一種基于高速數據采集卡的虛擬示波器開(kāi)發(fā)

本文在帶有PCI總線(xiàn)接口的CS82G高速數據采集卡和Visual C++編程工具的基礎上開(kāi)發(fā)的快速虛擬示波器試驗系統，集成了波形采集、數據分析、輸出、顯示等多種功能。同時(shí)，為保證數據采集和波形顯示的實(shí)時(shí)性，設計中還采用了多線(xiàn)程技術(shù)。

                      
                                圖1  CS 82G采集卡系統框圖

                       
                                          圖2 軟件系統總體流程圖

虛擬示波器的系統組成

系統組成

本虛擬示波器系統主要由數據采集卡、計算機和專(zhuān)用的軟件組成。 其中數據采集卡完成對輸入測量信號的調理采集、緩存，并通過(guò)計算機PCI總線(xiàn)送入內存；計算機在應用程序控制下，對數據進(jìn)行處理、運算，最后完成各種電量測試并在屏幕上用圖形或數據形式顯示。這一切均可在人機交互方式下完成。

數據采集卡的硬件結構

本虛擬示波器采用的是Gage公司的CS 82G高速數據采集卡。其硬件結構框圖如圖1所示。

該數據采集卡是一個(gè)具有兩個(gè)模擬量輸入通道的標準的PCI總線(xiàn)插卡，卡上集成的兩個(gè)高速8位ADC，最高工作頻率高達1 GHz，在單通道工作模式下，兩個(gè)ADC同時(shí)投入工作，分別在脈沖的上升沿和下降沿進(jìn)行轉換，所以最高采樣頻率可以達到2GHz。全卡的功能電路由數字控制邏輯電路統一控制?？ㄉ吓渲糜?6MB的高速存儲器，解決了高采樣率和相對較低的PCI總線(xiàn)數據傳輸速率的匹配問(wèn)題。

在使用之前必須對采集卡的硬件進(jìn)行配置,這些控制程序用到了相應的底層DAQ驅動(dòng)程序。通過(guò)采集卡自帶的DLL，可以在程序中靈活地對硬件輸入阻抗、輸入電壓范圍、放大器增益大小、采樣頻率、每次采樣點(diǎn)數等參數進(jìn)行控制。

模擬信號經(jīng)同軸電纜進(jìn)入采集卡的輸入通道后，經(jīng)過(guò)前置濾波電路、衰減電路、可變增益的放大電路，將信號處理成ADC可以處理的標準電平，經(jīng)過(guò)A/D采樣量化轉化成計算機可以處理的數字信號并緩存到存儲器。該采集卡支持軟件通過(guò)PC機的PCI總線(xiàn)接口控制模擬通道的阻抗匹配、放大器的增益選擇、啟動(dòng)ADC及轉換結束的識別，并允許將采集數據以DMA方式傳輸到計算機內存，同時(shí)對數據信號進(jìn)行分析處理、顯示、存儲及打印輸出。

系統的軟件設計

虛擬示波器的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境

虛擬儀器最核心的是軟件技術(shù)。目前，用于虛擬儀器開(kāi)發(fā)的軟開(kāi)發(fā)平臺主要有兩大類(lèi)：一類(lèi)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(lèi)是一些公司推出的專(zhuān)用于虛擬儀器開(kāi)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LabWindows/CVI、Agilent公司的圖形化編程環(huán)境Agilent VEE?？紤]到軟件的靈活性、高效性和可移植性，本設計中采用Visual C++作為虛擬示波器的開(kāi)發(fā)環(huán)境。  軟件的方案設計

圖2展示了本設計中軟件系統的總體流程圖。程序開(kāi)始工作后，首先進(jìn)入主線(xiàn)程，進(jìn)行相關(guān)的初始化工作，主要是軟件界面的初始化(采集卡的初始化在采集子線(xiàn)程中進(jìn)行)。OnStart()函數的主要目的是執行StartCapture()函數以啟動(dòng)數據采集子線(xiàn)程，執行StartProcessing()函數以啟動(dòng)數據處理子線(xiàn)程，主線(xiàn)程進(jìn)入消息循環(huán)，并通過(guò)消息和子線(xiàn)程進(jìn)行通信。采樣線(xiàn)程和數據處理線(xiàn)程實(shí)際上是由g_bRunThread變量控制的循環(huán)過(guò)程，這樣可以方便主線(xiàn)程控制工作線(xiàn)程的退出。數據采集線(xiàn)程利用了采集卡驅動(dòng)程序提供的中斷采樣函數，采樣深度n由控件設定，每當采集完成n個(gè)點(diǎn)的采樣時(shí)，采樣數據便被送入卡上的緩沖區，然后通過(guò)PCI總線(xiàn)向計算機傳輸數據，當數據傳輸完畢之后，采樣線(xiàn)程向數據處理線(xiàn)程發(fā)送WM_RECEIVE消息，通知數據處理模塊對這n點(diǎn)進(jìn)行分析處理。在主線(xiàn)程里，主要接收用戶(hù)操作的消息，比如通道參數的設定、通道顯示的設定、數據的存儲打印以及察看歷史數據、波形等操作。

