圖1? CS 82G采集卡系統框圖

圖2 軟件系統總體流程圖

虛擬示波器的系統組成

系統組成
本虛擬示波器系統主要由數據采集卡、計算機和專用的軟件組成。 其中數據采集卡完成對輸入測量信號的調理采集、緩存,并通過計算機PCI總線送入內存;計算機在應用程序控制下,對數據進行處理、運算,最后完成各種電量測試并在屏幕上用圖形或數據形式顯示。這一切均可在人機交互方式下完成。
數據采集卡的硬件結構
本虛擬示波器采用的是Gage公司的CS 82G高速數據采集卡。其硬件結構框圖如圖1所示。
該數據采集卡是一個具有兩個模擬量輸入通道的標準的PCI總線插卡,卡上集成的兩個高速8位ADC,最高工作頻率高達1 GHz,在單通道工作模式下,兩個ADC同時投入工作,分別在脈沖的上升沿和下降沿進行轉換,所以最高采樣頻率可以達到2GHz。全卡的功能電路由數字控制邏輯電路統一控制。卡上配置有16MB的高速存儲器,解決了高采樣率和相對較低的PCI總線數據傳輸速率的匹配問題。
在使用之前必須對采集卡的硬件進行配置,這些控制程序用到了相應的底層DAQ驅動程序。通過采集卡自帶的DLL,可以在程序中靈活地對硬件輸入阻抗、輸入電壓范圍、放大器增益大小、采樣頻率、每次采樣點數等參數進行控制。
模擬信號經同軸電纜進入采集卡的輸入通道后,經過前置濾波電路、衰減電路、可變增益的放大電路,將信號處理成ADC可以處理的標準電平,經過A/D采樣量化轉化成計算機可以處理的數字信號并緩存到存儲器。該采集卡支持軟件通過PC機的PCI總線接口控制模擬通道的阻抗匹配、放大器的增益選擇、啟動ADC及轉換結束的識別,并允許將采集數據以DMA方式傳輸到計算機內存,同時對數據信號進行分析處理、顯示、存儲及打印輸出。

系統的軟件設計
虛擬示波器的軟件開發環境
虛擬儀器最核心的是軟件技術。目前,用于虛擬儀器開發的軟開發平臺主要有兩大類：一類是通用的可視化軟件編程環境,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發軟件的編程環境,主要有NI公司的圖形化編程環境LabView及文本編程環境LabWindows/CVI、Agilent公司的圖形化編程環境Agilent VEE。考慮到軟件的靈活性、高效性和可移植性,本設計中采用Visual C++作為虛擬示波器的開發環境。
軟件的方案設計
圖2展示了本設計中軟件系統的總體流程圖。程序開始工作后,首先進入主線程,進行相關的初始化工作,主要是軟件界面的初始化(采集卡的初始化在采集子線程中進行)。OnStart()函數的主要目的是執行StartCapture()函數以啟動數據采集子線程,執行StartProcessing()函數以啟動數據處理子線程,主線程進入消息循環,并通過消息和子線程進行通信。采樣線程和數據處理線程實際上是由g_bRunThread變量控制的循環過程,這樣可以方便主線程控制工作線程的退出。數據采集線程利用了采集卡驅動程序提供的中斷采樣函數,采樣深度n由控件設定,每當采集完成n個點的采樣時,采樣數據便被送入卡上的緩沖區,然后通過PCI總線向計算機傳輸數據,當數據傳輸完畢之后,采樣線程向數據處理線程發送WM_RECEIVE消息,通知數據處理模塊對這n點進行分析處理。在主線程里,主要接收用戶操作的消息,比如通道參數的設定、通道顯示的設定、數據的存儲打印以及察看歷史數據、波形等操作。

