（光学工程专业论文）基于usb数据采集的虚拟仪器的研究与设计.pdf

摘要 摘要 虚拟仪器是一种功能意义上的测量和控制仪器，由个人计算机、基本仪器硬 件和应用软件共同组成。它充分利用计算机的软硬件资源，不仅能够实现各种传 统仪器的全部功能，而且还具有很高的灵活性和扩充性，这些优点使得虚拟仪器 有着广阔的发展空间和应用前景。 本文对基于u s b 数据采集的虚拟仪器这一课题进行了研究，在分析阐述了虚 拟仪器技术、u s b 技术和数据采集技术的基础上，从系统整体方案设计、硬件系 统的分析与实现、软件设计等方面阐述了主要的设计研究工作。通过内置u s b 控 制器的f x 2 系列单片机6 8 0 1 3 作为采集系统的主控单元，1 4 位a d 转换器a d 9 2 4 4 作为数据采集单元，实现了高精度的数据采集。通过对w i n d o w s 驱动程序模型的 讨论，完成了u s b 设备驱动程序的设计及编程，然后对上位机应用程序功能模块 的具体实现进行了详细的论述。 关键词：虚拟仪器u s b 2 0 数据采集c y 7 c 6 8 0 1 3 a b s t r a c t a b s t r a c t i h ev i r t u a li n s t r u m e n ti sak i n do ff u n c t i o n a li n s t r u m e mu s e di nt h em e a s u r e m e n t a n dc o n t r o la r e a i ti sc o m p o s e do fp e r s o n a lc o m p t a e r ，b a s i ch a r d w a r ea n da p pl i e d s o r w a r e b yt a k i n gf u l la d v a m a g e so ft h es o t t w a r ea n dh a r d w a r er e s o u r e eo ft h e c o m p t a e r ，t h ev i r t u a li n s t r u m e n tc a nn o to n l yr e a l i z et h ef u n c t i o n so ft h et r a d i t i o m l i n s t r u m e m ，b u ta l s oh a sb e t t e re x p a n d a b i l i t ya n df l e x i b i l i t y ，w h i c hm a k e st h ev ih a v e v a s td e v e b p m e ms p a c ea n db r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t s t h et o p i co fv i r t u a li n s t r u m e n tb a s e do nu s bd a t aa c q u i s i t i o ni ss t u d i e di n t h i s p a p e r ，w h i c hm a i n l yd i s c u s sa n dc o n f i r mt h ew h o l ed e s i g ns c h e m eo f t h es y s t e mo nt h e b a s i so fs t u d yo nt h et e c h n o l o g yo f ，u s ba n dd a t aa c q u i s i t i o n ，a sw e l la st h e h a r d w a r ea n a l y s i sa n di m p l e m e n t a t i o n ，s o f t w a r es y s t e md e s i g n i n g t h r o u g ht h ef s e r i e sm c u6 8 0 1 3t h a tb u i l d i nu s bc o n t r o l l e ra sam a i nc o n n o lu n i t ，a n d1 4 b i ta 他 c o n v e r t e ra d 9 2 4 4a sad a t aa c q u i s i t i o nu n i t ，t h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mi si m p l e m e n t e d b yd i s c u s s i n gt h ew i n d o w sd r i v ep r o g r a mm o d e l ，t h ed e s i g na n dp r o g r a mo fu s b d e v i c ed r i v e ri sa c c o m p l i s h e d t h e nd e t a i l e dd i s c u