麻旭東　邵水忠　田英

摘 要：簡(jiǎn)易虛擬示波器可以將用戶(hù)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(guò)8051內(nèi)核，極大地提高了傳輸速度，減少了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。探討了簡(jiǎn)易虛擬示波器的總體設(shè)計(jì)思想和相應(yīng)的軟、硬件設(shè)計(jì)。

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

中圖分類(lèi)號(hào)：TM935.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-6835（2014）13-0002-02

本文主要研究通過(guò)采樣保持和A/D轉(zhuǎn)換電路時(shí)對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采集，并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再通過(guò)USB接口把轉(zhuǎn)換、處理后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上，并利用已經(jīng)在計(jì)算機(jī)上完成的簡(jiǎn)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(jì)

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(jì)

2.1 硬件電路的設(shè)計(jì)

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(jì)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(jì)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(yùn)算速度比FIFO快得多，因此，其時(shí)序信號(hào)具有較高的編程分辨率。因?yàn)镃Y68013芯片是一個(gè)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(guò) USB 總線(xiàn)加載程序代碼和數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用通過(guò)串行I2C總線(xiàn)外接EEPROM.

2.2 固件設(shè)計(jì)

2.2.1 端點(diǎn)的配置

用戶(hù)開(kāi)發(fā)的固件是用于滿(mǎn)足用戶(hù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備間數(shù)據(jù)通信的要求。對(duì)于該系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸主要是讀寫(xiě)FX2外設(shè)的寄存器和FIFO。在主機(jī)開(kāi)始對(duì)FX2外設(shè)的寄存器或FIFO讀寫(xiě)之前，需要對(duì)系統(tǒng)做初始化的設(shè)置，以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，這部分工作在工作分配器中的TD-Init（）函數(shù)中實(shí)現(xiàn)。

在本設(shè)計(jì)中，設(shè)置大端點(diǎn)EP6為IN端點(diǎn)，傳輸類(lèi)型為批量傳輸，雙緩沖；每個(gè)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(xiě)速度相似時(shí)，能有效地改善帶寬、平滑帶寬抖動(dòng)，減少雙方互相等待的時(shí)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(shí)將硬件I2C的總線(xiàn)掛接在EEPROM 上的開(kāi)關(guān)處，且開(kāi)關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)。在設(shè)計(jì)后期，當(dāng)整個(gè)固件都滿(mǎn)足要求時(shí)，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(cè)試68013芯片的 信號(hào)、 信號(hào)和轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)輸出D0—D7，如果低4位沒(méi)有數(shù)據(jù)輸出，可能是MODE引腳沒(méi)有接到高電平上，需要檢查、調(diào)試后再檢查信號(hào)的輸出狀況。

3 軟件設(shè)計(jì)

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

整個(gè)過(guò)程的設(shè)計(jì)主要是根據(jù)數(shù)據(jù)的傳輸、寄存、調(diào)用的過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)的，以此為出發(fā)點(diǎn)設(shè)計(jì)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(kāi)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(kāi)波形文件，電壓放大、縮小，時(shí)間的壓縮、拉伸等。

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，要注意數(shù)據(jù)通過(guò)USB接口傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中時(shí)，VB要與這部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行鏈接就必須設(shè)置一個(gè)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(jì)的虛擬示波器的內(nèi)部執(zhí)行過(guò)程為：當(dāng)外部硬件連接到USB接口上時(shí)，虛擬示波器的軟件部分會(huì)做出相應(yīng)動(dòng)作，當(dāng)軟件已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了接入的設(shè)備后，即可運(yùn)行軟件，打開(kāi)設(shè)備。點(diǎn)擊“顯示波形”后，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)條件S=1或P=1來(lái)判斷下一步所要調(diào)用的程序，以完成相應(yīng)動(dòng)作?？梢赃x擇出發(fā)方式時(shí)，實(shí)際上已經(jīng)設(shè)定了出發(fā)條件，所以，簡(jiǎn)易虛擬示波器會(huì)根據(jù)不同條件，在顯示窗口顯示不同時(shí)刻的波形。同時(shí)，還可以根據(jù)需要點(diǎn)擊“放大”“縮小”“壓縮”“拉伸”來(lái)改變每一格所代表的電壓和時(shí)間的大小。在運(yùn)行后，可以直接點(diǎn)擊“打開(kāi)波形”打開(kāi)計(jì)算機(jī)中已經(jīng)生成的EXE文件。

在軟件運(yùn)行的過(guò)程中，最主要的程序執(zhí)行過(guò)程就是實(shí)現(xiàn)畫(huà)圖過(guò)程和畫(huà)坐標(biāo)過(guò)程，因?yàn)檫@兩個(gè)過(guò)程可謂復(fù)雜，畫(huà)的時(shí)候考慮幅值的大小等問(wèn)題。畫(huà)圖過(guò)程和畫(huà)坐標(biāo)過(guò)程的簡(jiǎn)易流程如圖6和圖7所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和虛擬示波器的設(shè)計(jì)在FX2與MAX153之間采用了GPIF主模式的通信方式，并通過(guò)端點(diǎn)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(jì)變成了4個(gè)2級(jí)512 B內(nèi)存的緩沖，符合數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換傳輸過(guò)程中數(shù)據(jù)高速率傳輸?shù)囊?，而GPIF的控制時(shí)鐘選擇的是默認(rèn)時(shí)鐘48 MHz。另一個(gè)顯著的特點(diǎn)是，對(duì)于MAX153的電壓范圍選擇端，本設(shè)計(jì)采用REF02，它是一個(gè)基準(zhǔn)，這樣在輸入有所變化的時(shí)候，使輸出變化非常?。▽?shí)際中）或沒(méi)有變化（理論上），這樣就保證了芯片的正常工作。

參考文獻(xiàn)

[1]閻石.數(shù)-模和模-數(shù)轉(zhuǎn)換[J].數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)，2003，12（13）.

