方　淼，方　鳴

(安徽大學(xué)江淮學(xué)院 理工部，安徽 合肥 230031)

?

電子測(cè)量實(shí)踐教學(xué)中虛擬示波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

方淼，方鳴

(安徽大學(xué)江淮學(xué)院 理工部，安徽 合肥 230031)

摘要：虛擬儀器代表了電子測(cè)量?jī)x器的發(fā)展方向，而示波器是電子測(cè)量領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的一款時(shí)域測(cè)量?jī)x器，因此將虛擬示波器的設(shè)計(jì)與制作引入到電子測(cè)量實(shí)踐教學(xué)中，要求學(xué)生設(shè)計(jì)并制作一款基于STM32單片機(jī)的雙通道虛擬示波器，根據(jù)示波器的性能指標(biāo)等參數(shù)進(jìn)行示波器方案的設(shè)計(jì)、論證以及軟硬件電路的制作，并給出最終的測(cè)量結(jié)果。通過該實(shí)驗(yàn)學(xué)生可以深刻地理解虛擬示波器的工作原理以及虛擬儀器的概念，并有效地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、工程實(shí)踐能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

關(guān)鍵詞：電子測(cè)量；虛擬示波器；STM32；實(shí)踐教學(xué)

DOI：10.13757/j.cnki.cn34-1150/n.2016.02.032

“電子測(cè)量原理”是電子類專業(yè)中一門重要的專業(yè)課程，它綜合應(yīng)用了電子、計(jì)算機(jī)、通信與控制等專業(yè)知識(shí)，具有綜合性強(qiáng)、實(shí)踐性突出、應(yīng)用廣泛等特點(diǎn)[1]。為了加深學(xué)生對(duì)該課程理論知識(shí)的理解、并將理論知識(shí)和實(shí)踐靈活地結(jié)合起來，在課程講授的過程中應(yīng)突出其應(yīng)用性和針對(duì)性，通過讓學(xué)生完成大量專業(yè)實(shí)驗(yàn)加強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。但目前電子測(cè)量的實(shí)驗(yàn)往往都是驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)，缺少綜合性實(shí)驗(yàn)[2]。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)只需學(xué)生按部就班驗(yàn)證已知的結(jié)論，對(duì)學(xué)生掌握測(cè)量?jī)x器的工作原理沒有幫助。針對(duì)該情況，筆者提出將虛擬儀器的設(shè)計(jì)與制作引入到電子測(cè)量的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，作為一個(gè)獨(dú)立的綜合性實(shí)驗(yàn)，通過虛擬儀器的設(shè)計(jì)和制作加深學(xué)生對(duì)測(cè)量?jī)x器結(jié)構(gòu)組成和工作原理的理解，感悟和應(yīng)用最先進(jìn)的測(cè)量技術(shù)，從而有效地提高電子測(cè)量課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果，真正做到理論和實(shí)踐相結(jié)合。

本文以虛擬示波器為例，介紹了采用STM32單片機(jī)和C++Builder設(shè)計(jì)制作虛擬示波器的基本思路，以及學(xué)生在完成虛擬示波器的設(shè)計(jì)制作過程中所需要掌握的示波器的基本原理和各項(xiàng)實(shí)踐技能。

1虛擬儀器簡(jiǎn)介

虛擬儀器是以計(jì)算機(jī)為核心的硬件平臺(tái)，由用戶通過軟件自行設(shè)計(jì)和定義其功能和虛擬面板，其實(shí)質(zhì)是利用數(shù)據(jù)采集卡對(duì)信號(hào)進(jìn)行獲取和采集，通過計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)數(shù)據(jù)的分析處理，海量存儲(chǔ)[3-4]，最后利用計(jì)算機(jī)顯示器代替?zhèn)鹘y(tǒng)測(cè)試儀器的面板，以多種形式輸出測(cè)量結(jié)果，從而完成各種測(cè)量功能的平臺(tái)，具有開發(fā)周期短、靈活性高、便于網(wǎng)絡(luò)化、可拓展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。作為測(cè)試技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)完美結(jié)合的產(chǎn)物，虛擬儀器代表了測(cè)量?jī)x器與自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)未來的發(fā)展方向[5]。因此將虛擬儀器的設(shè)計(jì)制作作為綜合性實(shí)驗(yàn)引入電子測(cè)量課程，有利于調(diào)動(dòng)學(xué)生動(dòng)手操作的積極性，幫助學(xué)生感性的認(rèn)識(shí)和深刻的理解測(cè)量?jī)x器中難以理解的概念和原理，從而達(dá)到較好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

