为本发明信号连续采集的流程图；

图5为本发明数据存储流程图；

图6为本发明垂直档位计算过程示意图；

图7垂直档位输入隶属函数图；

图8垂直档位输出隶属函数图；

图9为本发明二分查找算法自适应测量流程图；

图10为本发明步进控制算法流程图；

图11为本发明预设序列自动测试流程图；

图12信号实时检测平台界面图；

图13实时存储的采集数据图；

图14为本发明测试序列配置文件界面图；

图15(a)测试序列1时间节点前信号波形(测试序列1时间节点前后波形对比)；

图15(b)测试序列1时间节点后信号波形(测试序列1时间节点前后波形对比)；

图16(a)测试序列2时间节点前信号波形(测试序列2时间节点前后结果对比)；

图16(b)测试序列2时间节点后信号波形(测试序列2时间节点前后结果对比)；

图17本发明的未知信号自适应测量流程图；

图18(a)第一次采集数据(过量程信号测试实验结果)；

图18(b)第一次步进控制后采集数据(过量程信号测试实验结果)；

图18(c)第一次二分查找后采集数据(过量程信号测试实验结果)；

图18(d)第二次二分查找后采集数据(过量程信号测试实验结果)；

图19为25Hz相敏轨道电路图；

图20(a)示波器自动测试系统测试点1数据(正常状态下测试点1信号波形)；

图20(b)存储记录仪测试点1数据(正常状态下测试点1信号波形)；

图21(a)示波器自动测试系统测试点2数据(正常状态测试点2信号波形)；

图21(b)存储记录仪测试点2数据(正常状态测试点2信号波形)；

图22(a)示波器自动测试系统通道1数据(短路状态测试点1信号波形)；

图22(b)存储记录仪测试点1数据(短路状态测试点1信号波形)；

图23(a)示波器自动测试系统通道2数据(短路状态测试点2信号波形)；

图23(b)存储记录仪测试点2数据(短路状态测试点2信号波形)；

图24(a)示波器自动测试系统测量数据(500Hz信号测量数据)；

图24(b)存储记录仪测量数据(500Hz信号测量数据)；

图25(a)示波器自动测试系统测量数据(2.5KHz信号测量数据)；

图25(b)存储记录仪测量数据(2.5KHz信号测量数据)；

图26(a)示波器自动测试系统测量数据(200Hz信号测量数据)；

图26(b)存储记录仪测量数据(200Hz信号测量数据)。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

具体实施方式

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。

为便于对实施例的理解，下面将结合做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明的限定。显然，本领域技术人员基于本发明的宗旨所做的许多修改和变化属于本发明的保护范围。

实施例1：一种示波器自动测试方法,含有以下步骤；

数字示波器测量参数设置，信号参数的查询的需要手动完成，示波器自动测试系统需要系统在上位机软件的控制下,自动设置数字示波器的测量参数。

数字示波器在单次触发后处于停止采集状态，示波器自动测试系统需要自动解除触发，实现信号的连续自动采集。

数字示波器存储深度有限，普通模式下DS1052E数字示波器可存储16Kpts采样点；长存储模式下其可存储1Mpts采样点。不具备深度存储，不能实现信号长时间的记录。示波器自动测试系统需要具备深度存储能力，实现信号长时间的测量与记录。

数字示波器不能根据测试需求自动修改测量档位(水平时基、垂直档位)，示波器自动测试系统需要实现预定序列的自动测量。

数字示波器不能根据未知信号幅值、频率的变化修改测量档位，示波器自动测试系统需要上位机软件控制示波器根据信号的变化自动调整测量档位，实现信号的自适应测量。

如图1所示，一种示波器自动测试系统，上位机的LabVIEW的控制平台连接以数字示波器为基础的检测装置，检测装置接收包括电压信号及非电压信号的输入信号。

一种示波器自动测试方法,含有以下步骤；

一种示波器自动测试方法,还含有以下步骤；

所述步骤一、上位机LabVIEW平台对示波器的读写控制，实现信号的自动测量步骤，

步骤①、数据通信步骤：

数据通信步骤的建立过程如图2所示，首先需要实现LabVIEW与数字示波器的通信，数字示波器提供的USB、RS232两种方式可与上位机相连接，USB2.0接口传输速率最大可达60MB/s，而RS232最高传输速率为20KB/s，考虑到数据传输实时性需求，本发明采用USB2.0作为系统的通信方式。