s s i o ni sm a d eo nt h em o d u l ed e s i g n p r o c e s so f p ca p p l i c a t i o np r o g r a m k e y w o r d ：v i r t u a li n s t r u m e n t u s b 2 0d a t aa c q u i s i t i o nc y 7 c 6 8 0 1 3 西安电子科技大学 学位论文独创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名： 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在_ 年解密后适用本授权书。 本人签名：互豳垒 导师签名： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的背景 测试与测量是人类认识自然客观事物并对这些事物的若干现象进行量化从而 取得深入认识其本质的必不可少的手段。测试测量仪器则是实现测试测量的基本 工具【l l 。随着科学技术突飞猛进的发展，世界已经进入新的技术革命时代。而作为 技术革命先导的电子技术已经渗透到国民经济的各个领域，其在测试测量仪器方 面的应用电子测量仪器的发展也是极为迅速的。传统的电子测量仪器由于功 能单一、体积庞大、价格昂贵，已经很难满足实际工作的需要。而随着计算机技 术、大规模集成电路技术和通讯技术的飞速发展，电子测量仪器技术发生了巨大 的变化，新的测试理论、测试方法、测试领域以及仪器结构不断出现，在许多方 面已经冲破了传统仪器的观念。 新兴发展的虚拟仪器以其强大的功能、低廉的价格、可重组的特性，成为了 测试领域的主要发展方向。从发展史看，电子测量仪器经历了由模拟式仪器、数 字式仪器、智能仪器、到虚拟仪器的四个阶段。虚拟仪器是现代计算机技术、仪 器技术及其它技术完美结合的产物。虚拟仪器的提出，是仪器技术的一场革命。 设计出功能强大的应用于测控与测量领域的虚拟仪器系统是信息时代的需求。 在仪器计量系统方面，示波器、频谱仪、信号发生器、逻辑分析仪等是科研 机关、企业研发实验室、大专院校的必备测量设备。但是传统仪器体积较大，在 进行一些数据测量中，常常不能满足测量的要求。虚拟仪器填补了这些不足，以 其强大的功能和价格优势，在仪器计量领域具有十分广阔的前景。 在专用测量系统方面，虚拟仪器的发展空间更为广阔。当今社会信息技术的 迅猛发展，使得各行各业都转向智能化、自动化、集成化。无所不在的计算机应 用为虚拟仪器的推广提供了良好的基础【2 1 。因此，虚拟仪器适合于一切需要计算机 辅助进行数据存储、处理和分析的计量场合。 1 2 课题研究的目的及意义 目前，我国正处于科学技术蓬勃发展的新时期，对仪器设备的要求更加强劲， 但是我国高档台式仪器如数字示波器、频谱分析仪、逻辑分析仪等还主要依赖进 口，这些仪器加工工艺复杂、对制造水平要求很高，生产突破有困难，而虚拟仪 器的出现，正好能适应当下中国发展的需要，以其自身的优点能更好的胜任普通 2基于u s b 数据采集的虚拟仪器的研究与设计 仪器的工作，而且极大地降低了仪器的成本，而示波器是电子产品的开发、生产、 调试和维修中最常用的电子测量仪器之一，除了用于观测信号波形，还能测量信 号的电压、电流、频率、相位差、失真度等，广泛地应用于工农业生产、科研、 军事、教育等各个领域中，其发展速度、销售数量都远远超过其它电子测量仪器， 因此对虚拟示波器的研究是非常有意义的。 根据示波器应用技术可以将其发展划分为四个阶段：第一代模拟实时示波器 a r t ( a n a l o gr e a lt i m e ) 、第二代数字存储示波器d s o ( d i g i t a ls t o r a g e o s c i l l o s c o p e s ) 、第三代数字荧光示波器d p o ( d i g i t a lp h o s p h o ro s c i l l o s c o p e s ) 和第 四代虚拟数字存储示波器v d s o ( v i r t u a ld i g i t a ls t o r a g eo s c i l l o s c o p e s ) ，它们各自 有不同的特点，适合于不同技术要求。 传统的a r t 示波器只能用于观察和分析重复的周期性信号，难以捕获并观察 一些慢速的或单次发生的信号；d s o 可以将被测信号进行模数转换、存储，再以 数字或模拟方式进行显示，主要用于观察、分析和测量重复信号、单次信号和单 次触发信号等。d s o 具有自动测量和波形存储功能，但在测量低频调制的高频信 号时，会出现混叠失真的现象【3 】；数字荧光示波器d p o 在示波器技术上有新的突 破，能够实时显示、存储和分析复杂信号，利用三维信息( 版幅、时间及多层辉 度，用不同的辉度显示幅度分量出现的频率) 充分展现信号的特征，尤其采用的 数字荧光技术，通过多层辉度或彩色能够长时间显示信号的变化情况。