【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(jì)方案和具體實(shí)現(xiàn)方法。以單片機(jī)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(jī)，通過控制傳輸和數(shù)據(jù)報(bào)告完成數(shù)據(jù)通信和監(jiān)控顯示的功能。實(shí)驗(yàn)表明，設(shè)計(jì)的虛擬儀器具有智能化和良好的系統(tǒng)擴(kuò)展性，是未來虛擬儀器發(fā)展的方向。
虛擬示波器是將計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)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(shí)現(xiàn)一般示波器所不能實(shí)現(xiàn)的功能和友好的界面，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)示波器功能單一、體積龐大、攜帶不便、價(jià)格昂貴的不足。隨著計(jì)算機(jī)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(shí)時(shí)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(shí)，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(dòng)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(shí)候，只能指定特定的計(jì)算機(jī)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(jī)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€(gè)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(qiáng)系統(tǒng)的靈活性，同時(shí)還有利于系統(tǒng)的維護(hù)。
USB接口是實(shí)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(jī)配置新的硬件設(shè)備不用在打開機(jī)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(shí)傳輸特點(diǎn)，并且可同時(shí)掛接127個(gè)獨(dú)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(jì)
嵌入式處理器是由C8051F020單片機(jī)和USB總線芯片CH375組成。C8051F020單片機(jī)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(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，由USB總線芯片CH375作為與上位機(jī)通信的接口將數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)監(jiān)控模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
C8051F系列單片機(jī)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(jī)采用流水線結(jié)構(gòu)，機(jī)器周期由標(biāo)準(zhǔn)的12個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘降為1個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘，處理能力大大提高，峰值性能可 達(dá)25M IPS.C8051F單片機(jī)是能真正獨(dú)立工作的片上系統(tǒng)(SoC)。每個(gè)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(gè)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(diǎn)、單步、運(yùn)行、停機(jī)命令。調(diào)試時(shí)所有的模擬和數(shù)字外設(shè)都能全功能運(yùn)行。
C8051F最突出的改進(jìn)是引入了數(shù)字交叉開關(guān)。這是一個(gè)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(jì)數(shù)器 /定時(shí)器、串行總線、硬件中斷、ADC轉(zhuǎn)換啟動(dòng)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(gè)USB總線的通用設(shè)備接口芯片，無需編寫驅(qū)動(dòng)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(jī)的數(shù)據(jù)總線上。當(dāng)A0為低電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)端口，單片機(jī)通過8位并口對CH375進(jìn)行讀寫數(shù)據(jù)；當(dāng)AO為高電平時(shí)選擇命令端口，可以向其寫入命令。
在本地端，單片機(jī)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(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)或者發(fā)送完給上位機(jī)的數(shù)據(jù)后，以中斷方式通知單片機(jī)。各通道的USB模塊CH375在計(jì)算機(jī)應(yīng)用層與其本地端單片機(jī)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(jìn)行通信，所有的通信都由計(jì)算機(jī)應(yīng)用層發(fā)起，然后以接收到單片機(jī)的應(yīng)答結(jié)束。
2 嵌入式軟件設(shè)計(jì)
嵌入式軟件設(shè)計(jì)采用模塊化的程序設(shè)計(jì)思想，主要由4個(gè)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(jìn)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(bào)告。控制傳輸用來實(shí)現(xiàn)位于計(jì)算機(jī)上的USB總線驅(qū)動(dòng)程序及編寫的功能驅(qū)動(dòng)程序?qū)υO(shè)備的各種控制操作，根據(jù)計(jì)算機(jī)端軟件設(shè)定的增益、時(shí)基、觸發(fā)等參數(shù)控制數(shù)據(jù)采集模塊，需要計(jì)算機(jī)向單片機(jī)發(fā)送少量的控制信息。
數(shù)據(jù)報(bào)告用來完成將采集數(shù)據(jù)從設(shè)備傳送到計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)啟動(dòng)的某一傳輸請求時(shí)，USB控制器通過中斷方式將此請求通知單片機(jī)。單片機(jī)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(jìn)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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(shí)，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(jī)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(jì)算機(jī)的傳輸請求。該通訊方式具有數(shù)據(jù)自動(dòng)同步、程序設(shè)計(jì)簡單、交互性和可控性較好等優(yōu)點(diǎn)。
3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)
上位機(jī)軟件主要功能是模擬一個(gè)示波器的界面，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示及滿足不同需要的分析功能，同時(shí)完成對數(shù)據(jù)采集硬件的參數(shù)設(shè)定。在這個(gè)設(shè)計(jì)中已實(shí)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(dòng)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(shí)現(xiàn)波形發(fā)生器等功能。
上位PC機(jī)的人機(jī)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(jī)界面程序主要是使用戶能夠方便地控制整個(gè)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(jī)的人機(jī)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(dòng)函數(shù)、停止函數(shù)、數(shù)據(jù)讀取函數(shù)等各個(gè)函數(shù)全部整合到動(dòng)態(tài)鏈接庫USB.DLL中。將CH375芯片的驅(qū)動(dòng)程序、動(dòng)態(tài)鏈接庫拷貝到上位機(jī)中，利用CH375動(dòng)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(jìn)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(shí)可以方便快捷地升級人機(jī)界面，無需大的改動(dòng)。使用動(dòng)態(tài)鏈接庫后，當(dāng)其他應(yīng)用軟件要使用該USB設(shè)備時(shí)，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(shí)現(xiàn)其他的功能。軟件充分利用了計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的處理能力，可在控制USB設(shè)備的同時(shí)對16個(gè)信號進(jìn)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(jì)方案，實(shí)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(shí)踐表明，該系統(tǒng)性能良好，功能強(qiáng)大，體積小巧，使用簡便，價(jià)格低廉，適合多種場合應(yīng)用，能為使用者建立了一個(gè)良好的使用平臺。
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