1 引言
虛擬儀器(VI-ViItuaIInstrument)是指通過應(yīng)用程序?qū)⑼ㄓ糜?jì)算機(jī)與功能化硬件結(jié)合起來(lái)，用戶可通過友好的圖形界面操作計(jì)算機(jī)，就像在操作自己定義、自己設(shè)計(jì)的單個(gè)儀器一樣，從而完成對(duì)被測(cè)量的采集、處理、分析、判斷、顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等。在這種儀器系統(tǒng)中，各種復(fù)雜測(cè)試功能、數(shù)據(jù)分析和結(jié)果顯示都完全由計(jì)算機(jī)軟件完成，在很多方面較傳統(tǒng)儀器有無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，如使用靈活方便、測(cè)試功能豐富、價(jià)格低廉、一機(jī)多用等，這些使得虛擬儀器成為未來(lái)電子測(cè)量?jī)x器發(fā)展的主要方向之一。
當(dāng)今虛擬儀器系統(tǒng)開發(fā)采用的總線包括傳統(tǒng)的Rs232串行總線、GPIB通用接口總線、VXI總線、PCI總線和IEEE 1394總線即Firewire(也叫做火線)。
本文介紹基于PCI總線接口的CompuS,cope82G型高速數(shù)據(jù)采集卡和Visual C++編程工具的快速虛擬示波器試驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)集波形采集、數(shù)據(jù)分析、輸出、顯示為一體。為了保證數(shù)據(jù)采集和波形顯示的實(shí)時(shí)性，設(shè)計(jì)中還采用了多線程技術(shù)。
2 系統(tǒng)組成和采集卡的硬件結(jié)構(gòu)
2．1 系統(tǒng)組成
虛擬示波器系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)和專用軟件組成，其中，數(shù)據(jù)采集卡完成對(duì)輸入測(cè)量信號(hào)的調(diào)理采集和緩存，并通過計(jì)算機(jī)PCI總線送入內(nèi)存；計(jì)算機(jī)在應(yīng)用程序控制下對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、運(yùn)算，最后完成各種電量測(cè)試并在屏幕上用圖形或數(shù)據(jù)形式顯示。這一切均在人機(jī)交互方式下完成。
2．2 數(shù)據(jù)采集卡的硬件結(jié)構(gòu)
本虛擬示波器采用Gage公司的CompuScope82G型高速數(shù)據(jù)采集卡作為PCI接口。采集卡的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。
該數(shù)據(jù)采集卡主要由前置濾波器、可程控衰減器、可程控模擬放大電路、A／D轉(zhuǎn)換器、D／A轉(zhuǎn)換器、計(jì)數(shù)，定時(shí)電路、振蕩電路、時(shí)序控制電路及PCI接口電路組成，其功能電路由數(shù)字控制邏輯電路統(tǒng)一控制。該卡是具有2個(gè)模擬量輸入通道的標(biāo)準(zhǔn)的PCI總線插卡，卡上集成的2個(gè)高速8位ADC的工作頻率高達(dá)IGHz，在單通道工作模式下，2個(gè)ADC同時(shí)工作，分別在脈沖的上升沿和下降沿進(jìn)行轉(zhuǎn)換，所以最高采樣頻率可以達(dá)到2GHz。卡上配置有16M的高速存儲(chǔ)器，解決了高采樣率和相對(duì)較低PCI總線數(shù)據(jù)傳輸速率的匹配問題。在使用之前必須對(duì)采集卡的硬件進(jìn)行配置，這些控制程序用到相應(yīng)的底層DAQ驅(qū)動(dòng)程序。通過采集卡自帶的DLL可以在程序中靈活地對(duì)硬件進(jìn)行控制，比如輸入阻抗、輸入電壓范圍、放大器增益、采樣頻率、每次采樣點(diǎn)數(shù)等。
3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
3．1 虛擬示波器的軟件開發(fā)環(huán)境
虛擬儀器最核心的技術(shù)是軟件技術(shù)。目前，用于虛擬儀器開發(fā)的軟件開發(fā)平臺(tái)主要有二大類：一類是通用的可視化軟件編程環(huán)境，主要有Microsoft公司的Visual C++和Visual Basic、Inprise公司的Delphi和C++Builder等；另一類是一些公司推出的專用于虛擬儀器開發(fā)軟件的編程環(huán)境，主要有NI公司的圖形化編程環(huán)境LabView及文本編程環(huán)境IabWindows／CVI、Agilent公司的圖形化編程環(huán)境Agilent VEE。考慮到軟件的靈活性、高效性和可移植性，本設(shè)計(jì)中采用visual C++作為虛擬示波器的開發(fā)環(huán)境。
3．2 軟件功能模塊
該虛擬示波器有5大功能模塊：信號(hào)采集、用戶界面、頻譜分析、數(shù)字濾波、波形顯示。
3．2．1信號(hào)采集模塊