d p o 继承 d s o 的从数据存储到先进触发功能的诸多优点，同时也具有a r t 示波器的明暗显 示和实时特性，能以数字形式产生显示效果优于模拟示波器的亮度渐次变化的化 学荧光效果；而虚拟示波器是使用功能强大的微型计算机来完成信号的处理和波 形的显示，利用软件技术在屏幕上设计出方便、逼真的仪器面板，进行各种信号 的处理、加工和分析，用各种不同的方式( 如数据、图形、图表等) 表示测量结 果，完成各种规模的测量任务【4 1 。 目前国内虚拟示波器的产品，其与主机的通讯接口一般是基于p c i 总线、打印 机并口、或者是r s 2 3 2 串行总线，它们多具有实际使用上的不便与缺陷。p c i 总 线虽具有高的传输速度( 1 3 2 m b p s ) ，支持“即插即用”功能，但其缺点是插拔麻 烦，且扩展槽有限( 一般为5 6 个) 。在许多场合，需要外挂式采集系统。外挂式 采集系统往往使用p c 计算机的打印口传输数据，对实际传输速率的要求而言，打 印口的传输速率显得十分低，在数据传输上形成了严重的瓶颈，以往这类外挂式 系统多用于采集速率低的场合。r s 2 3 2 串行总线虽然连接简单，但其缺点是传输 速度慢( 6 6 k b p s ) ，且主机的串行口数目有限。 u s b 总线的出现解决了日益增加的p c 外设与有限的p c 插槽和端口之间的矛 盾，使所有的p c 外设都可以连接在统一的接口上。u s b2 0 规范支持高速传输模 式，数据的传输率达到4 8 0 m b p s ，远远满足对信号高速数据采集任务的要求，所 第一章绪论 以本课题将选择u s b 接口作为数据采集的传输通道。 1 3 1 虚拟仪器的概念及特点 1 3 虚拟仪器综述 所谓虚拟仪器( v k t u a li n s t r u m e n t s ，简称v i ) ，就是用户在通用计算机平台上， 根据需求定义和设计仪器的测试功能，使得使用者在操作这台计算机时，就像是 在操作一台他自己设计的测试仪器一样。虚拟仪器在测试系统和仪器设计中尽量 用软件代替硬件，充分利用计算机技术来实现和扩展传统测试系统与仪器的功能。 “软件就是仪器”是虚拟仪器概念最简单，也是最本质的表述1 5 j 。 传统的硬件化仪器一般技术更新慢，开发和维护费用高，可扩展性差，而虚 拟仪器最大的优点就是其具有很强的灵活性。另外虚拟仪器还具有以下特点： ( 1 ) 丰富和增强了传统仪器的功能。虚拟仪器将信号分析、显示、存储、打 印和其它管理集中交由计算机来处理，充分利用了计算机强大的数据处理、传输 和发布能力，使得组建系统变得更加灵活、简单。 ( 2 ) 仪器由用户自己定义。虚拟仪器通过提供给用户组建自己仪器的可重用 源代码库，可以很方便地修改仪器功能和面板，设计仪器的通信、定时和触发功 能，实现与外设、网络及其他应用的连接。 ( 3 ) 便于构成复杂的测试系统，经济性好。虚拟仪器既可以作为测试仪器独 立使用，又可以通过高速计算机网络构成复杂的分布式测试系统，进行远程测试、 监控与故障诊断。 1 3 2 虚拟仪器的组成 虚拟仪器的构成包括硬件和软件两个基本要素。虚拟仪器中硬件的主要功能 是获取真实的被测信号；而软件的作用是控制实现数据采集、分析、处理、显示 等功能，并将其集成为仪器操作与运行的命令环境。 硬件是虚拟仪器工作的基础，它的主要功能是完成对被测信号的采集、传输 和显示测量的结果。虚拟仪器的硬件可分为以计算机为核心的系统装置和以传感 器调理器、数据采集卡( a d 转换和数据存贮) 构成的外围装置，结构组成如图 1 1 。在使用虚拟仪器的计算机中，微处理器和总线是最重要的因素。微处理器和 总线技术的发展为提高虚拟仪器的处理能力提供了必要的支持。传感器则是用于 拾取被测对象的测试信号，经过信号调理传输给数据采集卡部分，没有高质量的 传感器和调理电路，测试仪器系统便失去了基础。而数据采集卡进行数据采集， 基于u s b 数据采集的虚拟仪器的研究与设计 并及时地把数据存放到r a m 中，计算机的微处理器就可以及时地访问这些数据。 数据采集卡技术极大的推动了虚拟仪器的发展，因为它把微处理器和总线技术的 进步直接演变为输入输出设备的改进和系统能力的提高。 1卜、 通信 总线 i 信号输入 = 。 传感器b = 令 信号 l 八 信号采样 调理 厂叫 信号生成 了e 信号采集前端 微处 数据采集功能模块 理器 图1 1 虚拟仪器硬件平台 软件是虚拟仪器的核心。它主要由硬件驱动程序、系统操作平台、应用编程 软件等组成，可完成所有的测试要求。目前较流行的虚拟仪器软件开发环境有两 类：一类是文本式编程语言，如：c 语言、v i s u a lc 抖、l a b w i n d o w s c v i 等；另 一类是图形化编程语言，具有代表性的如n i 公司的l a b v i e w 和h p 公司的v e e ( v i s u a le n g i n e e r i n ge n v i r o n m e n t ) 等。由于图形化编程语言具有编程简单、直观、 开发效率高等特点，受到了广大工程师的欢迎，一个在计算机语言方面没有很多 训练的工程师，也可在较短时间内掌握虚拟仪器开发的技术，并能应用到工程实 践中。 