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換后的數據與其相連接，并使數據還原。保證在數據正確的前提下提升了系統的便攜性，且轉換后的數據不需要經過8051內核，極大地提高了傳輸速度，減少了設計的復雜性。探討了簡易虛擬示波器的總體設計思想和相應的軟、硬件設計。

關鍵詞：簡易虛擬示波器；VB；電路設計；數據采集

中圖分類號：TM935.3 文獻標識碼：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轉換電路時對模擬信號進行采集，并轉換成數字信號，再通過USB接口把轉換、處理后的數據傳輸到計算機上，并利用已經在計算機上完成的簡易虛擬示波器將采集轉換后的數據處理、還原。

1 總體設計

擬采用的數據采集處理系統的硬件構成為：保持電路、ADC、USB控制芯片CY7C68013和USB接口，如圖1所示。

USB 主從系統結構的層次關系如圖2所示。

2 硬件設計

2.1 硬件電路的設計

硬件電路主要是由模擬—數字轉換部分、USB接口控制電路、USB接口部分、芯片電源轉換部分組成。各部分的設計采用如下芯片：接口芯片采用Cypress公司的CY7C68013芯片；模擬—數字轉換芯片采用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的掉電程序保護芯片。

本設計中USB與主機間的數據傳輸采用的是批量傳輸。CY7C68013采用的是GPIF主控模式。編程是根據需要進行的，不需要CPU的干預，系統結構框圖如圖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，其中的 8051 程序代碼與數據存放在內部的 RAM 中，且主機可通過 USB 總線加載程序代碼和數據。該系統的設計采用通過串行I2C總線外接EEPROM.

2.2 固件設計

2.2.1 端點的配置

用戶開發的固件是用于滿足用戶實現設備間數據通信的要求。對于該系統來說，設備間的數據傳輸主要是讀寫FX2外設的寄存器和FIFO。在主機開始對FX2外設的寄存器或FIFO讀寫之前，需要對系統做初始化的設置，以滿足設計要求，這部分工作在工作分配器中的TD-Init（）函數中實現。

在本設計中，設置大端點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，這樣的設置充分利用了4 kB的FIFO空間。多緩存的結構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

在固件和硬件聯合調試初期，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中進行調試，同時將硬件I2C的總線掛接在EEPROM 上的開關處，且開關處于關閉狀態。在設計后期，當整個固件都滿足要求時，將固件固化在 EEPROM 中。

2.2.3 系統調試

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

3 軟件設計

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

整個過程的設計主要是根據數據的傳輸、寄存、調用的過程來實現的，以此為出發點設計了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備、關閉設備，讀取數據、保存數據，顯示波形、打開波形文件，電壓放大、縮小，時間的壓縮、拉伸等。

在設計過程中，要注意數據通過USB接口傳輸到計算機中時，VB要與這部分數據進行鏈接就必須設置一個緩沖區，這樣才能夠利用傳輸到微機中的數據。

本課題所設計的虛擬示波器的內部執行過程為：當外部硬件連接到USB接口上時，虛擬示波器的軟件部分會做出相應動作，當軟件已經發現了接入的設備后，即可運行軟件，打開設備。點擊“顯示波形”后，系統會根據條件S=1或P=1來判斷下一步所要調用的程序，以完成相應動作。可以選擇出發方式時，實際上已經設定了出發條件，所以，簡易虛擬示波器會根據不同條件，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”打開計算機中已經生成的EXE文件。

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

4 結束語

數據采集系統和虛擬示波器的設計在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的內存設計變成了4個2級512 B內存的緩沖，符合數據轉換傳輸過程中數據高速率傳輸的要求，而GPIF的控制時鐘選擇的是默認時鐘48 MHz。另一個顯著的特點是，對于MAX153的電壓范圍選擇端，本設計采用REF02，它是一個基準，這樣在輸入有所變化的時候，使輸出變化非常小（實際中）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

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[10]唐袆玲.USB接口在數據采集系統中的應用[J].科技廣場，2005（12）.

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[13]吳德會.基于USB接口技術的無線通信設計與實現[J].微計算機信息，2005（13）.

[14]周凡.基于USB接口技術的數據采集系統[J].攀枝花學院學報，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