虛擬示波器的數據采集器解析方案

一、引言

對于學(xué)校教學(xué)實(shí)驗以及某些特定需求來(lái)說(shuō)，目前市場(chǎng)上的模擬及數字示波器也許并不適用，價(jià)格高昂、體積較大且很多專(zhuān)業(yè)功能并不實(shí)用。而現在電腦的普及程度也達到了相當的規模，利用電腦以及附加的數采模塊實(shí)現一個(gè)靈活便捷的虛擬示波器能夠滿(mǎn)足大多數的工作、學(xué)習和開(kāi)發(fā)需要，并且可以通過(guò)較低代價(jià)的硬件和軟件升級實(shí)現相當復雜的信號處理功能，能夠以較低的成本、較小的體積實(shí)現配置靈活的智能儀器組合;完全可以與便攜電腦結合，構成便攜式檢測維修工作站。目前已經(jīng)有計算機并口通信的數據采集器，但是USB的應用日趨廣泛和深入，如果將USB功能融合在里面則可以實(shí)現更高的數據傳輸率、更方便的使用方式，更為優(yōu)越的體現出虛擬儀器的性能。

二、硬件設計

此虛擬示波器的數據采集器由以下功能模塊組成：前端信號變換模塊、高速模數轉換模塊、高速數據緩沖模塊、單片機控制模塊、USB接口模塊和電源模塊。前端信號變換、高速數據采集有成熟的方案并且可根據需要的指標，譬如采樣率、量程控制、采樣深度等進(jìn)行設計，我們這里主要討論USB接口部分的開(kāi)發(fā)。

USB接口的開(kāi)發(fā)以往都是一個(gè)令人頭痛的問(wèn)題，盡管很多設計者向往USB接口高速傳輸、自主供電、即插即用的優(yōu)點(diǎn)，但較難逾越它的協(xié)議固件開(kāi)發(fā)和驅動(dòng)程序開(kāi)發(fā)的障礙。在這個(gè)方案里，筆者選用了一款不需要開(kāi)發(fā)協(xié)議固件和驅動(dòng)程序的USB總線(xiàn)接口芯片。

南京沁恒公司推出的CH371是一個(gè)USB總線(xiàn)的通用接口芯片，它利用硬件邏輯屏蔽了USB 通訊中的所有協(xié)議，在計算機應用層與本地端控制器之間提供端對端的連接?；贑H371，設計者不需要了解任何USB協(xié)議、固件程序以及驅動(dòng)程序，可以輕松地將原來(lái)的并口、串口的產(chǎn)品升級到USB接口，以較低的風(fēng)險和成本享用USB接口帶來(lái)的優(yōu)越性。

使用時(shí)在本地端，CH371具有8位數據總線(xiàn)和讀、寫(xiě)、片選控制線(xiàn)以及中斷輸出，就像操作一般外設芯片一樣方便地掛接到DSP、MCU等控制器的系統總線(xiàn)上;在計算機端，CH371的配套軟件包括通用驅動(dòng)程序以及應用軟件包，提供了簡(jiǎn)潔易用的操作接口，與本地端的單片機通訊就如同讀寫(xiě)硬盤(pán)中的文件一樣簡(jiǎn)單，開(kāi)發(fā)者可以使用VB、VC、C++Builder等高級語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)。一般情況下，基于CH371設計USB產(chǎn)品不必考慮USB通訊協(xié)議、固件程序、驅動(dòng)程序、配置過(guò)程、底層數據傳輸過(guò)程。設計者所要做的工作與設計并口、串口的產(chǎn)品一樣，包括兩件事：一是從計算機的應用層發(fā)出數據傳輸請求并接收應答;二是當USB 產(chǎn)品的控制器被通知有數據傳輸請求時(shí)，作出應答。

同時(shí)，CH371在提供了透明的USB協(xié)議的基礎上還提供了I2C器件的直接管理、16個(gè)地址的直接讀寫(xiě)以及復位、看門(mén)狗等功能，本地端甚至不使用單片機就可完成簡(jiǎn)單的控制功能，因此具有較強的功能適應性，能夠滿(mǎn)足不同場(chǎng)合的需要，有效的降低系統成本。

在本系統中使用的是SOP28封裝的產(chǎn)品，他的管腳定義如下表：

根據不同的工作方式，芯片的接口類(lèi)型可以有以下幾種：被動(dòng)并行接口、I2C主接口、主控方式接口。其中被動(dòng)并行接口是最常用的方式，它提供單片機與計算機的連接，CH371作為單片機的一個(gè)被動(dòng)外設;I2C主接口是CH371在計算機端程序的控制下不經(jīng)過(guò)單片機直接讀寫(xiě)一個(gè)EEPROM器件(譬如24C04等)，經(jīng)常用于USB外設的產(chǎn)品信息紀錄;主控方式接口是不使用單片機，由計算機端程序直接控制CH371提供的16個(gè)地址的8位數據讀寫(xiě)或者是十幾根IO口線(xiàn)，此方式主要用于完成相對簡(jiǎn)單的外部控制任務(wù)。這幾種接口方式并非完全對立的，可以根據需要靈活配置。在此虛擬示波器中則將其使用為單片機的一個(gè)外設器件，同時(shí)將A3~A0用于主控方式由計算機控制四只LED。

單片機對于CH371的控制依靠對其內部的16個(gè)寄存器的操作來(lái)實(shí)現。這16個(gè)寄存器的地址有兩種定義方式。一種是上電復位后默認為直接地址方式，A3~A0四個(gè)管腳為寄存器地址，這種方式較為簡(jiǎn)單，但是需要使用單片機較多的IO口資源;另一種是當CH371檢測到ALE腳上的上升沿信號后，切換到復用地址方式，寄存器地址由數據總線(xiàn)的D3~D0來(lái)控制，根據ALE的跳變來(lái)判斷是寄存器操作還是數據讀寫(xiě)。在此設計中由于大容量數據緩沖需要使用到74373作為地址鎖存，所以即使使用直接地址方式也無(wú)需多占用單片機資源，但是為了將A3~A0節省出來(lái)驅動(dòng)LED所以選用復用地址方式。

根據系統的要求我們設計硬件如下。

USB接口提供數據交換及電源供應(經(jīng)適當變換后供高速AD使用)，CH371在12M晶振下倍頻工作，提供與單片機接口的同時(shí)提供看門(mén)狗復位輸出功能，I2C主控功能沒(méi)有使用，A3~A0可以由計算控制驅動(dòng)4只LED作為工作顯示信號。單片機89C52的P1口組用于控制數據采集模塊，包括量程轉換控制、AD觸發(fā)信號、采集數據溢出信號等;高速緩存62256通過(guò)低功耗的CPLD控制存放高速AD采集的結果，單片機定時(shí)將其中數據讀出經(jīng)CH371傳送到計算機的數據顯示和分析軟件，實(shí)現虛擬示波器功能。單片機、CH371和RAM部分原理圖如下：

圖三 單片機、CH371和RAM部分原理圖