基于高速数据采集卡的虚拟示波器设计

摘要：基于PCI接口的compuScope 82G型高速数据采集卡和Visual c++编程工具．设计了一种快速虚拟示波器试验系统，为了保证数据采集和波形显示的实时性，设计中采用了多线程技术。该系统集波形采集、数据分析、输出、显示为一体，实现了高速数据的采集和动态波形的显示，并且在此基础上实现了传统示波器无法实现的频谱分析和数字滤波功能。
关键词：虚拟仪器；虚拟示波器；数据采集；CompuScope 82G

1 引言 
    虚拟仪器(VI-ViItuaIInstrument)是指通过应用程序将通用计算机与功能化硬件结合起来，用户可通过友好的图形界面操作计算机，就像在操作自己定义、自己设计的单个仪器一样，从而完成对被测量的采集、处理、分析、判断、显示、数据存储等。在这种仪器系统中，各种复杂测试功能、数据分析和结果显示都完全由计算机软件完成，在很多方面较传统仪器有无法比拟的优点，如使用灵活方便、测试功能丰富、价格低廉、一机多用等，这些使得虚拟仪器成为未来电子测量仪器发展的主要方向之一。

    当今虚拟仪器系统开发采用的总线包括传统的Rs232串行总线、GPIB通用接口总线、VXI总线、PCI总线和IEEE 1394总线即Firewire(也叫做火线)。

    本文介绍基于PCI总线接口的CompuS,cope82G型高速数据采集卡和Visual C++编程工具的快速虚拟示波器试验系统，该系统集波形采集、数据分析、输出、显示为一体。为了保证数据采集和波形显示的实时性，设计中还采用了多线程技术。

2 系统组成和采集卡的硬件结构
2．1 系统组成
    虚拟示波器系统主要由数据采集卡、计算机和专用软件组成，其中，数据采集卡完成对输入测量信号的调理采集和缓存，并通过计算机PCI总线送入内存；计算机在应用程序控制下对数据进行处理、运算，最后完成各种电量测试并在屏幕上用图形或数据形式显示。这一切均在人机交互方式下完成。

2．2 数据采集卡的硬件结构
    本虚拟示波器采用Gage公司的CompuScope82G型高速数据采集卡作为PCI接口。采集卡的硬件结构如图1所示。

    该数据采集卡主要由前置滤波器、可程控衰减器、可程控模拟放大电路、A／D转换器、D／A转换器、计数，定时电路、振荡电路、时序控制电路及PCI接口电路组成，其功能电路由数字控制逻辑电路统一控制。该卡是具有2个模拟量输入通道的标准的PCI总线插卡，卡上集成的2个高速8位ADC的工作频率高达IGHz，在单通道工作模式下，2个ADC同时工作，分别在脉冲的上升沿和下降沿进行转换，所以最高采样频率可以达到2GHz。卡上配置有16M的高速存储器，解决了高采样率和相对较低PCI总线数据传输速率的匹配问题。在使用之前必须对采集卡的硬件进行配置，这些控制程序用到相应的底层DAQ驱动程序。通过采集卡自带的DLL可以在程序中灵活地对硬件进行控制，比如输入阻抗、输入电压范围、放大器增益、采样频率、每次采样点数等。

3 系统的软件设计
3．1 虚拟示波器的软件开发环境
    虚拟仪器最核心的技术是软件技术。目前，用于虚拟仪器开发的软件开发平台主要有二大类：一类是通用的可视化软件编程环境，主要有Microsoft公司的Visual C++和Visual Basic、Inprise公司的Delphi和C++Builder等；另一类是一些公司推出的专用于虚拟仪器开发软件的编程环境，主要有NI公司的图形化编程环境LabView及文本编程环境IabWindows／CVI、Agilent公司的图形化编程环境Agilent VEE。考虑到软件的灵活性、高效性和可移植性，本设计中采用visual C++作为虚拟示波器的开发环境。