PC和Rigol-DS1052E建立通信，首先需要下载并安装NI-VISA驱动程序，利用VISA模块中VISA打开函数实现PC机对示波器的访问，选择I/O控件中的VISA资源名称并找到USB接口连接的设备代号，完成通信准备工作。

步骤②、参数设置与查询：

上位机对示波器的读写控制实现过程如图3所示，在建立通信后，可通过示波器控制指令与VISA写入函数向示波器发送控制命令，设置测量档位和测量参数，包括设置示波器的水平时基、垂直档位、触发模式、触发电平、存储方式、耦合方式、探头衰减比例等参数；通过示波器查询指令与VISA写入函数向示波器发送查询参数，由VISA读取函数获得对应的查询结果，查询信号数据和信号的测量参数，包括信号波形数据、各种设置参数的查询、以及信号测量参数(信号周期、幅值、有效值等)。

步骤③、信号连续采集：

如图4所示，信号连续采集的流程步骤，

完成参数的设置和查询后，系统要实现信号的连续自动测量。信号连续采集实现的难点是需要解除当前触发状态，示波器在自动(AUTO)模式和正常(NORMAL)模式时一次只能返回600个采样数据，只有在单次触发(SINGLE)模式下才能返回指定点数的波形数据。越多的波形点数意味着越长的记录时间，此外点数的多少还影响后续FFT频域分析时的精度。在单次触发模式下，示波器需要手动执行AUTO键，解除触发后才能继续测量。对于触发解除问题，本发明自行设计控制程序，在完成示波器初始化配置和信号波形测量后，利用示波器指令系统中的:RUN指令解除当前触发，并将整套采集程序置于循环控制结构中，实现了信号的自动连续采集。

步骤④、数据存储：

如图5所示，数据存储流程步骤如下，

实现信号的连续采集后，示波器自动测试系统需要将采集的数据实时存储至上位机，利用PC机的存储空间，解决数字示波器存储深度不足的问题。

数据存储的关键问题是数据存储格式、存储的实时性、数据存储顺序以及文件的命名。存储格式影响数据的存储速度、存储结构；实时存储为保证采集数据不丢失；数据存储顺序与文件命名关系到后续数据的查找、分析、处理的难易程度。

由于数据存储时，除采集数据外还需记录测试参数，发明利用数组的概念，将一次采集的信号数据看做是一维数组，对于测试参数的记录采用数组插入的方法。

而excel文件为表格类型，其横与列的架构类似于二维数组。

而其他文件格式没有横列框架，对于数据的记录和处理不如excel文件方便。

示波器自动测试系统需要连续采集信号数据，在数据记录时，本发明设计二维数组的框架，将测量参数插入单次采集数据前，组成新的一维数组，然后依次将采集数据写入组成二维数组。但是为保证数据存储的可靠性，不宜在一个数据文件中保存过大的采集数据，避免因文件崩溃导致的丢失。

本发明设计数据存储程序时，在人机界面提供采集列数的设定接口，实现对写入列数的控制，便于用户控制单个excel文件中采集数据的数量。数据连续采集的程序设计由两个wihle循环架构实现，内循环控制单个excel文件中存储数据的样本列数(采集次数)，未到达结束条件时运用查询信号波形指令将数据读取到数据缓冲区，待达到指定样本数量时内循环结束。利用数据流索引方法将信号数据通过内循环隧道，从内循环输出的是一个二维数组，写入Excel文件，实现按列排序方式的数据存储。

首先采集信号数据，接着查询测试的必要参数(采样率、采样点数、测量时间、垂直档位等)，然后在第一个循环结构中判断是否达到结束条件，若没有循环测量；若达到条件将缓冲区数据按列写入Excel文件，并按照时间戳保存文件。判断测试是否结束，若没结束，循环执行采集过程。

