基于USB接口的高性能虛擬示波器的開發(fā)實(shí)現(xiàn)

1 引言

虛擬示波器，是將計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算處理能力和一般硬件儀器的信號(hào)采集，控制能力結(jié)合在一起，從而實(shí)現(xiàn)一般示波器所不能實(shí)現(xiàn)的功能和友好的界面。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使得虛擬儀器的實(shí)現(xiàn)成為可能，傳統(tǒng)儀器的一些專用處理器和設(shè)備，被計(jì)算機(jī)的通用設(shè)備所代替，常用的虛擬儀器，多采用pci或isa插槽，將各種硬件連接到一起，然而采集卡的數(shù)量一般有限，因此組織系統(tǒng)的時(shí)候，只能指定特定的計(jì)算機(jī)，或打開計(jì)算機(jī)蓋裝入專門的采集卡，在使用筆記本電腦或工業(yè)一體化電腦的場(chǎng)合，根本就不支持pci或isa總線的設(shè)備。所以，我們需要一種更方便，更有效，更靈活的總線通訊方式來實(shí)現(xiàn)虛擬儀器，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)一般都具有usb接口，且usb接口的使用靈活，方便，所以首先考慮采用usb總線。

usb總線是intel，ibm，nec，微軟等7家著名公司提出的新一代總線技術(shù)，采用新一代usb總線之后，pc機(jī)配置新的硬件設(shè)備不用在打開機(jī)蓋，且支持熱插拔技術(shù)，給使用者以極大的方便[1]，通過usb集線器，擴(kuò)充設(shè)備可達(dá)127個(gè)，并可通過3-5m的電纜連接到計(jì)算機(jī)，而使采集卡靠近測(cè)試對(duì)象，從而大大地提高了電磁兼容性，在標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議usb1.1中，umb總線的傳輸速率可達(dá)1.5-12mb/s，而在規(guī)范usb2.0中，速率則可達(dá)360mb/s。這樣的速率足以滿足絕大多數(shù)場(chǎng)合的要求[2、3]。

2 虛擬示波器的硬件設(shè)計(jì)

虛擬示波器的硬件設(shè)計(jì)就是要完成虛擬示波器的usb物理設(shè)備的設(shè)計(jì)，即usb接口和usb功能設(shè)備，虛擬示波器的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1可分為4個(gè)部分：信號(hào)調(diào)理部分，a/d轉(zhuǎn)換模塊，邏輯控制模塊，usb接口模塊，虛擬示波器的硬件部分完全采用模塊化設(shè)計(jì)方案，使各部分硬件相對(duì)緊湊，最終縮小了采集，而且a/d轉(zhuǎn)換模塊不在計(jì)算機(jī)內(nèi)部，可以有效地避免高頻電磁干擾對(duì)計(jì)算機(jī)的影響，也減輕了計(jì)算機(jī)的負(fù)擔(dān)，使計(jì)算機(jī)可穩(wěn)定、高效的運(yùn)行。

usb接口模塊是這個(gè)系統(tǒng)通訊的關(guān)鍵，模塊需要完成上位機(jī)和a/d轉(zhuǎn)換模塊的通訊，需要將上位機(jī)的指令送到邏輯控制器idt7207，還需將轉(zhuǎn)換結(jié)果送入上位機(jī)，usb接口芯片選用cypress公司的an2131qc，該芯片有其他芯片所沒有的特點(diǎn)：

（1）基于ram的“軟”系統(tǒng)解決方案（soft，ram based）不需要ram或其他的固化存儲(chǔ)器，而只使用片內(nèi)的程序/數(shù)據(jù)ram。通過主機(jī)下載的方式來配置usb接口，因而使接口系統(tǒng)的修改和升級(jí)變得非常簡(jiǎn)單，使外設(shè)硬件的更新和升級(jí)變得更為方便。