2虛擬示波器系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

該實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生以項(xiàng)目小組的形式進(jìn)行虛擬示波器的設(shè)計(jì)制作，每組3人，每個(gè)項(xiàng)目小組按照虛擬示波器基本功能和性能指標(biāo)的要求提出一到兩個(gè)設(shè)計(jì)方案，并選出最合適的方案執(zhí)行，方案在實(shí)際設(shè)計(jì)制造過程中根據(jù)情況進(jìn)行調(diào)整，最終3名項(xiàng)目小組成員相互協(xié)作共同完成虛擬示波器的設(shè)計(jì)制作。要求虛擬示波器具有以下基本功能并滿足相應(yīng)的性能指標(biāo)。

(1)基本功能包括雙通道輸入，波形顯示模式為CH1、CH2或DUAL顯示，聚焦調(diào)節(jié)，信號(hào)幅度調(diào)整，波形垂直位移，水平位移調(diào)節(jié)等；

(2)基本性能指標(biāo)包括頻率范圍、幅度范圍、采樣速率等。

設(shè)計(jì)制作具有傳統(tǒng)示波器通用功能的虛擬示波器，首先需要理解數(shù)字示波器的工作原理，典型的數(shù)字示波器的原理如圖1所示[6]。

圖1數(shù)字示波器的原理框圖

由圖1可知，數(shù)字示波器系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：

(1) 模擬電路，完成對(duì)被測(cè)信號(hào)的獲取，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)乃p和線性放大以保證被測(cè)信號(hào)波形不失真的顯示；

(2) 采集處理器，對(duì)被測(cè)的模擬信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并對(duì)量化后的波形進(jìn)行采集存儲(chǔ)；

(3) 主處理器，對(duì)所有電路及信號(hào)的輸入/輸出進(jìn)行控制；

(4) 顯示器，讀出采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行顯示。

根據(jù)數(shù)字示波器的組成原理，結(jié)合虛擬儀器的設(shè)計(jì)思路，將虛擬示波器的組成概括成3大部分，如圖2所示。

圖2　示波器總體設(shè)計(jì)框圖

(1) 硬件模塊，完成對(duì)被測(cè)信號(hào)的獲取、調(diào)理、數(shù)據(jù)采集和緩存。

(2) 軟件模塊，對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析與處理，并形成和傳統(tǒng)示波器一樣的虛擬前面板，顯示動(dòng)態(tài)波形。軟硬件模塊結(jié)合，共同實(shí)現(xiàn)對(duì)電路和信號(hào)輸入/輸出的控制。

(3) 計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)測(cè)量結(jié)果各種形式的輸出和表達(dá)。

四是推動(dòng)溱湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)特色發(fā)展。該區(qū)域以國(guó)家5A級(jí)溱湖旅游度假區(qū)為核心區(qū)域，自然風(fēng)光秀美、水鄉(xiāng)特色鮮明。我們把“特色”貫徹始終，有序推進(jìn)溱潼城市副中心與姜堰城區(qū)聯(lián)動(dòng)呼應(yīng)，依托得天獨(dú)厚的康養(yǎng)資源，大力發(fā)展全域旅游、大健康產(chǎn)業(yè)、農(nóng)產(chǎn)品深加工、生態(tài)農(nóng)業(yè)，持續(xù)完善基礎(chǔ)設(shè)施、暢通河網(wǎng)水系，帶動(dòng)周邊省級(jí)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)等協(xié)同發(fā)展，努力建設(shè)重要的生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)、保護(hù)區(qū)。