所述步骤二、根据未知信号测量幅值、频率的变化自动修改测量档位，实现信号的自适应测量。

信号参数查询步骤：

通过示波器查询指令与LabVIEW程序设计实现信号测量参数的查询，并以此作为控制参数的输入。

信号自适应测量步骤：

信号自适应测量是本发明的创新点，上位机软件可将示波器查询得到的信号参数输入至控制器，输出最佳的测量档位，实现信号的自适应测量。

模糊控制步骤：

在测量信号幅值时，通常选择使信号占据量程一半以上的垂直档位。示波器垂直方向满量程由8个单元格组成，在信号幅值与量程比较时，通常研究示波器正半周量程与信号幅值的关系，为研究方便，本发明在文中讨论的量程都为示波器正半周量程(4个单元格组成)。

对于一个具体信号幅值，在示波器中可选择多个测量档位对其测量，如350mV大小的信号可以采用100mV/div、200mV/div、500mV/div、1V/div等多个档位进行测量。信号幅值和量程选择的关系具有模糊性和不确定性，基于测量档位与信号参数之间的模糊关系，本发明提出了基于模糊理论的控制方法，在LabVIEW平台设计模糊控制器，根据信号的输入选择最佳的测量档位。

如图6所示，垂直档位计算过程步骤，首先由上位机控制平台向示波器发送查询指令，测量信号的幅值，将查询结果拆分为数字档位与量程档位处理，数字档位由模糊控制器实现，量程档位由程序计算获得。在获取信号幅值后，取数值的前两位有效数字作为输入，送到模糊控制器，由模糊控制器的模糊关系与模糊规则控制找到系统最佳的测量档位输出1、2或5三个数字档位，然后由程序计算出信号幅值的量程档位，两者相乘得到垂直档位。水平时基的计算过程相同。

模糊控制步骤还主要有以下步骤：

步骤1)、确定模糊控制器的输入变量、输出变量、论域。

步骤2)、设计隶属度函数，即模糊化方法。

步骤3)、确定解模糊化方法。

步骤4)、确定模糊控制器的控制规则。

步骤5)、编制算法程序。

步骤6)、系统仿真实验。

本发明设计有效数字模型，取信号幅值前两位有效数字作为模糊控制器的输入，在覆盖信号范围的同时，保证控制精度。输入论域为[2,20]。

LabVIEW平台提供了模糊控制器的设计模块，在程序框图的工具→控制与仿真→FuzzySystemDesigner中打开。在设计模块菜单栏可切换Variables、Rules、TestSystem。Variables中主要功能有添加输入、输出变量，设计其隶属度函数。

本发明采用三角形隶属度函数与梯形隶属度函数表征元素和模糊子集的隶属度关系。设计垂直档位的隶属函数时，为覆盖1、2、5三个档位以及信号过程量程防护，采用4个模糊子集来覆盖整个论域。

如图7所示，垂直档位输入隶属函数步骤，

设计原则为隶属度函数其中低档位模糊集涵盖论域[2,4]，隶属度最大值点放在[2,3]；中档位模糊集涵盖[2,8]，隶属度最大值点放在6；高档位模糊集涵盖[5,20]，隶属度最大值点放在14；进位1档位模糊集涵盖[16,20]，隶属度最大值区间为[19,20]。

如图8所示，垂直档位输出隶属函数步骤，

对于输出隶属度函数，示波器垂直档位是按1-2-5步进变化，输出是离散的单值量。本发明设计的输出的函数采用单值模糊化方法，仅在该点出隶属度为1，其他处隶属度为0。

本发明采用经典的IF-THEN模糊规则，实现档位的选择过程。

对于过量程信号，信号幅值的测量值为溢出值，此时无法采用模糊控制器进行计算，为实现这类信号的自适应控制，本发明包括步进控制步骤与二分查找算法的自适应测量步骤。

如图10所示，步进控制步骤如下，

示波器垂直档位和水平时基的档位设置为1-2-5离散单值，并按照步进方式增加或减小，DS1052E数字示波器提供了多数操作面板对应的指令，对于垂直档位和水平时基的调整，主要有：

:KEY:V_SCALE_INC：步进增加当前通道垂直档位；

:KEY:V_SCALE_DEC：步进减小当前通道垂直档位；

:KEY:H_SCALE_INC：步进增加当前通道水平时基；

:KEY:H_SCALE_DEC：步进减小当前通道水平时基；

本发明基于垂直档位和水平时基的特点，结合示波器步进控制指令，设计步进控制方法实现信号的自适应测量。

应用步进控制方式时需要得到信号参数与当前的测量档位，因此需要通过示波器查询系统指令完成当前档位和必要参数的测量，然后将测量参数与当前档位进行比较，由程序设定的规则进行判断(是否处于最佳测量档位)，最后输出控制档位。

