基于USB接口的高性能虚拟示波器的开发实现

虚拟示波器，是将计算机强大的计算处理能力和一般硬件仪器的信号采集，控制能力结合在一起，从而实现一般示波器所不能实现的功能和友好的界面。

随着计算机技术的发展，使得虚拟仪器的实现成为可能，传统仪器的一些专用处理器和设备，被计算机的通用设备所代替，常用的虚拟仪器，多采用PCI或ISA插槽，将各种硬件连接到一起，然而采集卡的数量一般有限，因此组织系统的时候，只能指定特定的计算机，或打开计算机盖装入专门的采集卡，在使用笔记本电脑或工业一体化电脑的场合，根本就不支持PCI或ISA总线的设备。所以，我们需要一种更方便，更有效，更灵活的总线通讯方式来实现虚拟仪器，现代计算机一般都具有USB接口，且USB接口的使用灵活，方便，所以首先考虑采用USB总线。

USB总线是Intel，IBM，NEC，微软等7家著名公司提出的新一代总线技术，采用新一代USB总线之后，PC机配置新的硬件设备不用在打开机盖，且支持热插拔技术，给使用者以极大的方便[1]，通过USB集线器，扩充设备可达127个，并可通过3-5m的电缆连接到计算机，而使采集卡靠近测试对象，从而大大地提高了电磁兼容性，在标准协议USB1.1中，UMB总线的传输速率可达1.5-12Mb/s，而在规范USB2.0中，速率则可达360Mb/s。这样的速率足以满足绝大多数场合的要求[2、3]。

2 虚拟示波器的硬件设计

虚拟示波器的硬件设计就是要完成虚拟示波器的USB物理设备的设计，即USB接口和USB功能设备，虚拟示波器的硬件结构如图1所示。

图1可分为4个部分：信号调理部分，A/D转换模块，逻辑控制模块，USB接口模块，虚拟示波器的硬件部分完全采用模块化设计方案，使各部分硬件相对紧凑，最终缩小了采集，而且A/D转换模块不在计算机内部，可以有效地避免高频电磁干扰对计算机的影响，也减轻了计算机的负担，使计算机可稳定、高效的运行。

USB接口模块是这个系统通讯的关键，模块需要完成上位机和A/D转换模块的通讯，需要将上位机的指令送到逻辑控制器IDT7207，还需将转换结果送入上位机，USB接口芯片选用CYPRESS公司的AN2131QC，该芯片有其他芯片所没有的特点：

（1）基于RAM的“软”系统解决方案（SOFT，RAM BASED）不需要RAM或其他的固化存储器，而只使用片内的程序/数据RAM。通过主机下载的方式来配置USB接口，因而使接口系统的修改和升级变得非常简单，使外设硬件的更新和升级变得更为方便。

（2）数据吞吐量完全达到USB协议要求，可以向用户提供足够的端口、缓冲区和传输速度，提供USB协议要求的全部4种传输方式（控制传输、中断传输、批量传输和同步传输），可以满足用户对各种类型数据传输的需求。

（3）片上的串行接口处理机（SIE）完成大部分的USB协议操作，使用户可以摆脱复杂的协议细节，简化了用户配置代码，加快了开发过程。

（4）内嵌增强型8051处理器，兼容8051指令系统，一个指令周期仅需4个时钟周期，可提供标准8051三倍以上的处理能力；双数据指针；方便数据块搬移，使用片内的RAM作为数据/程序存储器，非复用数据/地址总线，使程序指令速度更快，并且同外部器件的连接更加简单。

（5）休眠模式可以降低系统功耗，延长器件的使用寿命。

逻辑控制模块是整个设备控制的核心，其主要是负责解释和控制执行主机软件系统的控制命令和要求，完成设备状态设置和控制设备完成激励信号的发出、响应信号的采集等功能，逻辑控制模块主要由可编程逻辑控制器IDT7207，及其辅助电路和外围扩展电路构成，芯片通过内部I/O编程，方便地实现输入/输出的逻辑关系，使得电路更加简洁，功能更加强大，在逻辑控制模块的控制下A/D转换模块利用A/D芯片7899完成对信号的A/D转换，由于A/D芯片电压输入范围为正负10V，因此前端信号调理模块负责将信号幅值调理到正负10V之间，并实现采集电路与被测试对象的信号隔离。

