【正文】 四年生活在同一屋檐下，感謝我們一起經(jīng)歷的點點滴滴。感謝所有教授過我課程的常熟理工學(xué)院的老師們，是你們誨人不倦才有了現(xiàn)在的我。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(dǎo)和大力支持下完成的。 微電子、計算機、軟件、通信及網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的迅速發(fā)展，必將推動通過高速計算機網(wǎng)絡(luò)構(gòu)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(shù)，即聯(lián)網(wǎng)測量技術(shù)在更廣泛的領(lǐng)域得到應(yīng)用?，F(xiàn)在，虛擬儀器技 術(shù)在發(fā)達國家的應(yīng)用已非常普及，而我國起步較慢。 （ 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。 （ 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。 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。 （ 5）窗口顯示模式。 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）顯示信號的最高頻率是 300MHz，最高采樣頻率為 2GHz。尤其當采集的數(shù)據(jù)量很大，數(shù)據(jù)處理任務(wù) 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?？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。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。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(shè)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。 顯示模塊的特點是必須承擔(dān)繁重的圖形顯示輸出任務(wù)，而這部分的實時性要求一般不苛刻。 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(jié)合，就得到該線程的優(yōu)先級數(shù)（范圍是0到 31）。 27 圖 511 波形顯示模塊設(shè)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(shè)計出高質(zhì)量的通用軟件模塊。 (5) 利用 CSplitterWnd::DoScrollBy（）函數(shù)，根據(jù)采樣間隔的大小決定視圖滾動速度的快慢。 算法核心思想如下： (1) 得到所采集數(shù)據(jù)塊的第一個和最后一個數(shù)據(jù)點的橫坐標 m_xMin和 m_xMax， m_xMax－ m_xMin 為波形的邏輯寬度。 傳統(tǒng)的滾動顯示方式是這樣實現(xiàn)的，設(shè)采樣值在數(shù)組 data[ ]中保存。采用照像方法的原因是為了讓人們在觀看波形時能留有一段視覺時間，以便看到穩(wěn)定的波形，這種采樣方法適合于捕捉快速信號的波形。根據(jù)這個特點，我們在波形的重現(xiàn)上面采用兩種處理方式，第一種方式是采用 “照像 ”技術(shù)，也稱為分段方式；第二種方式是采用滾動方式。 虛擬示波器與傳統(tǒng)示波器的一大區(qū)別在于它沒有掃描電路，它也不是基于示 波管的線性偏轉(zhuǎn)特性而工作，對于虛擬示波器而言，波形重現(xiàn)靠的是計算機的圖形處理功能。當脈沖信號的上升與下降時間大于采樣周期的 ，正弦內(nèi)插法對脈沖信號也十分有效。首先，在每個己采樣點之后插入 L1 個零值，這時產(chǎn)生的新序列的奈奎斯特頻率已經(jīng)提高了 L 倍，然后我們就可以通過適當?shù)臄?shù)字濾波器來獲取原始采樣數(shù)據(jù)。矢量內(nèi)插法適合于顯示脈沖和數(shù)字信號，在顯示正弦波時可能會產(chǎn)生失真。它可以消除視覺上混淆，矢量越短效果就越好。當采樣點較少時，觀察者會把相鄰的兩個點連起來，隨著信號頻率的增加， 很可能得出錯誤的結(jié)果。 22 圖 58 濾波器的控制對話框 圖 59 鋸齒波通過低通濾波器后的波形 23 波形顯示模塊的設(shè)計 數(shù)據(jù)內(nèi)插技術(shù) 要想觀察采集好的波形，就必須采用某種方式將采集好的數(shù)據(jù)顯示出來，這就要用到數(shù)據(jù)內(nèi)插技術(shù)。 