二分查找算法的自适应测量步骤，

二分查找算法：

二分查找算法在有序表的查找中应用广泛，其查找方法为首先假设表中元素升序排列，将查找关键字与表中间位置的关键字比较，若两者相等，则查找成功；否则利用中间位置将表分成前、后两个子表，如果中间位置的元素大于查找元素，则查找前半部分子表，否则查找后半部分子表。重复以上过程，直到找到满足条件的元素。与顺序查找相比，二分查找比较次数减少，查找效率提高。

如图9所示，二分查找算法的自适应测量步骤，首先查询信号幅值与测量档位，接着判断信号幅值是否超出当前量程，将垂直档位按照2mV～10V的编号，计算出当前档位的编号作为low，当信号大小超过当前量程时，将下个档位作为low，执行二分查找过程，直至信号处于最佳量程或者测量档位为最大档位结束。

所述步骤三、利用时间函数模型，将示波器控制和测量参数看作随时间变化的函数，对预设序列的自动测量；

在信号测量时，有时用户对被测信号的变化规律和变化范围有一定了解或判断；有时用户需在不同时间段需要观察两类差别较大的信号。针对以上情况，本发明基于LabVIEW平台设计程序控制示波器完成预设序列的自动测试，提高测试效率与测量准确性。

如图11所示，预设序列自动测试流程步骤，程序控制示波器按预设序列完成自动测试的关键问题是需要在不同时间节点完成控制参数的自动设置。本发明设计时间函数模型，将示波器控制和测量参数看作随时间变化的函数，对预设序列的自动测量进行研究。

预设序列信号是随时间推进而变化的，基于此本发明建立时间函数模型研究测量参数的预设。示波器测量时需要设置如水平时基、垂直档位、触发电平、采集方式等控制参数，将其分别看作为时间的函数，以X₁(t)，X₂(t)，…，X_n(t)表示。

在程序控制方面以时间为线索，设计程序获取上位机时间。在LabVIEW平台设计读取测试序列的配置文件，提供设置预设序列测试的人机界面，用户可按照信号特征写入测试的序列号、信号可能出现的时间范围、信号的幅值与频率范围等。待上位机时间到达测试序的设定的时间t_i时刻时，根据配置文件中的测试信息完成测试参数的自动设置或修改。

实施例2：数据的自动采集与存储含有以下步骤；

示波器自动测试系统在上位机软件的控制下,自动设置数字示波器的测量参数。

数字示波器在单次触发后处于停止采集状态，示波器自动测试系统自动解除触发，实现信号的连续自动采集。

数字示波器存储深度有限，普通模式下DS1052E数字示波器可存储16Kpts采样点；长存储模式下其可存储1Mpts采样点。不具备深度存储，不能实现信号长时间的记录。示波器自动测试系统设计程序将采集数据实时存储至PC机，使得系统具备深度存储能力，实现信号长时间的测量与记录。

本发明设计信号实时检测平台，实现数据的自动采集，如图12所示。

存储至PC机的原始采集数据如图13所示，经过DA转换程序便可得到信号电压数值。

实施例3：

复杂测试的自动测试。

示波器自动测试系统对于熟知信号可按照预定的测试序列完成自动测量任务，在信号可能到达时刻前设置好示波器的测量参数，有利于对不同特点、不同测试项目信号进行测量，提高测量效率与准确性。关于实现方法与程序设计已在前文介绍，现设计实验对该功能进行验证。

本发明采取2组具有代表性的测试序列进行测试，测试序列信息如图14所示。

为便于测量，每次测试时间设为5分钟，相邻测试序列间隔也设为5分钟。第一个信号到达时间为13:47分，持续5分钟，第二个信号到达时间为13:57，持续5分钟。在第一个信号为到达前，利用信号发生器输出1000Hz，2V的正弦信号，先将示波器的垂直档位设为100mV，此时信号不能被准确测量(超出示波器当前量程)。这样设置目的是验证对于过量程信号，垂直档位自动调整对测量结果的影响。测试结束后，在LabVIEW数据回放平台，对比测试序列1时间节点前后信号，如图15(a)、图15(b)所示。

