【導(dǎo)讀】針對傳統(tǒng)示波器不便攜帶，傳統(tǒng)虛擬儀器不具有即插即用、熱插拔等功能的情況，提出了基于嵌入式系統(tǒng)USB接口的虛擬示波器的設(shè)計方案和具體實現(xiàn)方法。以單片機和USB芯片為核心構(gòu)建虛擬示波器系統(tǒng)體系，應(yīng)用嵌入式技術(shù)把示波器的硬件集成在嵌入式電路板上，將A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換，以及數(shù)字濾波和邏輯控制處理等外置于上位PC機，通過控制傳輸和數(shù)據(jù)報告完成數(shù)據(jù)通信和監(jiān)控顯示的功能。實驗表明，設(shè)計的虛擬儀器具有智能化和良好的系統(tǒng)擴展性，是未來虛擬儀器發(fā)展的方向。
虛擬示波器是將計算機強大的計算處理能力和一般硬件儀器的信號采集和控制能力結(jié)合在一起，從而實現(xiàn)一般示波器所不能實現(xiàn)的功能和友好的界面，彌補了傳統(tǒng)示波器功能單一、體積龐大、攜帶不便、價格昂貴的不足。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展 ,對虛擬儀器的智能化和小型化的要求越來越高。嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展使得基于嵌入式微處理器和實時操作系統(tǒng)的嵌入式虛擬儀器能夠滿足惡劣工作環(huán)境下的便攜虛擬儀器的需要。同時，基于USB總線的儀器設(shè)備克服了現(xiàn)有PC總線虛擬儀器的不足，可滿足自動化工業(yè)測量的要求，特別適合現(xiàn)場信號的測試。
常用的虛擬儀器多采用PCI或ISA插槽，然而采集卡的數(shù)量一般有限，因此在搭建系統(tǒng)的時候，只能指定特定的計算機或嵌入專門的采集卡，但有些設(shè)備根本就不支持PCI或ISA總線，這種內(nèi)置形式很容易受到PC機箱內(nèi)高頻干擾的影響，降低系統(tǒng)的采樣精度和穩(wěn)定性。如果能夠?qū)⒄麄€系統(tǒng)做成外置式，不僅能夠提高系統(tǒng)的采樣精度和穩(wěn)定性，還能增強系統(tǒng)的靈活性，同時還有利于系統(tǒng)的維護。
USB接口是實現(xiàn)虛擬儀器的一種更方便、更有效、更靈活的總線通訊式。USB總線是新一代總線技術(shù)，使PC機配置新的硬件設(shè)備不用在打開機蓋，且支持熱插拔技術(shù)，給使用者以極大的方便。USB總線具有傳輸速率高、支持異步和等時傳輸特點，并且可同時掛接127個獨立的USB設(shè)備，適合于外登式中高速、高精度采樣系統(tǒng)。USB技術(shù)是非贏利性的規(guī)范，已得到了廣泛工業(yè)支持。
1 系統(tǒng)整體設(shè)計
嵌入式處理器是由C8051F020單片機和USB總線芯片CH375組成。C8051F020單片機作為系統(tǒng)的CPU擔(dān)任著邏輯控制、數(shù)據(jù)采集和存儲管理的工作，接收測試分析對象上傳的數(shù)據(jù)源信號，通過信號調(diào)理模塊和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊等控制功能實時采集數(shù)據(jù)，由USB總線芯片CH375作為與上位機通信的接口將數(shù)據(jù)傳送給上位機監(jiān)控模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
