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一種基于高速數(shù)據(jù)采集卡的虛擬示波器開發(fā)

一,、引言
在當(dāng)今的電子測(cè)量領(lǐng)域,，示波器作為一種重要的測(cè)量工具，對(duì)于信號(hào)的觀察、分析和調(diào)試起著關(guān)鍵作用,。傳統(tǒng)的物理示波器存在體積大、成本高,、功能相對(duì)固定等局限性,。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和電子測(cè)量技術(shù)的飛速發(fā)展，虛擬示波器應(yīng)運(yùn)而生,?；诟咚贁?shù)據(jù)采集卡的虛擬示波器憑借其強(qiáng)大的性能和靈活的功能，成為了研究和開發(fā)的熱點(diǎn),。
二,、高速數(shù)據(jù)采集卡的選擇
采樣率
采樣率是衡量數(shù)據(jù)采集卡性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一。對(duì)于高頻信號(hào)的采集,，需要選擇具有高采樣率的采集卡,，以確保能夠準(zhǔn)確捕捉信號(hào)的細(xì)節(jié)。例如,，對(duì)于頻率高達(dá) 100MHz 的信號(hào),，采樣率應(yīng)至少為 200MHz 以滿足奈奎斯特采樣定理。
分辨率
分辨率決定了采集到的數(shù)據(jù)的精度,。較高的分辨率可以提供更精細(xì)的電壓測(cè)量,，例如 12 位或 14 位分辨率的采集卡能夠提供更準(zhǔn)確的信號(hào)幅度測(cè)量。
輸入通道數(shù)
根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的輸入通道數(shù),。如果需要同時(shí)測(cè)量多個(gè)信號(hào)源,，就需要選擇具有多個(gè)通道的采集卡。
三,、虛擬示波器的軟件架構(gòu)
驅(qū)動(dòng)程序
與高速數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行通信,，控制采集卡的工作模式和參數(shù)設(shè)置，如采樣率,、觸發(fā)方式等,。
數(shù)據(jù)采集模塊
負(fù)責(zé)從采集卡獲取數(shù)據(jù)，并進(jìn)行初步的處理和緩存。
信號(hào)處理模塊
對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波,、放大,、解調(diào)等處理，以提取有用的信號(hào)特征,。
顯示模塊
將處理后的信號(hào)以波形的形式顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上,，同時(shí)提供各種測(cè)量和分析工具，如幅度測(cè)量,、頻率測(cè)量,、相位測(cè)量等。
四,、虛擬示波器的功能實(shí)現(xiàn)
觸發(fā)功能
包括邊沿觸發(fā),、脈沖觸發(fā)、邏輯觸發(fā)等多種觸發(fā)方式,，以便準(zhǔn)確捕捉特定的信號(hào)事件,。
測(cè)量功能
能夠測(cè)量信號(hào)的峰峰值、有效值,、平均值,、頻率、周期等參數(shù),。
存儲(chǔ)和回放功能
可以將采集到的數(shù)據(jù)保存為文件,，以便后續(xù)分析和處理，同時(shí)能夠回放已保存的數(shù)據(jù),。
遠(yuǎn)程控制功能
通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)傳輸,，方便在不同地點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量和分析。
五,、開發(fā)中的關(guān)鍵技術(shù)和挑戰(zhàn)
實(shí)時(shí)性
確保在高速數(shù)據(jù)采集過程中,，數(shù)據(jù)的處理和顯示能夠?qū)崟r(shí)進(jìn)行，避免出現(xiàn)卡頓和延遲,。
抗干擾能力
由于環(huán)境中的電磁干擾等因素,，需要采取有效的措施提高系統(tǒng)的抗干擾能力，保證采集到的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,。
軟件優(yōu)化
對(duì)軟件進(jìn)行優(yōu)化，提高程序的運(yùn)行效率,，減少資源占用,。
六、應(yīng)用前景
基于高速數(shù)據(jù)采集卡的虛擬示波器在電子研發(fā),、通信工程,、工業(yè)控制、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景,。它不僅可以降低測(cè)量成本,，提高測(cè)量效率,，還可以根據(jù)用戶的特定需求進(jìn)行定制化開發(fā)，滿足不同領(lǐng)域的多樣化測(cè)量需求,。
例如,，在通信工程中，可以用于監(jiān)測(cè)和分析通信信號(hào)的質(zhì)量,；在工業(yè)控制中,，可以對(duì)生產(chǎn)線上的傳感器信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和故障診斷。
總之,，基于高速數(shù)據(jù)采集卡的虛擬示波器的開發(fā)具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值,，將為電子測(cè)量領(lǐng)域帶來新的發(fā)展機(jī)遇。