由信号复现的波形图可知，到达测试序列1的时间节点，程序自动读取并解析配置文件信息，根据信号预测频率，由水平模糊控制器输出合适水平时基，保证足够采样率；根据信号的幅值上限，由垂直模糊控制器输出较为合适的垂直档位，控制示波器垂直档位调整，实现了系统的按预设序列的自动测试，使信号被准确测量。

在测试序列1测量结束后，调整信号发生器输入信号幅值500mV、频率调整到500Hz，目的是反映在较大量程测试较小信号时产生的测量误差，在LabVIEW回放平台对比测试序列2时间节点前后的波形数据，其结果如图16(a)、图16(b)所示。

由图16(a)、图16(b)可见，在测试序列2时间节点前，示波器的垂直档位为1V，可知此时最小电压增量为40mV，测量500mV信号时因精度较低，相邻两个采样点之间数值变化较大，信号阶梯现象明显，平滑度较差。到达测试序列2时间节点，垂直档位调整到200mV/div，水平时基调整到1ms/div，信号波形得到了明显改善。经过以上两组测试分析，示波器自动测试系统对于变化的已知信号测试序列，可自动修改测试参数至较为合理的测量档位，实现预设序列的自动测试。

实施例4：

现场测试时，测试信号往往未知，此时无法提前设置测试参数。对于这类未知信号的监测，在采样率控制方面，由于示波器具备最高1GSa/s的实时采样率，可在大多数水平时基档位下不少于100个采样点，满足大部分信号频率测量，本发明设计水平模糊控制器控制一个信号周期占据1/2～2个水平时基的时间(单周期不少于50个采样点)，保证采样精度。若信号频率突变大于1/2采样率时，采用步进控制控制增大采样率。

垂直档位控制在信号测量时比较关键，一旦超出当前量程，信号将无法被准确测量，本发明重点针对垂直档位调整进行研究。垂直档位的调整需要依靠被测信号幅值进行判断。当信号幅值在示波器量程内，可采用模糊控制方法输出最佳的垂直档位控制参数；当信号幅值超出示波器量程时(信号幅值溢出)，采用步进控制与二分查找算法相结合的方式对未知信号进行有效监测。

未知信号的自适应测试流程图如图17所示。

当信号幅值小于量程时，通过模糊控制器经过1～2次调整可控制垂直档位调整到最佳测量档位。当信号幅值超过量程时，垂直档位调整次数未知，控制较为复杂，因此本节针对未知信号超过当前量程的情形设计实验，验证系统自适应性。

将示波器初始垂直档位设为较低的100mV/div，水平时基设为1ms/div。同时用信号发生器发出幅值为9V，频率1000Hz的信号，使得信号幅值超过当前量程，在实时信号检测平台控制示波器完成过量程信号的实验测试。

在数据回放平台查看采集数据，过量程信号测试的实验结果如图18(a)、图18(b)、图18(c)、图18(d)所示。

在第一次数据采集时，示波器垂直档位为100mV/div，信号幅值9V大于当前量程(400mV)执行一次垂直档位的步进增加控制。步进控制后垂直档位为200mV/div，信号幅值仍大于示波器量程，从500mV～10V还有5个档位，这时执行二分查找算法程序，调整垂直档位至2V/div，信号幅值稍大于量程信号顶部有少许失真，执行第二次二分查找，调整垂直档位至5V/div，此时信号在测量范围内，达到测量的档位要求。垂直档位从100mV/div调整到5V/div，用步进控制方式需要5次档位调整，应用步进控制与二分查找算法只需要3次调整即可。由实验可知二分查找算法优化了步进控制的执行次数问题，有效减小了系统的调整时间，示波器自动测试系统可实现过量程信号的自适应测量

实施例5：

为进一步验证示波器自动测试系统的实用性和可靠性，本发明除了在实验室条件下测试外，还将测试系统应用在工程场景中进行测试。

示波器用于时域信号的监测，在信号分析，故障诊断等领域应用广泛。本发明将示波器应用于轨道电路信号设备中的信号测量，记录扼流变压器(BES)在正常和短路下测试点电压变化过程。扼流变压器是轨道电路中强电和弱电结合的部分，在轨道电路设备中起到重要作用。对于牵引供电系统，它是牵引电流的回路；对于轨道电路系统，它是发送和接收电路的重要匹配设备。若扼流变压器发生故障，可能会导致轨道电路信号设备的错误动作，危害行车安全。