1 3 3 虚拟仪器的分类 虚拟仪器有多种分类方法，既可以按工作领域分，也可以按测量功能分，但 最常用的还是按照构成虚拟仪器的接口总线不同，如图1 2 所示。分为插卡式数据 采集卡( d a q ) 虚拟仪器、串行接口虚拟仪器、并行接口虚拟仪器、u s b 虚拟仪 器、g p i b 虚拟仪器、v x i 虚拟仪器、p x i 虚拟仪器、现场总线虚拟仪器等【6 1 。 第一章绪论 信号调理器h 数据采集卡 g p i b 仪器hg p i b 接口卡 测 串行接口仪器 控 传 计 对 感算 象 器 机 并行接口仪器 v x l 总线仪器 p x i 总线仪器 现场总线仪器 图1 2 虚拟仪器硬件系统装置 ( 1 ) 插卡式数据采集卡( d a q ) 虚拟仪器 它是信号调理电路、数据采集卡及p c 机为仪器硬件平台，采用p c i 或i s a 计 算机本身的总线，将d a q 直接插入p c 机的相应标准的总线扩展插槽即可，因此 这种虚拟仪器又叫p c d a q p c i 插卡式虚拟仪器。 ( 2 ) 串行接口虚拟仪器 串行接口虚拟仪器是由s e r h l 标准总线仪器及p c 机为仪器硬件平台，它包括 符合r s 2 3 2 脑4 2 2 标准的p l c 和单片机系统。 ( 3 ) 并行接口虚拟仪器 并行接口虚拟仪器把仪器硬件集成到一个采集盒内，完成各种测量测试仪器 的功能。它可以组成数字存储示波器、频谱分析仪、逻辑分析仪、任意波形发生 器、频率计、数字万用表、功率计、程控稳压电源、数据记录仪、数据采集器。 如美国l 烈k 公司的d s o 2 x x x 系列虚拟仪器。 ( 4 ) u s b 虚拟仪器 u s b 通用串行总线是被p c 机广泛采用的一种总线，它已被集成到计算机主 板。u s b 总线能连接1 2 7 个装置，需要一对信号线及电源线。u s b 2 0 标准的数据 传输率能达到4 8 0 m b p s 。该总线具有轻巧简便、价格便宜、连接方便快捷的特点， 现在已被广泛用于宽带数字摄像机、扫描仪、打印机及存储设备。基于u s b 总线， 6 基于u s b 数据采集的虚拟仪器的研究与设计 n i 公司推出了u s b 6 0 0 8 和u s b 6 0 0 9 等几款数据采集卡系列的虚拟仪器【7 1 。 ( 5 ) g p i b 虚拟仪器 g p i b ( g e n e r a lp u r p o s ei n t e r f a c eb u s ) 是一种国际通用的可编程仪器接口标准， 可用于可编程仪器装置之间的互连、仪器与计算机的接口，而且可广泛用作p c 机 与外设的接口。g p i b 总线即i e e e - 4 4 8 总线在测量仪器的自动化过程中起了重要 的作用，其前身是h p i b 总线，后来，i e c 对它给予承认，又称i e c i b 总线。g p i b 提供了l o 种接e l 功能，数据的最高速率可达1 m b y t e 以上，传输距离通常不超过 1 0 m ，连接设备最多不超过1 5 台。采用3 线通信联络( d a v 、n r f d 、n d a c ) 的 形式，保证信息准确可靠的传递【引。 ( 6 ) v x i 虚拟仪器 v x i ( v m eb u se x t e n s i o nf o ri n s t r u r m n t a t i o n ) 是v m e 总线在仪器领域的扩展， 它不仅继承了g p i b 、v m e 总线的优点，集测量、计算、通信于一体，还具有高 速、模块化的优点。与g p i b 仪器相比，v x i 模块没有前操作面板。因此，应用 v x i 总线组建测试系统必须编制虚拟的软前面板以完成对仪器系统的操作控制， 实现测试控制、数据分析、结果显示等功能，从而设计出各种操作方便的基于图 形用户界面( g u i ) 的集成测试系统。v x i 系统的组建和使用越来越方便，尤其是 组建大、中规模自动测量系统以及对速度、精度要求高的场合【9 1 。 ( 7 ) p x i 虚拟仪器 p x i ( p c ie x t e n s i o nf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) 是p c i 在仪器领域的发展，是n i 公司 于发布的一种新的开放性、模块化的仪器总线规范。p x i 总线方式是在p c i 总线内 核技术上增加了成熟的技术规范和要求形成的，增加了多板同步触发总线的参考 时钟，用于精确定时的星形触发总线，以使用于相邻模块的高速通讯的局部总线。 p x i 具有高度可扩展性，可扩展到2 5 6 个扩展槽。把台式p c 的性能价格比和p c i 总线面向仪器领域的扩展优势结合起来，将形成未来主流的虚拟仪器平台之- - 1 0 1 。 ( 8 ) 现场总线虚拟仪器 以f i e l db u s 标准总线仪器与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系 统。现场总线是一种工业数据总线，在智能现场设备、自动化系统之间提供了一 个全数字化的、双向的、多节点的通信链接，常用于构建测控网络。 