簡易虛擬示波器

麻旭東　邵水忠　田英

摘 要：簡易虛擬示波器可以將用戶轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)與其相連接，并使數(shù)據(jù)還原。保證在數(shù)據(jù)正確的前提下提升了系統(tǒng)的便攜性，且轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)不需要經(jīng)過8051內(nèi)核，極大地提高了傳輸速度，減少了設(shè)計的復(fù)雜性。探討了簡易虛擬示波器的總體設(shè)計思想和相應(yīng)的軟、硬件設(shè)計。

關(guān)鍵詞：簡易虛擬示波器；VB；電路設(shè)計；數(shù)據(jù)采集

中圖分類號：TM935.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）13-0002-02

本文主要研究通過采樣保持和A/D轉(zhuǎn)換電路時對模擬信號進(jìn)行采集，并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再通過USB接口把轉(zhuǎn)換、處理后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C(jī)上，并利用已經(jīng)在計算機(jī)上完成的簡易虛擬示波器將采集轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)處理、還原。

1 總體設(shè)計

擬采用的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的硬件構(gòu)成為：保持電路、ADC、USB控制芯片CY7C68013和USB接口，如圖1所示。

USB 主從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的層次關(guān)系如圖2所示。

2 硬件設(shè)計

2.1 硬件電路的設(shè)計

硬件電路主要是由模擬—數(shù)字轉(zhuǎn)換部分、USB接口控制電路、USB接口部分、芯片電源轉(zhuǎn)換部分組成。各部分的設(shè)計采用如下芯片：接口芯片采用Cypress公司的CY7C68013芯片；模擬—數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片采用MAXIM公司的MAX153；采用TEXAS INSTRUMENTS 公司的70351為CY7C68013供電，采用ATMEL公司的24C64作為CY7C68013的掉電程序保護(hù)芯片。

本設(shè)計中USB與主機(jī)間的數(shù)據(jù)傳輸采用的是批量傳輸。CY7C68013采用的是GPIF主控模式。編程是根據(jù)需要進(jìn)行的，不需要CPU的干預(yù)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

由于GPIF的運算速度比FIFO快得多，因此，其時序信號具有較高的編程分辨率。因為CY68013芯片是一個以“軟件”為主的架構(gòu)，其中的 8051 程序代碼與數(shù)據(jù)存放在內(nèi)部的 RAM 中，且主機(jī)可通過 USB 總線加載程序代碼和數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)的設(shè)計采用通過串行I2C總線外接EEPROM.

2.2 固件設(shè)計

2.2.1 端點的配置

用戶開發(fā)的固件是用于滿足用戶實現(xiàn)設(shè)備間數(shù)據(jù)通信的要求。對于該系統(tǒng)來說，設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸主要是讀寫FX2外設(shè)的寄存器和FIFO。在主機(jī)開始對FX2外設(shè)的寄存器或FIFO讀寫之前，需要對系統(tǒng)做初始化的設(shè)置，以滿足設(shè)計要求，這部分工作在工作分配器中的TD-Init（）函數(shù)中實現(xiàn)。

在本設(shè)計中，設(shè)置大端點EP6為IN端點，傳輸類型為批量傳輸，雙緩沖；每個緩沖的大小為512 B，這樣的設(shè)置充分利用了4 kB的FIFO空間。多緩存的結(jié)構(gòu)在雙方讀寫速度相似時，能有效地改善帶寬、平滑帶寬抖動，減少雙方互相等待的時間。

2.2.2 固件的固化

在固件和硬件聯(lián)合調(diào)試初期，為了便于固件的修改，可利用面板中的“下載文件”將編譯好的HEX文件下載到芯片上的RAM中進(jìn)行調(diào)試，同時將硬件I2C的總線掛接在EEPROM 上的開關(guān)處，且開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)。在設(shè)計后期，當(dāng)整個固件都滿足要求時，將固件固化在 EEPROM 中。

2.2.3 系統(tǒng)調(diào)試

在硬件調(diào)試中，主要是用示波器測試68013芯片的 信號、 信號和轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)輸出D0—D7，如果低4位沒有數(shù)據(jù)輸出，可能是MODE引腳沒有接到高電平上，需要檢查、調(diào)試后再檢查信號的輸出狀況。

3 軟件設(shè)計

軟件部分采用的是VB，實現(xiàn)了虛擬示波器的部分基本功能，具體包括以下兩個方面：①根據(jù)設(shè)計需要做出窗體上的控件；②再根據(jù)所設(shè)計的控件編寫程序。

