一种基于高速数据采集卡的虚拟示波器开发

POWER SUPPLY TECHNOLOGIES
图２ 软件系统总体流程图
Electronic Design & Application World-Nikkei Electronics China
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APPLICATION of IC PRODUCTS
INDUSTRY ANALYSIS
自控与测量
APPLICATION of IC PRODUCTS
用了多线程技术，除了一个处理用 还创建了两个辅助线程，从而最大 户输入消息的用户界面线程之外，
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图１ ＣＳ ８２Ｇ采集卡系统框图
AUTOMATION & MEASUREMENT EMBEDDED SYSTEMS
采集线程利用了采集卡驱动程序提 供的中断采样函数，采样深度 ｎ 由 控件设定，每当采集完成 ｎ 个点的 采样时，采样数据便被送入卡上的 缓冲区，然后通过 Ｐ Ｃ Ｉ 总线向计算 机传输数据，当数据传输完毕之 后，采样线程向数据处理线程发送 Ｗ Ｍ ＿ Ｒ Ｅ Ｃ Ｅ Ｉ Ｖ Ｅ 消息，通知数据处 理模块对这 ｎ 点进行分析处理。在 主线程里，主要接收用户操作的消 息，比如通道参数的设定、通道显 示的设定、数据的存储打印以及察 看历史数据、波形等操作。 软件功能模块 该虚拟示波器有 ５ 大功能模 块：数据采集、用户界面、频谱分 析、数字滤波以及波形显示。 信号采集模块 信号采集模块主要完成对数据 的采集 ， 根据所采集信号的不同采 用不同的采样频率。这个模块中应 用程序会通过采集卡的驱动程序和 硬件进行通信，如果把这个模块放 在程序主线程中实现， 那么，当应用 程序与驱动程序进行数据通信时 ， 主界面就会冻结。为了解决这个问 题 ， 本文直接创建一个子线程来单 独完成与驱动程序的通信任务 ， 让 主界面专心于响应视窗界面的信 息。在 子 线 程 中 通 过 调 用 ｇａｇｅ＿ｓｔａｒｔ＿ｃａｐｔｕｒｅ（ ）函 数进行数 据的采集。 用户界面模块 界面主要分为三个视图：主视 图基于 ＳｃｒｏｌｌＶｉｅｗ， 用于显示波形； 另 外 两 个 视 图 基 于 107
EMBEDDED SYSTEMS POWER SUPPLY TECHNOLOGIES
析。实验时示波器参数设置如下： 采样模式为双通道，其中通道 １ 对 正弦信号进行采样，通道 ２ 对锯齿 波信号进行采样；采样率为 １２０ＭＳ／ ｓ；触发源为软件触发；触发时间极 限为 ２０ｍｓ；输入信号电压范围为 ＋／ － ５ Ｖ 。实验结果显示达到了预定的 效果。 设计中一个关键问题是在保证 数据采集实时性的同时，又能及时 地响应用户的操作或进行数据显 示。在本文中，为解决这个问题采
系统的软件设计
虚拟示波器的软件开发环境 虚拟仪器最核心的是软件技 术。目前，用于虚拟仪器开发的软 开发平台主要有两大类：一类是通 用的可视化软件编程环境，主要有 Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ 公司的 Ｖｉｓｕａｌ Ｃ＋＋ 和 Ｖｉｓｕａｌ Ｂａｓｉｃ、 Ｉｎｐｒｉｓｅ公司的Ｄｅｌｐｈｉ 和Ｃ＋＋ Ｂｕｉｌｄｅｒ等； 另一类是一些公 司推出的专用于虚拟仪器开发软件
COMMUNICATIONS & COMPUTER
试终于研制成符合要求的电渣重炉 系统。实践证明，经过改造的电渣 重炉生产出来的轧辊质量比原来有 很大提高，达到了预想的目的。而
