【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ，把它們轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可以處理的數(shù)字信號(hào)，其主要指標(biāo)有采樣精度和采樣速度。采樣精度主要由A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)決定，而采樣速度由A/D轉(zhuǎn)換器最高工作頻率決定，然而，兩個(gè)指標(biāo)是相互制約的。 數(shù)據(jù)采集卡的選擇主要與采樣率、采樣通道數(shù)和測(cè)量精度有關(guān)。根據(jù)第三章的分析，采樣率是指模擬量輸入通道在單位時(shí)間內(nèi)能夠采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)，一般用Hz即采樣頻率來(lái)表示，也有的用S/s表示。采樣頻率高，就能在一定時(shí)間獲得更多的原始信號(hào)信息。為了再現(xiàn)原始信號(hào)，必須有足夠高的采樣頻率。如果信號(hào)變化比采集卡的數(shù)字化要快，或者采樣太慢，就會(huì)產(chǎn)生波形失真。根據(jù)奈奎斯特理論，采樣頻率至少是被測(cè)信號(hào)最高頻率的兩倍，才不至于產(chǎn)生波形失真。即應(yīng)選用2GHz的數(shù)據(jù)采集卡才可以完成最高頻率為1GHz的被測(cè)信號(hào)的測(cè)量工作。 采樣通道數(shù)是系統(tǒng)可以同時(shí)進(jìn)行采樣的信號(hào)通道數(shù)，在選取采集卡時(shí)需要注意以下幾點(diǎn)：采樣通道數(shù)是否滿足系統(tǒng)要求；在需要差分輸入測(cè)量時(shí)，板上有無(wú)差分輸入以及差分輸入的通道數(shù)；在測(cè)量多通道時(shí)，應(yīng)注意采集卡能否擴(kuò)展以及最多的可擴(kuò)展的通道數(shù)。 在給定計(jì)算機(jī)和必要儀器硬件之后，構(gòu)成虛擬儀器的關(guān)鍵在于軟件。虛擬儀器系統(tǒng)的一個(gè)重要革新就是儀器硬件軟件化，用軟件實(shí)現(xiàn)硬件功能。虛擬儀器系統(tǒng)的核心技術(shù)是軟件技術(shù)，一個(gè)現(xiàn)代化測(cè)控系統(tǒng)性能的優(yōu)劣很大程度上取決于軟件平臺(tái)的選擇與應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)。因此正確選擇軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境對(duì)于程序的開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)起著重要的作用。 目前，能夠用于虛擬儀器系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、比較成熟的軟件開(kāi)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、Insprise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)的軟件編程環(huán)境，主要有Agilent公司（由原HP公司分離出來(lái)的一個(gè)公司）的圖形化編程環(huán)境AgilentVEE、NI公司的圖形化編程環(huán)境LabVIEW及文本編程環(huán)境LabWindows/CVI。 在以上這些的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境中，面向儀器的交互式C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)平臺(tái)LabWindows/CVI具有編程方法簡(jiǎn)單直觀、提供程序代碼自動(dòng)生成功能及有大量符合VPP規(guī)范的儀器驅(qū)動(dòng)程序源代碼可供參考和使用等優(yōu)點(diǎn)，是國(guó)內(nèi)虛擬儀器系統(tǒng)集成商使用較多的編程開(kāi)發(fā)環(huán)境。Agilent VEE和LabVIEW則是一種圖形化編程環(huán)境或稱為G語(yǔ)言編程環(huán)境，采用了不同于文本語(yǔ)言的流程圖編程方法，十分適合對(duì)軟件編程了解較少的工程技術(shù)人員使用。 Visual C++是一種功能齊全的面向?qū)ο蟮拈_(kāi)發(fā)工具，可直接對(duì)硬件操作，支持多任務(wù)多線程。Visual C++不僅是C++語(yǔ)言的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，而且與Win32緊密相連，所以利用Visual C++開(kāi)發(fā)系統(tǒng)可以完成各種各樣應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)，從底層軟件直到上層面向用戶的軟件都可以用Visual C++來(lái)開(kāi)發(fā)完成；而且Visual C++強(qiáng)大的調(diào)試功能也為大型復(fù)雜軟件的開(kāi)發(fā)提供了有效的排錯(cuò)手段。隨著軟件版本的不斷升級(jí)，其功能也越來(lái)越強(qiáng)大，幾乎包括了Windows應(yīng)用的各個(gè)方面。 Visual C++可以說(shuō)是匯集Microsoft公司技術(shù)精華的主流產(chǎn)品。它最重要的特征是提供了MFC類庫(kù)，封裝了Windows API函數(shù)，并建立了應(yīng)用程序框架，使開(kāi)發(fā)人員可以將主要精力集中在所要解決的具體問(wèn)題上，尤其是利用Visual C++的AppWizard功能生成的SDI或MDI應(yīng)用程序，進(jìn)行少量修改后，就可以進(jìn)入軟件界面的外觀設(shè)計(jì)。 