整個過程的設(shè)計主要是根據(jù)數(shù)據(jù)的傳輸、寄存、調(diào)用的過程來實現(xiàn)的，以此為出發(fā)點設(shè)計了VB的窗體窗口以及它上面的控件。具體如圖5所示。

圖5中主要包括了打開設(shè)備、關(guān)閉設(shè)備，讀取數(shù)據(jù)、保存數(shù)據(jù)，顯示波形、打開波形文件，電壓放大、縮小，時間的壓縮、拉伸等。

在設(shè)計過程中，要注意數(shù)據(jù)通過USB接口傳輸?shù)接嬎銠C(jī)中時，VB要與這部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行鏈接就必須設(shè)置一個緩沖區(qū)，這樣才能夠利用傳輸?shù)轿C(jī)中的數(shù)據(jù)。

本課題所設(shè)計的虛擬示波器的內(nèi)部執(zhí)行過程為：當(dāng)外部硬件連接到USB接口上時，虛擬示波器的軟件部分會做出相應(yīng)動作，當(dāng)軟件已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了接入的設(shè)備后，即可運行軟件，打開設(shè)備。點擊“顯示波形”后，系統(tǒng)會根據(jù)條件S=1或P=1來判斷下一步所要調(diào)用的程序，以完成相應(yīng)動作?？梢赃x擇出發(fā)方式時，實際上已經(jīng)設(shè)定了出發(fā)條件，所以，簡易虛擬示波器會根據(jù)不同條件，在顯示窗口顯示不同時刻的波形。同時，還可以根據(jù)需要點擊“放大”“縮小”“壓縮”“拉伸”來改變每一格所代表的電壓和時間的大小。在運行后，可以直接點擊“打開波形”打開計算機(jī)中已經(jīng)生成的EXE文件。

在軟件運行的過程中，最主要的程序執(zhí)行過程就是實現(xiàn)畫圖過程和畫坐標(biāo)過程，因為這兩個過程可謂復(fù)雜，畫的時候考慮幅值的大小等問題。畫圖過程和畫坐標(biāo)過程的簡易流程如圖6和圖7所示。

4 結(jié)束語

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和虛擬示波器的設(shè)計在FX2與MAX153之間采用了GPIF主模式的通信方式，并通過端點6配置了FIFO的傳輸方式——塊傳輸，使4 kB的FIFO的內(nèi)存設(shè)計變成了4個2級512 B內(nèi)存的緩沖，符合數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換傳輸過程中數(shù)據(jù)高速率傳輸?shù)囊?，而GPIF的控制時鐘選擇的是默認(rèn)時鐘48 MHz。另一個顯著的特點是，對于MAX153的電壓范圍選擇端，本設(shè)計采用REF02，它是一個基準(zhǔn)，這樣在輸入有所變化的時候，使輸出變化非常?。▽嶋H中）或沒有變化（理論上），這樣就保證了芯片的正常工作。

參考文獻(xiàn)

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[14]周凡.基于USB接口技術(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].攀枝花學(xué)院學(xué)報，2005（2）.

〔編輯：張思楠〕

Abstract： Data simple virtual oscilloscope users can be converted connected thereto and data reduction. To ensure that the data in the correct premise to enhance the portability of the system， and the converted data is not required after 8051， greatly improves transfer speeds， reducing design complexity. The design concepts of the virtual oscillograph are discussed and the corresponding hardware and software design.

Key words： simple virtual oscilloscope； VB； circuit design； data acquisition

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〔編輯：張思楠〕

Abstract： Data simple virtual oscilloscope users can be converted connected thereto and data reduction. To ensure that the data in the correct premise to enhance the portability of the system， and the converted data is not required after 8051， greatly improves transfer speeds， reducing design complexity. The design concepts of the virtual oscillograph are discussed and the corresponding hardware and software design.

Key words： simple virtual oscilloscope； VB； circuit design； data acquisition

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〔編輯：張思楠〕

Abstract： Data simple virtual oscilloscope users can be converted connected thereto and data reduction. To ensure that the data in the correct premise to enhance the portability of the system， and the converted data is not required after 8051， greatly improves transfer speeds， reducing design complexity. The design concepts of the virtual oscillograph are discussed and the corresponding hardware and software design.

Key words： simple virtual oscilloscope； VB； circuit design； data acquisition