3 虚拟示波器软件设计

虚拟示波器的软件主要完成对虚拟示波器控制、显示的设计，即对各个模块的硬件控制，以及用户界面的设计，虚拟示波器的整体软件应该采用分层机构，整个控制软件分为3层，底层物理设备的控制程序，USB设备在PC机上的驱动程序，上位PC机的人机界面软件，控制软件的分块，分层设计使各层软件相对独立，只需考虑各层软件的接口即可，这样使软件的设计、编写较为简单，运行更为可靠，整体控制软件流程图如图2所示。

底层物理设备的控制，主要是对USB接口芯片AN2131的初始化，以及其接收、发送数据的控制，由于其内嵌了8051的单片机芯片，所以就采用8051单片机的汇编语言编写控制程序，其要点为：通过写的相应寄存器，分别设置中断引脚的电平特性、缺省地址和各中断事件的屏蔽，激活断点0作用，进入正常操作状态，在主循环过程中，主要等待主机通过控制断点0发来的控制命令和握手命令来执行相应的功能设备任务：设置状态、接收PC激励信号、发出激励、采集数据等，采集的数据以包为单位装载到端点1的FIFO中，还要响应AN2131的主要事件，其部分控制程序如下：[page]

USB设备在PC机上的驱动程序，主要给设备分配地址，说明控制字，与底层的USB驱动程序接口。

上位PC机的人机界面是虚拟示波器与用户的接口，直接关系到系统的可用性和方便性，人机界面程序主要是使用户能够方便地控制整个虚拟示波器的工作，并能通过界面方便地观测到采集的结果和响应的数据分析，用户能够通过程序方便地选择通道，采集频率，增益等，考虑到Microsoft公司的Visual Basic开发的， 界面直观，易用，上位机的人机界面采用VB开发，在软件中，充分利用了类功能，将USB设备的启动函数，停止函数，数据读取函数等各个函数全部整合到动态链接库USB.DLL中，在应用软件中如需使用这些函数控制USB设备，只需在软件相应的模块进行申明，在程序中直接调用即可。这样做不但使软件程序结构清晰，方便阅读，而且在需要时可以方便快捷的升级人机界面，无需大的改动，使用动态链接库后，其他应用软件要使用该USB设备时，也可方便申明函数，从而方便地控制USB设备工作，因此，该USB设备可以方便地用于其他场合，实现其他的功能，软件充分利用了计算机强大的处理能力，可控制USB设备同时对16个信号进行采集和显示，并可根据用户的需要测出不同信号的频率，幅值、有效值等参数，软件波形观测界面如图3所示，此时测量的是一个4574Hz的标准正弦波，和一个叠加负直流分量的正弦波。

同时，为了进一步帮助使用者分析所得波形，软件还能对所采集的信号进行谐波分析，传统的离散信号DFT算法为：

为了节约CPU资源，能快速、实时地得出采集波形的谐波含量，软件中采用了快速傅里叶变换FFT的蝶型算法，从而实现了对采集数据的实时的谐波分析和显示，为了对比各次谐波的含量，显示时可输出柱状图界面（如图4）；同时为了得到精确的谐波含量，用户也可以选择列表方式显示（如图5）。

4 虚拟示波器结果分析

通过和实际示波器所测波形进行比较可以看出，波形完全反应了实际波形的情况，波形没有失真，所测各项参数与实际示波器测得的数据相等，且具备了一般示波器所不具备的多通道同时采集、谐波分析的功能。

参考文献:

[1]. PCI datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/PCI_1201469.html.
[2]. IDT7207 datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/IDT7207_1093821.html.
[3]. AN2131QC datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/AN2131QC_2520925.html.
[4]. AN2131 datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/AN2131_1054486.html.