【導讀】隨著計算機技術的發(fā)展，儀器工業(yè)正在經(jīng)歷一場巨變。計算機強大的處理和顯示能力，使它可以在數(shù)據(jù)采集、分析和表達中的任意一個方面提升儀器的性能。以虛擬儀器為代表。測量儀器，由于成本低、使用方便等優(yōu)點得到了廣泛的應用。首先，本文介紹了虛擬儀器的研究背景和意義以及國內(nèi)外的一些研究進展。然后對虛擬示波器的重要組成部分－數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行了探討，同時對CS82G數(shù)據(jù)。采集卡進行了深入的研究，在此基礎上，進行了虛擬示波器的系統(tǒng)設計。文章的最后進行了課題的總結和展望。本文對相關高速、大容量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。和虛擬儀器的設計有重要的參考價值。

　　

【正文】 轉換為設備坐標 */ 26 LogToDew_X(cx,m_xMax)； /*設定滾動視圖的寬度 */ =cx； /*得到裁剪區(qū)矩形 */ pDCGetClipBox(amp。m_ClipRect)； /*畫出坐標 */ DrawGrid(pDC)； /*畫出一段波形 */ DrawCurve(pDC)； /*得到滾動視圖 */ CGraphView* View1=(CGraphView*)this(0,0)； /*根據(jù)采樣間隔不斷滾動視圖，動態(tài)顯示波形 */ This(View,CSize(1,0),TRUE)； ?? } 設計結果 波形顯示模塊主要負責兩個通道信號的波形滾動顯示，工具欄上的按鈕可以控制波形滾動的啟動和停止，測試者如果發(fā)現(xiàn)感興趣的波形可以停止?jié)L動，以便進行仔細的分析，設計效果如圖 511所示。 27 圖 511 波形顯示模塊設計效果 據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理的多線程實現(xiàn) 數(shù)據(jù)采集及其波形實時顯示是虛擬示波器中最為重要的模塊，通過充分發(fā)掘 Windows的系統(tǒng)資源，我們可以設計出高質(zhì)量的通用軟件模塊。 Windows NT 和 Windows 95 之后的版本都是多線程、搶先式多任務的操作系統(tǒng)。在Windows 中，一個可執(zhí)行程序的運行時刻實例稱為進程（ process）。一個進程可以有多個線程（ thread）， Windows 是按照線程分配 CPU 時間片的，而分配的機制就是搶先多任務方式。 Windows 給所有當前進程分配動態(tài)優(yōu)先級，為進程所屬的每一個線程分 配相對優(yōu)先級，Windows 把進程優(yōu)先級與各線程的相對優(yōu)先級相結合，就得到該線程的優(yōu)先級數(shù)（范圍是0到 31）。在操作系統(tǒng)分配 CPU 的時間片的時候，高優(yōu)先級的線程總是可以優(yōu)先得到執(zhí)行。同時，高優(yōu)先級的線程還可以終止低優(yōu)先級別線程的執(zhí)行，搶占時間片中剩余的時間。不同線程可以采用定時器、中斷、休眠、同步對象等方法同步。 顯示模塊的特點是必須承擔繁重的圖形顯示輸出任務，而這部分的實時性要求一般不苛刻。這樣的功能模塊如果用單任務操作系統(tǒng)（如 Dos）或非搶先式操作系統(tǒng)（如）實現(xiàn)，數(shù)據(jù)采集任務將無權 剝奪顯示任務的執(zhí)行權利而只能等待后者自行交出對 CPU 的控制權，從而使顯示模塊的延遲影響波及對時間響應要求較嚴格的數(shù)據(jù)采集任務。但是在 Windows9X 下，實現(xiàn)中可以依靠系統(tǒng)的多線程、搶先多任務機制，將顯示功能 28 在不同于數(shù)據(jù)采集線程的單獨線程中實現(xiàn)，然后通過上面提到的優(yōu)先級調(diào)度、線程同步等機制保證數(shù)據(jù)采集線程不被耗時的顯示線程所延誤。