信號(hào)采集模塊主要完成數(shù)據(jù)的采集，根據(jù)采集信號(hào)的不同選用不同的采樣頻率。該模塊中的應(yīng)用程序通過采集卡的驅(qū)動(dòng)程序和硬件進(jìn)行通信，如果把該模塊放在程序主線程中實(shí)現(xiàn)，那么，當(dāng)應(yīng)用程序與驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí)主界面就會(huì)凍結(jié)。為了解決這個(gè)問題，本文直接創(chuàng)建一種子線程來(lái)單獨(dú)完成與驅(qū)動(dòng)程序的通信任務(wù)，讓主界面專用于響應(yīng)視窗界面的信息。在子線程中通過調(diào)用gage_start_capture()函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。圖2示出數(shù)據(jù)采集流程。數(shù)據(jù)采集的主要代碼如下：
3．2．2用戶界面模塊
界面主要切分為3個(gè)視圖：主視圖基類為ScrollView，用于顯示波形；2個(gè)視圖基類為For-mView，1個(gè)用于動(dòng)態(tài)顯示采集數(shù)據(jù)的特征參數(shù)，另1個(gè)用于對(duì)示波器進(jìn)行操作。整個(gè)軟件的主界面設(shè)計(jì)如圖3所示。
3．2．3頻譜分析模塊
本軟件利用快速傅里葉變換(FFT)進(jìn)行頻譜分析。頻譜分析采用按時(shí)間抽取FFT算法，然后將幅值頻譜分析結(jié)果在用戶界面上以坐標(biāo)曲線形式顯示。進(jìn)行FFT時(shí)可以選擇點(diǎn)數(shù)，有1024、2048、4096 3種選擇，如果點(diǎn)數(shù)不夠，程序自動(dòng)補(bǔ)零。
3．2．4數(shù)宇濾波模塊
本軟件可以對(duì)所采集的信號(hào)進(jìn)行低通和高通濾波。首先根據(jù)給定通帶截止頻率、阻帶截止頻率、通帶衰減和阻帶衰減設(shè)計(jì)出巴特沃思(Butter-worth)模擬濾波器，再用雙線性變換法設(shè)計(jì)出數(shù)字濾波器。
3．2．5波形顯示模塊
虛擬示波器的工作原理是對(duì)信號(hào)波形進(jìn)行高速采樣，采樣值被數(shù)字化后存儲(chǔ)起來(lái)，當(dāng)重建波形時(shí)便從緩沖區(qū)取數(shù)，然后用清晰、均勻一致的軌跡映像在屏幕上。由于采集的模擬波形經(jīng)數(shù)字化后成為一串離散數(shù)據(jù)，因此，如何重建信號(hào)波形是虛擬示波器設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題之一。當(dāng)前的波形顯示主要有分段顯示和滾動(dòng)顯示。這里采用滾動(dòng)顯示，并且提出一種新的滾動(dòng)顯示算法，突破了滾動(dòng)顯示只能觀察變化緩慢的信號(hào)的限制。算法核心思想如下：
(1)得到所采集數(shù)據(jù)塊的第1個(gè)和最后1個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的橫坐標(biāo)m_xMin和rn_xMax，m_xMax-m_xMin為波形的邏輯寬度。
(2)m_xMax-m_xMin的值為邏輯坐標(biāo)，把它轉(zhuǎn)化為設(shè)備坐標(biāo)cx，用cx設(shè)定整個(gè)滾
動(dòng)視圖的寬度。
(3)為了提高畫圖的效率，只需畫出滾動(dòng)視圖可視部分的圖形，也就是剪裁區(qū)的圖形，因此要得到剪裁區(qū)。
(4)畫出坐標(biāo)及剪裁區(qū)內(nèi)的一段波形。
(5)利用CSplitterWnd::DoSerollBy()函數(shù)，根據(jù)采樣間隔的大小決定斷滾動(dòng)視圖速度的快慢。這樣視圖滾動(dòng)以后相應(yīng)的剪裁區(qū)也會(huì)發(fā)生改變，促使動(dòng)態(tài)畫出新的波形。
主要代碼如下：
4 實(shí)驗(yàn)與討論
在實(shí)驗(yàn)中使用該系統(tǒng)對(duì)正弦信號(hào)和鋸齒波信號(hào)進(jìn)行了采集，并對(duì)2個(gè)通道的信號(hào)分別進(jìn)行了頻譜分析。實(shí)驗(yàn)時(shí)示波器參數(shù)設(shè)置如下：采樣模式為雙通道，其中通道1對(duì)正弦信號(hào)進(jìn)行采樣，通道2對(duì)鋸齒波信號(hào)進(jìn)行采樣；采樣率為120Ms／s；采樣深度為16 000點(diǎn)；觸發(fā)源為軟件觸發(fā)；觸發(fā)時(shí)間極限為20ms；輸入信號(hào)電壓范圍為~5V。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。達(dá)到了預(yù)定的效果。
本文基于Gage公司的CompuScope 82G型高速數(shù)據(jù)采集卡，用Visual C++編程工具設(shè)計(jì)出一種快速虛擬示波器試驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了高速數(shù)據(jù)的采集和動(dòng)態(tài)波形的顯示。同時(shí)提出一種新的波形滾動(dòng)算法，大大改觀了滾動(dòng)波形的動(dòng)態(tài)顯示效果。在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)示波器無(wú)法實(shí)現(xiàn)的頻譜分析和數(shù)字濾波功能。采用Visual c++作為儀器編程語(yǔ)言使得編寫的程序通用性和可移植性強(qiáng)。