摘    要：本文基于PCI接口的CS 82G高速數(shù)據(jù)采集卡和Visual C++編程工具,開發(fā)了一種快速的虛擬示波器試驗(yàn)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了高速數(shù)據(jù)的采集和動(dòng)態(tài)波形的顯示,并具有頻譜分析和數(shù)字濾波功能,。

關(guān)鍵詞：虛擬示波器;數(shù)據(jù)采集;CS 82G

引言
虛擬儀器以通用計(jì)算機(jī)作為系統(tǒng)控制器,各種復(fù)雜測(cè)試功能,、數(shù)據(jù)分析和結(jié)果顯示都完全由計(jì)算機(jī)軟件完成,在很多方面較傳統(tǒng)儀器有無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)。
本文在帶有PCI總線接口的CS82G高速數(shù)據(jù)采集卡和Visual C++編程工具的基礎(chǔ)上開發(fā)的快速虛擬示波器試驗(yàn)系統(tǒng),集成了波形采集,、數(shù)據(jù)分析,、輸出、顯示等多種功能,。同時(shí),為保證數(shù)據(jù)采集和波形顯示的實(shí)時(shí)性,設(shè)計(jì)中還采用了多線程技術(shù),。

圖1  CS 82G采集卡系統(tǒng)框圖

圖2 軟件系統(tǒng)總體流程圖
虛擬示波器的系統(tǒng)組成
系統(tǒng)組成
本虛擬示波器系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)和專用的軟件組成,。 其中數(shù)據(jù)采集卡完成對(duì)輸入測(cè)量信號(hào)的調(diào)理采集,、緩存,并通過計(jì)算機(jī)PCI總線送入內(nèi)存;計(jì)算機(jī)在應(yīng)用程序控制下,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、運(yùn)算,最后完成各種電量測(cè)試并在屏幕上用圖形或數(shù)據(jù)形式顯示,。這一切均可在人機(jī)交互方式下完成,。
數(shù)據(jù)采集卡的硬件結(jié)構(gòu)
本虛擬示波器采用的是Gage公司的CS 82G高速數(shù)據(jù)采集卡。其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,。
該數(shù)據(jù)采集卡是一個(gè)具有兩個(gè)模擬量輸入通道的標(biāo)準(zhǔn)的PCI總線插卡,卡上集成的兩個(gè)高速8位ADC,最高工作頻率高達(dá)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(zhuǎn)換,所以最高采樣頻率可以達(dá)到2GHz,。全卡的功能電路由數(shù)字控制邏輯電路統(tǒng)一控制?？ㄉ吓渲糜?6MB的高速存儲(chǔ)器,解決了高采樣率和相對(duì)較低的PCI總線數(shù)據(jù)傳輸速率的匹配問題,。
在使用之前必須對(duì)采集卡的硬件進(jìn)行配置,這些控制程序用到了相應(yīng)的底層DAQ驅(qū)動(dòng)程序。通過采集卡自帶的DLL,可以在程序中靈活地對(duì)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(shù)等參數(shù)進(jìn)行控制,。
模擬信號(hào)經(jīng)同軸電纜進(jìn)入采集卡的輸入通道后,經(jīng)過前置濾波電路、衰減電路、可變?cè)鲆娴姆糯箅娐?將信號(hào)處理成ADC可以處理的標(biāo)準(zhǔn)電平,經(jīng)過A/D采樣量化轉(zhuǎn)化成計(jì)算機(jī)可以處理的數(shù)字信號(hào)并緩存到存儲(chǔ)器,。該采集卡支持軟件通過PC機(jī)的PCI總線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(zhuǎn)換結(jié)束的識(shí)別,并允許將采集數(shù)據(jù)以DMA方式傳輸?shù)接?jì)算機(jī)內(nèi)存,同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行分析處理,、顯示,、存儲(chǔ)及打印輸出。