一方面安装了导热性好的散热器， 计，主要是对电流进行数字滤波。 且本系统将来还可在不改变硬件系 并加强整流箱的通风性能。另一方 面，在可控硅电路上并联了一个阻 容关断过压吸收电路，该电路的引 线要短，电阻必须采用无感电阻。 同时在整流器的交流端还安装了星 由于在进行电流采集时需要得到的 是电流的有效值，所以在系统中可 以通过 ＡＤ５７４ 对正弦交流电压信号 进行一周期采样 ５０ 次，然后在程序 中通过一定算法得到电流的有效 统的情况下进行升级，通过采用更 先进的控制算法，来提高系统的控 制精度，从而大大降低企业的生产 成本。■
AUTOMATION & MEASUREMENT
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ＦｏｒｍＶｉｅｗ， 一个用于动态显
了一种新的滚动显示算法，突破了 滚动显示只能观察变化缓慢的信号 的限制。算法核心思想如下。 １． 得到所采集数据块的第一个 和最后一个数据点的横坐标 ｍ＿ｘＭｉｎ 和 ｍ＿ｘＭａｘ，两者之差即为 波形的逻辑宽度。 ２． ｍ＿ｘＭａｘ－ｍ＿ｘＭｉｎ 的值为逻 辑坐标， 把它转化为设备坐标ｃｘ， 用 ｃｘ 设定整个滚动视图的宽度。 ３． 为了提高画图的效率， 需要 画出滚动视图可视部分的图形，也 就是剪裁区的图形，因此要确定剪 裁区。 ４． 画出坐标以及剪裁区内的一 段波形。利用 Ｃ Ｓ ｐ ｌ ｉ ｔ ｔ ｅ ｒ Ｗ ｎ ｄ ： ： ＤｏＳｃｒｏｌｌＢｙ（）函数，根据采样间隔的 这样视图滚动以后相应的剪裁区也 会发生改变，从而能动态画出新的 波形。
自控与测量
■ 常熟理工学院信息与控制工程系 陈景波 西安建筑科技大学信息与控制工程学院 杨放
一种基于高速数据采集卡的 虚拟示波器开发
摘 要：本文基于 ＰＣＩ 接口的 ＣＳ ８２Ｇ 高速数据采集卡和 Ｖｉｓｕａｌ Ｃ＋＋ 编程工具，开发了一种快速的虚拟示波器 试验系统，实现了高速数据的采集和动态波形的显示，并具有频谱分析和数字滤波功能。 关键词：虚拟示波器；数据采集；ＣＳ ８２Ｇ
虚拟示波器的系统组成
系统组成 本虚拟示波器系统主要由数据 采集卡、计算机和专用的软件组 成。 其中数据采集卡完成对输入测 量信号的调理采集、缓存，并通过 计算机 Ｐ Ｃ Ｉ 总线送入内存；计算机 在应用程序控制下，对数据进行处 理、运算，最后完成各种电量测试 并在屏幕上用图形或数据形式显
上配置有 １ ６ Ｍ Ｂ 的高速存储器，解 决了高采样率和相对较低的 ＰＣＩ 总 线数据传输速率的匹配问题。 在使用之前必须对采集卡的硬 件进行配置 ， 这些控制程序用到了 相应的底层 Ｄ Ａ Ｑ 驱动程序。通过采 集卡自带的 Ｄ Ｌ Ｌ ，可以在程序中灵 活地对硬件输入阻抗、输入电压范 围、 放大器增益大小、 采样频率、 每 次采样点数等参数进行控制。
交流电压信号转换成直流电压信号 过程中，为了减小整流时二极管产 生的非线性，可采用绝对值整流 法，这样可以很好地避免整流非线 性的问题。 由于可控硅的击穿电压接近工 作电压，热容量小，承受过电压与 过电流的能力较差，短时间的过电 压、过电流都可能造成可控硅的损 坏，为此对本系统中的可控硅电路 形连接的阻容吸收回路，用于吸收 偶发性浪涌电压。 值。控制流程如图 ２ 所示。
引言