由于Visual C++的面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的特性十分適合虛擬儀器系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)，而且在本設(shè)計(jì)中所使用的數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動(dòng)程序是由C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，所以我們選用Visual C++。 虛擬示波器是采用基于計(jì)算機(jī)的虛擬技術(shù)，用以模擬傳統(tǒng)示波器的面板操作和處理功能，也就是使用個(gè)人計(jì)算機(jī)及其接口電路來(lái)采集現(xiàn)場(chǎng)或?qū)嶒?yàn)室信號(hào)，并通過(guò)軟件的圖形用戶界面（GUI）來(lái)模仿示波器的操作面板，來(lái)完成信號(hào)的采集、分析處理和顯示輸出等功能。 本課題設(shè)計(jì)的虛擬示波器，是在高速數(shù)據(jù)采集卡的支持下，配備一定功能的軟件，完成波形的存儲(chǔ)、分析、顯示等功能。傳統(tǒng)的測(cè)試儀器由信號(hào)采集、信號(hào)處理和結(jié)果顯示三大部分組成，這三部分均由硬件構(gòu)成。虛擬示波器也是由這三大部分組成，但是除了數(shù)據(jù)采集部分是由硬件實(shí)現(xiàn)之外，其它兩部分都是由軟件實(shí)現(xiàn)。 本次設(shè)計(jì)利用Visual C++ ，采用了面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)方法，在Windows2000下進(jìn)行。軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，其總體框圖如圖41所示。 從圖41可以看出軟件部分的總體框圖以及數(shù)據(jù)流、控制流的流向。其中主控模塊相當(dāng)于一個(gè)任務(wù)調(diào)度中心。當(dāng)軟件開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，首先進(jìn)入主控模塊，然后啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集線程和數(shù)據(jù)處理線程，于是數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)處理模塊開(kāi)始工作直至用戶停止系統(tǒng)工作。 數(shù)據(jù)流從數(shù)據(jù)采集模塊開(kāi)始，分別流向數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和數(shù)據(jù)處理模塊，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊負(fù)責(zé)把用戶感興趣的數(shù)據(jù)存人硬盤(pán)，而數(shù)據(jù)處理模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、數(shù)字濾波、頻譜分析和波形的參數(shù)計(jì)算。 當(dāng)用戶需要查詢歷史信號(hào)時(shí)，可以啟動(dòng)歷史查詢模塊，然后把查詢到的數(shù)據(jù)送往歷史曲線顯示模塊；如果需要打印歷史信號(hào)，調(diào)用曲線打印模塊即可。圖41 軟件系統(tǒng)總體框圖圖42 軟件系統(tǒng)總體流程圖第五章 虛擬示波器系統(tǒng)的軟件具體實(shí)現(xiàn)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，在功能上劃分為多個(gè)模塊，分別為數(shù)據(jù)采集模塊、軟面板模塊（用戶界面模塊）、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和幫助文件模塊。其中數(shù)據(jù)處理模塊又劃分為頻譜分析模塊、數(shù)字濾波模塊、參數(shù)計(jì)算模塊和波形顯示模塊。各個(gè)模塊之間的聯(lián)系如圖51所示。由于篇幅關(guān)系，本文中只給出了重要模塊的設(shè)計(jì)。圖51 系統(tǒng)軟件功能框圖 數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì) 數(shù)據(jù)采集模塊是最為關(guān)鍵的一個(gè)程序模塊，這個(gè)模塊中應(yīng)用程序會(huì)通過(guò)采集卡的驅(qū)動(dòng)程序和硬件進(jìn)行通信，要發(fā)出各種控制字、參量字到儀器中去，同時(shí)又要對(duì)硬件的工作狀態(tài)進(jìn)行判斷和處理，然后讀取采樣值。如果把這個(gè)模塊程序在主線程中實(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)建一個(gè)子線程來(lái)單獨(dú)完成與驅(qū)動(dòng)程序的通信任務(wù)，讓主界面專心于響應(yīng)視窗界面的信息。在主線程中通過(guò)調(diào)用StartCapture()函數(shù)啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集子線程進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。 