用PSOC3實(shí)現虛擬示波器的系統解決方案，軟硬件實(shí)現

虛擬儀器在近幾年發(fā)展較為迅速，虛擬儀器利用計算機強大的運算與數據處理能力，節省的硬件開(kāi)銷(xiāo)，又可以從充分利用計算機編程技術(shù)的優(yōu)勢實(shí)現較復雜的功能，基于此背景下項目使用Cypress Semiconductor 公司集成度高、開(kāi)發(fā)周期短的PSoC3 芯片開(kāi)發(fā)一款硬件開(kāi)銷(xiāo)小及功能強大的虛擬示波器。示波器基于CY8C3866AXI 芯片實(shí)現，被測量的模擬信號經(jīng)過(guò)芯片內部ADC轉換成數字信號，該信號由PSoC3主控芯片通過(guò)串口(UART)發(fā)送到PC機上，PC機使用Visual basic 6.0開(kāi)發(fā)一款可視化軟件，監控串口發(fā)送過(guò)來(lái)的信號，并且將數字信號還原成模擬信號的波形，該軟件同時(shí)還提供控制面板可以控制示波器的顯示及參數設定。

0引言

示波器是電子設計一項最基本的儀器，該儀器可以用于觀(guān)察數字與模擬電路的波形，可以測量信號質(zhì)量、電壓、頻率等系列參數。但是這個(gè)設備一般只有學(xué)校實(shí)驗室、研發(fā)部門(mén)才會(huì )擁有。該設備價(jià)格相對較貴，個(gè)人用戶(hù)一般不會(huì )擁有。網(wǎng)絡(luò )上還流傳一種利用系統API開(kāi)發(fā)聲卡型示波器，該示波器能實(shí)現基本功能，但是因為測量時(shí)候因使用不慎會(huì )燒壞電腦的聲卡、甚至電腦主板，一臺筆記本本可能就這樣報廢。并且聲卡采用數據速率相當的有限，這套方案有先天的缺點(diǎn)，如果可以使用另一個(gè)解決方案，同時(shí)解決速率、成本、不燒壞電腦那么該產(chǎn)品一定可以在市場(chǎng)占有一席之地，經(jīng)過(guò)學(xué)習PSOC3發(fā)現這是一套非常完美的方案，Cypress Semiconductor 的PSOC 3 芯片內包含USB 接口、MCU主控、高分辨率ADC。這樣為實(shí)現較高性能的、低價(jià)格、體積小的虛擬示波器提供了設計方便。

本設計利用PSOC的集成的內部單元模組、通過(guò)編程的方式實(shí)現硬件電路功能。該PSCOC芯片通過(guò)某種通訊方式與PC機通訊，計算機通過(guò)解析PSOC發(fā)送來(lái)的數據將數字信號還原成模擬波形。并且提供波形、電壓、周期等參數。

1總體設計方案

鑒于虛擬示波器產(chǎn)品體積、成本限制，本文構建系統對以上因素進(jìn)行了綜合考慮。虛擬示波器核心在于利用PSOC3集成度高的優(yōu)勢，實(shí)現了體積小，成本低多功能的虛擬示波器。

圖1為PSOC構建的虛擬示波器總體框圖，可分為三部分：(1)ADC采樣：采用PSOC3自帶8位ADC。(2)串口通訊：實(shí)現PSOC與上位機之間的通訊 (3)基于VB的示波器顯示軟件：利用計算機高分辨率波形顯示以及參數設置、測量等。

本設計中使用CY8C3866AXI 可編程器件，對模擬信號進(jìn)行采集轉換為數字信號，數字信號通過(guò)USB傳送到PC機中，PC機解析PSOC發(fā)送上來(lái)的數據流，還原成模擬波形信號。

圖1

幾種設計方案對比：

表：1

基于表 1的方案對比，我們方案3為優(yōu)選設計方案。方案4為備選方案，方案一為實(shí)驗方案。

較于方案1、2，方案3中PSOC3 ADC配置更為靈活，輕巧方便，硬件設計更簡(jiǎn)潔。集成度高大大降低了開(kāi)發(fā)成本。PSOC3便于修改軟件程序而進(jìn)行功能擴展。用戶(hù)不必不斷購買(mǎi)新儀器，投入小而收效大。

方案3中使用USB2.0高速數據傳輸，與高度芯片集成?？梢栽O計出一款性能優(yōu)于體積較小的虛擬示波器產(chǎn)品。但不利于遠距離工業(yè)檢測。

到方案4。為了實(shí)現工業(yè)檢測與控制領(lǐng)域的低頻小信號測量，方案4比較實(shí)用，而且利用PSOC3的高度集成性，節省了很多模擬調理電路。同時(shí)也減小了設備體積和增強系統工作的可靠性。因此本項目采用方案4。

