基于高速數(shù)據(jù)采集卡的虛擬示波器設(shè)計(jì)
1 引言
虛擬儀器(VI-ViItuaIInstrument)是指通過應(yīng)用程序?qū)⑼ㄓ糜?jì)算機(jī)與功能化硬件結(jié)合起來,用戶可通過友好的圖形界面操作計(jì)算機(jī),就像在操作自己定義、自己設(shè)計(jì)的單個儀器一樣,從而完成對被測量的采集、處理、分析、判斷、顯示、數(shù)據(jù)存儲等。在這種儀器系統(tǒng)中,各種復(fù)雜測試功能、數(shù)據(jù)分析和結(jié)果顯示都*杉撲慊砑瓿?,哉娷秶砍C娼洗騁瞧饔形薹ū饒獾撓諾悖縭褂昧榛罘獎?、拆}怨δ芊岣?、价格低廉、覔Q嚶玫齲廡┦溝瞇檳庖瞧鞒晌蠢吹繾硬飭懇瞧鞣⒄溝鬧饕較蛑弧?
當(dāng)今虛擬儀器系統(tǒng)開發(fā)采用的總線包括傳統(tǒng)的Rs232串行總線、GPIB通用接口總線、VXI總線、PCI總線和IEEE 1394總線即Firewire(也叫做火線)。
本文介紹基于PCI總線接口的CompuS,cope82G型高速數(shù)據(jù)采集卡和Visual C++編程工具的快速虛擬示波器試驗(yàn)系統(tǒng),該系統(tǒng)集波形采集、數(shù)據(jù)分析、輸出、顯示為一體。為了保證數(shù)據(jù)采集和波形顯示的實(shí)時性,設(shè)計(jì)中還采用了多線程技術(shù)。
2 系統(tǒng)組成和采集卡的硬件結(jié)構(gòu)
2.1 系統(tǒng)組成
虛擬示波器系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)和軟件組成,其中,數(shù)據(jù)采集卡完成對輸入測量信號的調(diào)理采集和緩存,并通過計(jì)算機(jī)PCI總線送入內(nèi)存;計(jì)算機(jī)在應(yīng)用程序控制下對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、運(yùn)算,zui后完成各種電量測試并在屏幕上用圖形或數(shù)據(jù)形式顯示。這一切均在人機(jī)交互方式下完成。
2.2 數(shù)據(jù)采集卡的硬件結(jié)構(gòu)
本虛擬示波器采用Gage公司的CompuScope82G型高速數(shù)據(jù)采集卡作為PCI接口。采集卡的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。
該數(shù)據(jù)采集卡主要由前置濾波器、可程控衰減器、可程控模擬放大電路、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、計(jì)數(shù),定時電路、振蕩電路、時序控制電路及PCI接口電路組成,其功能電路由數(shù)字控制邏輯電路統(tǒng)一控制。該卡是具有2個模擬量輸入通道的標(biāo)準(zhǔn)的PCI總線插卡,卡上集成的2個高速8位ADC的工作頻率高達(dá)IGHz,在單通道工作模式下,2個ADC同時工作,分別在脈沖的上升沿和下降沿進(jìn)行轉(zhuǎn)換,所以zui高采樣頻率可以達(dá)到2GHz??ㄉ吓渲糜?6M的高速存儲器,解決了高采樣率和相對較低PCI總線數(shù)據(jù)傳輸速率的匹配問題。在使用之前必須對采集卡的硬件進(jìn)行配置,這些控制程序用到相應(yīng)的底層DAQ驅(qū)動程序。通過采集卡自帶的DLL可以在程序中靈活地對硬件進(jìn)行控制,比如輸入阻抗、輸入電壓范圍、放大器增益、采樣頻率、每次采樣點(diǎn)數(shù)等。
3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
3.1 虛擬示波器的軟件開發(fā)環(huán)境
虛擬儀器zui核心的技術(shù)是軟件技術(shù)。目前,用于虛擬儀器開發(fā)的軟件開發(fā)平臺主要有二大類: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、Inprise公司的Delphi和C++Builder等;另一類是一些公司推出的于虛擬儀器開發(fā)軟件的編程環(huán)境,主要有NI公司的圖形化編程環(huán)境LabView及文本編程環(huán)境IabWindows/CVI、Agilent公司的圖形化編程環(huán)境Agilent VEE??紤]到軟件的靈活性、性和可移植性,本設(shè)計(jì)中采用visual C++作為虛擬示波器的開發(fā)環(huán)境。
3.2 軟件功能模塊
該虛擬示波器有5大功能模塊:信號采集、用戶界面、頻譜分析、數(shù)字濾波、波形顯示。
3.2.1信號采集模塊
信號采集模塊主要完成數(shù)據(jù)的采集,根據(jù)采集信號的不同選用不同的采樣頻率。該模塊中的應(yīng)用程序通過采集卡的驅(qū)動程序和硬件進(jìn)行通信,如果把該模塊放在程序主線程中實(shí)現(xiàn),那么,當(dāng)應(yīng)用程序與驅(qū)動程序進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時主界面就會凍結(jié)。為了解決這個問題,本文直接創(chuàng)建一種子線程來單獨(dú)完成與驅(qū)動程序的通信任務(wù),讓主界面于響應(yīng)視窗界面的信息。在子線程中通過調(diào)用gage_start_capture()函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。圖2示出數(shù)據(jù)采集流程。數(shù)據(jù)采集的主要代碼如下:
3.2.2用戶界面模塊
界面主要切分為3個視圖:主視圖基類為ScrollView,用于顯示波形;2個視圖基類為For-mView,1個用于動態(tài)顯示采集數(shù)據(jù)的特征參數(shù),另1個用于對示波器進(jìn)行操作。整個軟件的主界面設(shè)計(jì)如圖3所示。
3.2.3頻譜分析模塊
本軟件利用快速傅里葉變換(FFT)進(jìn)行頻譜分析。頻譜分析采用按時間抽取FFT算法,然后將幅值頻譜分析結(jié)果在用戶界面上以坐標(biāo)曲線形式顯示。進(jìn)行FFT時可以選擇點(diǎn)數(shù),有1024、2048、4096 3種選擇,
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