基于以太網(wǎng)的虛擬示波器設(shè)計(jì)

虛擬儀器是利用高性能模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件，在通用的計(jì)算機(jī)平臺(tái)上，根據(jù)用戶需求設(shè)計(jì)儀器的測試功能．實(shí)現(xiàn)對信號(hào)的處理、計(jì)算、分析以及波形顯示。近年來，隨著微電子與計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，以及測量技術(shù)與計(jì)算機(jī)的深層次相結(jié)合，虛擬儀器已成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)問題之一。
文獻(xiàn)提出的虛擬示波器是以PCI采集卡硬件為基礎(chǔ)，極大地限制了其連接和加載性能；文獻(xiàn)使用的串行接口傳輸采集設(shè)備傳輸速率不高，實(shí)時(shí)性也不理想；文獻(xiàn)所提出的虛擬示波器采用USB接口數(shù)據(jù)采集設(shè)備，雖然其技術(shù)日趨成熟，但其穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)吞吐量、傳輸速率與傳輸距離，均遜色于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)。因此，將虛擬儀器技術(shù)與以太網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，在VC環(huán)境下利用其輔助開發(fā)包MFC開發(fā)出一種新型網(wǎng)絡(luò)化虛擬示波器，界面友好、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，不但包含傳統(tǒng)虛擬示波器數(shù)據(jù)計(jì)算、頻譜分析和波形顯示等常規(guī)功能，還可實(shí)現(xiàn)波形的快速存儲(chǔ)、回放及遠(yuǎn)程多機(jī)操控功能。

1 虛擬示波器硬件設(shè)計(jì)
虛擬示波器硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。底層硬件采用基于DSP的嵌入式系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成了信號(hào)調(diào)理電路、A／D轉(zhuǎn)換模塊以及網(wǎng)絡(luò)接口器件，完成對被測信號(hào)的采集、處理及發(fā)送功能：信號(hào)調(diào)理電路對各種不同的輸入模擬信號(hào)進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，使被采樣信號(hào)電壓幅值的變化范圍滿足A／D轉(zhuǎn)換模塊的要求，同時(shí)還對輸入信號(hào)進(jìn)行濾波處理，減少信號(hào)失真和噪聲，阻止帶外頻率引入的虛假信號(hào)。A／D轉(zhuǎn)換模塊是嵌入式系統(tǒng)中最為重要的單元，選用TM320F2812DSP中的A／D轉(zhuǎn)換模塊具有12位精度，16通道最高采樣帶寬達(dá)12．5 MS／s。

其優(yōu)異的動(dòng)態(tài)性能足以滿足虛擬示波器的要求。而系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)接口器件則選用以太網(wǎng)控制器LAN91C111，并將其作為外圍設(shè)備與MCU連接，該器件支持100／10 Mb／s的傳輸速率。嵌入式系統(tǒng)與上位機(jī)建立網(wǎng)絡(luò)連接之后通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)，使用上層軟件完成數(shù)據(jù)的波形顯示，計(jì)算和相關(guān)分析等功能。

2 虛擬示波器軟件設(shè)計(jì)
為提高虛擬示波器程序的運(yùn)行效率，編程采用多線程思想，所謂多線程就是將程序分割成相互獨(dú)立運(yùn)行的子任務(wù)，其中包括主線程和分線程，利用CPU分時(shí)機(jī)制，每個(gè)線程都能循環(huán)地獲得自己的CPU時(shí)間，由于輪詢速度非?？欤沟盟芯€程都像是在同時(shí)運(yùn)行一樣。該虛擬示波器程序主線程進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，波形顯示；分線程則獨(dú)立完成接收UDP數(shù)據(jù)報(bào)、保存數(shù)據(jù)并向主線程發(fā)送消息的功能。虛擬示波器程序流程圖如圖2所示。

2．1 以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通信設(shè)計(jì)
虛擬示波器采用分布式以太網(wǎng)接入技術(shù)，即將以太網(wǎng)控制模塊嵌入在嵌入式中，使設(shè)備能直接連接到以太網(wǎng)。嵌入式系統(tǒng)將包含被測信號(hào)數(shù)據(jù)信息的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀發(fā)送到局域網(wǎng)內(nèi)的上位機(jī)時(shí)。需要根據(jù)48 b的以太網(wǎng)硬件地址來確定目的接口。地址解析協(xié)議ARP為以太網(wǎng)硬件地址和IP地址提供映射。虛擬示波器運(yùn)行時(shí)嵌入式系統(tǒng)向目的上位機(jī)發(fā)送ARP請求，預(yù)先設(shè)定好IP地址的上位機(jī)接收到報(bào)文后，識(shí)別出這是發(fā)送端在詢問它的硬件地址，則發(fā)送一個(gè)包含自身的IP地址和硬件地址的ARP應(yīng)答，嵌入式系統(tǒng)收到應(yīng)答之后便可向目的上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)了。
嵌入式系統(tǒng)與上位機(jī)建立網(wǎng)絡(luò)連接之后要進(jìn)行以太網(wǎng)通信還需要實(shí)現(xiàn)TCP／IP協(xié)議族以完成對數(shù)據(jù)的封裝和分用，在應(yīng)用層、運(yùn)輸層、網(wǎng)絡(luò)層、鏈路層4層協(xié)議系統(tǒng)中每層主要負(fù)責(zé)與其他機(jī)器上的對等層進(jìn)行通信。其中鏈路層主要包括物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。完成物理上的接口連結(jié)協(xié)議，設(shè)計(jì)中采用Ethemet(IEEE802．3)確保數(shù)據(jù)傳輸量；運(yùn)輸層協(xié)議主要包括TCP和UDP 2種，TCP協(xié)議雖然具有更高的可靠性，但是其在軟件上實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，程序冗長，并且校驗(yàn)時(shí)占用大量網(wǎng)絡(luò)流量；相比之下，UDP協(xié)議對于減小DSP資源消耗，提高網(wǎng)絡(luò)傳輸效率方面更有優(yōu)勢。為了增強(qiáng)UDP協(xié)議的可靠性，在實(shí)際的通信協(xié)議中，對于關(guān)鍵的量值通過回傳校驗(yàn)機(jī)制保證其可靠傳輸。這種方法將UDP協(xié)議的簡潔性和TCP協(xié)議的可靠性相結(jié)合，同時(shí)也節(jié)省了大量用來校驗(yàn)的網(wǎng)絡(luò)流量，增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性，因此運(yùn)輸層協(xié)議上選擇的是UDP協(xié)議。以太網(wǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送／接收流程圖如圖3所示。