一、引言
對于學校教學實驗以及某些特定需求來說，目前市場上的模擬及數字示波器也許并不適用，價格高昂、體積較大且很多專業(yè)功能并不實用。而現在電腦的普及程度也達到了相當的規(guī)模，利用電腦以及附加的數采模塊實現一個靈活便捷的虛擬示波器能夠滿足大多數的工作、學習和開發(fā)需要，并且可以通過較低代價的硬件和軟件升級實現相當復雜的信號處理功能，能夠以較低的成本、較小的體積實現配置靈活的智能儀器組合;完全可以與便攜電腦結合，構成便攜式檢測維修工作站。目前已經有計算機并口通信的數據采集器，但是USB的應用日趨廣泛和深入，如果將USB 功能融合在里面則可以實現更高的數據傳輸率、更方便的使用方式，更為優(yōu)越的體現出虛擬儀器的性能。
二、硬件設計
此虛擬示波器的數據采集器由以下功能模塊組成：前端信號變換模塊、高速模數轉換模塊、高速數據緩沖模塊、單片機控制模塊、USB接口模塊和電源模塊。前端信號變換、高速數據采集有成熟的方案并且可根據需要的指標，譬如采樣率、量程控制、采樣深度等進行設計，我們這里主要討論USB接口部分的開發(fā)。
USB接口的開發(fā)以往都是一個令人頭痛的問題，盡管很多設計者向往USB接口高速傳輸、自主供電、即插即用的優(yōu)點，但較難逾越它的協議固件開發(fā)和驅動程序開發(fā)的障礙。在這個方案里，筆者選用了一款不需要開發(fā)協議固件和驅動程序的USB總線接口芯片。
南京沁恒公司(www.winchiphead.com)推出的CH371是一個USB總線的通用接口芯片，它利用硬件邏輯屏蔽了USB 通訊中的所有協議，在計算機應用層與本地端控制器之間提供端對端的連接?；贑H371，設計者不需要了解任何USB協議、固件程序以及驅動程序，可以輕松地將原來的并口、串口的產品升級到USB接口，以較低的風險和成本享用USB接口帶來的優(yōu)越性。
使用時在本地端，CH371具有8位數據總線和讀、寫、片選控制線以及中斷輸出，就像操作一般外設芯片一樣方便地掛接到DSP、 MCU等控制器的系統總線上;在計算機端，CH371的配套軟件包括通用驅動程序以及應用軟件包，提供了簡潔易用的操作接口，與本地端的單片機通訊就如同讀寫硬盤中的文件一樣簡單，開發(fā)者可以使用VB、VC、C++Builder等高級語言進行開發(fā)。一般情況下，基于CH371設計USB產品不必考慮 USB通訊協議、固件程序、驅動程序、配置過程、底層數據傳輸過程。設計者所要做的工作與設計并口、串口的產品一樣，包括兩件事：一是從計算機的應用層發(fā)出數據傳輸請求并接收應答;二是當USB 產品的控制器被通知有數據傳輸請求時，作出應答。
同時，CH371在提供了透明的USB協議的基礎上還提供了I2C器件的直接管理、16個地址的直接讀寫以及復位、看門狗等功能，本地端甚至不使用單片機就可完成簡單的控制功能，因此具有較強的功能適應性，能夠滿足不同場合的需要，有效的降低系統成本。
在本系統中使用的是SOP28封裝的產品，他的管腳定義如下表：
根據不同的工作方式，芯片的接口類型可以有以下幾種：被動并行接口、 I2C主接口、主控方式接口。其中被動并行接口是最常用的方式，它提供單片機與計算機的連接，CH371作為單片機的一個被動外設;I2C主接口是 CH371在計算機端程序的控制下不經過單片機直接讀寫一個EEPROM器件(譬如24C04等)，經常用于USB外設的產品信息紀錄;主控方式接口是不使用單片機，由計算機端程序直接控制CH371提供的16個地址的8位數據讀寫或者是十幾根IO口線，此方式主要用于完成相對簡單的外部控制任務。這幾種接口方式并非完全對立的，可以根據需要靈活配置。在此虛擬示波器中則將其使用為單片機的一個外設器件，同時將A3~A0用于主控方式由計算機控制四只LED。
單片機對于CH371的控制依靠對其內部的16個寄存器的操作來實現。這16個寄存器的地址有兩種定義方式。一種是上電復位后默認為直接地址方式，A3~A0四個管腳為寄存器地址，這種方式較為簡單，但是需要使用單片機較多的IO口資源;另一種是當CH371檢測到ALE腳上的上升沿信號后，切換到復用地址方式，寄存器地址由數據總線的D3~D0來控制，根據ALE的跳變來判斷是寄存器操作還是數據讀寫。在此設計中由于大容量數據緩沖需要使用到 74373作為地址鎖存，所以即使使用直接地址方式也無需多占用單片機資源，但是為了將A3~A0節(jié)省出來驅動LED所以選用復用地址方式。