无论哪种虚拟仪器，其构成都是将仪器硬件搭载到笔记本电脑、台式机或工 作站等各种计算机平台上再加上应用软件构成的。 1 3 4 虚拟仪器的研究现状及发展趋势 从虚拟仪器的概念提出至今，有关虚拟仪器技术的研究方兴未艾。研究人员 第一章绪论7 在虚拟仪器硬件接口、虚拟仪器软件及其设计方法方面做了许多有意义的研究工 作，并已开发了许多实用的虚拟仪器系统。美国的n i 公司在虚拟仪器的概念出现 以后，研制和推出了许多总线系统的虚拟仪器，成为这类新型仪器世界的第一生 产大户。此后，美国的h p 公司、t e k t r o n i x 公司、r a c a l 公司等也相继推出了许多 此类仪器，并在短短的1 0 余年便占有了世界仪器市场的1 0 左右。目前，虚拟仪 器在发达国家已经十分普及。在美国，虚拟仪器系统及其图形编程语言，已作为 各大学理工科学生的一门必修课程。据世界仪表及自动化杂志预测，2 l 世纪 初，世界虚拟仪器的生产厂家将超过千家。其品种将达到数千种，市场占有率将 达到5 0 左右。虚拟仪器将成为仪器发展的方向，并且有逐步取代传统硬件电子 仪器的趋势j 。 近年来，世界各国的虚拟仪器公司开发了不少虚拟仪器开发软件，以便使用 者利用这些仪器公司提供的开发软件组建自己的虚拟仪器或测试系统，并编制测 试软件，其中最早和最具影响力的是n i 公司的l a b v i e w 和l a b w i n d o w s c v l 开 发软件。l a b v i e w 采用图形化编程方案，是非常实用的开发软件。l a b w i n d o w s c v i 是为熟悉c 语言的开发人员准备的，使用w i n d o w s 环境下的标准a n s i c 开发环 境。除了上述的开发软件之外，美国l i p 公司的h p v e e 和h p t i g 平台软件，美 国t e k t r o n i x 公司的e z - t e s t 和t e k - t n s 软件，以及美国h e md a t a 公司的 s n a p m a s t e r 平台软件，也是国际上公认的优秀虚拟仪器开发平台软件。 作为仪器领域中最新兴的技术，虚拟仪器的开发和研究在国内尚属起步阶段。 从2 0 世纪9 0 年代中期以来，国内的清华大学、重庆大学、西安交大以及东方震 动和噪声技术研究所等高校和公司，在研究和开发虚拟仪器产品和虚拟设计平台 以及消化吸收n i 等产品方面作了大量工作，其成果己在汽车发动机检测、自动计 量控制系统等方面得到应用。其中，比较显著的是重庆大学测试中心所研究的虚 拟仪器，其产品包括示波器、f f t 分析仪、噪声测试分析仪、多通道数据采集器 等2 0 多个品种，并且可根据客户需求进行个性化设计。国内部分院校的实验室也 引入了虚拟仪器系统，其中包括上海复旦大学、上海交通大学、华中科技大学、 四川联合大学等。近年来这些学校在原有的基础上，又开发了一批新的虚拟仪器 系统用于教学和科研，其中华中科技大学机械学院所开发出的i n v e n t o r 可重构虚拟 实验台、深圳蓝津信息技术有限公司开发出的d r v i 快速可重组虚拟仪器平台等， 都可广泛用于实验室、工程测控等场合。中国农业大学的研究人员利用虚拟仪器 开发平台开发了用于精密播种机性能检测的实验室自动化系统。山东大学医学院 基于虚拟仪器技术研究了胸双极立体心电图及其三维可视【1 2 】。国内专家预测未来 的几年内我国将有5 0 的仪器为虚拟仪器，国内将有大批企业使用虚拟仪器系统 对生产设备的运行状况进行实时监测【1 3 】。 随着微型计算机的发展，虚拟仪器将会逐步取代传统的测试仪器而成为测试 基于u 5 1 3 数据采集的虚拟仪器的研究与设计 仪器的主流。未来虚拟仪器将会在以下几个方面取得较快的发展： ( 1 ) 开放式数据采集标准将使虚拟仪器走上标准化、通用化、系列化和模块 化的道路。通用虚拟仪器i v i 技术，将建立标准设备驱动程序，使得用户在测试过 程中不需要更改软件程序就可以替换设备1 1 4 - 。 ( 2 ) 高性能数字信号处理芯片将加速虚拟仪器的发展。大规模可编程逻辑器 件和数字信号处理器技术的快速发展，加上芯片成本的不断降低，不仅可以提高 信号采集和处理的速度，也将缩短虚拟仪器系统的开发时间、提高系统的扩展性。 例如，美国x i n l i n x 公司的现场可编程逻辑器件( f p g a ) ，将现代v l s i 逻辑集成 的优点和可编程器件设计灵活、制作及上市快速的长处相结合，使设计者在现场 直接根据系统要求定义和修改逻辑功能。总之，高性能数字信号处理芯片必将加 速其在虚拟仪器系统的应用t 1 5 】。 ( 3 ) 智能化、网络化软件开发平台为虚拟仪器技术带来质的飞跃。虚拟仪器 的发展方向是各种标准仪器的互连及与计算机的连接，未来的仪器也应当是网络 化的。虚拟仪器技术将p c 技术及以太网络相结合，利用实时控制与嵌入式控制器 技术革新，促进测量和自动化技术的发展。虚拟仪器技术可利用以太网络的功能， 将来自测量或控制设备中的资料直接传送到w e b 网页上。使用虚拟仪器技术，可 以使用以太网络的强大功能远程控制仪器设备，或是与远在其他办公地点甚至其 它国家的同事合作处理一个项目。