基于以太網(wǎng)的虛擬示波器設計

虛擬儀器是利用高性能模塊化硬件，結合高效靈活的軟件，在通用的計算機平臺上，根據用戶(hù)需求設計儀器的測試功能．實(shí)現對信號的處理、計算、分析以及波形顯示。近年來(lái)，隨著(zhù)微電子與計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，以及測量技術(shù)與計算機的深層次相結合，虛擬儀器已成為國內外學(xué)者研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。
文獻提出的虛擬示波器是以PCI采集卡硬件為基礎，極大地限制了其連接和加載性能；文獻使用的串行接口傳輸采集設備傳輸速率不高，實(shí)時(shí)性也不理想；文獻所提出的虛擬示波器采用USB接口數據采集設備，雖然其技術(shù)日趨成熟，但其穩定性、數據吞吐量、傳輸速率與傳輸距離，均遜色于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)。因此，將虛擬儀器技術(shù)與以太網(wǎng)技術(shù)相結合，在VC環(huán)境下利用其輔助開(kāi)發(fā)包MFC開(kāi)發(fā)出一種新型網(wǎng)絡(luò )化虛擬示波器，界面友好、數據準確，不但包含傳統虛擬示波器數據計算、頻譜分析和波形顯示等常規功能，還可實(shí)現波形的快速存儲、回放及遠程多機操控功能。

1 虛擬示波器硬件設計
虛擬示波器硬件系統結構如圖1所示。底層硬件采用基于DSP的嵌入式系統，該系統集成了信號調理電路、A／D轉換模塊以及網(wǎng)絡(luò )接口器件，完成對被測信號的采集、處理及發(fā)送功能：信號調理電路對各種不同的輸入模擬信號進(jìn)行電壓轉換，使被采樣信號電壓幅值的變化范圍滿(mǎn)足A／D轉換模塊的要求，同時(shí)還對輸入信號進(jìn)行濾波處理，減少信號失真和噪聲，阻止帶外頻率引入的虛假信號。A／D轉換模塊是嵌入式系統中最為重要的單元，選用TM320F2812DSP中的A／D轉換模塊具有12位精度，16通道最高采樣帶寬達12．5 MS／s。

其優(yōu)異的動(dòng)態(tài)性能足以滿(mǎn)足虛擬示波器的要求。而系統網(wǎng)絡(luò )接口器件則選用以太網(wǎng)控制器LAN91C111，并將其作為外圍設備與MCU連接，該器件支持100／10 Mb／s的傳輸速率。嵌入式系統與上位機建立網(wǎng)絡(luò )連接之后通過(guò)以太網(wǎng)將數據傳輸至上位機，使用上層軟件完成數據的波形顯示，計算和相關(guān)分析等功能。

2 虛擬示波器軟件設計
為提高虛擬示波器程序的運行效率，編程采用多線(xiàn)程思想，所謂多線(xiàn)程就是將程序分割成相互獨立運行的子任務(wù)，其中包括主線(xiàn)程和分線(xiàn)程，利用CPU分時(shí)機制，每個(gè)線(xiàn)程都能循環(huán)地獲得自己的CPU時(shí)間，由于輪詢(xún)速度非?？?，使得所有線(xiàn)程都像是在同時(shí)運行一樣。該虛擬示波器程序主線(xiàn)程進(jìn)行數據處理，波形顯示；分線(xiàn)程則獨立完成接收UDP數據報、保存數據并向主線(xiàn)程發(fā)送消息的功能。虛擬示波器程序流程圖如圖2所示。

2．1 以太網(wǎng)數據通信設計
虛擬示波器采用分布式以太網(wǎng)接入技術(shù)，即將以太網(wǎng)控制模塊嵌入在嵌入式中，使設備能直接連接到以太網(wǎng)。嵌入式系統將包含被測信號數據信息的以太網(wǎng)數據幀發(fā)送到局域網(wǎng)內的上位機時(shí)。需要根據48 b的以太網(wǎng)硬件地址來(lái)確定目的接口。地址解析協(xié)議ARP為以太網(wǎng)硬件地址和IP地址提供映射。虛擬示波器運行時(shí)嵌入式系統向目的上位機發(fā)送ARP請求，預先設定好IP地址的上位機接收到報文后，識別出這是發(fā)送端在詢(xún)問(wèn)它的硬件地址，則發(fā)送一個(gè)包含自身的IP地址和硬件地址的ARP應答，嵌入式系統收到應答之后便可向目的上位機發(fā)送數據報了。
嵌入式系統與上位機建立網(wǎng)絡(luò )連接之后要進(jìn)行以太網(wǎng)通信還需要實(shí)現TCP／IP協(xié)議族以完成對數據的封裝和分用，在應用層、運輸層、網(wǎng)絡(luò )層、鏈路層4層協(xié)議系統中每層主要負責與其他機器上的對等層進(jìn)行通信。其中鏈路層主要包括物理層和數據鏈路層。完成物理上的接口連結協(xié)議，設計中采用Ethemet(IEEE802．3)確保數據傳輸量；運輸層協(xié)議主要包括TCP和UDP 2種，TCP協(xié)議雖然具有更高的可靠性，但是其在軟件上實(shí)現復雜，程序冗長(cháng)，并且校驗時(shí)占用大量網(wǎng)絡(luò )流量；相比之下，UDP協(xié)議對于減小DSP資源消耗，提高網(wǎng)絡(luò )傳輸效率方面更有優(yōu)勢。為了增強UDP協(xié)議的可靠性，在實(shí)際的通信協(xié)議中，對于關(guān)鍵的量值通過(guò)回傳校驗機制保證其可靠傳輸。這種方法將UDP協(xié)議的簡(jiǎn)潔性和TCP協(xié)議的可靠性相結合，同時(shí)也節省了大量用來(lái)校驗的網(wǎng)絡(luò )流量，增強了網(wǎng)絡(luò )的實(shí)時(shí)性，因此運輸層協(xié)議上選擇的是UDP協(xié)議。以太網(wǎng)數據發(fā)送／接收流程圖如圖3所示。