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
虛擬示波器的軟件開發(fā)環(huán)境
虛擬儀器最核心的是軟件技術(shù),。目前,用于虛擬儀器開發(fā)的軟開發(fā)平臺(tái)主要有兩大類：一類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;另一類是一些公司推出的專用于虛擬儀器開發(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(shè)計(jì)中采用Visual C++作為虛擬示波器的開發(fā)環(huán)境,。
軟件的方案設(shè)計(jì)
圖2展示了本設(shè)計(jì)中軟件系統(tǒng)的總體流程圖,。程序開始工作后,首先進(jìn)入主線程,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程中進(jìn)行)。OnStart()函數(shù)的主要目的是執(zhí)行StartCapture()函數(shù)以啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集子線程,執(zhí)行StartProcessing()函數(shù)以啟動(dòng)數(shù)據(jù)處理子線程,主線程進(jìn)入消息循環(huán),并通過消息和子線程進(jìn)行通信,。采樣線程和數(shù)據(jù)處理線程實(shí)際上是由g_bRunThread變量控制的循環(huán)過程,這樣可以方便主線程控制工作線程的退出,。數(shù)據(jù)采集線程利用了采集卡驅(qū)動(dòng)程序提供的中斷采樣函數(shù),采樣深度n由控件設(shè)定,每當(dāng)采集完成n個(gè)點(diǎn)的采樣時(shí),采樣數(shù)據(jù)便被送入卡上的緩沖區(qū),然后通過PCI總線向計(jì)算機(jī)傳輸數(shù)據(jù),當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸完畢之后,采樣線程向數(shù)據(jù)處理線程發(fā)送WM_RECEIVE消息,通知數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)這n點(diǎn)進(jìn)行分析處理。在主線程里,主要接收用戶操作的消息,比如通道參數(shù)的設(shè)定,、通道顯示的設(shè)定,、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)打印以及察看歷史數(shù)據(jù)、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(shù)據(jù)采集,、用戶界面、頻譜分析,、數(shù)字濾波以及波形顯示,。
信號(hào)采集模塊
信號(hào)采集模塊主要完成對(duì)數(shù)據(jù)的采集,根據(jù)所采集信號(hào)的不同采用不同的采樣頻率。這個(gè)模塊中應(yīng)用程序會(huì)通過采集卡的驅(qū)動(dòng)程序和硬件進(jìn)行通信,如果把這個(gè)模塊放在程序主線程中實(shí)現(xiàn),那么,當(dāng)應(yīng)用程序與驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí),主界面就會(huì)凍結(jié),。為了解決這個(gè)問題,本文直接創(chuàng)建一個(gè)子線程來單獨(dú)完成與驅(qū)動(dòng)程序的通信任務(wù),讓主界面專心于響應(yīng)視窗界面的信息,。在子線程中通過調(diào)用gage_start_capture( )函    數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。
用戶界面模塊
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(shù)據(jù)的特征參數(shù),另一個(gè)用于對(duì)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(jié)果在用戶界面上以坐標(biāo)曲線形式顯示,。進(jìn)行FFT時(shí)可以選擇點(diǎn)數(shù),有1024、2048,、4096三種選擇,如果點(diǎn)數(shù)不夠,程序自動(dòng)補(bǔ)零,。
數(shù)字濾波模塊
本軟件可以對(duì)所采集信號(hào)進(jìn)行低通和高通濾波。首先根據(jù)給定通帶截止頻率,、阻帶截止頻率、通帶衰減和阻帶衰減設(shè)計(jì)出Butterworth模擬濾波器,再用雙線性變換法設(shè)計(jì)出數(shù)字濾波器。
波形顯示模塊
當(dāng)前波形顯示主要有兩種方法,分段顯示和滾動(dòng)顯示,。本設(shè)計(jì)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)顯示只能觀察變化緩慢的信號(hào)的限制,。算法核心思想如下。
1． 得到所采集數(shù)據(jù)塊的第一個(gè)和最后一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的橫坐標(biāo)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(biāo),把它轉(zhuǎn)化為設(shè)備坐標(biāo)cx,用cx設(shè)定整個(gè)滾動(dòng)視圖的寬度,。
3． 為了提高畫圖的效率,需要畫出滾動(dòng)視圖可視部分的圖形,也就是剪裁區(qū)的圖形,因此要確定剪裁區(qū)。
4． 畫出坐標(biāo)以及剪裁區(qū)內(nèi)的一段波形,。利用CSplitterWnd:: DoScrollBy()函數(shù),根據(jù)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(yīng)的剪裁區(qū)也會(huì)發(fā)生改變,從而能動(dòng)態(tài)畫出新的波形。

實(shí)驗(yàn)與討論
在實(shí)驗(yàn)中使用該系統(tǒng)對(duì)正弦信號(hào)和鋸齒波信號(hào)進(jìn)行了采集,并對(duì)兩個(gè)通道的信號(hào)分別進(jìn)行了頻譜分析,。實(shí)驗(yàn)時(shí)示波器參數(shù)設(shè)置如下：采樣模式為雙通道,其中通道1對(duì)正弦信號(hào)進(jìn)行采樣,通道2對(duì)鋸齒波信號(hào)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(hào)電壓范圍為+/-5V,。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示達(dá)到了預(yù)定的效果。
設(shè)計(jì)中一個(gè)關(guān)鍵問題是在保證數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)性的同時(shí),又能及時(shí)地響應(yīng)用戶的操作或進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示,。在本文中,為解決這個(gè)問題采用了多線程技術(shù),除了一個(gè)處理用戶輸入消息的用戶界面線程之外,還創(chuàng)建了兩個(gè)輔助線程,從而最大程度地保證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性,。