C8051F系列單片機是完全集成混合信號的系統(tǒng)級芯片，具有與8051兼容的控制器內(nèi)核，并與MCS-51指令集兼容；片內(nèi)還集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件和其他數(shù)字外設(shè)及功能部件。C8051F單片機采用流水線結(jié)構(gòu)，機器周期由標(biāo)準(zhǔn)的12個系統(tǒng)時鐘降為1個系統(tǒng)時鐘，處理能力大大提高，峰值性能可 達25M IPS.C8051F單片機是能真正獨立工作的片上系統(tǒng)(SoC)。每個MCU都能有效地管理模擬外設(shè)和數(shù)字外設(shè)，可以關(guān)閉單個或全部外設(shè)節(jié)省功耗。Flash存儲器還具有片上重新編程能力，可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲。片內(nèi)JTAG調(diào)試支持觀察、修改儲存器和寄存器，支持?jǐn)帱c、單步、運行、停機命令。調(diào)試時所有的模擬和數(shù)字外設(shè)都能全功能運行。
C8051F最突出的改進是引入了數(shù)字交叉開關(guān)。這是一個大的數(shù)字開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，允許將內(nèi)部數(shù)字系統(tǒng)資源分配給端口I/O 引腳。這種結(jié)構(gòu)可支持所有的功能組合，可通過設(shè)置交叉開關(guān)控制寄存器，將片內(nèi)的計數(shù)器 /定時器、串行總線、硬件中斷、ADC轉(zhuǎn)換啟動輸入及微控制器內(nèi)部的其他數(shù)字信號配置在端口I/O引腳，這就允許用戶根據(jù)自己的特定應(yīng)用選擇通用端口I/O和所需數(shù)字資源的組合。
USB模塊CH375是一個USB總線的通用設(shè)備接口芯片，無需編寫驅(qū)動程序，內(nèi)置有USB通訊中的底層協(xié)議，完全滿足USB1.1標(biāo)準(zhǔn)。該模塊具有8位數(shù)據(jù)總線(D0～D7)、地址輸入(A0)、讀(RDJHJ)、寫(WRJHJ)、片選控制線(CSJHJ)，以及中斷輸出(INTJHJ)等功能，可以方便地掛接到單片機的數(shù)據(jù)總線上。當(dāng)A0為低電平時選擇數(shù)據(jù)端口，單片機通過8位并口對CH375進行讀寫數(shù)據(jù)；當(dāng)AO為高電平時選擇命令端口，可以向其寫入命令。
在本地端，單片機對CH375的操作是采用命令加數(shù)據(jù)的I/O 操作方式，任何操作都是先發(fā)命令給CH375，然后執(zhí)行數(shù)據(jù)輸入輸出。CH375接收到上位機發(fā)送的數(shù)據(jù)或者發(fā)送完給上位機的數(shù)據(jù)后，以中斷方式通知單片機。各通道的USB模塊CH375在計算機應(yīng)用層與其本地端單片機之間提供了端對端的連接，統(tǒng)一采用數(shù)據(jù)加應(yīng)答方式進行通信，所有的通信都由計算機應(yīng)用層發(fā)起，然后以接收到單片機的應(yīng)答結(jié)束。
2 嵌入式軟件設(shè)計
嵌入式軟件設(shè)計采用模塊化的程序設(shè)計思想，主要由4個部分組成，即A/D轉(zhuǎn)換子程序、數(shù)據(jù)采集及存儲子程序、USB通信子程序，以及D/A轉(zhuǎn)換子程序，并由嵌入式處理器進行統(tǒng)一調(diào)配。這里主要介紹數(shù)據(jù)采集和USB通信子程序。
該虛擬示波器中使用了2種傳輸方式：控制傳輸和數(shù)據(jù)報告。控制傳輸用來實現(xiàn)位于計算機上的USB總線驅(qū)動程序及編寫的功能驅(qū)動程序?qū)υO(shè)備的各種控制操作，根據(jù)計算機端軟件設(shè)定的增益、時基、觸發(fā)等參數(shù)控制數(shù)據(jù)采集模塊，需要計算機向單片機發(fā)送少量的控制信息。