在數(shù)據(jù)采集和顯示任務由不同的線程完成的前提下，采集線程的執(zhí)行和休眠可以采用定時器或中斷調(diào)度等方式主動控制。而顯示線程的調(diào)度主要有兩種策略： （ 1）將顯示線程的優(yōu)先級設置成低于數(shù)據(jù) 采集線程的優(yōu)先級，那么顯示線程將始終處于等待狀態(tài)，只有在采集線程休眠后才能獲得 CPU 時間片執(zhí)行，這實際上是通過 Windows的優(yōu)先級調(diào)度機制完成的線程同步。 （ 2）使用自定義消息，在采集線程每次休眠之前調(diào)用 PostMessage()函數(shù)發(fā)出一個消息，由數(shù)據(jù)處理線程的消息響應函數(shù)進行響應，進而激活數(shù)據(jù)處理線程。 在本次設計中，除了一個處理用戶輸入消息的用戶界面線程（ User_Interface Threads）之外，創(chuàng)建了兩個輔助線程（ Worker Threads）。在主線程中，主要進行觸發(fā)控制、通道控制 、時基控制、增益控制等有關示波器的操作和控制。一個輔助線程用于數(shù)據(jù)采集，另外一個輔助線程用于數(shù)據(jù)處理，其中最主要的是波形顯示。軟件的多線程設計框圖如圖 515所示。由于 CS 82G的存儲器為單口存儲器，我們只能采用單緩沖區(qū)的工作方式，就是說，每采集一定長度的點后，采集線程休眠，并喚醒數(shù)據(jù)處理線程，當數(shù)據(jù)處理線程有信號時，再喚醒采集線程，循環(huán)進行，直至用戶發(fā)出中止命令。該方法的關鍵在于線程的同步，就是要保證在采集線程寫內(nèi)存的時候，數(shù)據(jù)處理線程不能讀內(nèi)存，反之亦然，否則，會產(chǎn)生錯誤?？梢圆捎门R界區(qū)或者 Event同步對象來實現(xiàn)，為了保證在一次采集中采集線程不被中斷，而不僅僅是出于內(nèi)存訪問保護的考慮，我們選擇 Event同步對象的實現(xiàn)線程間的同步。 29 觸 發(fā) 控 制 、 通 道 控 制 、 實 基 控 制 、 增 益 控 制數(shù)據(jù)采集數(shù) 據(jù) 處 理數(shù)字濾波波形顯示參數(shù)計算數(shù)據(jù)存儲頻譜分析 圖 512 軟件多線程設計框圖 采用了多線程，那么就可以用一個單獨的線程進行數(shù)據(jù)采集，而另一個線程進行數(shù)據(jù)顯示和處理。這樣，能最大限度的保證采集的實時性，而另外的線程同時又能及時地響應用戶的操作或進行數(shù)據(jù)顯示。否則，程序在采集數(shù)據(jù)時就不能響應用戶的操作；在響應用戶操作時就不能進行數(shù)據(jù)采集。尤其當采集的數(shù)據(jù)量很大，數(shù)據(jù)處理任務 很重時，如果不采用多線程，采集時的漫長的等待是很難讓人接受的。多線程可明顯提高程序的執(zhí)行效率。 小結 本課題在 Visual C++ 開發(fā)環(huán)境下，利用 CS 82G 高速數(shù)據(jù)采集卡開發(fā)出了雙通道的虛擬示波器。其主要可實現(xiàn)的功能及性能指標為： （ 1）兩通道同時進行數(shù)據(jù)采集，將采集到的數(shù)據(jù)實時地在示波器中以時域信 號顯示，并可把采集到的數(shù)據(jù)很方便的存儲于計算機軟硬盤中。 （ 2）顯示信號的最高頻率是 300MHz，最高采樣頻率為 2GHz。 （ 3）可對兩個通道進行頻譜分析和數(shù)字濾波，包括高通和低通濾波。 （ 4）可以通過軟件控制采樣率、觸發(fā)源、觸發(fā)電平、時基、波形縮放、放大器增益、輸入阻抗等。 （ 5）示波器分辨率是 8位，時基為 ～ 26ns，電壓靈敏度為 。 