軟件功能模塊
該虛擬示波器有5大功能模塊：數據采集、用戶界面、頻譜分析、數字濾波以及波形顯示。

信號采集模塊
信號采集模塊主要完成對數據的采集,根據所采集信號的不同采用不同的采樣頻率。這個模塊中應用程序會通過采集卡的驅動程序和硬件進行通信,如果把這個模塊放在程序主線程中實現,那么,當應用程序與驅動程序進行數據通信時,主界面就會凍結。為了解決這個問題,本文直接創建一個子線程來單獨完成與驅動程序的通信任務,讓主界面專心于響應視窗界面的信息。在子線程中通過調用gage_start_capture( )函??? 數進行數據的采集。

用戶界面模塊
界面主要分為三個視圖：主視圖基于ScrollView,用于顯示波形;另外兩個視圖基于FormView,一個用于動態顯示采集數據的特征參數,另一個用于對示波器進行操作。

頻譜分析模塊
本軟件利用快速傅里葉變換(FFT)進行頻譜分析,采用按時間抽取FFT算法,然后將幅值頻譜分析結果在用戶界面上以坐標曲線形式顯示。進行FFT時可以選擇點數,有1024、2048、4096三種選擇,如果點數不夠,程序自動補零。

數字濾波模塊
本軟件可以對所采集信號進行低通和高通濾波。首先根據給定通帶截止頻率、阻帶截止頻率、通帶衰減和阻帶衰減設計出Butterworth模擬濾波器,再用雙線性變換法設計出數字濾波器。

波形顯示模塊
當前波形顯示主要有兩種方法,分段顯示和滾動顯示。本設計采用了滾動顯示的方法,并且提出了一種新的滾動顯示算法,突破了滾動顯示只能觀察變化緩慢的信號的限制。算法核心思想如下。
1． 得到所采集數據塊的第一個和最后一個數據點的橫坐標m_xMin和m_xMax,兩者之差即為波形的邏輯寬度。
2． m_xMax-m_xMin的值為邏輯坐標,把它轉化為設備坐標cx,用cx設定整個滾動視圖的寬度。
3． 為了提高畫圖的效率,需要畫出滾動視圖可視部分的圖形,也就是剪裁區的圖形,因此要確定剪裁區。
4． 畫出坐標以及剪裁區內的一段波形。利用CSplitterWnd:Do ScrollBy()函數,根據采樣間隔的大小決定斷滾動視圖速度的快慢。這樣視圖滾動以后相應的剪裁區也會發生改變,從而能動態畫出新的波形。
　　
實驗與討論
在實驗中使用該系統對正弦信號和鋸齒波信號進行了采集,并對兩個通道的信號分別進行了頻譜分析。實驗時示波器參數設置如下：采樣模式為雙通道,其中通道1對正弦信號進行采樣,通道2對鋸齒波信號進行采樣;采樣率為120MS/s;觸發源為軟件觸發;觸發時間極限為20ms;輸入信號電壓范圍為+/-5V。實驗結果顯示達到了預定的效果。

設計中一個關鍵問題是在保證數據采集實時性的同時,又能及時地響應用戶的操作或進行數據顯示。在本文中,為解決這個問題采用了多線程技術,除了一個處理用戶輸入消息的用戶界面線程之外,還創建了兩個輔助線程,從而最大程度地保證了系統的實時性。

傳輸速率的匹配問題
在使用之前必須對采集卡的硬件進行配置,這些控制程序用到了相應的底層DAQ驅動程序。通過采集卡自帶的DLL,可以在程序中靈活地對硬件輸入阻抗、輸入電壓范圍、放大器增益大小、采樣頻率、每次采樣點數等參數進行控制。
模擬信號經同軸電纜進入采集卡的輸入通道后,經過前置濾波電路、衰減電路、可變增益的放大電路,將信號處理成ADC可以處理的標準電平,經過A/D采樣量化轉化成計算機可以處理的數字信號并緩存到存儲器。該采集卡支持軟件通過PC機的PCI總線接口控制模擬通道的阻抗匹配、放大器的增益選擇、啟動ADC及轉換結束的識別,并允許將采集數據以DMA方式傳輸到計算機內存,同時對數據信號進行分析處理、顯示、存儲及打印輸出。