19 開 始進 入 x （ n ） ， MN = 2倒 序L = 1 ， MB = 2J = 0 ， B = 1P = 2 JK = 0 ， N 1 ， 2X ( k ) = X ( k ) + X ( k + B ) WX ( k + B ) = X ( k ) X ( k + B ) W輸 出結(jié) 束ML 1M LLpNPN 圖 54 DITFET 運算和程序框圖 20 圖 55 FFT的控制對話框 圖 56 鋸齒波的頻譜圖 21 圖 57 正弦波的頻譜圖 數(shù)字濾波模塊的設(shè)計 在虛擬示波器中，對被測信號背景噪 聲干擾的抑制是 非常重要的一個任務(wù)，一般情況下，采用數(shù)字濾波可以較好地清除干擾。進行 FFT時可以選擇點數(shù)， 16 有 102 204 4096三種選擇，如果點數(shù)不夠，程序自動補零。系統(tǒng)控制主要是對采樣頻率、觸發(fā) 源、觸發(fā)電平、采樣深度的控制；通道控制主要實現(xiàn)兩個通道參數(shù)的設(shè)置和波形顯示的控制。 示波器主界面分為三個功能模塊，波形顯示模塊，參數(shù)顯示模塊和示波器操作模塊。 實現(xiàn)切分多視圖的技術(shù)核心： （ 1）在框架窗口類中聲明一個 CSplitterWnd 類對象，對 MDI 應(yīng)用程序，框架窗口類為 CChildFrame 類；對 SDI 應(yīng)用程序，框架窗口類為 CMainFrame 類。starting[bd],amp。傳輸數(shù)據(jù)的函數(shù)是gage_transfer_buffer_3()；使用 它時需要傳遞的參數(shù)為開始地址和要傳送的數(shù)據(jù)量。 gage_busy()則是用來判斷是否已經(jīng)采集結(jié)束。 （ 3）開始采集數(shù)據(jù) 調(diào)用 gage_start_capture()函數(shù)即開始采集數(shù)據(jù)，如調(diào)用時傳給該函數(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)后立即開始采集數(shù)據(jù)，否則就等待至觸發(fā)條件滿足時開始采集數(shù)據(jù)。 數(shù)據(jù)采集的編程過程 （ 1）初始化采集卡的驅(qū)動程序和硬件 這個過程包括兩個部分，一是確定硬件安裝位置及 I/O口和內(nèi)存映射，由 文件來配置內(nèi)存區(qū)域和 I/O 地址，二是用戶進 行的采集卡驅(qū)動初始化，選擇 (打開相應(yīng)的 )采集卡，讀取配置文件等。 數(shù) 據(jù) 采 集 軟 面 板數(shù) 據(jù) 存 儲數(shù) 據(jù) 處 理幫 助 文 件數(shù) 字 濾 波頻 譜 分 析參 數(shù) 計 算波 形 顯 示 圖 51 系統(tǒng)軟件功能框圖 數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計 數(shù)據(jù)采集模塊是最為關(guān)鍵的一個程序模塊，這個模塊中應(yīng)用程序會通過采集卡的驅(qū)動程序和硬件進行通信，要發(fā)出各種控制字、參量字到儀器中去，同時又要對硬件的工作狀態(tài)進行判 斷和處理，然后讀取采樣值。 數(shù) 據(jù) 存 儲 模 塊歷 史 數(shù) 據(jù) 文 件數(shù) 據(jù) 查 詢模 塊曲 線 顯 示模 塊數(shù) 據(jù) 采 集 模 塊主 控 模 塊歷 史 查 詢 模塊曲 線 打 印 模塊數(shù) 據(jù) 處 理 模 塊實時顯示模塊數(shù)字濾波模塊頻譜分析模塊參數(shù)計算模塊幫 助 文 件 模 塊數(shù) 據(jù) 流 控 制 流 圖 41 軟件系統(tǒng)總體框圖 12 主 程 序初 始 化O n S t a r t ( )消 息 循 環(huán) S t a r t C a p t u r e ( )啟 動 采 樣 數(shù) 據(jù)S t a r t P r o e s s i n g ( )啟 動 數(shù) 據(jù) 處 理 線 程采 集 數(shù) 據(jù)發(fā) 送 W M _ R E C I E V E選 擇 處 理 種 類數(shù) 據(jù) 處 理選 擇 數(shù) 據(jù) 區(qū) 間查 詢 數(shù) 據(jù) 算 法存 儲 數(shù) 據(jù)歷 史 曲 線 顯 示打 印 模 塊開 始是 否 存 儲 數(shù) 據(jù)是 否 查 看歷 史 數(shù) 據(jù)g _ b R u n T h r e a dg _ b R u n T h r e a d 是 否 收 到W M _ R E C I E V EY e s Y e sY e sY e sY e s 圖 42 軟件系統(tǒng)總體流程圖 13 第五章 虛擬示波器系統(tǒng)的軟件具體實現(xiàn) 軟件采用模塊化設(shè)計，在功能上劃分為多個模塊，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)存儲模塊和幫助文件模塊。