高速數(shù)據(jù)采集卡的虛擬示波器開發(fā)設(shè)計(jì)

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:Do ScrollBy()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。

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。