扼流变压器布置点在室外，故障检测与维护时都需要测试人员去布置点操作，本发明设计的示波器自动测试系统可实现野外长时间的自动测试，与测试需求吻合，解放了测试人员的繁杂的体力工作。

为复现工程测试现场，本发明搭建25Hz相敏轨道电路测试环境，25Hz相敏轨道电路电路如图19所示。

为便于制造短路故障，测试时选择还未封装的扼流变压器设被进行测试实验，短路点选择在发送端扼流变压器的牵引电流侧。扼流变压器牵引线圈侧与信号线圈侧匝数比为1:3，

根据变压器电压与匝数公式:

公式中的参数U₁为扼流变压器牵引线圈侧电压；

U₂为扼流变压器信号线圈侧电压；

N₁为扼流变压器牵引线圈侧匝数；

N₂为扼流变压器信号线圈侧匝数；

可知正常状态下5，6两端电压U₅₆与7，8两端电压U₇₈之比为1:3，扼流变压器牵引侧发生短路时，匝数N₁减少会导致两端电压降低。

而继电器可靠吸起的电压为大于等于15V，相位差α在72o～90o之间。电路故障可能会造成继电器两端电压降低，导致继电器落下，危害行车安全。

测试方案为

(1)将发送端扼流变压器牵引电流侧5，6两端的测试点作为测试点1；将继电器3，4两端测试点作为测试点2。用示波器通道1测量测试点1两端电压，用示波器通道2测量测试点2电压。

(2)在继电器稳定吸起状态时，测试在正常工作状态下两个测试点信号的电压值。

(3)然后利用金属铜线将发送端扼流变压器牵引电流侧部分匝数线圈短路，造成短路故障，测量两个测试点电压变化。

(4)测试全程用存储记录仪同步测量，将测试数据与示波器自动测试系统采集的数据进行比较和分析；

对测试数据进行分析时，将示波器自动测试系统在短路时刻前后所测数据，与存储记录仪记录数据进行对比。

正常状态下两种设备测试点1信号如图20(a)、图20(b)所示。

正常状态下测试点2信号如图21(a)、图21(b)所示。

在正常状态下两设备测试结果对比可知，扼流变压器的牵引电流侧电压幅值约为1.2V，继电器两端电压约为21.9V，继电器为吸起状态。两种设备测试结果基本一致。

短路状态下两设备测试点1信号波形如图22(a)、图22(b)所示。

短路状态下两设备测试点2信号如图23(a)、图23(b)所示。

分析示波器自动测试系统的测试数据可知，短路发生时，测试点1电压由1.2V下降到0.32V，测试点2两端电压由21.9V下降到6.5V，同时观察到继电器落下。待上位机接到信号幅值反馈时，示波器通道1自动修改垂直档位由0.5V/div变为0.1V/div，示波器通道2垂直档位由10V/div变为2V/div，示波器测量效果恢复正常，与存储记录仪基本一致，验证了示波器自动测试系统可在现场中根据信号变化自动调整测试参数的能力，实现了信号的准确测量和自动测试。

本发明设计的示波器自动测试系统经过测试，验证了信号幅值的自适应测量功能。

实施例6：

在水平方向上，程控的示波器自动测试系统可以随信号频率的变化，自动修改水平时基，进而改变采样率，这是存储记录仪无法实现的。本发明利用信号发生器作为信号源设计补充实验，验证示波器自动测试系统对信号频率的自适应测量。首先将存储记录仪采样率设置为5KSa/s，将示波器水平时基设备1ms/div。

应用示波器自动测试系统与存储记录仪同时测量频率为500Hz、2.5KHz、200KHz，幅值为100mV的信号，两种设备在不同频率下测量的信号波形如图24(a)、图24(b)、图25(a)、图25(b)、图26(a)及图26(b)所示。