3硬件模塊設(shè)計(jì)

3.1硬件模塊整體框圖設(shè)計(jì)

根據(jù)虛擬示波器的性能要求，硬件電路應(yīng)包括信號(hào)調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和總線接口[7]，如圖3所示。信號(hào)調(diào)理模塊將不同幅度不同頻率的被測(cè)信號(hào)進(jìn)行衰減和線性放大，調(diào)整轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)，再經(jīng)AC/DC轉(zhuǎn)化器對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行量化采樣，然后將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)中，最后由總線接口將采樣的數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)，所有硬件模塊在處理器的控制下完成相應(yīng)任務(wù)。因此項(xiàng)目組成員在確定系統(tǒng)硬件模塊組成后，需要根據(jù)虛擬示波器的基本功能和性能指標(biāo)選擇合適的處理器，如51單片機(jī)、ARM等。其中意法半導(dǎo)體公司開發(fā)的基于ARMCortex-M3內(nèi)核的STM32F103芯片資源豐富，內(nèi)部自帶ADC、DAC以及嵌入式Flash和RAM存儲(chǔ)器，單芯片即可完成系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，減少了電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度[8]，并且價(jià)格較低，適合用于普通示波器的設(shè)計(jì)與制作，因此本實(shí)驗(yàn)要求采用STM32芯片作為硬件電路的主控芯片完成示波器的系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)。虛擬示波器的主控電路應(yīng)該包含STM32、晶振電路、電源電路以及接口電路幾個(gè)組成部分，如圖3所示。

圖3硬件結(jié)構(gòu)框圖

3.2PCB的設(shè)計(jì)

根據(jù)硬件結(jié)構(gòu)框圖，項(xiàng)目小組成員按其所負(fù)責(zé)的內(nèi)容，設(shè)計(jì)并繪制原理圖，根據(jù)原理圖進(jìn)行PCB板的設(shè)計(jì)與制作。STM32系統(tǒng)的電路板通常采用AltiumDesigner軟件來進(jìn)行設(shè)計(jì)。AltiumDesigner是Altium公司推出的電子產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)，該軟件可以實(shí)現(xiàn)原理圖的繪制、執(zhí)行電路仿真、PCB的設(shè)計(jì)制作等功能，學(xué)生掌握這一軟件可以大大提高電路設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率。

PCB的設(shè)計(jì)是硬件電路設(shè)計(jì)中非常重要的一個(gè)部分，PCB設(shè)計(jì)的正確與否、布局是否合理，會(huì)影響到整個(gè)系統(tǒng)的性能。PCB版的設(shè)計(jì)包括電路原理圖的設(shè)計(jì)、PCB版的布局設(shè)計(jì)和布線設(shè)計(jì)。

合理的布局是PCB設(shè)計(jì)成功的第一步，PCB板的布局一般要求遵循以下原則：PCB板的尺寸要合適；以主控芯片為中心，外圍電路圍繞主控芯片布局；特殊的元器件要放在特殊的位置，如發(fā)熱元件要遠(yuǎn)離熱敏元件，大功率組件盡量靠近PCB邊緣位置。

PCB板的布線設(shè)計(jì)，要求輸入和輸出相連的導(dǎo)線應(yīng)盡量避免靠近和平行，在設(shè)計(jì)布線時(shí)應(yīng)盡量拉開線與線的距離，信號(hào)線與地線及電源線盡可能不交叉，如果是雙面PCB，則兩個(gè)面上排布的導(dǎo)線在空間上需互相垂直，斜交或者彎折走線，從而減少線路間的寄生耦合[8-9]。PCB的設(shè)計(jì)完成后，檢查無誤就可以進(jìn)行制版。

3.3下位機(jī)程序的設(shè)計(jì)

3.4軟件模塊設(shè)計(jì)