根據系統的要求我們設計硬件如下。
USB接口提供數據交換及電源供應(經適當變換后供高速AD使用)，CH371在12M晶振下倍頻工作，提供與單片機接口的同時提供看門狗復位輸出功能，I2C主控功能沒有使用，A3~A0可以由計算控制驅動4只LED作為工作顯示信號。單片機89C52的P1口組用于控制數據采集模塊，包括量程轉換控制、AD觸發(fā)信號、采集數據溢出信號等;高速緩存62256通過低功耗的CPLD控制存放高速AD采集的結果，單片機定時將其中數據讀出經CH371傳送到計算機的數據顯示和分析軟件，實現虛擬示波器功能。單片機、CH371和RAM部分原理圖如下：
圖三 單片機、CH371和RAM部分原理圖
三、軟件設計
單片機端軟件：
單片機端軟件主要完成數據采集控制、數據報告這兩個功能。其中數據采集控制根據計算機端軟件設定的增益、時基、觸發(fā)等參數控制數據采集模塊，這里面要用到計算機向單片機發(fā)送少量的控制信息;數據報告功能則需要單片機將緩存中的一個采集周期的所有數據傳送給計算機端軟件，這屬于大批量數據的傳輸。我們把介紹的重點放在單片機與計算機的通信上面。
單片機與計算機通信是通過對CH371的寄存器操作實現的，有關其寄存器定義的具體情況請參考數據手冊。
在應用中需要注意的是，CH371提供的單片機接收緩沖區(qū)為8個字節(jié)，多于8個字節(jié)的計算機下傳數據被切分;而單片機的發(fā)送緩沖區(qū)也是8個字節(jié)，多于8個字節(jié)的上傳數據需要分多次上傳。另外，CH371的中斷包括了上傳及接受成功，中斷發(fā)生后具體的情況需要由傳輸狀態(tài)寄存器來辨別;同時其中斷電平是單穩(wěn)態(tài)的，一個事件發(fā)生后中斷信號跳變，但僅維持一個短暫的脈沖便恢復，這是為了配合不同速度的處理器而作的處理。[!--empirenews.page--]
單片機與計算機的USB通信主要功能子程序示例如下：(請在使用時加入CH371的相應寄存器的地址定義)
file://********** CH371初始化程序******************************
void ch371_init()
{
CH371_INT_SET=0; file://CH371中斷數據設定寄存器的地址偏移
CH371_LENGTH=0X0F; file://置上傳數據長度寄存器為15,表示暫時沒有數據上傳
save_length=0; file://保存下傳數據長度
IT0=1; file://外部信號為下降沿觸發(fā)
IE0=0; file://清中斷標志
PX0=1; file://置高優(yōu)先級
EX0=1; file://允許中斷
}
file://***********上傳數據子程序********************************
void ch371_upload(unsigned char len) file://參數傳入數據長度
{
unsigned char i;
unsigned char *up_buf;
unsigned char *ch371_buf;
if(len!=0)
{
up_buf=&ret_buffer; file://指向數據的地址
ch371_buf=&CH371_BUFFER; file://指向數據緩沖區(qū)
for(i=0;i{
*ch371_buf=*up_buf; file://寫入上傳數據緩沖區(qū)
ch371_buf++; up_buf++;
}
}
CH371_LENGTH=len; file://寫入本次數據的長度
}
file://********中斷子程序 使用中斷0 寄存器組2********
void ch371_inter() interrupt 0 using 2{
unsigned char *down_buf;
unsigned char *ch371_buf;