由于虚拟仪器本身是以计算机为平台，具有方 便、灵活的互联能力，随着通信技术、总线技术和网络技术的发展与应用，虚拟 仪器将会向网络方向发展，网络化虚拟仪器的出现是一种必然【1 6 1 r 7 1 。 1 4 本论文结构安排 本文主要工作是设计一个基于u s b 2 0 接口的虚拟示波器，相当于一个高速数 据采集系统再加上实现传统示波器的一些基本功能，并且采用u s b 2 0 接口传输数 据给微型计算机来显示和处理波形，构成一个简单的虚拟数字存储示波器。内容 包括硬件电路的设计和上位机编程，硬件电路主要是指带u s b 接口的数据采集板。 采集板设计了前端信号调理、a d 转换和u s b 通讯接口等。上位机程序采用n i 公司的可视化图形编程软件l a b v i e w 进行编写，包括虚拟示波器的显示界面和各 模块功能实现。 本文的主要内容安排如下： 第一章，介绍了课题研究的背景、目的及意义。简单介绍了虚拟仪器的概念 特点及其分类，对国内外的研究现状进行了总结并对未来虚拟仪器的可能的发展 趋势做了预测。 第二章，对u s b 数据采集相关技术进行了研究，包括数据采集系统的关键技 第一章绪论 9 术介绍和u s b 总线的一些概念，为后续软硬件设计工作奠定基础。 第三章，介绍了虚拟数字示波器的硬件系统方案设计。包括数据采集系统的 芯片选用和电路板设计。数据采集电路的设计包括：前端信号调理、a d 模数转换 和u s b 通信接口等。 第四章，详述了虚拟数字示波器的软件系统方案设计。包括c y 7 c 6 8 0 1 3 固件 程序、u s b 设备驱动程序的编写和上位机虚拟面板编程。 第五章，总结了本文的工作内容和不足之处。 第二章u s b 数据采集相关技术简介 第二章u s b 数据采集相关技术简介 2 1 数据采集技术概述 2 1 1 数据采集系统的概念及组成 数据采集就是将被测对象的各种参量通过相应传感元件做适当转换后，再经 信号调理、采样、量化、编码、传输等步骤，最后进到计算机进行数据处理或存 储记录的过程【18 1 。用于数据采集的成套设备称为数据采集系统( d a t aa c q u i s i t i o n s y s t e m ，d a s ) ，其构成单元如图2 1 所示。 图2 1 数据采集原理框图 传感器的作用是把非电量转变成电量( 如电压、电流或频率) ，如热电阻可以 把温度转换成电压；滤波器用来滤除干扰信号和不满足采样条件的信号，提取代 表被测量物理量的有效信号，提高模拟输入信号的信噪比；放大器的作用是将待 采样的信号放大( 或衰减) 至采样环节的量程范围内；在数据采集系统中，往往 要对多个物理量进行测量，即所谓多路巡回检测，这可通过多路模拟开关来实现， 多路开关将各路被测信号轮流切换到信号调理和数据采集模块，实现多路信号的 采集。多路模拟开关之后是模拟通道的转换部分，它包括采样保持和a d 转换电 路。采样保持器在时钟信号作用下，锁存某一瞬时的电压值并保持信号幅值不变 直到下一个时钟信号，通过采样保持可以提高a d 转换器的精度。采样保持输出 的信号送至a d 转换器，完成信号幅值的量化，即将输入的模拟量转化为数字量 输出。 2 1 2 数据采集系统的主要性能t a 了日v - , 标 数据采集系统的性能指标和具体应用目的与应用环境密切相关，以下给出的 1 2 基于u s b 数据采集的虚拟仪器的研究与设计 是比较主要和常用的几个指标。 ( 1 ) 系统分辨率 系统分辨率是指数据采集系统可以分辨的输入信号最小变化量。通常用最低 有效位( l s b ) 占系统满度信号的百分比表示，或用系统可分辨的实际电压数值来 表示，有时也用满度信号可以分的级数来表示。 ( 2 ) 系统精度 系统精度是指当系统工作在额定采样速率下，每个离散子样的转换精度。模 数转换器的精度是系统精度的极限值。实际的情况是，系统精度往往达不到模数 转换器的精度。这是因为系统精度取决于系统的各个环节( 部件) 的精度，如前 置放大器、滤波器、多路模拟开关等等，只有这些部件的精度都明显优于a d 转 换器精度时，系统精度才能达到a d 的精度。 ( 3 ) 采样速率 采样速率又称为系统通过速率、吞吐率和采样频率，是指在满足系统精度指 标的前提下，系统对输入模拟信号在单位时间内所完成的采集次数，或者说是系 统每个通道、每秒钟可采集的子样数目。 ( 4 ) 动态范围 动态范围是指某个物理量的变化范围。信号的动态范围是指信号的最大幅值 和最小幅值之比的分贝数。数据采集系统的动态范围通常定义为所允许输入的最 大幅值与最小幅值之比的分贝数。即： 矿 l = 2 0 l g 二丝 ( 2 1 ) 一圪砌 式中最大允许幅值是指使数据采集系统的放大器发生饱的最小输入幅值。最 小允许输入值一般用等效输入噪声电平来代替。 ( 5 ) 非线性失真 非线性失真也称谐波失真。当给系统输入一个频率为厂的正弦波时，其输出中 出现很多频率k f ( 七为正整数) 的新的频率分量的现象，称为非线性失真。 谐波失真系数用来衡量系统产生非线性失真的程度。它通常用下式表示： h = 1 0 0 ( 2 - 2 ) 式中：彳l 基波振幅； 彳七第k ( 七 1 ) 次谐波( 频率为的振幅。 