數(shù)據(jù)采集的編程過(guò)程 （1）初始化采集卡的驅(qū)動(dòng)程序和硬件 這個(gè)過(guò)程包括兩個(gè)部分，一是確定硬件安裝位置及I/O口和內(nèi)存映射，二是用戶進(jìn)行的采集卡驅(qū)動(dòng)初始化，選擇(打開(kāi)相應(yīng)的)采集卡，讀取配置文件等。驅(qū)動(dòng)程序的初始化也可以直接調(diào)用InitBoard()函數(shù)或?qū)Υ撕瘮?shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷暮笳{(diào)用()。 （2）設(shè)置相關(guān)參數(shù)準(zhǔn)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集 該采集卡的所有的參數(shù)都是通過(guò)軟件進(jìn)行設(shè)置的，驅(qū)動(dòng)程序中提供了一些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，使得參數(shù)設(shè)置比較容易進(jìn)行，也可以不用這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。設(shè)置參數(shù)主要包括：工作模式(單通道，多通道)，采樣率、輸入電壓的范圍、輸入阻抗及耦合方式、觸發(fā)源、上升沿、下降沿觸發(fā)、觸發(fā)電平、采樣深度(采樣點(diǎn)數(shù))，所有這些參數(shù)設(shè)置被綜合到一個(gè)函數(shù)中：SetBoard()；對(duì)此函數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷?，即可滿足采集的要求。 （3）開(kāi)始采集數(shù)據(jù) 調(diào)用gage_start_capture()函數(shù)即開(kāi)始采集數(shù)據(jù)，如調(diào)用時(shí)傳給該函數(shù)的參數(shù)為非零值，且觸發(fā)條件設(shè)置為軟件觸發(fā)，則調(diào)用此函數(shù)后立即開(kāi)始采集數(shù)據(jù)，否則就等待至觸發(fā)條件滿足時(shí)開(kāi)始采集數(shù)據(jù)。當(dāng)計(jì)算機(jī)上只有一塊GaGe公司的采集卡時(shí)，可以用另外兩個(gè)函數(shù)來(lái)代替gage_start_capture()；即順序調(diào)用gage_init_clock()和gage_get_data()；執(zhí)行這兩個(gè)函數(shù)的速度比執(zhí)行g(shù)age_start_capture()要快許多，因?yàn)間age_start_capture()要做一些額外的工作以確保多卡同時(shí)有效地工作。 （4）檢測(cè)數(shù)據(jù)是否采集結(jié)束 相關(guān)函數(shù)為gage_triggered()，gage_busy()，gage_force_capture()，gage_abort_capture()。gage_triggered()是用來(lái)檢測(cè)采集卡是否已經(jīng)觸發(fā)，如果沒(méi)有觸發(fā)，則在采集卡的RAM上沒(méi)有有效數(shù)據(jù)。gage_busy()則是用來(lái)判斷是否已經(jīng)采集結(jié)束。正在采集數(shù)據(jù)時(shí)，是不能讀取采集卡上的RAM的(該卡上的RAM是單端口的)?？梢杂胓age_force_capture()強(qiáng)制觸發(fā)一次，或者用gage_abort_capture()結(jié)束這一次數(shù)據(jù)采集，這樣可以對(duì)后續(xù)的數(shù)據(jù)采集產(chǎn)生影響。 （5）傳輸數(shù)據(jù)從采集卡RAM至計(jì)算機(jī)的內(nèi)存 采樣點(diǎn)在采集卡的RAM中存儲(chǔ)的位置(地址)可由函數(shù)，gage_calculate_addresses()，該函數(shù)返回三個(gè)地址值：開(kāi)始地址、觸發(fā)地址、結(jié)束地址。傳輸數(shù)據(jù)的函數(shù)是gage_transfer_buffer_3()；使用它時(shí)需要傳遞的參數(shù)為開(kāi)始地址和要傳送的數(shù)據(jù)量。數(shù)據(jù)采集的主要代碼如下{ InitBoard()； /*初始化驅(qū)動(dòng)程序和硬件*/ /* 校驗(yàn)當(dāng)前采集卡的結(jié)構(gòu)* / Gage_get_driver_info(board_info)； board_setting()。/*對(duì)采集卡進(jìn)行參數(shù)設(shè)置*/ /*開(kāi)始數(shù)據(jù)采集，觸發(fā)源為軟件觸發(fā)*/ gage_start_capture （（int16） （ =GAGE_SOFTWARE））； /*計(jì)算出起始地址、觸發(fā)地址、結(jié)束地址*/ gage_calculate_addresses(GAGE_CHAN_A,sample_rate_table [].sr_calc,amp。trigger[bd],amp。starting[bd],amp。ending[bd])； /把采集卡上的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)內(nèi)存*/ gage_transfer_buffer_3(trigger[bd], GAGE_CHAN_A,chan_a_8,points)；} 采集模塊的流程圖如圖52所示。 軟面板的設(shè)計(jì) 用戶界面的設(shè)計(jì)采用了VC++中切分多視圖技術(shù)，界面主要切分為三個(gè)視圖：主視圖基類為CscrollView，用于顯示波形；還有兩個(gè)視圖基類為CformView，一