本課題開發(fā)的虛擬示波器除了通用功能以外，還具有傳統(tǒng)示波器所沒有的優(yōu)點，與傳統(tǒng)示波器比較，其優(yōu)點主要表現(xiàn)在： （ 1）捕捉的波形可以保存在磁盤中或打印出來備份，可將存儲的樣板波形與實測波 30 形同時顯示，以便進行比較。 （ 2）測量準確度高，虛擬示波器采用自動測量，能減少輸入放大器和示波管線性度的影響，可以獲得較高的準確度。 （ 3）波形均勻、穩(wěn)定 、無閃爍，同時還能跟隨觀察窗口的放大、縮小，而放大、縮小為用戶作細致的觀測提供方便。 （ 4）通過用戶編程模塊，可擴充用戶自己的數(shù)據(jù)處理和分析功能，因此，虛擬示波器適合對被測系統(tǒng)進行性能測試和故障診斷。 （ 5）窗口顯示模式。虛擬示波器可將多個通道的實測波形同時映現(xiàn)在屏幕的不同窗口中。這一功能使虛擬示波器可用于對控制系統(tǒng)多個工作部位的工況進行監(jiān)視。 （ 6） 成本低。 PC機在價格上通常只有數(shù)據(jù)存儲示波器的 1/5到 1/10 左右， 此外，PC機的資源并非全部為測試專用，當不需要進行測量時， PC機可用作其它用 途。 31 第六章 總結和展望 虛擬儀器技術強調(diào)利用計算機的強大資源使本來需要硬件實現(xiàn)的技術軟件化，在相同的硬件模塊條件下通過調(diào)用不同軟件來實現(xiàn)不同的儀器功能，完成多種參數(shù)測試，以便最大限度地降低系統(tǒng)成本，增強系統(tǒng)功能與靈活性。本文所做的主要工作為： （ 1）研究了虛擬儀器的當今發(fā)展，介紹了虛擬儀器概念和特點，與傳統(tǒng)儀器進行了比較。并跟蹤國際上的最新技術，從構成形式上劃分出的四種常見的體系結構，然后根據(jù)實際需求，選擇了以計算機數(shù)據(jù)采集卡（ PCDAQ）為體系結構的虛擬儀器進行了深入研究。 （ 2） 對 CS 82G 高速數(shù)據(jù)采集卡的硬件和 SDK 進行了深入的研究，確定了虛擬示波器的主要指標，編寫了高效的數(shù)據(jù)采集程序。 （ 3）基于 PCI 接口的 CS 82G 高速數(shù)據(jù)采集卡和 Visual C++編程工具，設計了一種快速的虛擬示波器試驗系統(tǒng)。具有以下主要功能：①實現(xiàn)了波形的實時與動態(tài)顯示；②實現(xiàn)了 FFT，完成了對信號頻譜的顯示；③實現(xiàn)了對采集信號的高通和低通濾波；④實現(xiàn)了對信號頻率、峰值、均值、功率及均方根等參數(shù)的測量及動態(tài)顯示；⑤實現(xiàn)了對波形的存儲。 （ 4）提出了一種新的波形滾動顯示算法，新的算法改變了滾動方式 只能觀察變化緩慢的信號的限制，使示波器的動態(tài)顯示波形的效果得到了很大的改觀。 （ 5）為了保證示波器數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理特別是波形顯示的快速性，軟件必須充分考慮對各個模塊的同步控制。在分析 Windows內(nèi)核任務調(diào)度機制和多線程程序設計的基礎上，軟件采用了多線程設計，并且在數(shù)據(jù)采集線程和數(shù)據(jù)處理線程間采樣了同步對象的調(diào)度機制。 展望 虛擬儀器技術經(jīng)過十余年的發(fā)展，正沿著總線與驅動程序的標準化、硬 /軟件的模塊化，以及編程平臺的圖形化和硬件模塊的即插即用 (Plugamp。Play)化等方向發(fā)展。現(xiàn)在，虛擬儀器技 術在發(fā)達國家的應用已非常普及，而我國起步較慢。因此，從引進國外先進的儀器技術和產(chǎn)品入手，大力推廣虛擬儀器技術的應用和設計具有自主知識產(chǎn)權的產(chǎn)品，無論對加速發(fā)展我國自己的電子儀器工業(yè)，還是提高我們的測試水平都是有益的。 