虚拟仪器以通用计算机作为系 统控制器，各种复杂测试功能、数 据分析和结果显示都完全由计算机 软件完成，在很多方面较传统仪器 有无法比拟的优点。 本文在带有 Ｐ Ｃ Ｉ 总线接口的 Ｃ Ｓ ８ ２ Ｇ 高速数据采集卡和 Ｖ ｉ ｓ ｕ ａ ｌ Ｃ＋＋ 编程工具的基础上开发的快速 虚拟示波器试验系统，集成了波形 采集、数据分析、输出、显示等多 种功能。同时，为保证数据采集和 波形显示的实时性，设计中还采用 了多线程技术。
示。这一切均可在人机交互方式下 完成。 数据采集卡的硬件结构 本虚拟示波器采用的是 Ｇ ａ ｇ ｅ 公司的 ＣＳ ８２Ｇ 高速数据采集卡。其 硬件结构框图如图 １ 所示。 该数据采集卡是一个具有两个 模拟量输入通道的标准的 Ｐ Ｃ Ｉ 总线 插卡，卡上集成的两个高速 ８ 位 ＡＤＣ，最高工作频率高达 １ ＧＨｚ，在 单通道工作模式下，两个 Ａ Ｄ Ｃ 同时 投入工作，分别在脉冲的上升沿和 下降沿进行转换，所以最高采样频 率可以达到 ２ＧＨｚ。全卡的功能电路 由数字控制逻辑电路统一控制。卡
IC DESIGN
结语 软件设计
本系统主要的控制算法都是通 过软件来实现的，由于系统的工作 环境比较恶劣，很多因素会严重干 扰系统的正常工作，因此在系统中 除了要对主控电路进行硬件抗干扰 外，还应在软件中进行抗干扰设 在研制这套电渣重炉系统中遇 到了不少困难，主要是系统的工作 环境比较恶劣，经过多次改进和调
模拟信号经同轴电缆进入采集 卡的输入通道后，经过前置滤波电 路、衰减电路、可变增益的放大电 路，将信号处理成 Ａ Ｄ Ｃ 可以处理的 标准电平，经过 Ａ ／ Ｄ 采样量化转化 成计算机可以处理的数字信号并缓 存到存储器。该采集卡支持软件通 过 ＰＣ 机的 ＰＣＩ 总线接口控制模拟通 道的阻抗匹配、放大器的增益选 择、启动 Ａ Ｄ Ｃ 及转换结束的识别， 并允许将采集数据以 Ｄ Ｍ Ａ 方式传 输到计算机内存，同时对数据信号 进行分析处理、显示、存储及打印 输出。
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为虚拟示波器的开发环境。 软件的方案设计 图 ２ 展示了本设计中软件系统 的总体流程图。程序开始工作后， 首先进入主线程，进行相关的初始 化工作，主要是软件界面的初始化 （ 采集卡的初始化在采集子线程中 进行）。 ＯｎＳｔａｒｔ（）函数的主要目的是 执行ＳｔａｒｔＣａｐｔｕｒｅ（）函数以启动数据 采集子线程， 执行ＳｔａｒｔＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ（） 函数以启动数据处理子线程，主线 程进入消息循环，并通过消息和子 线程进行通信。采样线程和数据处 理线程实际上是由 ｇ＿ｂＲｕｎＴｈｒｅａｄ 变 量控制的循环过程，这样可以方便 主线程控制工作线程的退出。数据
实验与讨论
在实验中使用该系统对正弦信 号和锯齿波信号进行了采集，并对 两个通道的信号分别进行了频谱分
示采集数据的特征参数，另一个用 于对示波器进行操作。 频谱分析模块 本软件利用快速傅里叶变换 （ＦＦＴ）进行频谱分析，采用按时间抽 取 ＦＦＴ算法，然后将幅值频谱分析结 果在用户界面上以坐标曲线形式显 示。进行 Ｆ Ｆ Ｔ 时可以选择点数，有 １０２４、２０４８、４０９６ 三种选择，如果 点数不够，程序自动补零。 数字滤波模块 本软件可以对所采集信号进行 低通和高通滤波。首先根据给定通 带截止频率、阻带截止频率、通带 衰减和阻带衰减设计出Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ 模拟滤波器，再用双线性变换法设 计出数字滤波器。 波形显示模块 当前波形显示主要有两种方 法，分段显示和滚动显示。本设计 采用了滚动显示的方法，并且提出