由对比的信号波形可知，信号频率为500Hz时，信号频率与两种设备的采样率满足采样定理，在两设备中信号能够被有效采集；信号频率为2.5KHz时，示波器自动测试系统可由水平模糊控制器自动修改水平时基，进而改变采样率以保证采样精度，而存储记录仪不能自动修改采样率，信号频率为采样率的1/2，信号波形变为锯齿波，记录数据无法真实复现信号；信号频率为200KHz时，示波器自动测试系统通过自适应调整仍能保持足够的采样率，存储记录仪对过采样信号无法正常记录。频率自适应测量的结果如表1所示。

表1频率自适应测量结果

在信号频率发生变化时，存储记录仪无法自动修改采样率，当信号频率与采样率不满足采样定理时，存储记录仪无法进行准确测量。示波器自动测试系统可根据信号频率的变化自动调整水平时基，进而改变采样率，保证采样精度，实现了信号频率的自适应测量，改善了现有的设备的不足。

如上所述，对本发明的实施例进行了详细地说明，但是只要实质上没有脱离本发明的发明点及效果可以有很多的变形，这对本领域的技术人员来说是显而易见的。因此，这样的变形例也全部包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种示波器自动测试系统，其特征在于上位机的LabVIEW的控制平台连接以数字示波器为基础的检测装置，检测装置接收包括电压信号及非电压信号的输入信号。

2.一种示波器自动测试方法,其特征在于含有以下步骤；

在上位机软件的控制下,自动设置数字示波器的测量参数；自动解除单次触发后停止采集状态，实现信号的连续自动采集；设计数据存储程序将采集数据实时保存至PC机，实现信号长时间的测量与记录；根据测试需求，实现预定序列的自动测试；根据信号的变化自动调整测量档位(水平时基、垂直档位)，实现未知信号的自适应测量。

3.根据权利要求2所述的一种示波器自动测试方法，其特征在于还含有以下步骤；

4.根据权利要求3所述的一种示波器自动测试方法，其特征在于步骤一、上位机LabVIEW平台对示波器的读写控制，实现信号的自动测量步骤中还含有以下步骤；

步骤①、数据通信步骤：

首先实现LabVIEW与数字示波器的通信，数字示波器提供的USB、RS232两种方式与上位机相连接，采用USB2.0作为系统的通信方式；

步骤②、参数设置与查询：

步骤③、信号连续采集：

步骤④、数据存储：

5.根据权利要求3所述的一种示波器自动测试方法，其特征在于步骤二、根据未知信号测量幅值、频率的变化自动修改测量档位，实现信号的自适应测量中还含有以下步骤；

信号参数查询步骤：通过示波器查询指令与LabVIEW程序实现信号测量参数的查询，并以此作为控制参数的输入；

模糊控制步骤：在测量信号幅值时，通常选择使信号占据量程一半以上的垂直档位；对于一个具体信号幅值，在示波器中选择多个测量档位对其测量，350mV大小的信号采用100mV/div、200mV/div、500mV/div、1V/div多个档位进行测量；

模糊控制器的设计步骤包括有以下步骤：

步骤1)、确定模糊控制器的输入变量、输出变量、论域；

步骤2)、设计隶属度函数，即模糊化方法；

步骤3)、确定解模糊化方法；

步骤4)、确定模糊控制器的控制规则；

步骤5)、编制算法程序；

步骤6)、系统仿真实验；

采用三角形隶属度函数与梯形隶属度函数表征元素和模糊子集的隶属度关系；设计垂直档位的隶属函数时，为覆盖1、2、5三个档位以及信号过程量程防护，采用4个模糊子集来覆盖整个论域；采用IF-THEN模糊规则，实现档位的选择过程；对于过量程信号，信号幅值的测量值为溢出值，此时无法采用模糊控制器进行计算，为实现这类信号的自适应控制，包括步进控制步骤与二分查找算法的自适应测量步骤；

6.根据权利要求3所述的一种示波器自动测试方法，其特征在于步骤三、利用时间函数模型，将示波器控制和测量参数看作随时间变化的函数，对预设序列的自动测量中还含有以下步骤；

预设序列信号是随时间推进而变化的，建立时间函数模型研究测量参数的预设示波器测量时，设置水平时基、垂直档位、触发电平、采集方式控制参数，将其分别看作为时间的函数，以X₁(t)，X₂(t)，…，X_n(t)表示，