隨著計算機技術的不斷發(fā)展 ,虛擬儀器技術也會在各領域中發(fā)揮其重要作用 ,它將在促進科技進步 ,創(chuàng)造良好的社會效益和巨大的經(jīng)濟效益方面發(fā)揮卓越的作用 ,并表現(xiàn)出強 32 大的生命力 ,它必然會對科技發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生不可估量的影響。在虛擬儀器中，數(shù)據(jù)采集、測試、過程控制、信息傳輸和通信等現(xiàn)代信息技術匯集在一起， 將使標準化、規(guī)范化及軟件化儀器更廣泛流行，傳統(tǒng)儀器將逐漸失去主導地位。 微電子、計算機、軟件、通信及網(wǎng)絡等技術的迅速發(fā)展，必將推動通過高速計算機網(wǎng)絡構成的分布式測試系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)進行遠程監(jiān)控及故障診斷的技術，即聯(lián)網(wǎng)測量技術在更廣泛的領域得到應用。下一代虛擬儀器工具需要能夠快速方便地與藍牙（ BlueTooth）、無線以太網(wǎng)和其它標準融合的網(wǎng)絡技術。繼 “軟件就是儀器 ”概念之后，很可能出現(xiàn) “網(wǎng)絡就是儀器 ”的新概念。 33 參考文獻 [1] David 著， Visual C++ 幕，希望工作室譯， 1999 [2] 候俊杰著，深入淺出 MFC(第二版 )，華中科技大學出版社， 2020 [3] 胡峪，劉靜著 Visual C++ 編程技巧與示例，西安電子科技大學出版社， 2020 [4] 趙會兵，虛擬儀器技術規(guī)范與系統(tǒng)集成，清華大學出版社， 2020 [5] 胡廣書，數(shù)字信號處理（第二版），清華大學出版社， 2020 [6] 丁玉美，高西全著，數(shù)字信號處理（第二版），西安電子科技大學出版社， 2020 [7] 趙茂泰，智能儀器原理及其應用，電子工業(yè)出版社， 1999 [8] 沈蘭蓀，高速數(shù) 據(jù)采集系統(tǒng)的原理與應用，人民郵電出版社， 1995 [9] Jim Beveridge 著， Win32 多線程程序設計，候俊杰譯， 1997 [10] Jeffrey Richter 著， Windows 核心編程，王建華等譯， 2020 [11] 肖宇峰，一款虛擬示波器的設計，兵工自動化， 2020， 5（ 21） [12] 李揚，虛擬示波器的開發(fā)及研究，廣東工業(yè)大學學報， 1998， 2（ 15） [13] 杜斌，虛擬示波器中信號時頻參數(shù)的測量，測控技術， 2020， 1(20) [14] 汪紅，基于組件的虛擬儀器 軟件系統(tǒng)設計，微型計算機信息， 2020， 1（ 17） [15] 陸立巧等，基于組件技術的虛擬儀器開發(fā)方法，武漢科技大學學報， 2020， 2（ 25） 34 致謝 這次畢業(yè)論文能夠得以順利完成，并非我一人之功勞，是所有指導過我的老師，幫助過我的同學和一直關心支持著我的家人對我的教誨、幫助和鼓勵的結果。我要在這里對他們表示深深的謝意！ 本文是在 陳景波 老師精心指導和大力支持下完成的。 陳 老師以其嚴謹求實的治學態(tài)度、高度的敬業(yè)精神、兢兢業(yè)業(yè)、孜孜以求的工作作風和大膽創(chuàng)新的進取精神對我產(chǎn)生重要影響。 他 淵博的知識、開闊的視 野和敏銳的思維給了我深深的啟迪。 感謝班主任溫曉行老師，四年的生活相處不久，卻從您身上學到了太多，必將終身受益。感謝所有教授過我課程的常熟理工學院的老師們，是你們誨人不倦才有了現(xiàn)在的我。 感謝我的父母，沒有你們，就沒有我的今天，你們的支持與鼓勵，永遠是支撐我前進的最大動力。 感謝四年生活在一起的顧張亮 、 張歡歡 、 徐春華同學，感謝你們四年對我的悉心照顧。謝謝你們對我任性的寬容。四年生活在同一屋檐下，感謝我們一起經(jīng)歷的點點滴滴。 感謝身邊所有的朋友與同學，謝謝你們四年來的關照與寬容 ，與你們一起走過的繽紛時代，將會是我一生最珍貴的回憶。