基于VC6. 0 的USB 型虛擬示波器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、黃石理工學(xué)院學(xué)報(bào)基于VC6.0的USB型虛擬示波器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)張坤 沈華東 尹念東（黃石理工學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，湖北 黃石 435003）摘 要：以8位A/D轉(zhuǎn)換器TLC5510、邏輯控制芯片EPM7064、USB接口芯片AN2131QC為核心，以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為硬件平臺(tái)，以Labwindows/CVI和VC為開發(fā)工具，設(shè)計(jì)并制作一種USB型虛擬示波器。系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析處理、數(shù)據(jù)輸出與顯示三部分組成。關(guān)鍵詞：虛擬示波器；Labwindows/CVI；USB；中圖分類號(hào)：TM935.37 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADesign and Implementation of virtual oscillosco

2、pe with USB based on VC6.0Zhang Kun Yin Niandong Shen Huadong(School of Mechanical Engineering，Huangshi Institute of Technology，Huangshi Hubei 435003)Abstract：On the basis of 8-bit A / D converter TLC5510, logic control chip EPM7064, USB interface chip AN2131QC，a kind of virtual oscilloscope was des

3、igned and made. With the computer system hardware platform and Labwindows / CVI for instrument for the development, a USB-based virtual oscilloscope was designed and produced. The system consists of data acquisition, data processing, data output and display.Keywords：Virtual Oscilloscope；Labwindows；U

4、SB調(diào)理電路A/D轉(zhuǎn)換FIFO緩沖USB接口PC處理與顯示被測(cè)信號(hào)CPLD時(shí)序控制1引言虛擬儀器是利用現(xiàn)有的PC計(jì)算機(jī)、加上特殊設(shè)計(jì)的儀器硬件及專用軟件，形成既有普通儀器的基本功能，又有一般儀器所沒(méi)有的特殊功能的新型儀器。本文介紹一種基于USB總線接口技術(shù)，用Labwindows/CVI及Visual C+6.0編程的虛擬示波器試驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)集波形采集、數(shù)據(jù)分析、輸出、顯示為一體。2 系統(tǒng)總體框圖1、 湖北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（編號(hào)2007ABA403）2、 湖北省重點(diǎn)學(xué)科“機(jī)械電子工程”資助項(xiàng)目3、 “虛擬試驗(yàn)技術(shù)”校級(jí)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目虛擬示波器系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)和專用軟件組成，其中，

5、數(shù)據(jù)采集卡主要包括：信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換模塊、CPLD時(shí)序邏輯控制、FIFO緩沖、USB接口。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1。信號(hào)調(diào)理電路主要負(fù)責(zé)信號(hào)的濾波、放大和阻抗匹配；A/D模塊主要對(duì)經(jīng)過(guò)調(diào)理后的信號(hào)進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)信號(hào)數(shù)字化；CPLD時(shí)序控制主要為A/D轉(zhuǎn)換和FIFO緩沖提供時(shí)序信號(hào)完成A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)；USB接口實(shí)現(xiàn)與PC間的通訊，把采集的數(shù)據(jù)送給PC處理和接收PC發(fā)來(lái)的控制信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的處理。圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)2.1系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)根據(jù)系統(tǒng)總體框圖選擇元器件。A/D轉(zhuǎn)換選擇美國(guó)德州儀器（TI）公司生產(chǎn)的位半閃速結(jié)構(gòu)模數(shù)轉(zhuǎn)換器TLC5510。CPLD選擇ALTERA公司MAX700

6、0系列EPM7064 CPLD，具有高性能低功耗CMOS EEPROM技術(shù)、遵循PCI規(guī)范、內(nèi)嵌JTAGBST電路、標(biāo)準(zhǔn)ISP特性、5ns pin to pin延時(shí)，最高頻率175.4 MHz、I/O接口支持5V、3.3V和2.5V等多種電平的特點(diǎn)。USB接口選擇Cypress公司的EZ-USB系列的AN2131QC，它支持12Mb/s的全速傳輸，可使用4種USB傳輸協(xié)議方式：控制傳輸、中斷傳輸、塊傳輸和同步傳輸，完全兼容USB1.1協(xié)議，AN2131QC主要包括USB收發(fā)器、Ancher Core、增強(qiáng)型8051、8KB RAM、2KB 的FIFO存儲(chǔ)器、24個(gè)I/O口、8位數(shù)據(jù)總線、16位

7、總線和I2C接口。系統(tǒng)的電路如圖2。該系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)：1A 、B 雙通道工作模式 2+/- 10V 的雙極性輸入圖2 系統(tǒng)硬件電路原理圖3最高采樣率為1MSPS450阻抗匹配3 USB驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)3.1 WDM驅(qū)動(dòng)程序的組成WDM（Windows Driver Mode，Windows驅(qū)動(dòng)模型）基本組成包括以下5個(gè)例程。（1）驅(qū)動(dòng)程序入口例程：處理驅(qū)動(dòng)程序的初始化。（2）即插即用例程：處理PnP設(shè)備的添加、刪除和停止。（3）分發(fā)例程：處理用戶應(yīng)用程序發(fā)出的各種I/O請(qǐng)求。（4）電源管理例程：處理電源管理請(qǐng)求。（5）卸載例程：處理驅(qū)動(dòng)程序的卸載。 3.2 USB驅(qū)動(dòng)的開發(fā)編寫USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序