其中主控模塊相當于一個任務(wù)調(diào)度中心。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現(xiàn)之外，其它兩部分都是由軟件 實現(xiàn)。 由于 Visual C++的面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計的特性十分適合虛擬儀器系統(tǒng)的軟件開發(fā)，而且在本設(shè)計中所使用的數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動程序是由 C語言開發(fā)，所以我 們選用 Visual C++作為虛擬示波器系統(tǒng)的軟件開發(fā)工具。 Visual C++不僅是 C++語言的集成開發(fā)環(huán)境，而且與 Win32 緊密相連，所以利用Visual C++開發(fā)系統(tǒng)可以完成各種各樣應(yīng)用程序的開發(fā)，從底層軟件直到上層面向用戶的軟件都可以用 Visual C++來開發(fā)完成；而且 Visual C++強大的調(diào)試功能也為大型復(fù)雜軟件的開發(fā)提供了有效的排錯手段。 10 目前，能夠用于虛擬儀器系統(tǒng)開發(fā)、比較成熟的軟件開發(fā)平臺主要有兩大類：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 公司分離出來的一個公司）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。 軟件開發(fā)環(huán)境的選擇 在給定計算機和必要儀器硬件之后，構(gòu)成虛擬儀器的關(guān)鍵在于軟件。如果信號變化比采集卡的數(shù)字化要快，或者采樣太慢，就會產(chǎn)生波形失真。 數(shù)據(jù)采集卡的選擇主要與采樣率、采樣通道數(shù)和測量精度有關(guān)。數(shù)據(jù)采集卡是虛擬示波器的重要組成部件，其性能指標直接決定著虛擬示波器的采樣速率、精度等主要指標。以 DAQ 方式構(gòu)成的虛擬示波器的硬件主要由計算機和模塊化硬件組成，計算機通常是個人計算機，也可以是任何通用計算機。 數(shù)據(jù)采集卡計算機PCI 軟 件 圖 33 基于數(shù)據(jù)采集卡的虛擬示波器的結(jié)構(gòu) 虛擬示波器和傳統(tǒng)示波器的根 本區(qū)別在于： （ 1）傳統(tǒng)示波器完全用硬件實現(xiàn)，功能和模塊固定 ，其功能的自動測試系統(tǒng)，功能及模式由用戶自己定義。隨著計算機技術(shù)特別是軟件技術(shù)的發(fā)展，將個人計算機應(yīng)用于測試和分析的虛擬示波器是一個順應(yīng)形勢的新的發(fā)展方向。振蕩器產(chǎn)生的高頻振蕩信號掃描時間因數(shù)電路按設(shè)定系數(shù)分頻，經(jīng)脈沖形成電路產(chǎn)生系統(tǒng)所需的時鐘信號，送往地址計數(shù)器， A/D 轉(zhuǎn)換器。 CS 82G 的硬件主要由前置濾波器、衰減器、可程控模擬放大電路、 A/D 轉(zhuǎn)換電路、 7 D/A 轉(zhuǎn)換電路、計數(shù) /定時電路、振蕩電路、時序控制電路以及 PCI 接口電路構(gòu)成，全卡的功能電路由數(shù)字控制邏輯電路統(tǒng)一控制。軟件主要有驅(qū)動器軟件和應(yīng)用軟件兩部分組成。本課題采用的是第一種方式構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以便進行高速、大容量的數(shù)據(jù)采集和傳輸。 (5)具有強大的數(shù)據(jù)處理功能。 傳統(tǒng)儀器測量個體之間差異大，而虛擬儀器的應(yīng)用軟件在不同的 PC 機上具有相同的運行效果，在軟件運行這方面不存在個體的差異。 (2)開發(fā)與維護的費用低，系統(tǒng)組建時間短。 5 虛擬儀器的特點 虛擬儀器是以裝有測量應(yīng)用軟件的個人電腦為核心，具有虛擬的儀器操作面板，足夠的硬件支持，有一定通信能力的測量裝置。 V X IV X I 儀 器R S 2 3 2R S 2 3 2 儀 器D A T AA N A L Y S I S數(shù) 據(jù) 分 析D I G I T A L S I G N A LP R O C E