基于高速数据采集卡的虚拟示波器设计

　　1 引言
　　虚拟仪器(VI-ViItuaIInstrument)是指通过应用程序将通用计算机与功能化硬件结合起来，用户可通过友好的图形界面操作计算机，就像在操作自己定义、自己设计的单个仪器一样，从而完成对被测量的采集、处理、分析、判断、显示、数据存储等。在这种仪器系统中，各种复杂测试功能、数据分析和结果显示都完全由计算机软件完成，在很多方面较传统仪器有无法比拟的优点，如使用灵活方便、测试功能丰富、价格低廉、一机多用等，这些使得虚拟仪器成为未来电子测量仪器发展的主要方向之一。

　　当今虚拟仪器系统开发采用的总线包括传统的Rs232串行总线、GPIB通用接口总线、VXI总线、PCI总线和IEEE 1394总线即Firewire(也叫做火线)。

　　本文介绍基于PCI总线接口的CompuS,cope82G型高速数据采集卡和Visual C++编程工具的快速虚拟示波器试验系统，该系统集波形采集、数据分析、输出、显示为一体。为了保证数据采集和波形显示的实时性，设计中还采用了多线程技术。

2 系统组成和采集卡的硬件结构
2．1 系统组成
　　虚拟示波器系统主要由数据采集卡、计算机和专用软件组成，其中，数据采集卡完成对输入测量信号的调理采集和缓存，并通过计算机PCI总线送入内存；计算机在应用程序控制下对数据进行处理、运算，最后完成各种电量测试并在屏幕上用图形或数据形式显示。这一切均在人机交互方式下完成。

2．2 数据采集卡的硬件结构
　　本虚拟示波器采用Gage公司的CompuScope82G型高速数据采集卡作为PCI接口。采集卡的硬件结构如图1所示。

　　该数据采集卡主要由前置滤波器、可程控衰减器、可程控模拟放大电路、A／D转换器、D／A转换器、计数，定时电路、振荡电路、时序控制电路及PCI接口电路组成，其功能电路由数字控制逻辑电路统一控制。该卡是具有2个模拟量输入通道的标准的PCI总线插卡，卡上集成的2个高速8位ADC的工作频率高达IGHz，在单通道工作模式下，2个ADC同时工作，分别在脉冲的上升沿和下降沿进行转换，所以最高采样频率可以达到2GHz。卡上配置有16M的高速存储器，解决了高采样率和相对较低PCI总线数据传输速率的匹配问题。在使用之前必须对采集卡的硬件进行配置，这些控制程序用到相应的底层DAQ驱动程序。通过采集卡自带的DLL可以在程序中灵活地对硬件进行控制，比如输入阻抗、输入电压范围、放大器增益、采样频率、每次采样点数等。

3 系统的软件设计
3．1 虚拟示波器的软件开发环境
　　虚拟仪器最核心的技术是软件技术。目前，用于虚拟仪器开发的软件开发平台主要有二大类：一类是通用的可视化软件编程环境，主要有Microsoft公司的Visual C++和Visual Basic、Inprise公司的Delphi和C++Builder等；另一类是一些公司推出的专用于虚拟仪器开发软件的编程环境，主要有NI公司的图形化编程环境LabView及文本编程环境IabWindows／CVI、Agilent公司的图形化编程环境Agilent VEE。考虑到软件的灵活性、高效性和可移植性，本设计中采用visual C++作为虚拟示波器的开发环境。

3．2 软件功能模块
　　该虚拟示波器有5大功能模块：信号采集、用户界面、频谱分析、数字滤波、波形显示。

3．2．1信号采集模块
　　信号采集模块主要完成数据的采集，根据采集信号的不同选用不同的采样频率。该模块中的应用程序通过采集卡的驱动程序和硬件进行通信，如果把该模块放在程序主线程中实现，那么，当应用程序与驱动程序进行数据通信时主界面就会冻结。为了解决这个问题，本文直接创建一种子线程来单独完成与驱动程序的通信任务，让主界面专用于响应视窗界面的信息。在子线程中通过调用gage_start_capture()函数进行数据的采集。图2示出数据采集流程。数据采集的主要代码如下：

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3．2．2用户界面模块
　　界面主要切分为3个视图：主视图基类为ScrollView，用于显示波形；2个视图基类为For-mView，1个用于动态显示采集数据的特征参数，另1个用于对示波器进行操作。整个软件的主界面设计如图3所示。

3．2．3频谱分析模块
　　本软件利用快速傅里叶变换(FFT)进行频谱分析。频谱分析采用按时间抽取FFT算法，然后将幅值频谱分析结果在用户界面上以坐标曲线形式显示。进行FFT时可以选择点数，有1024、2048、4096 3种选择，如果点数不够，程序自动补零。

3．2．4数宇滤波模块
　　本软件可以对所采集的信号进行低通和高通滤波。首先根据给定通带截止频率、阻带截止频率、通带衰减和阻带衰减设计出巴特沃思(Butter-worth)模拟滤波器，再用双线性变换法设计出数字滤波器。

3．2．5波形显示模块
　　虚拟示波器的工作原理是对信号波形进行高速采样，采样值被数字化后存储起来，当重建波形时便从缓冲区取数，然后用清晰、均匀一致的轨迹映像在屏幕上。由于采集的模拟波形经数字化后成为一串离散数据，因此，如何重建信号波形是虚拟示波器设计中的关键问题之一。当前的波形显示主要有分段显示和滚动显示。这里采用滚动显示，并且提出一种新的滚动显示算法，突破了滚动显示只能观察变化缓慢的信号的限制。算法核心思想如下：

　　(1)得到所采集数据块的第1个和最后1个数据点的横坐标m_xMin和rn_xMax，m_xMax-m_xMin为波形的逻辑宽度。

　　(2)m_xMax-m_xMin的值为逻辑坐标，把它转化为设备坐标cx，用cx设定整个滚
动视图的宽度。

　　(3)为了提高画图的效率，只需画出滚动视图可视部分的图形，也就是剪裁区的图形，因此要得到剪裁区。

　　(4)画出坐标及剪裁区内的一段波形。

　　(5)利用CSplitterWnd::DoSerollBy()函数，根据采样间隔的大小决定断滚动视图速度的快慢。这样视图滚动以后相应的剪裁区也会发生改变，促使动态画出新的波形。

　　主要代码如下：

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4 实验与讨论
　　在实验中使用该系统对正弦信号和锯齿波信号进行了采集，并对2个通道的信号分别进行了频谱分析。实验时示波器参数设置如下：采样模式为双通道，其中通道1对正弦信号进行采样，通道2对锯齿波信号进行采样；采样率为120Ms／s；采样深度为16 000点；触发源为软件触发；触发时间极限为20ms；输入信号电压范围为~5V。实验结果如图4所示。达到了预定的效果。

　　本文基于Gage公司的CompuScope 82G型高速数据采集卡，用Visual C++编程工具设计出一种快速虚拟示波器试验系统，实现了高速数据的采集和动态波形的显示。同时提出一种新的波形滚动算法，大大改观了滚动波形的动态显示效果。在此基础上实现了传统示波器无法实现的频谱分析和数字滤波功能。采用Visual c++作为仪器编程语言使得编写的程序通用性和可移植性强。