简易虚拟示波器

麻旭东　邵水忠　田英

摘 要：简易虚拟示波器可以将用户转换后的数据与其相连接，并使数据还原。保证在数据正确的前提下提升了系统的便携性，且转换后的数据不需要经过8051内核，极大地提高了传输速度，减少了设计的复杂性。探讨了简易虚拟示波器的总体设计思想和相应的软、硬件设计。

关键词：简易虚拟示波器；VB；电路设计；数据采集

中图分类号：TM935.3 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）13-0002-02

本文主要研究通过采样保持和A/D转换电路时对模拟信号进行采集，并转换成数字信号，再通过USB接口把转换、处理后的数据传输到计算机上，并利用已经在计算机上完成的简易虚拟示波器将采集转换后的数据处理、还原。

1 总体设计

拟采用的数据采集处理系统的硬件构成为：保持电路、ADC、USB控制芯片CY7C68013和USB接口，如图1所示。

USB 主从系统结构的层次关系如图2所示。

2 硬件设计

2.1 硬件电路的设计

硬件电路主要是由模拟—数字转换部分、USB接口控制电路、USB接口部分、芯片电源转换部分组成。各部分的设计采用如下芯片：接口芯片采用Cypress公司的CY7C68013芯片；模拟—数字转换芯片采用MAXIM公司的MAX153；采用TEXAS INSTRUMENTS 公司的70351为CY7C68013供电，采用ATMEL公司的24C64作为CY7C68013的掉电程序保护芯片。

本设计中USB与主机间的数据传输采用的是批量传输。CY7C68013采用的是GPIF主控模式。编程是根据需要进行的，不需要CPU的干预，系统结构框图如图3所示。

由于GPIF的运算速度比FIFO快得多，因此，其时序信号具有较高的编程分辨率。因为CY68013芯片是一个以“软件”为主的架构，其中的 8051 程序代码与数据存放在内部的 RAM 中，且主机可通过 USB 总线加载程序代码和数据。该系统的设计采用通过串行I2C总线外接EEPROM.

2.2 固件设计

2.2.1 端点的配置

用户开发的固件是用于满足用户实现设备间数据通信的要求。对于该系统来说，设备间的数据传输主要是读写FX2外设的寄存器和FIFO。在主机开始对FX2外设的寄存器或FIFO读写之前，需要对系统做初始化的设置，以满足设计要求，这部分工作在工作分配器中的TD-Init（）函数中实现。

在本设计中，设置大端点EP6为IN端点，传输类型为批量传输，双缓冲；每个缓冲的大小为512 B，这样的设置充分利用了4 kB的FIFO空间。多缓存的结构在双方读写速度相似时，能有效地改善带宽、平滑带宽抖动，减少双方互相等待的时间。

2.2.2 固件的固化

在固件和硬件联合调试初期，为了便于固件的修改，可利用面板中的“下载文件”将编译好的HEX文件下载到芯片上的RAM中进行调试，同时将硬件I2C的总线挂接在EEPROM 上的开关处，且开关处于关闭状态。在设计后期，当整个固件都满足要求时，将固件固化在 EEPROM 中。

2.2.3 系统调试

在硬件调试中，主要是用示波器测试68013芯片的 信号、 信号和转换后的数据输出D0—D7，如果低4位没有数据输出，可能是MODE引脚没有接到高电平上，需要检查、调试后再检查信号的输出状况。

3 软件设计

软件部分采用的是VB，实现了虚拟示波器的部分基本功能，具体包括以下两个方面：①根据设计需要做出窗体上的控件；②再根据所设计的控件编写程序。

整个过程的设计主要是根据数据的传输、寄存、调用的过程来实现的，以此为出发点设计了VB的窗体窗口以及它上面的控件。具体如图5所示。

图5中主要包括了打开设备、关闭设备，读取数据、保存数据，显示波形、打开波形文件，电压放大、缩小，时间的压缩、拉伸等。

在设计过程中，要注意数据通过USB接口传输到计算机中时，VB要与这部分数据进行链接就必须设置一个缓冲区，这样才能够利用传输到微机中的数据。

本课题所设计的虚拟示波器的内部执行过程为：当外部硬件连接到USB接口上时，虚拟示波器的软件部分会做出相应动作，当软件已经发现了接入的设备后，即可运行软件，打开设备。点击“显示波形”后，系统会根据条件S=1或P=1来判断下一步所要调用的程序，以完成相应动作。可以选择出发方式时，实际上已经设定了出发条件，所以，简易虚拟示波器会根据不同条件，在显示窗口显示不同时刻的波形。同时，还可以根据需要点击“放大”“缩小”“压缩”“拉伸”来改变每一格所代表的电压和时间的大小。在运行后，可以直接点击“打开波形”打开计算机中已经生成的EXE文件。

在软件运行的过程中，最主要的程序执行过程就是实现画图过程和画坐标过程，因为这两个过程可谓复杂，画的时候考虑幅值的大小等问题。画图过程和画坐标过程的简易流程如图6和图7所示。

4 结束语

数据采集系统和虚拟示波器的设计在FX2与MAX153之间采用了GPIF主模式的通信方式，并通过端点6配置了FIFO的传输方式——块传输，使4 kB的FIFO的内存设计变成了4个2级512 B内存的缓冲，符合数据转换传输过程中数据高速率传输的要求，而GPIF的控制时钟选择的是默认时钟48 MHz。另一个显著的特点是，对于MAX153的电压范围选择端，本设计采用REF02，它是一个基准，这样在输入有所变化的时候，使输出变化非常小（实际中）或没有变化（理论上），这样就保证了芯片的正常工作。

参考文献

[1]阎石.数-模和模-数转换[J].数字电子技术基础，2003，12（13）.