（2）數(shù)據(jù)吞吐量完全達(dá)到usb協(xié)議要求，可以向用戶提供足夠的端口、緩沖區(qū)和傳輸速度，提供usb協(xié)議要求的全部4種傳輸方式（控制傳輸、中斷傳輸、批量傳輸和同步傳輸），可以滿足用戶對(duì)各種類型數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆?br>
（3）片上的串行接口處理機(jī)（sie）完成大部分的usb協(xié)議操作，使用戶可以擺脫復(fù)雜的協(xié)議細(xì)節(jié)，簡(jiǎn)化了用戶配置代碼，加快了開發(fā)過程。

（4）內(nèi)嵌增強(qiáng)型8051處理器，兼容8051指令系統(tǒng)，一個(gè)指令周期僅需4個(gè)時(shí)鐘周期，可提供標(biāo)準(zhǔn)8051三倍以上的處理能力；雙數(shù)據(jù)指針；方便數(shù)據(jù)塊搬移，使用片內(nèi)的ram作為數(shù)據(jù)/程序存儲(chǔ)器，非復(fù)用數(shù)據(jù)/地址總線，使程序指令速度更快，并且同外部器件的連接更加簡(jiǎn)單。

（5）休眠模式可以降低系統(tǒng)功耗，延長(zhǎng)器件的使用壽命。

邏輯控制模塊是整個(gè)設(shè)備控制的核心，其主要是負(fù)責(zé)解釋和控制執(zhí)行主機(jī)軟件系統(tǒng)的控制命令和要求，完成設(shè)備狀態(tài)設(shè)置和控制設(shè)備完成激勵(lì)信號(hào)的發(fā)出、響應(yīng)信號(hào)的采集等功能，邏輯控制模塊主要由可編程邏輯控制器idt7207，及其輔助電路和外圍擴(kuò)展電路構(gòu)成，芯片通過內(nèi)部i/o編程，方便地實(shí)現(xiàn)輸入/輸出的邏輯關(guān)系，使得電路更加簡(jiǎn)潔，功能更加強(qiáng)大，在邏輯控制模塊的控制下a/d轉(zhuǎn)換模塊利用a/d芯片7899完成對(duì)信號(hào)的a/d轉(zhuǎn)換，由于a/d芯片電壓輸入范圍為正負(fù)10v，因此前端信號(hào)調(diào)理模塊負(fù)責(zé)將信號(hào)幅值調(diào)理到正負(fù)10v之間，并實(shí)現(xiàn)采集電路與被測(cè)試對(duì)象的信號(hào)隔離。

3 虛擬示波器軟件設(shè)計(jì)

虛擬示波器的軟件主要完成對(duì)虛擬示波器控制、顯示的設(shè)計(jì)，即對(duì)各個(gè)模塊的硬件控制，以及用戶界面的設(shè)計(jì)，虛擬示波器的整體軟件應(yīng)該采用分層機(jī)構(gòu)，整個(gè)控制軟件分為3層，底層物理設(shè)備的控制程序，usb設(shè)備在pc機(jī)上的驅(qū)動(dòng)程序，上位pc機(jī)的人機(jī)界面軟件，控制軟件的分塊，分層設(shè)計(jì)使各層軟件相對(duì)獨(dú)立，只需考慮各層軟件的接口即可，這樣使軟件的設(shè)計(jì)、編寫較為簡(jiǎn)單，運(yùn)行更為可靠，整體控制軟件流程圖如圖2所示。