unsigned char i;
IE0=0; file://清中斷標志
if( (CH371_STATUS&0x01) ==0 ){
file://讀取狀態(tài)信息寄存器，判斷數據傳輸狀態(tài)
save_length=CH371_LENGTH; file://保持下傳數據長度
down_buf=&save_buffer;
ch371_buf=&CH371_BUFFER;
for(i=0;ifile://判斷下傳數據長度并處理
{
*down_buf=*ch371_buf; file://讀取一字節(jié)的下傳數據
down_buf++; ch371_buf++;
}
}
else CH371_LENGTH=0x0f; file://置上傳數據長度寄存器為15
}
計算機端軟件：
計算機端軟件主要功能是模擬一個示波器的界面，實現數據的顯示以及滿足不同需要的分析功能，同時完成對數據采集硬件的參數設定。在這個設計中已經實現了基本的功能，虛擬示波器的界面如下圖。進一步開發(fā)后可以實現量程的自動轉換、數據的深度分析(譬如波形測量、頻譜分析等)，甚至可以結合硬件的升級實現波形發(fā)生器、邏輯分析儀、掃頻儀、網絡分析儀等功能。
計算機端有關USB通信的開發(fā)不需要了解USB底層驅動，并且芯片生產商已經以動態(tài)鏈接庫的形式封裝好了面向功能應用的API函數，開發(fā)者可以在多種高級語言中調用，功能強大且靈活方便。CH371動態(tài)鏈接庫提供的API函數主要包括：設備管理API、數據傳輸API、中斷查詢API、I2C 操作API和直接控制API。
其中設備管理API對于一般產品開發(fā)不需要用到;數據傳輸API是最重要最常用的一組函數，他提供了多種數據傳輸模式;中斷查詢API一般用于USB設備使用到中斷傳輸的場合，我們這里沒有用到;I2C 操作API用于對CH371控制的I2C器件進行讀寫，一般用于存放產品信息，我們這里也沒有用到;直接控制API是用于CH371直接輸入輸出信號，包括設置、輸入和輸出三部分組成，我們使用這一組API實現對LED進行控制。
在實際應用中筆者使用VB6作為計算機端應用軟件的開發(fā)平臺，首先要將沁恒公司提供的驅動程序、動態(tài)鏈接庫拷貝到計算機中，再將動態(tài)鏈接庫的訪問入口及函數定義入口添加至VB6項目中，就是將提供的VB6實例程序中的module功能模塊添加到自己的工程項目下即可。此時對USB設備的通信編程就幾乎和訪問本地硬盤中的文件差不多了，具體差別可以通過分析實例程序的句法來解決。下面給出計算機接收與發(fā)送數據的相關程序。
Option Explicit ‘ 變量定義
Dim myReq As DEMO_REQ
Dim mOpen As Integer
Private Sub Form_Load( ) ‘ 窗口加載事件
Dim mLength As Long
mIndex = 0
mOpen = CH371OpenDevice(mIndex) ‘ 窗體加載時打開設備
If mOpen = -1 Then
MsgBox "無法打開CH371設備" ‘ 加載失敗提示
End If
myReq.mCommand = &HFF ‘ 用戶定義命令
myReq.mBuffer(0) = &H11 ‘ 用戶定義數據
myReq.mBuffer(1) = &H22 ‘ 用戶定義數據
mLength = Len(myReq)
CH371WriteData(mIndex, myReq, mLength) ‘ 通過CH371發(fā)送命令數據
……
CH371ReadData(mIndex, myReq, mLength) ‘ 通過CH371接收應答數據
……
End Sub
四、結束語
使用CH371設計的USB接口的虛擬示波器目前已完成基本功能的驗證，正在后期完善中，而且可以推出面向多種應用的不同級別的系列產品。實踐表明其技術性能良好，功能強大、體積小巧、使用簡便、價格低廉，是廣大電子愛好者、開發(fā)者的有力助手。
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