[2]赵新民，王祁.数据采集系统[J].智能仪器设计基础，2004，9（5）.

[3]王远，刘跃敏，成立，等.放大电路的频率响应[J].模拟电子技术，2003，7（2）.

[4]孙涵芳，徐爱卿.串行接口[J].单片机原理及应用，1996，4（1）.

[5]刘绍汉，林灶生，刘新民.集成电路设计的发展[J].VHDL芯片设计，2004，11（1）.

[6]王永山，杨宏五，杨婵娟. 输入输出接口. 微型计算机原理与应用，2001，9（2）.

[7]倪养华.数字信号处理的理论基础[J].DSP技术及其应用讲座，1997，11（11）.

[8]梁天明，耿相铭，陈键.多通道串行A/D转换器与TIDSPS的接口实现[J].电子技术，2002（5）.

[9]吴德会，石俊.基于USB接口的无线数据采集系统设计[J].微电子学与计算机，2005（12）.

[10]唐袆玲.USB接口在数据采集系统中的应用[J].科技广场，2005（12）.

[11]廖文杰.一种USB接口的数据采集系统设计[J].自动化博览，2005（6）.

[12]郭爽.基于USB接口的虚拟仪器设[J].计仪表技术，2005（6）.

[13]吴德会.基于USB接口技术的无线通信设计与实现[J].微计算机信息，2005（13）.

[14]周凡.基于USB接口技术的数据采集系统[J].攀枝花学院学报，2005（2）.

〔编辑：张思楠〕

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]赵新民，王祁.数据采集系统[J].智能仪器设计基础，2004，9（5）.

[3]王远，刘跃敏，成立，等.放大电路的频率响应[J].模拟电子技术，2003，7（2）.

[4]孙涵芳，徐爱卿.串行接口[J].单片机原理及应用，1996，4（1）.

[5]刘绍汉，林灶生，刘新民.集成电路设计的发展[J].VHDL芯片设计，2004，11（1）.

[6]王永山，杨宏五，杨婵娟. 输入输出接口. 微型计算机原理与应用，2001，9（2）.

[7]倪养华.数字信号处理的理论基础[J].DSP技术及其应用讲座，1997，11（11）.

[8]梁天明，耿相铭，陈键.多通道串行A/D转换器与TIDSPS的接口实现[J].电子技术，2002（5）.

[9]吴德会，石俊.基于USB接口的无线数据采集系统设计[J].微电子学与计算机，2005（12）.

[10]唐袆玲.USB接口在数据采集系统中的应用[J].科技广场，2005（12）.

[11]廖文杰.一种USB接口的数据采集系统设计[J].自动化博览，2005（6）.

[12]郭爽.基于USB接口的虚拟仪器设[J].计仪表技术，2005（6）.

[13]吴德会.基于USB接口技术的无线通信设计与实现[J].微计算机信息，2005（13）.

[14]周凡.基于USB接口技术的数据采集系统[J].攀枝花学院学报，2005（2）.

〔编辑：张思楠〕

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]赵新民，王祁.数据采集系统[J].智能仪器设计基础，2004，9（5）.

[3]王远，刘跃敏，成立，等.放大电路的频率响应[J].模拟电子技术，2003，7（2）.

[4]孙涵芳，徐爱卿.串行接口[J].单片机原理及应用，1996，4（1）.

[5]刘绍汉，林灶生，刘新民.集成电路设计的发展[J].VHDL芯片设计，2004，11（1）.

[6]王永山，杨宏五，杨婵娟. 输入输出接口. 微型计算机原理与应用，2001，9（2）.

[7]倪养华.数字信号处理的理论基础[J].DSP技术及其应用讲座，1997，11（11）.

[8]梁天明，耿相铭，陈键.多通道串行A/D转换器与TIDSPS的接口实现[J].电子技术，2002（5）.

[9]吴德会，石俊.基于USB接口的无线数据采集系统设计[J].微电子学与计算机，2005（12）.

[10]唐袆玲.USB接口在数据采集系统中的应用[J].科技广场，2005（12）.

[11]廖文杰.一种USB接口的数据采集系统设计[J].自动化博览，2005（6）.

[12]郭爽.基于USB接口的虚拟仪器设[J].计仪表技术，2005（6）.

[13]吴德会.基于USB接口技术的无线通信设计与实现[J].微计算机信息，2005（13）.

[14]周凡.基于USB接口技术的数据采集系统[J].攀枝花学院学报，2005（2）.

〔编辑：张思楠〕

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