底層物理設(shè)備的控制，主要是對(duì)usb接口芯片an2131的初始化，以及其接收、發(fā)送數(shù)據(jù)的控制，由于其內(nèi)嵌了8051的單片機(jī)芯片，所以就采用8051單片機(jī)的匯編語言編寫控制程序，其要點(diǎn)為：通過寫的相應(yīng)寄存器，分別設(shè)置中斷引腳的電平特性、缺省地址和各中斷事件的屏蔽，激活斷點(diǎn)0作用，進(jìn)入正常操作狀態(tài)，在主循環(huán)過程中，主要等待主機(jī)通過控制斷點(diǎn)0發(fā)來的控制命令和握手命令來執(zhí)行相應(yīng)的功能設(shè)備任務(wù)：設(shè)置狀態(tài)、接收pc激勵(lì)信號(hào)、發(fā)出激勵(lì)、采集數(shù)據(jù)等，采集的數(shù)據(jù)以包為單位裝載到端點(diǎn)1的fifo中，還要響應(yīng)an2131的主要事件，其部分控制程序如下：

usb設(shè)備在pc機(jī)上的驅(qū)動(dòng)程序，主要給設(shè)備分配地址，說明控制字，與底層的usb驅(qū)動(dòng)程序接口。

上位pc機(jī)的人機(jī)界面是虛擬示波器與用戶的接口，直接關(guān)系到系統(tǒng)的可用性和方便性，人機(jī)界面程序主要是使用戶能夠方便地控制整個(gè)虛擬示波器的工作，并能通過界面方便地觀測(cè)到采集的結(jié)果和響應(yīng)的數(shù)據(jù)分析，用戶能夠通過程序方便地選擇通道，采集頻率，增益等，考慮到microsoft公司的visual basic開發(fā)的， 界面直觀，易用，上位機(jī)的人機(jī)界面采用vb開發(fā)，在軟件中，充分利用了類功能，將usb設(shè)備的啟動(dòng)函數(shù)，停止函數(shù)，數(shù)據(jù)讀取函數(shù)等各個(gè)函數(shù)全部整合到動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)usb.dll中，在應(yīng)用軟件中如需使用這些函數(shù)控制usb設(shè)備，只需在軟件相應(yīng)的模塊進(jìn)行申明，在程序中直接調(diào)用即可。這樣做不但使軟件程序結(jié)構(gòu)清晰，方便閱讀，而且在需要時(shí)可以方便快捷的升級(jí)人機(jī)界面，無需大的改動(dòng)，使用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)后，其他應(yīng)用軟件要使用該usb設(shè)備時(shí)，也可方便申明函數(shù)，從而方便地控制usb設(shè)備工作，因此，該usb設(shè)備可以方便地用于其他場(chǎng)合，實(shí)現(xiàn)其他的功能，軟件充分利用了計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的處理能力，可控制usb設(shè)備同時(shí)對(duì)16個(gè)信號(hào)進(jìn)行采集和顯示，并可根據(jù)用戶的需要測(cè)出不同信號(hào)的頻率，幅值、有效值等參數(shù)，軟件波形觀測(cè)界面如圖3所示，此時(shí)測(cè)量的是一個(gè)4574hz的標(biāo)準(zhǔn)正弦波，和一個(gè)疊加負(fù)直流分量的正弦波。

同時(shí)，為了進(jìn)一步幫助使用者分析所得波形，軟件還能對(duì)所采集的信號(hào)進(jìn)行諧波分析，傳統(tǒng)的離散信號(hào)dft算法為：

為了節(jié)約cpu資源，能快速、實(shí)時(shí)地得出采集波形的諧波含量，軟件中采用了快速傅里葉變換fft的蝶型算法，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)的諧波分析和顯示，為了對(duì)比各次諧波的含量，顯示時(shí)可輸出柱狀圖界面（如圖4）；同時(shí)為了得到精確的諧波含量，用戶也可以選擇列表方式顯示（如圖5）。

4 虛擬示波器結(jié)果分析

通過和實(shí)際示波器所測(cè)波形進(jìn)行比較可以看出，波形完全反應(yīng)了實(shí)際波形的情況，波形沒有失真，所測(cè)各項(xiàng)參數(shù)與實(shí)際示波器測(cè)得的數(shù)據(jù)相等，且具備了一般示波器所不具備的多通道同時(shí)采集、諧波分析的功能。