基于USB接口的高性能虛擬示波器的開發(fā)實現(xiàn)

1 引言

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

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，使得虛擬儀器的實現(xiàn)成為可能，傳統(tǒng)儀器的一些專用處理器和設(shè)備，被計算機的通用設(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)的時候，只能指定特定的計算機，或打開計算機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現(xiàn)虛擬儀器，現(xiàn)代計算機一般都具有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機配置新的硬件設(shè)備不用在打開機蓋，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，擴充設(shè)備可達127個，并可通過3-5m的電纜連接到計算機，而使采集卡靠近測試對象，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1.5-12mb/s，而在規(guī)范usb2.0中，速率則可達360mb/s。這樣的速率足以滿足絕大多數(shù)場合的要求[2、3]。

2 虛擬示波器的硬件設(shè)計

虛擬示波器的硬件設(shè)計就是要完成虛擬示波器的usb物理設(shè)備的設(shè)計，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個部分：信號調(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)計方案，使各部分硬件相對緊湊，最終縮小了采集，而且a/d轉(zhuǎn)換模塊不在計算機內(nèi)部，可以有效地避免高頻電磁干擾對計算機的影響，也減輕了計算機的負擔(dān)，使計算機可穩(wěn)定、高效的運行。

usb接口模塊是這個系統(tǒng)通訊的關(guān)鍵，模塊需要完成上位機和a/d轉(zhuǎn)換模塊的通訊，需要將上位機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，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：

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

（2）數(shù)據(jù)吞吐量完全達到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（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)議細節(jié)，簡化了用戶配置代碼，加快了開發(fā)過程。

（4）內(nèi)嵌增強型8051處理器，兼容8051指令系統(tǒng)，一個指令周期僅需4個時鐘周期，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單。

（5）休眠模式可以降低系統(tǒng)功耗，延長器件的使用壽命。

邏輯控制模塊是整個設(shè)備控制的核心，其主要是負責(zé)解釋和控制執(zhí)行主機軟件系統(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)備完成激勵信號的發(fā)出、響應(yīng)信號的采集等功能，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展電路構(gòu)成，芯片通過內(nèi)部i/o編程，方便地實現(xiàn)輸入/輸出的邏輯關(guān)系，使得電路更加簡潔，功能更加強大，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完成對信號的a/d轉(zhuǎn)換，由于a/d芯片電壓輸入范圍為正負10v，因此前端信號調(diào)理模塊負責(zé)將信號幅值調(diào)理到正負10v之間，并實現(xiàn)采集電路與被測試對象的信號隔離。

3 虛擬示波器軟件設(shè)計

虛擬示波器的軟件主要完成對虛擬示波器控制、顯示的設(shè)計，即對各個模塊的硬件控制，以及用戶界面的設(shè)計，虛擬示波器的整體軟件應(yīng)該采用分層機構(gòu)，整個控制軟件分為3層，底層物理設(shè)備的控制程序，usb設(shè)備在pc機上的驅(qū)動程序，上位pc機的人機界面軟件，控制軟件的分塊，分層設(shè)計使各層軟件相對獨立，只需考慮各層軟件的接口即可，這樣使軟件的設(shè)計、編寫較為簡單，運行更為可靠，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的單片機芯片，所以就采用8051單片機的匯編語言編寫控制程序，其要點為：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0作用，進入正常操作狀態(tài)，在主循環(huán)過程中，主要等待主機通過控制斷點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激勵信號、發(fā)出激勵、采集數(shù)據(jù)等，采集的數(shù)據(jù)以包為單位裝載到端點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機上的驅(qū)動程序，主要給設(shè)備分配地址，說明控制字，與底層的usb驅(qū)動程序接口。

上位pc機的人機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，人機界面程序主要是使用戶能夠方便地控制整個虛擬示波器的工作，并能通過界面方便地觀測到采集的結(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，上位機的人機界面采用vb開發(fā)，在軟件中，充分利用了類功能，將usb設(shè)備的啟動函數(shù)，停止函數(shù)，數(shù)據(jù)讀取函數(shù)等各個函數(shù)全部整合到動態(tài)鏈接庫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，而且在需要時可以方便快捷的升級人機界面，無需大的改動，使用動態(tài)鏈接庫后，其他應(yīng)用軟件要使用該usb設(shè)備時，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合，實現(xiàn)其他的功能，軟件充分利用了計算機強大的處理能力，可控制usb設(shè)備同時對16個信號進行采集和顯示，并可根據(jù)用戶的需要測出不同信號的頻率，幅值、有效值等參數(shù)，軟件波形觀測界面如圖3所示，此時測量的是一個4574hz的標(biāo)準(zhǔn)正弦波，和一個疊加負直流分量的正弦波。

同時，為了進一步幫助使用者分析所得波形，軟件還能對所采集的信號進行諧波分析，傳統(tǒng)的離散信號dft算法為：

為了節(jié)約cpu資源，能快速、實時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，從而實現(xiàn)了對采集數(shù)據(jù)的實時的諧波分析和顯示，為了對比各次諧波的含量，顯示時可輸出柱狀圖界面（如圖4）；同時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

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