第二章u s b 数据采集相关技术简介 2 1 3 数据采集系统设计关键技术 数据采集系统( d a s ) 的设计都是基于某一种总线进行的，因此，总线的标 准和规范将对所设计的仪器系统的性能，包括结构上的先进性、可靠性、兼容性、 互换标准件及扩充与升级等方面起到关键作用。总体上，d a s 系统设计包括软件 设计和硬件设计两大部分。 软件设计涉及到操作系统、编程语言、用户接口和编程技术等。由于d a s 可 以最大限度地利用微机现有的软件资源，使得软件设计可以在已有的软件资源基 础上，重点设计专用的仪器软件，而这部分的软件设计又是千变万化，可能用到 图形软件设计技术、数字信号处理( d s p ) 技术、软件接口与混合编程技术等。 硬件设计包括与总线的接口方式、a d 与d a 转换电路、多路开关、高速缓 存、高稳定时钟、高质量电源、高阻抗低噪声低漂移运算放大器、滤波电路、d s p 器件、控制电路与辅助电源等。下面仅就d a s 系统硬件设计的关键技术进行简要 介绍。 ( 1 ) 总线扩展与接口技术 d a s 离不开总线，如p c i ，i s a ，u s b ，1 3 9 4 等。基于某一种总线进行d a s 设计，都需要总线接口。当扩展插槽不够用时，还需要进行总线的驱动扩展，以 增强其负载能力。总线的驱动技术包括单向驱动、双向驱动及三态隔离驱动等技 术。总线的接口技术主要包括端口地址译码与分配技术、通过总线进行数据传输 技术等。通常的数据传送方式有同步传送、查询、中断、d m a 传送等，视数据传 送速率要求以及接口实现的难易程度而定。 ( 2 ) a d 和d a 转换技术 a d 是将模拟量转换为数字量的专用电路，几乎所有的d a s 都要用到a d ， 因此它是一种非常重要的电路，a d 转换电路可以用分立元件实现，但更常用专 门的a d 芯片来完成。目前采用的a d 芯片有8 位、1 0 位、1 2 位、1 4 位、1 6 位 及2 4 位精度不等。d a 是将数字信号转换成模拟信号的专用电路，用以控制外部 设备。通常用a d 和d a _ 起构成测控仪器的核心，在许多商用的数据采集卡上 往往同时包含d 和d a 功能。 ( 3 ) 多路开关和滤波放大技术 高质量的多路开关主要用来实现自动调档和通道切换，因此要求寄生电容小， 通道间的隔离效果好( 通道间串扰小) 。滤波放大电路是模拟信号调理的主要电路， 如5 0 h z 陷波、低通滤波、高通滤波和限带( 带通、带阻) 滤波等。无论是高阻抗 低噪声低漂移放大，还是滤波电路都是仪器设计中的关键电路，直接影响仪器的 精度，而这些电路又是各种仪器都需要采用的电路。 1 4 基于u s b 数据采集的虚拟仪器的研究与设计 ( 4 ) 高速缓存电路 高速缓存电路主要用于存储a d 转换器转换后的结果，以增强d a s 本身的实 际采样能力。一般来说，多通道高速信息采集的场合均需采用高速缓存技术。 ( 5 ) 实时采样和等效采样技术 实时采样技术是指在某一时间内所采集的一组数据与该时间内的一连续的物 理量在相应时刻点的量值是一一对应的：而等效采样技术则是指在一个连续的物 理量的若干周期内采集若干点的量值，并以组合数据的方式还原波形，以反映某 一周期信号的某些周期性特征。显然，等效采样技术获取的一组数据所还原的合 成周期波，并非与实际波形在一个周期内各对应时刻的量值一一对应。等效采样 技术主要是用较低的采样率来获取较高频率的周期波，只对周期函数有效。对于 高频的单脉冲信号，用等效采样技术是捕捉不到的。 ( 6 ) 可编程逻辑器件与逻辑控制电路 逻辑控制电路完成d a s 的硬件与软件的协调工作，主要由译码器与逻辑控制 电路构成。一个好的逻辑控制电路应该有体积小、组态灵活以及安全的功能。目 前市场上比较流行的f p g a 以及c p l d 都是比较理想的器件，用这些功能可灵活 组合的器件实现数据采集系统的逻辑控制电路是较佳的选择。 2 2 1u s b 总线介绍 2 2 通用串行总线u s b 概述 u s b 的全称为u n i v e r s a ls e r i a lb u s ( 通用串行总线) ，是1 9 9 4 年底由i b m 、i n t e l 、 c o m p a q 、d e c 、m i c r o s o i t 、n e c 和n o r t h t e l e c o m 共同开发的p c 外设接口标准， 由于其具有使用方便及成本低廉等优点，迅速得到业界强力支持，目前已经成为 主流的总线标准【1 9 】。 u s b 最初推出的是1 x 版本，其总线传输速度较低，为1 2 m b p s 。2 0 0 0 年4 月 由上述七家公司发布的u s b2 0 协议把u s b 的传输速率提高了4 0 倍，即达到 4 8 0 m b p s ，在保持u s b1 1 优点前提下，保证了向下兼容性，可以完全支持各种 u s b1 x 的产品。u s b2 0 满足了高端应用对总线的带宽需求，从2 0 0 2 年下半年起， 支持u s b2 0 协议的设备开始大规模出现。