[2]趙新民，王祁.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].智能儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，2004，9（5）.

[3]王遠(yuǎn)，劉躍敏，成立，等.放大電路的頻率響應(yīng)[J].模擬電子技術(shù)，2003，7（2）.

[4]孫涵芳，徐愛(ài)卿.串行接口[J].單片機(jī)原理及應(yīng)用，1996，4（1）.

[5]劉紹漢，林灶生，劉新民.集成電路設(shè)計(jì)的發(fā)展[J].VHDL芯片設(shè)計(jì)，2004，11（1）.

[6]王永山，楊宏五，楊嬋娟. 輸入輸出接口. 微型計(jì)算機(jī)原理與應(yīng)用，2001，9（2）.

[7]倪養(yǎng)華.數(shù)字信號(hào)處理的理論基礎(chǔ)[J].DSP技術(shù)及其應(yīng)用講座，1997，11（11）.

[8]梁天明，耿相銘，陳鍵.多通道串行A/D轉(zhuǎn)換器與TIDSPS的接口實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)，2002（5）.

[9]吳德會(huì)，石俊.基于USB接口的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2005（12）.

[10]唐袆玲.USB接口在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].科技廣場(chǎng)，2005（12）.

[11]廖文杰.一種USB接口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化博覽，2005（6）.

[12]郭爽.基于USB接口的虛擬儀器設(shè)[J].計(jì)儀表技術(shù)，2005（6）.

[13]吳德會(huì).基于USB接口技術(shù)的無(wú)線(xiàn)通信設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2005（13）.

[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(bào)，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

[2]趙新民，王祁.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].智能儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，2004，9（5）.

[3]王遠(yuǎn)，劉躍敏，成立，等.放大電路的頻率響應(yīng)[J].模擬電子技術(shù)，2003，7（2）.

[4]孫涵芳，徐愛(ài)卿.串行接口[J].單片機(jī)原理及應(yīng)用，1996，4（1）.

[5]劉紹漢，林灶生，劉新民.集成電路設(shè)計(jì)的發(fā)展[J].VHDL芯片設(shè)計(jì)，2004，11（1）.

[6]王永山，楊宏五，楊嬋娟. 輸入輸出接口. 微型計(jì)算機(jī)原理與應(yīng)用，2001，9（2）.

[7]倪養(yǎng)華.數(shù)字信號(hào)處理的理論基礎(chǔ)[J].DSP技術(shù)及其應(yīng)用講座，1997，11（11）.

[8]梁天明，耿相銘，陳鍵.多通道串行A/D轉(zhuǎn)換器與TIDSPS的接口實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)，2002（5）.

[9]吳德會(huì)，石俊.基于USB接口的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2005（12）.

[10]唐袆玲.USB接口在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].科技廣場(chǎng)，2005（12）.

[11]廖文杰.一種USB接口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化博覽，2005（6）.

[12]郭爽.基于USB接口的虛擬儀器設(shè)[J].計(jì)儀表技術(shù)，2005（6）.

[13]吳德會(huì).基于USB接口技術(shù)的無(wú)線(xiàn)通信設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2005（13）.

[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(bào)，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

[2]趙新民，王祁.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].智能儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，2004，9（5）.

[3]王遠(yuǎn)，劉躍敏，成立，等.放大電路的頻率響應(yīng)[J].模擬電子技術(shù)，2003，7（2）.

[4]孫涵芳，徐愛(ài)卿.串行接口[J].單片機(jī)原理及應(yīng)用，1996，4（1）.

[5]劉紹漢，林灶生，劉新民.集成電路設(shè)計(jì)的發(fā)展[J].VHDL芯片設(shè)計(jì)，2004，11（1）.

[6]王永山，楊宏五，楊嬋娟. 輸入輸出接口. 微型計(jì)算機(jī)原理與應(yīng)用，2001，9（2）.

[7]倪養(yǎng)華.數(shù)字信號(hào)處理的理論基礎(chǔ)[J].DSP技術(shù)及其應(yīng)用講座，1997，11（11）.

[8]梁天明，耿相銘，陳鍵.多通道串行A/D轉(zhuǎn)換器與TIDSPS的接口實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)，2002（5）.

[9]吳德會(huì)，石俊.基于USB接口的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2005（12）.

[10]唐袆玲.USB接口在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].科技廣場(chǎng)，2005（12）.

[11]廖文杰.一種USB接口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化博覽，2005（6）.

[12]郭爽.基于USB接口的虛擬儀器設(shè)[J].計(jì)儀表技術(shù)，2005（6）.

[13]吳德會(huì).基于USB接口技術(shù)的無(wú)線(xiàn)通信設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2005（13）.

[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(bào)，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