課程設(shè)計---虛擬數(shù)字示波器的設(shè)計和實現(xiàn)

1、<p><b>　　緒論</b></p><p>　　1.1 虛擬示波器背景</p><p>　　示波器是電子測量行業(yè)最常用的測量儀器之一，主要用來測量并顯示被測信號的參數(shù)和波形，在科學(xué)研究、科學(xué)實驗以及現(xiàn)場監(jiān)測等許多領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。隨著科學(xué)研究的不斷深入和各種高新技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)示波器的諸如波形不穩(wěn)定、測讀不準(zhǔn)確等許多缺陷逐漸顯露出來，而且體積大，耗電

2、多，越來越不能滿足現(xiàn)代應(yīng)用的需要。</p><p>　　“虛擬儀器”這一新概念測量儀器的誕生，使示波器突破了傳統(tǒng)，在功能和作用等多方面發(fā)生了根本性變化。虛擬儀器將計算機(jī)和測量系統(tǒng)融合于一體，用計算機(jī)軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的某些硬件的功能，用計算機(jī)的顯示器代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器物理面板。</p><p>　　虛擬示波器是虛擬儀器的一種，它不僅可以實現(xiàn)傳統(tǒng)示波器的功能，具有存儲、再現(xiàn)、分析、處理波形等特點，而

3、且體積小，耗電少。虛擬示波器使用功能強(qiáng)大的微型計算機(jī)來完成信號的處理和波形的顯示，利用軟件技術(shù)在屏幕上設(shè)計出方便、逼真的儀器面板，進(jìn)行各種信號的處理、加工和分析，用各種不同的方式(如數(shù)據(jù)、圖形、圖表等)表示測量結(jié)果，完成各種規(guī)模的測量任務(wù)。鑒于虛擬示波器的種種優(yōu)點及廣泛用途，研究出性能優(yōu)越、價格低廉的虛擬示波器是十分重要的。</p><p><b>　　1.2 性能指標(biāo)</b></p&

4、gt;<p>　　本示波器與常見的示波器比較，最大的特點是可以定量地給出信號的各種參量，比如最大、最小值和頻率等，無需使用者再去數(shù)格子，然后還要計算。特別適合于學(xué)校教學(xué)實驗的需求，在學(xué)校教學(xué)中可以直聯(lián)投影機(jī)，使全體學(xué)生都可以遠(yuǎn)距離看到信號波形的演示。</p><p>　　本示波器采樣USB接口，其頻率比并口示波器略高，同樣支持直流測量，可以定量測量信號，主要技術(shù)指標(biāo)如下：</p>&l

5、t;p>　　采樣頻率：共八擋可調(diào)：323.53kHz、100kHz、50kHz、20kHz、10kHz、5kHz、2kHz、1kHz。本機(jī)測量的信號頻率應(yīng)在70kHz以下。</p><p>　　最高輸入電壓：共兩擋可選：±2.5V，±12.5V，如果接入10：1示波器探棒，最大輸入電壓可達(dá)±125V。</p><p><b>　　輸入阻抗：1M

6、Ω。</b></p><p>　　供電電壓：無需外部供電，直接從PC機(jī)的USB口取電。</p><p><b>　　接口：USB接口。</b></p><p><b>　　硬件設(shè)計</b></p><p><b>　　圖1 硬件設(shè)計框圖</b></p>

7、<p>　　具體電路原理圖見附錄一，從圖中可以看出電路的輸入信號調(diào)理部分和信號轉(zhuǎn)換部分與常見的并口示波器相同，R10、R11、R12、R13、R14、C19、C20和C21構(gòu)成輸入交直流切換和衰減網(wǎng)絡(luò)，提供交直流輸入切換和1：1、1：5的輸入信號切換功能；TL074中的一個運放U 1 A和其周邊元件構(gòu)成一個跟隨放大器，提供了輸入保護(hù)和阻抗轉(zhuǎn)換功能；TL074中的另一個運放U1B構(gòu)成一個正相放大器，提供-2.5V～+2.5V向