使得u s b 在高速数据采集方面大有用 武之地，使得工程人员在设计高速采集系统时，不得不青睐于u s b 接口。通用串 行总线的出现，很容易就能实现低成本、高可靠性。采用u s b2 0 协议接口有以 下主要优点： ( 1 ) 速度快。u s b 有高速、全速和低速三种方式，高速4 8 0 m b p s ，全速1 2 m b p s ， 低速为1 5 m b p s 。 第二章u s b 数据采集相关技术简介 ( 2 ) 设备安装和配置容易。所有u s b 设备支持热拔插，系统对其进行自动 配置，彻底抛弃了过去的跳线和拨码开关设置。 ( 3 ) 易于扩展。通过使用h u b 扩展可接多达1 2 7 个外设。标准u s b 电缆长 度为3 米( 5 米低速) ，通过h u b 或中继器可以使外设距离达到3 0 米。 ( 4 ) 能够采用总线供电。u s b 总线提供最大达5 v 电压、5 0 0 m a 电流。 ( 5 ) 使用灵活。u s b 共有4 种传输模式：控制传输( c o n t r 0 1 ) 、同步传输 ( s y n c h r o n i z a t i o n ) 、中断传输( i n t e r r u p t ) 、块传输( b u ( ) ，以适应不同设备的需 要【2 0 1 。 2 2 2u s b 系统功能结构 如图2 2 所示，u s b 系统可分为u s b 主机和u s b 设备，而按层次来划分，整 个u s b 系统又可分为u s b 总线接口层、u s b 设备层和功能层。 主机互联u s b 设备 功能层 u s b 设备层 u s b 总线接口层 图2 2u s b 系统功能结构图 u s b 主机 u s b 主机分成三个功能模块：客户软件、u s b 系统软件以及u s b 总线接口 2 1 j 。 ( 1 ) 客户软件：负责和u s b 设备的功能单元进行通信，以实现其特定功能。 它包括u s b 设备驱动程序和界面应用程序两个部分。 ( 2 ) u s b 系统软件：负责和u s b 逻辑设备进行配置通信，并管理客户软件 启动的数据传输。它一般包括u s b 总线驱动程序、u s b 主控制器驱动程序和非 u s b 主机软件三个部分，这些软件通常由操作系统提供。 ( 3 ) u s b 总线接口：包括主控制器和根集线器两个部分。主控制器负责主机 和u s b 设备之间数据的实际传输，根集线器为u s b 系统提供连接起点。 1 6基于u s b 数据采集的虚拟仪器的研究与设计 u s b 设备 u s b 设备由三个功能模块组成：u s b 总线接口、u s b 逻辑设备以及功能单元。 u s b 总线接口是u s b 设备中的串行接口引擎( s i d ；u s b 逻辑设备被u s b 系统软 件看作一个端点的集合；功能单元被客户软件看作是一个接口的集合。设备构架 认为u s b 设备是由一些配置、接口和端点组成的，即一个u s b 设备可以含有一个 或多个配置，在每个配置中可含有一个或多个接口，在每个接口中可含有若干个 端点。u s b 设备使用各种描述符来说明其设备构架，包括设备描述符、配置描述 符、接口描述符、端点描述符以及字符串描述符，这些都被保存在u s b 接口芯片 的固件中。 u s b 功能层 功能层负责实现u s b 设备的特定功能。该层不理解u s b 的串行传输机制，而 只是知道应和u s b 设备传输哪些数据，它由主机方的客户软件和设备方的功能单 元组成。 ( 1 ) 客户软件和功能单元问的关系客户软件仅仅对u s b 设备的接口感 兴趣，且只需与功能单元进行通信，实际上客户软件不能直接访问功能单元，它 需要调用u s b 系统软件与u s b 设备进行通信。 ( 2 ) 传输类型根据实际所需，客户软件和u s b 设备的功能单元进行通 信时可采用四个传输类型：块传输、中断传输、同步传输和控制传输。 u s b 设备层 u s b 设备层用来实现主机和u s b 设备问的配置通信。该层理解u s b 通信机 制和功能层所要求的传输特性，它由主机方的u s b 系统软件和设备方的u s b 逻辑 设备组成。 ( 1 ) u s b 逻辑总线拓扑结构 u s b 设备是以层次星型的总线拓扑结构来连接的，但从主机看来，每个与其 连接的u s b 逻辑设备的通信就像它们直接连接在根集线器上一样。它们之间通常 不需要功能层的干预，但实际的数据传输仍是由u s b 总线接口层来完成的。 ( 2 ) 配置通信 配置通信发生在u s b 设备的连接或断开时，由u s b 逻辑设备层完成。主机会 周期性的查询集线器，以检测其下行端口上是否有u s b 设备的连接或断开。 u s b 设备的连接 当u s b 设备连接至集线器的下行端口时，主机很快就会发现并首先使用缺省 地址和缺省控制管道来访问它，以得到该设备的配置信息；然后主机会为这个设 备分配设备地址；最后主机会向相关的客户软件发出通知，让它们来进一步配置。 u s b 设备的断开 当从集线器的下行端口断开一个u s b 设备，集线器马上禁止该端口并向主机 第二章u s b 数据采集相关技术简介 发出通知。u s b 系统软件和相关的客