軟件是虛擬儀器的核心，當(dāng)基本硬件電路確定后，就可以通過軟件編程實(shí)現(xiàn)測(cè)量功能，并將相應(yīng)的功能以虛擬面板上的各種按鍵、旋鈕形式呈現(xiàn)，學(xué)生可以通過操作這些按鍵實(shí)現(xiàn)對(duì)示波器的控制。常用的虛擬儀器的開發(fā)軟件有Labview、C++Builder等，本實(shí)驗(yàn)采用C++Builder進(jìn)行虛擬示波器的設(shè)計(jì)和制作。C++Builder是由Borland公司繼Delphi之后推出的一款高性能可視化集成開發(fā)工具[5]，具有可視化窗體開發(fā)環(huán)境，并且內(nèi)置了100多個(gè)封裝的具有完全可擴(kuò)展性的可重用控件，使用時(shí)只需將相應(yīng)的控件拖到窗體上，通過代碼對(duì)其屬性進(jìn)行操作、修改，就可以快速地建立應(yīng)用程序界面。

軟件設(shè)計(jì)的基本思路是設(shè)計(jì)一個(gè)和傳統(tǒng)示波器具有類似面板的虛擬前面板，通過虛擬前面板實(shí)現(xiàn)波形的顯示和各基本功能的調(diào)節(jié)。傳統(tǒng)示波器面板包括顯示區(qū)和控制區(qū)，顯示區(qū)實(shí)現(xiàn)電壓波形的顯示，控制區(qū)可以實(shí)現(xiàn)輸入通道的選擇、波形的調(diào)節(jié)等。

(1)波形顯示區(qū)，采用Tchart控件實(shí)現(xiàn)。創(chuàng)建方式：從控件組中將Tchart控件拖拽至空白視窗，雙擊點(diǎn)開，按add添加所需數(shù)據(jù)，通過代碼對(duì)其屬性進(jìn)行修改，最后錄入數(shù)據(jù)形成圖像。

(2)波形控制區(qū)，采用Button和image控件。

Button控件創(chuàng)建方式：從控件組中將Button控件拖拽至圖像的相應(yīng)位置上，雙擊點(diǎn)開，添加函數(shù)。為了實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)的通信，需要設(shè)計(jì)串口開關(guān)的Button。只需通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊串口開關(guān)Button，上位機(jī)即可接收下位機(jī)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，進(jìn)行波形顯示。

示波器虛擬面板上垂直靈敏度、水平靈敏度、聚焦控制都通過旋鈕旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制，而旋鈕采用image控件。image控件創(chuàng)建方式：從控件組中將image控件拖拽至圖像的相應(yīng)位置上，雙擊點(diǎn)開，添加程序，通過單擊鼠標(biāo)就可以控制旋鈕圖片轉(zhuǎn)動(dòng)，從而控制波形變化。

4測(cè)試結(jié)果分析

虛擬示波器設(shè)計(jì)完成后，項(xiàng)目小組必須用該示波器測(cè)量信號(hào)源輸出的信號(hào)，觀察虛擬面板顯示的信號(hào)波形，與信號(hào)源的輸出信號(hào)進(jìn)行比較，確保示波器能夠正確實(shí)現(xiàn)波形的無失真顯示。利用所設(shè)計(jì)的虛擬示波器，采用雙蹤顯示方式測(cè)量函數(shù)信號(hào)發(fā)生器輸出的2路正弦信號(hào)，測(cè)試結(jié)果如圖4所示。虛擬示波器的測(cè)量結(jié)果與實(shí)際信號(hào)基本一致，說明虛擬示波器軟硬件電路設(shè)計(jì)正確。

圖4　虛擬示波器雙蹤顯示

5結(jié)束語

針對(duì)高校實(shí)踐教學(xué)普遍存在的教學(xué)內(nèi)容落后、教學(xué)能力不足等問題，將虛擬儀器的設(shè)計(jì)與制作引入電子測(cè)量課程的實(shí)踐教學(xué)，并將學(xué)生組成項(xiàng)目小組的形式，在老師的指導(dǎo)下，完成虛擬儀器的設(shè)計(jì)與制作，改變了原有單一枯燥的理論授課方式，不僅使學(xué)生能更好地掌握各種測(cè)量?jī)x器的工作原理，還能大大提高學(xué)生對(duì)這門課程的學(xué)習(xí)興趣和工程實(shí)踐能力[11]，真正達(dá)到了通過開設(shè)電子測(cè)量課程提高學(xué)生測(cè)量水平的目的。

參考文獻(xiàn):

[1] 古天祥，王厚軍，習(xí)友寶，等.電子測(cè)量原理[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004:1-9.