數(shù)據(jù)報告用來完成將采集數(shù)據(jù)從設(shè)備傳送到計算機的功能，這屬于大批量數(shù)據(jù)的傳輸。如圖2所示，當(dāng)USB控制器從USB總線檢測到計算機啟動的某一傳輸請求時，USB控制器通過中斷方式將此請求通知單片機。單片機通過訪問USB控制器的狀態(tài)寄存器和數(shù)據(jù)寄存器獲得與此次傳輸有關(guān)的各種參數(shù)，并根據(jù)具體傳輸參數(shù)，對USB控制器的控制寄存器和數(shù)據(jù)寄存器進行相應(yīng)的操作。如果是上傳(上傳緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)被計算機成功讀取)，則釋放當(dāng)前USB緩沖區(qū)，然后退出中斷程序；如果是下傳(下傳緩沖區(qū)成功接收到計算機發(fā)送的數(shù)據(jù) )，則從數(shù)據(jù)下傳緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)塊。在分析接收到的數(shù)據(jù)塊時，如果是數(shù)據(jù)請求的上傳命令，則準(zhǔn)備應(yīng)答數(shù)據(jù)(采集數(shù)據(jù) )；單片機將采集數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)上傳緩沖區(qū)中，然后退出中斷程序，完成計算機的傳輸請求。該通訊方式具有數(shù)據(jù)自動同步、程序設(shè)計簡單、交互性和可控性較好等優(yōu)點。
3 上位機軟件設(shè)計
上位機軟件主要功能是模擬一個示波器的界面，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示及滿足不同需要的分析功能，同時完成對數(shù)據(jù)采集硬件的參數(shù)設(shè)定。在這個設(shè)計中已實現(xiàn)了基本的功能，如圖3所示，包括波形顯示、數(shù)據(jù)保存、量程的自動轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)的深度分析(波形測量和頻譜分析)，甚至能結(jié)合嵌入式系統(tǒng)硬件實現(xiàn)波形發(fā)生器等功能。
上位PC機的人機界面是虛擬示波器與用戶的接口，直接關(guān)系到系統(tǒng)的可用性和方便性。人機界面程序主要是使用戶能夠方便地控制整個虛擬示波器的工作，并通過數(shù)據(jù)分析，使用戶能夠方便地選擇通道，采集頻率、增益等。上位機的人機界面采用VC++語言開發(fā)，在軟件中充分利用了類功能，將USB設(shè)備的啟動函數(shù)、停止函數(shù)、數(shù)據(jù)讀取函數(shù)等各個函數(shù)全部整合到動態(tài)鏈接庫USB.DLL中。將CH375芯片的驅(qū)動程序、動態(tài)鏈接庫拷貝到上位機中，利用CH375動態(tài)鏈接庫DLL提供的API函數(shù)(設(shè)備管理API、數(shù)據(jù)傳輸API、中斷查詢API和直接控制API)對其進行操作，數(shù)據(jù)傳輸API是最重要最常用的一組函數(shù)，它提供了多種數(shù)據(jù)傳輸模式。
中斷查詢API一般用于USB設(shè)備使用到中斷傳輸?shù)膱龊稀Ｖ苯涌刂艫PI是用于CH375直接輸入輸出信號，由設(shè)置、輸入和輸出3部分組成。這樣不但使軟件程序結(jié)構(gòu)清晰，方便閱讀，而且在需要時可以方便快捷地升級人機界面，無需大的改動。使用動態(tài)鏈接庫后，當(dāng)其他應(yīng)用軟件要使用該USB設(shè)備時，也可方便聲明函數(shù)，從而有效地控制USB設(shè)備工作，因此，該USB設(shè)備可以方便地用于其他場合，實現(xiàn)其他的功能。軟件充分利用了計算機強大的處理能力，可在控制USB設(shè)備的同時對16個信號進行采集和顯示，并可根據(jù)用戶的需要測出不同信號的頻率、幅值、有效值等參數(shù)。軟件波形觀測界面如圖4所示。
4 結(jié)束語
根據(jù)嵌入式系統(tǒng)USB接口的虛擬示波器的硬件和軟件設(shè)計方案，實現(xiàn)了該虛擬示波器數(shù)據(jù)傳輸、算法控制、顯示調(diào)試等基本功能。實踐表明，該系統(tǒng)性能良好，功能強大，體積小巧，使用簡便，價格低廉，適合多種場合應(yīng)用，能為使用者建立了一個良好的使用平臺。
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