8、0～2.5V的轉(zhuǎn)換功能，同時依據(jù)實際操作的經(jīng)驗，取消了不實用的外觸發(fā)部分，簡化了電路。</p><p>　　電路的主體部分以PIC18F2550為核心，PIC18F2550與周邊電路共同構(gòu)成了模數(shù)轉(zhuǎn)換采樣圖1 19.2kHz方波波形圖2 50Hz市電波形和USB接口部分，其中TL43 1和接在其陰極的200Q電阻構(gòu)成了一個2.5V電壓基準(zhǔn)，供單片機(jī)作為模數(shù)轉(zhuǎn)換和運放電平轉(zhuǎn)換的電壓基準(zhǔn)。由于USB僅能提供5V電源，

9、不能滿足前兩級運放的工作條件，為此采用一片34063構(gòu)成了-5V～5V的轉(zhuǎn)換電路供運放使用。</p><p><b>　　實物圖見附錄三。</b></p><p><b>　　軟件設(shè)計</b></p><p>　　4.1 單片機(jī)程序設(shè)計</p><p>　　單片機(jī)的軟件采用PICC編寫，使用了MIC

10、R0CHIP的USB庫，主要完成BNC過來數(shù)據(jù)的采集、A／D轉(zhuǎn)換、為數(shù)字電路提供CP脈沖以及完成USB的通信等工作。圖2為單片機(jī)部分的程序流程圖。</p><p>　　圖2 單片機(jī)軟件設(shè)計流程圖</p><p>　　微芯公司提供了一系列的USB寄存器，使用這些寄存器可以完成USB通信。大多數(shù)的USB通信都是通過中斷來完成的，在USB中斷服務(wù)程序內(nèi)，要實現(xiàn)輸入／輸出接口，允許大多數(shù)的USB程

11、序在后臺完成。從應(yīng)用的觀點來看，枚舉過程和數(shù)據(jù)通信的發(fā)生并沒有聯(lián)系。</p><p>　　對于單片機(jī)控制程序，目前沒有任何廠商提供自動生成固件(firmware)的工具，因此所有程序都要由自己手工編制。由于USB協(xié)議的復(fù)雜性，并且考慮 到廣大客戶的需求，因此，Microchip公司在推出PIC18F4550系列芯片時，提供了面向不同客戶群的DEMO程序。本系統(tǒng)的設(shè)計就是在Microchip公司提供的DEMO程序的

12、基礎(chǔ)上，進(jìn)行必要的修改來完成的。本設(shè)計的具體固件主要由以下8個文件組成。</p><p>　?、?main.c：系統(tǒng)的主程序，包括InitializeSystem()和USBTasks(void)兩個子程序，主要完成系統(tǒng)的初始化以及其他各種子程序的調(diào)用。</p><p>　　② usb9.c：實現(xiàn)的是USB協(xié)議功能，包括枚舉總線的接口和核心功能，以及USB的中斷服務(wù)程序。它處理由USB用戶

13、所產(chǎn)生的所有的中斷。在這個程序中，主要實現(xiàn)對描述符的枚舉以及休眠、復(fù)位功能，主要包括USBCheckStdRequest(void)、USBStdGetDscHandler(void)和USBStdFeatureReqHandler(void)等5個子程序。</p><p>　?、?usbctrltrf.c：主要實現(xiàn)USB控制傳輸所需的各種功能，主要由USBCtrlTrfSetupHandler(void)、US

14、BCtr-lEPServiceComplete(void)和USBPrepareForNextSetup-Trf(void)等8個子程序組成。</p><p>　?、?usbdrv.c：主要實現(xiàn)與USB驅(qū)動相關(guān)的功能，包括檢查總線狀態(tài)、USB模塊使能、USB模塊掛起、遠(yuǎn)程喚醒等功能；主要由USBSuspend(void)、USBModuleEnable(void)、USBSoftDetach(void)和USBD