2示波器硬件方案設計

2.1 采樣電路

采樣原理圖如圖2所示(上)電路。根據采集高電壓的需要，設計了低成本體積小的電路，實(shí)現峰峰值高電壓采樣。

采樣電路使用2個(gè)電阻R1與R2分壓， Vadc = Vsingal input * R2 / R2+R1 ，利用這個(gè)電路可以實(shí)現峰峰值較高的模擬信號的采樣。

例如：一個(gè)信號為 50V 而PSOC內部參考電壓為1.024V 則可以選擇R2 =1K

R1 = 49K

PSOC配置了如圖2所示(下)電路：當J1短路時(shí)，電路采集低電壓。當需要高電壓采集時(shí)，按照采樣原理，配置R1、R2。

圖2(上)

圖2(下)

2.2 PSOC內部電路設計

PSoC3架構所具有的強大的精確模擬能力的實(shí)際應用例子。有了這個(gè)工具包，基于虛PSoC3擬示波器模擬集成的高水準，以及通過(guò)PSoC Creator ADC進(jìn)行模擬設計通過(guò)配置而顯得簡(jiǎn)潔方便。

PSOC內部多種基本單元電路模塊可以實(shí)現電路，在本方案中使用到了ADC模塊，UART、LED顯示。并且軟件上配置器件的配置信息。

電路如圖3所示：

圖3

2.3 串口電路實(shí)現

近幾年生產(chǎn)的筆記本電腦一般不配備串口，為了操作攜帶方便，在設計的時(shí)候添加了USB轉串口的電路，使用USB口既可以完成與計算機完成數據通訊。

圖4軟件設計

3.1 PSOC軟件設計(下位機)

圖5

PSOC軟件啟動(dòng)先初始化所以設備，進(jìn)入while循環(huán)。首先執行ADC 模擬信號處理,將數據送到LED燈中用于A(yíng)DC采集信號顯示。將ADC的值返回到串口中，由串口發(fā)送ADC到計算機。

3.2 Visual basic軟件設計(上位機)

3.2.1上位機基本原理

在Visual Basic中一個(gè)Microsoft Communication Control(簡(jiǎn)稱(chēng)Mscomm) 串口通訊控件，本作品就是靈活的使用該控件實(shí)現單片機與PC機通訊的，該控件可以使用查詢(xún)接受數據，也可以使用事件驅動(dòng)，使用事件驅動(dòng)具有節省PC資源響應速度快的優(yōu)勢所以本文使用事件驅動(dòng)方式接收串口發(fā)送過(guò)來(lái)的數據流。

3.2.2 解析數據的方法

串口發(fā)送回來(lái)的數據為十六進(jìn)制數據，該數據通過(guò)數據轉換為0—1000的數據，轉換完成的數據將存儲的一個(gè)數據緩沖去中，該緩沖區存儲了一段時(shí)間的波形，這樣就可以實(shí)現按下暫停之后可以拖動(dòng)滾動(dòng)條查詢(xún)歷史的波形，波形的顯示使用一個(gè)picture控件，并且設置容器的大小為1000像素×1000像素，繪制好示波器界面，然后顯示出一定數量的緩沖去的數據，該數據分別在容器中通過(guò)繪線(xiàn)的方式將數據轉換為波形。

3.2.3 軟件基本界面設計

軟件主要考慮到用戶(hù)使用方便的問(wèn)題，設計示波器界面充分考慮親和性與易用性，所以界面也是仿照實(shí)際示波器的布局來(lái)設計，左邊為CRT的顯示器，左邊為控制面板。這樣可以做到會(huì )使用實(shí)際示波器，也會(huì )使用虛擬示波器。

示波器界面中菜單有系統、設置、幫助三個(gè)選項?？梢栽O置波特率等。采集波形時(shí)可零點(diǎn)上下移、波形大小調節、波形保存、XY增益調節等多種功能。與實(shí)際示波器功能相似、布置相同，易于操作。波形通過(guò)賽普拉斯高精度的ADC采集經(jīng)串口傳輸后，該界面可實(shí)現清晰準確的顯示。采集三角波如圖6所示。

圖6

4結束語(yǔ)

基于PSOC虛擬儀器把計算機技術(shù)與傳統測試技術(shù)緊密結合起來(lái)，它充分利用計算機的信息處理能力，實(shí)現對多路輸入信號的實(shí)時(shí)采集和存儲，并進(jìn)行離線(xiàn)分析和處理。

與傳統示波器制作步驟相比較，PSOC工具包省去了畫(huà)電路圖、布線(xiàn)、底層協(xié)議等的麻煩，直接配置硬件，注入思想流程，易于操作實(shí)現，節約經(jīng)費。PSOC高精度可配置的ADC且內部含參考電壓，這為制作虛擬示波器提供了可發(fā)展的空間。

本設計能獲得小于1K赫茲的任意波形，輸出幅度基本可以根據需要配置。1MHz/秒采樣速率,采樣數目以及采樣頻率通過(guò)軟件可調。本虛擬儀器使用簡(jiǎn)單、方便、價(jià)格低廉，人機交互容易。結構簡(jiǎn)單使其體積小巧、便于攜帶，尤其適于配合便攜機野外使用。