[2] 朱斌，喻文勝. 虛擬示波器的設(shè)計(jì)及在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J]. 實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2012, 10(3):31-33.

[3] 王陳寧.基于虛擬儀器技術(shù)的微波晶體檢波二極管的定標(biāo)[J]. 安慶師范學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009,15(4):119-120.

[4]JelenaMisic,VojislavBM.Accessdelayfornodeswithfinitebuffersinieee802.15.4beaconenabledpanwithuplinktransmission[J].ComputerCommunications, 2005, 28(10): 1152-1166.

[5] 張愛平.LabVIEW在電子測(cè)量教學(xué)中的應(yīng)用[J]. 國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，2004，23(5)：36-39.

[6] 陳尚松，郭慶，黃新. 電子測(cè)量與儀器[M]. 北京:電子工業(yè)出版社，2012：238-239.

[7]丁紅斌，秦會(huì)斌. 基于STM32的虛擬示波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 電子器件，2009，32(6): 1007-1010.

[8] 高瑞平. 電工電子實(shí)訓(xùn)基礎(chǔ)[M]. 上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2009：104-110.

[9] 葉樹濤. 印刷電路板的設(shè)計(jì)原則和抗噪聲技術(shù)[J]. 哈爾濱鐵道科技，2005, 4:8-10.

[10] 全曉莉，周南權(quán).基于虛擬儀器技術(shù)的數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)研究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2014，31(4):96-98.

[11] 王潤(rùn)民，劉占文，楊瀾, 等.IEEE標(biāo)準(zhǔn)電腦鼠在工程實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2014，33(9):117-121.

DesignandImplementationofVirtualOscilloscopeinthePracticeTeachingofElectronicMeasuring

FANGMiao，F(xiàn)ANGMing

(DepartmentofScienceandEngineering,JiangHuaiCollegeofAnhuiuniversity,Hefei,Anhui230031,China)

Abstract:Virtualinstrumentrepresentsthefuturedirectionofthedevelopmentofelectronicmeasuringinstruments,andoscilloscopeisthemostwidelyusedinstrumentfortimedomainmeasurementinthefieldofelectronicmeasurement.Therefore,designandimplementationofvirtualoscilloscopeisintroducedintothepracticeteachingofelectronicmeasurement.StudentsarerequiredtodesignandproduceadualchannelvirtualoscilloscopebasedonSTM32microcontroller.Firstly,studentsneedtodeterminethebestdesignplanaccordingtotheperformanceindexrequirements,thentomakethesoftwareandhardwarecircuitandprovidethetestresult.Thisexperimentationcanmakestudentsdeeplyunderstandtheworkingprincipleofoscilloscopeandtheconceptofvirtualinstrument,andcanalsocultivatetheinnovativeability,engineeringpracticeabilityandteamworkabilityofstudentseffectively.

Keywords:electronicmeasuring;virtualoscilloscope;STM32;practiceteaching

* 收稿日期：2015-09-24

基金項(xiàng)目：安徽大學(xué)江淮學(xué)院院級(jí)教學(xué)研究項(xiàng)目(2014JY0001)。

作者簡(jiǎn)介：方淼，女，安徽歙縣人，碩士，安徽大學(xué)江淮學(xué)院講師，研究方向?yàn)樾盘?hào)檢測(cè)、圖像處理 。Email:mfrbt626@163.com

中圖分類號(hào)：TN98

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1007-4260(2016)02-0131-05

網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-06-08 12:57網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/34.1150.N.20160608.1257.032.html