軟件功能模塊

該虛擬示波器有5大功能模塊：數據采集、用戶(hù)界面、頻譜分析、數字濾波以及波形顯示。

信號采集模塊

信號采集模塊主要完成對數據的采集,根據所采集信號的不同采用不同的采樣頻率。這個(gè)模塊中應用程序會(huì )通過(guò)采集卡的驅動(dòng)程序和硬件進(jìn)行通信，如果把這個(gè)模塊放在程序主線(xiàn)程中實(shí)現，那么,當應用程序與驅動(dòng)程序進(jìn)行數據通信時(shí),主界面就會(huì )凍結。為了解決這個(gè)問(wèn)題,本文直接創(chuàng )建一個(gè)子線(xiàn)程來(lái)單獨完成與驅動(dòng)程序的通信任務(wù),讓主界面專(zhuān)心于響應視窗界面的信息。在子線(xiàn)程中通過(guò)調用gage_start_capture( )函    數進(jìn)行數據的采集。

用戶(hù)界面模塊

界面主要分為三個(gè)視圖：主視圖基于ScrollView,用于顯示波形；另外兩個(gè)視圖基于FormView,一個(gè)用于動(dòng)態(tài)顯示采集數據的特征參數，另一個(gè)用于對示波器進(jìn)行操作。

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，采用按時(shí)間抽取FFT算法,然后將幅值頻譜分析結果在用戶(hù)界面上以坐標曲線(xiàn)形式顯示。進(jìn)行FFT時(shí)可以選擇點(diǎn)數，有1024、2048、4096三種選擇，如果點(diǎn)數不夠，程序自動(dòng)補零。

數字濾波模塊

本軟件可以對所采集信號進(jìn)行低通和高通濾波。首先根據給定通帶截止頻率、阻帶截止頻率、通帶衰減和阻帶衰減設計出Butterworth模擬濾波器，再用雙線(xiàn)性變換法設計出數字濾波器。

波形顯示模塊

當前波形顯示主要有兩種方法，分段顯示和滾動(dòng)顯示。本設計采用了滾動(dòng)顯示的方法，并且提出了一種新的滾動(dòng)顯示算法，突破了滾動(dòng)顯示只能觀(guān)察變化緩慢的信號的限制。算法核心思想如下。

1． 得到所采集數據塊的第一個(gè)和最后一個(gè)數據點(diǎn)的橫坐標m_xMin和m_xMax，兩者之差即為波形的邏輯寬度。

2． m_xMax-m_xMin的值為邏輯坐標，把它轉璞缸阠x，用cx設定整個(gè)滾動(dòng)視圖的寬度。

3． 為了提高畫(huà)圖的效率，需要畫(huà)出滾動(dòng)視圖可視部分的圖形，也就是剪裁區的圖形，因此要確定剪裁區。

4． 畫(huà)出坐標以及剪裁區內的一段波形。利用CSplitterWnd:: DoScrollBy()函數,根據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)以后相應的剪裁區也會(huì )發(fā)生改變，從而能動(dòng)態(tài)畫(huà)出新的波形。
　　
實(shí)驗與討論

在實(shí)驗中使用該系統對正弦信號和鋸齒波信號進(jìn)行了采集，并對兩個(gè)通道的信號分別進(jìn)行了頻譜分析。實(shí)驗時(shí)示波器參數設置如下：采樣模式為雙通道，其中通道1對正弦信號進(jìn)行采樣，通道2對鋸齒波信號進(jìn)行采樣；采樣率為120MS/s；觸發(fā)源為軟件觸發(fā)；觸發(fā)時(shí)間極限為20ms；輸入信號電壓范圍為+/-5V。實(shí)驗結果顯示達到了預定的效果。

設計中一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是在保證數據采集實(shí)時(shí)性的同時(shí)，又能及時(shí)地響應用戶(hù)的操作或進(jìn)行數據顯示。在本文中，為解決這個(gè)問(wèn)題采用了多線(xiàn)程技術(shù)，除了一個(gè)處理用戶(hù)輸入消息的用戶(hù)界面線(xiàn)程之外，還創(chuàng )建了兩個(gè)輔助線(xiàn)程，從而最大程度地保證了系統的實(shí)時(shí)性。