15、riverService(void)等12個子程序組成。</p><p>　　⑤ usbdsc.c：主要是對該系統(tǒng)的描述，包括廠商、產(chǎn)品號等的描述。</p><p>　?、?usbgen.c：對USB設(shè)備類的配置(在這里把它配置為通用USB類)，主要包括USB通用類的初始化端點和讀寫，由USBGenInitEP(void)、USBGenRead(byte*buffer，byte len)和

16、USBGenWrite(byte*buffer，bytelen)三個子程序組成。</p><p>　?、?usbmmap.c：主要用于檢查USB在通信過程中，端點號與BDT(緩沖器描述符表)之間的匹配。</p><p>　　⑧ user.c：直接面向用戶的應(yīng)用程序，可以幫助用戶完成自己的初始化配置、處理數(shù)據(jù)的讀／寫、I／O口的處理，設(shè)備的請求等。本設(shè)計中下位機(jī)的大部分功能都是由這個程序來實

17、現(xiàn)的，比如A／D轉(zhuǎn)換及其數(shù)據(jù)的讀取、1MHz的PWM波形產(chǎn)生等。它主要包括UserInit(void)、BlinkUSBStatus(void)、ServiceRequests(void)、ProcessIO(void)、ResetTempLog(void)和ReadPOT(void)六個子程序。</p><p>　　4.2 PC機(jī)軟件編程</p><p>　　要編寫PC機(jī)上的軟件，可以利

18、用Microchip公司提供的開發(fā)工具包。該工具包是一個安裝程序，安裝后可以在安裝目錄下找到USB通用的驅(qū)動程序、用Borland C編寫的應(yīng)用程序、一些固件代碼，以及編寫應(yīng)用程序所需的API函數(shù)等。對于一般的應(yīng)用，驅(qū)動程序可以直接使用，無需重編。在編程中主要用到以下7個API函數(shù)：MPUSBGetDLL Version()，返回DLL的版本號；MPUSB-GetDeviceCount()，返回連接沒備的數(shù)目；MPUSBOpen()，返

19、回指定pVID_PID和pEP的USB設(shè)備端點的句柄，返回的是一個端點句柄；MPUSBRead()，從IN端點讀取數(shù)據(jù)并填入緩沖區(qū)；MPUSBWrite()，對一個OUT端點寫入數(shù)據(jù)并使用pData緩沖區(qū)；MPUSBReadInt()，從Inter-rupt IN端點讀取數(shù)據(jù)并填人緩沖區(qū)；MPUSBClose()，關(guān)閉一個端點的句柄。因為Microchip公司提供的MPUS-BAPI.DLL源程序是用Borland C編寫的，這一程序無

20、法在VC環(huán)境下編譯，所以也不能產(chǎn)生隱式調(diào)用所需的.LIB文件，因此本設(shè)計在使用DLL時用的是</p><p>　　PC機(jī)的軟件部分主要用于實現(xiàn)上位機(jī)同下位機(jī)之間的USB通信，輸入信號的細(xì)分和顯示等功能。實現(xiàn)這一功能的方法有很多種，比如采用簡單的VB、數(shù)據(jù)處理能力很強(qiáng)的Delphi，或國內(nèi)外廣泛采用的Borland C和VC等。為了下一步的軟件開發(fā)以及與廠家的其他軟件接口，本系統(tǒng)上位機(jī)的軟件部分采用VC++6.0來

21、實現(xiàn)。圖3是PC機(jī)軟件部分的流程圖。</p><p>　　圖3 PC機(jī)軟件設(shè)計流程圖</p><p>　　軟件提供了波形顯示、單次波形捕捉，打印、時基調(diào)整、波形保存、波形比較等功能，雖然這是一個單蹤示波器，但通過波形的保存和再現(xiàn)提供了準(zhǔn)雙蹤示波器的功能，你可以測量某一點的信號，保存起來，然后測量另一點的信號，再打開已保存的信號，同屏顯示兩組信號進(jìn)行信號的比較。</p><

22、;p><b>　　PC軟件的使用</b></p><p>　　啟動本軟件后，顯示如圖4的界面。</p><p>　　圖4 上位機(jī)軟件界面</p><p><b>　　4.1 校零</b></p><p>　　軟件界面的正下方有校零的按鈕，在接入信號前，首先將輸入信號接地（紅黑輸入均接地），然后