3．2 软件功能模块
    该虚拟示波器有5大功能模块：信号采集、用户界面、频谱分析、数字滤波、波形显示。

3．2．1信号采集模块
    信号采集模块主要完成数据的采集，根据采集信号的不同选用不同的采样频率。该模块中的应用程序通过采集卡的驱动程序和硬件进行通信，如果把该模块放在程序主线程中实现，那么，当应用程序与驱动程序进行数据通信时主界面就会冻结。为了解决这个问题，本文直接创建一种子线程来单独完成与驱动程序的通信任务，让主界面专用于响应视窗界面的信息。在子线程中通过调用gage_start_capture()函数进行数据的采集。图2示出数据采集流程。数据采集的主要代码如下：

   
3．2．2用户界面模块
    界面主要切分为3个视图：主视图基类为ScrollView，用于显示波形；2个视图基类为For-mView，1个用于动态显示采集数据的特征参数，另1个用于对示波器进行操作。整个软件的主界面设计如图3所示。

3．2．3频谱分析模块
    本软件利用快速傅里叶变换(FFT)进行频谱分析。频谱分析采用按时间抽取FFT算法，然后将幅值频谱分析结果在用户界面上以坐标曲线形式显示。进行FFT时可以选择点数，有1024、2048、4096 3种选择，如果点数不够，程序自动补零。

3．2．4数宇滤波模块
    本软件可以对所采集的信号进行低通和高通滤波。首先根据给定通带截止频率、阻带截止频率、通带衰减和阻带衰减设计出巴特沃思(Butter-worth)模拟滤波器，再用双线性变换法设计出数字滤波器。

3．2．5波形显示模块
    虚拟示波器的工作原理是对信号波形进行高速采样，采样值被数字化后存储起来，当重建波形时便从缓冲区取数，然后用清晰、均匀一致的轨迹映像在屏幕上。由于采集的模拟波形经数字化后成为一串离散数据，因此，如何重建信号波形是虚拟示波器设计中的关键问题之一。当前的波形显示主要有分段显示和滚动显示。这里采用滚动显示，并且提出一种新的滚动显示算法，突破了滚动显示只能观察变化缓慢的信号的限制。算法核心思想如下：

    (1)得到所采集数据块的第1个和最后1个数据点的横坐标m_xMin和rn_xMax，m_xMax-m_xMin为波形的逻辑宽度。

    (2)m_xMax-m_xMin的值为逻辑坐标，把它转化为设备坐标cx，用cx设定整个滚
动视图的宽度。

    (3)为了提高画图的效率，只需画出滚动视图可视部分的图形，也就是剪裁区的图形，因此要得到剪裁区。

    (4)画出坐标及剪裁区内的一段波形。

    (5)利用CSplitterWnd::DoSerollBy()函数，根据采样间隔的大小决定断滚动视图速度的快慢。这样视图滚动以后相应的剪裁区也会发生改变，促使动态画出新的波形。

    主要代码如下：

   
4 实验与讨论
    在实验中使用该系统对正弦信号和锯齿波信号进行了采集，并对2个通道的信号分别进行了频谱分析。实验时示波器参数设置如下：采样模式为双通道，其中通道1对正弦信号进行采样，通道2对锯齿波信号进行采样；采样率为120Ms／s；采样深度为16 000点；触发源为软件触发；触发时间极限为20ms；输入信号电压范围为~5V。实验结果如图4所示。达到了预定的效果。

    本文基于Gage公司的CompuScope 82G型高速数据采集卡，用Visual C++编程工具设计出一种快速虚拟示波器试验系统，实现了高速数据的采集和动态波形的显示。同时提出一种新的波形滚动算法，大大改观了滚动波形的动态显示效果。在此基础上实现了传统示波器无法实现的频谱分析和数字滤波功能。采用Visual c++作为仪器编程语言使得编写的程序通用性和可移植性强。