1 引言

    虛擬儀器(VI-ViItuaIInstrument)是指通過(guò)應(yīng)用程序?qū)⑼ㄓ糜?jì)算機(jī)與功能化硬件結(jié)合起來(lái)，用戶可通過(guò)友好的圖形界面操作計(jì)算機(jī)，就像在操作自己定義、自己設(shè)計(jì)的單個(gè)儀器一樣，從而完成對(duì)被測(cè)量的采集、處理、分析、判斷、顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等。在這種儀器系統(tǒng)中，各種復(fù)雜測(cè)試功能、數(shù)據(jù)分析和結(jié)果顯示都杉撲慊砑瓿?，哉娷秶砍C娼洗騁瞧饔形薹ū饒獾撓諾悖縭褂昧榛罘獎(jiǎng)?、拆}怨δ芊岣弧⒓鄹竦土?、覔Q嚶玫齲廡┦溝瞇檳庖瞧鞒晌蠢吹繾硬飭懇瞧鞣⒄溝鬧饕較蛑弧?

當(dāng)今虛擬儀器系統(tǒng)開(kāi)發(fā)采用的總線包括傳統(tǒng)的Rs232串行總線、GPIB通用接口總線、VXI總線、PCI總線和IEEE 1394總線即Firewire(也叫做火線)。

    本文介紹基于PCI總線接口的CompuS,cope82G型高速數(shù)據(jù)采集卡和Visual C++編程工具的快速虛擬示波器試驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)集波形采集、數(shù)據(jù)分析、輸出、顯示為一體。為了保證數(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)。

2 系統(tǒng)組成和采集卡的硬件結(jié)構(gòu)

2．1 系統(tǒng)組成

    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)理采集和緩存，并通過(guò)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，zui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。這一切均在人機(jī)交互方式下完成。

2．2 數(shù)據(jù)采集卡的硬件結(jié)構(gòu)

本虛擬示波器采用Gage公司的CompuScope82G型高速數(shù)據(jù)采集卡作為PCI接口。采集卡的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    該數(shù)據(jù)采集卡主要由前置濾波器、可程控衰減器、可程控模擬放大電路、A／D轉(zhuǎn)換器、D／A轉(zhuǎn)換器、計(jì)數(shù)，定時(shí)電路、振蕩電路、時(shí)序控制電路及PCI接口電路組成，其功能電路由數(shù)字控制邏輯電路統(tǒng)一控制。該卡是具有2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2個(gè)高速8位ADC的工作頻率高達(dá)IGHz，在單通道工作模式下，2個(gè)ADC同時(shí)工作，分別在脈沖的上升沿和下降沿進(jìn)行轉(zhuǎn)換，所以zui高采樣頻率可以達(dá)到2GHz。卡上配置有16M的高速存儲(chǔ)器，解決了高采樣率和相對(duì)較低PCI總線數(shù)據(jù)傳輸速率的匹配問(wèn)題。在使用之前必須對(duì)采集卡的硬件進(jìn)行配置，這些控制程序用到相應(yīng)的底層DAQ驅(qū)動(dòng)程序。通過(guò)采集卡自帶的DLL可以在程序中靈活地對(duì)硬件進(jìn)行控制，比如輸入阻抗、輸入電壓范圍、放大器增益、采樣頻率、每次采樣點(diǎn)數(shù)等。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3．1 虛擬示波器的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境

    虛擬儀器zui核心的技術(shù)是軟件技術(shù)。目前，用于虛擬儀器開(kāi)發(fā)的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)主要有二大類：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(kāi)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IabWindows／CVI、Agilent公司的圖形化編程環(huán)境Agilent VEE?？紤]到軟件的靈活性、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(kāi)發(fā)環(huán)境。

3．2 軟件功能模塊

該虛擬示波器有5大功能模塊：信號(hào)采集、用戶界面、頻譜分析、數(shù)字濾波、波形顯示。

3．2．1信號(hào)采集模塊

    信號(hào)采集模塊主要完成數(shù)據(jù)的采集，根據(jù)采集信號(hào)的不同選用不同的采樣頻率。該模塊中的應(yīng)用程序通過(guò)采集卡的驅(qū)動(dòng)程序和硬件進(jìn)行通信，如果把該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(wèn)題，本文直接創(chuàng)建一種子線程來(lái)單獨(dú)完成與驅(qū)動(dòng)程序的通信任務(wù)，讓主界面專用于響應(yīng)視窗界面的信息。在子線程中通過(guò)調(diào)用gage_start_capture()函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。圖2示出數(shù)據(jù)采集流程。數(shù)據(jù)采集的主要代碼如下：

3．2．2用戶界面模塊

    界面主要切分為3個(gè)視圖：主視圖基類為ScrollView，用于顯示波形；2個(gè)視圖基類為For-mView，1個(gè)用于動(dòng)態(tài)顯示采集數(shù)據(jù)的特征參數(shù)，另1個(gè)用于對(duì)示波器進(jìn)行操作。整個(gè)軟件的主界面設(shè)計(jì)如圖3所示。

3．2．3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。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 3種選擇，