23、按“校零”即可完成校零。完成后如圖5。</p><p><b>　　圖5 校零后的波形</b></p><p><b>　　4.2 觸發(fā)方式</b></p><p>　　目前軟件提供了無觸發(fā)、內(nèi)觸發(fā)兩種觸發(fā)方式，同時對內(nèi)觸發(fā)提供了上升沿觸發(fā)和下降沿觸發(fā)兩種選擇。</p><p><b>　

24、　4.3 采集信號</b></p><p>　　選擇開始按鈕開始信號采集，暫停按鈕停止信號采集，錄制按鈕采集一個周期的信號后暫停。</p><p>　　4.4 采集周期和波形展寬</p><p>　　采樣周期可以有8種選擇：最快、10 S、20 S、50 S、100S、200 S、500 S、1000 S；同時提供了5擋波形展寬選擇：×1、&#

25、215;2、×5、×10、×20；屏幕下方的開關(guān)的顯示一定要與電路板上的開關(guān)位置相對應(yīng)，以獲得正確的標(biāo)注。默認(rèn)情況下電壓使用交流，1：5擋輸入信號。本設(shè)備的最高輸入電壓峰一峰值不要超過±12.5V。任意時刻均可選擇保存信號，保存當(dāng)時的波形。</p><p>　　4.5 波形數(shù)據(jù)讀取與保存</p><p>　　在屏幕上按下鼠標(biāo)左鍵，拖動鼠標(biāo)即可看到相應(yīng)

26、范圍內(nèi)的電壓差、頻率和周期信息。軟件界面的右下部分給出了所測信號的頻率、最大值和最小值等信息。如圖6a。</p><p>　　軟件提供波形的保存和打印功能，如圖6b。</p><p>　　圖6 波形數(shù)據(jù)的讀取和保存</p><p>　　軟件所有提示均為中文。在相同的硬件平臺上我們還可以實現(xiàn)記錄儀功能，可以提供和現(xiàn)在生產(chǎn)控制中常見的記錄儀功能，一次可以記錄某一生產(chǎn)參數(shù)

27、幾天的變化量，實現(xiàn)無人值守。PC機(jī)與單片機(jī)之間通信采用USB人體學(xué)輸入設(shè)備接口，使用windows內(nèi)置的驅(qū)動程序，因此不需要專門的USB驅(qū)動程序，如果遇到不能識別的情況可以通過更換其它品牌鼠標(biāo)或使用ps2鼠標(biāo)來解決，此外由于各種PC機(jī)給出的USB電源的純靜度不同，從電路圖上可以看出雖然采用了各種濾波措施，在個別機(jī)器上短路輸入端的情況下顯示波形可能會有1％以下的細(xì)微毛刺。支持的操作系統(tǒng)包括Windows2000、Windows2003、W

28、mdowsXP和Windows Vista。</p><p><b>　　結(jié)束語</b></p><p>　　整個虛擬示波器系統(tǒng)己經(jīng)通過調(diào)試，達(dá)到預(yù)期的性能指標(biāo)。己經(jīng)屬于一種可以應(yīng)用于實踐中的測試儀器。但系統(tǒng)還有需要改進(jìn)提高的地方。</p><p>　　① 本系統(tǒng)的應(yīng)用軟件需要進(jìn)一步開發(fā)，以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性。</p><

29、;p>　?、?由于課題是考察市場而得出的，所以需要針對軟硬件合理安排完善，以便進(jìn)一步能夠使之產(chǎn)品化。</p><p>　?、?由于虛擬示波器的應(yīng)用越來越廣泛，相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)也有更高的要求，所以必須研制采樣速率更高，系統(tǒng)更穩(wěn)定的儀器，以滿足實際的應(yīng)用要求。</p><p>　　總之，大學(xué)生創(chuàng)新項目的完成并不意味著USB虛擬示波器開發(fā)的結(jié)束，我們還將繼續(xù)努力。</p>&l