8、所需的開發(fā)環(huán)境，主要包括：DDK、BUILD工具和Visual C+開發(fā)環(huán)境設(shè)置。DDK是Microsoft公司提供的驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)包，它是開發(fā)驅(qū)動(dòng)程序所必須的軟件，在WindowsXP下使用的是WinXP DDK。在DDK安裝完畢后，其文件下的bin目錄下包含一些可執(zhí)行文件，如Build.exe（用于創(chuàng)建驅(qū)動(dòng)程）、Setenv.bat（用于設(shè)置驅(qū)動(dòng)程序的構(gòu)造環(huán)境）。Visual C+ 開發(fā)環(huán)境需要進(jìn)行一些設(shè)置以使其能直接編譯、連接設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的源代碼。主要是以下幾個(gè)地方需要修改。（1）把DDK的bin目錄添加到的可執(zhí)行文件目錄列表中。（2）創(chuàng)建一個(gè)Make file 項(xiàng)目，按表1 設(shè)置“Win

9、32 Release”選項(xiàng)，相應(yīng)的設(shè)置“Win32 Debug”。表1 自由構(gòu)造環(huán)境設(shè)置（Win32 Release）名稱取值Build command lineDrvBuild%DDKPTH%d:d:usbdriver freeRebuild all options-nmake/aOutput file nameUsbdrive.sysBrowse info file nameObjchki386usbdriver.bsc(Win2000/XP)（3）選“BUILDCONFIGURATIONS”菜單，單擊“ADD”按鈕，在新窗口中的“CONFIGURATION”中設(shè)置輸入配置名字： 分別為“

10、Free” 或“Checked”；其對(duì)應(yīng)為“Copy setting from”分別為“xxx-Win32 Relesse”和“xxx-Win32 Debug”，然后把兩個(gè)“xxx-Win32 Relesse”和“xxx-Win32 Debug”刪除即可。USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序框架包含了驅(qū)動(dòng)程序頭文件、入口例程和卸載例程即插即用例程、電源管理例程、資源管理頭文件、版本資源信息等?？梢栽诖嘶A(chǔ)上添加自己所需的一些分發(fā)例程即可。也可采用Cypress公司提供的標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)程序來(lái)完成USB的驅(qū)動(dòng)開發(fā)。在正確安裝了USB驅(qū)動(dòng)后可以在設(shè)備管理器中看到USB設(shè)備。上電復(fù)位初始化變量調(diào)用TD-Init()使用中斷是

11、否接收到SETUP包延時(shí)1S，重舉例調(diào)用TD-POLL（）是否接收到SETUP包執(zhí)行設(shè)備請(qǐng)求USB總線空閑標(biāo)志是否有效掛起處理器調(diào)用TD-Resume ()調(diào)用TD-Suspend()YNYNNY4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 4.1 EZ-USB固件程序設(shè)計(jì)固件共包含8個(gè)程序文件：main.c、function.c、delayms.a51、decrptr.a51、jmptable.a51、testheader.h、testregs.h和testregsl.inc。其中，頭文件testregs.h和testregs.inc對(duì)AN2131中的各種寄存器進(jìn)行定義；testheader.h定義通用的EZ-USB常

12、量、數(shù)據(jù)類型和宏；dscrprt.a51定義系統(tǒng)所使用的各種USB描述符；delayms.a51中包含延時(shí)1ms子程序和芯片掛起處理子程序；jmptable.a51文件定義EZ-USB的INT2中斷跳轉(zhuǎn)表；main.c是固件運(yùn)行的主程序文件，負(fù)責(zé)處理各種USB設(shè)備請(qǐng)求；function.c包含各種功能函數(shù)的定義，用于完成系統(tǒng)的主要功能，如處理USB同步傳輸?shù)?。main.c是固件運(yùn)行的主程序文件，負(fù)責(zé)處理主機(jī)發(fā)出的各種USB設(shè)備請(qǐng)求。實(shí)現(xiàn)流程如下所示，該程序首先初始化所有的內(nèi)部狀態(tài)變量，然后調(diào)用TD_Init（以前綴”TD_”開頭的函數(shù)均在function.c文件中定義）用戶函數(shù)進(jìn)行初始化，并打

13、開中斷，最后固件程序開始列舉USB設(shè)備，直至在端點(diǎn)上接收到SETUP令牌包時(shí)為止。一接收到SETUP令牌包，其將重復(fù)執(zhí)行下面的任務(wù)分配過(guò)程。(1)調(diào)用函數(shù)TD_poll，以完成用戶指定的任務(wù)。(2)判斷是否有USB設(shè)備請(qǐng)求(SETUP令牌包)。如果有則調(diào)用parseControlTransfer函數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的處理；如果沒(méi)有，則繼續(xù)向下執(zhí)行。(3)檢測(cè)USB總路線是否空閑。如果空閑，則調(diào)用程序TD_Suspend，以交由用戶處理。在TD_Suspend返回真值后，它將調(diào)用EZUSB_Susp函數(shù)(在delayms.a51文件中定義)，以使8051處于空閑狀態(tài)。這時(shí)，只有USB總路線活動(dòng)或芯片WA

14、KAEUP#管腳活動(dòng)，才可能將8051重新激活。(4)8051被激活后，固件程序?qū)⑹紫日{(diào)用EZUSB_Resume函數(shù)，以使用8051從空閑狀態(tài)中恢復(fù)出來(lái)，然后再調(diào)用TD_Resume函數(shù)來(lái)處理用戶指令。主程序流程圖如圖3。圖3 主程序流程圖4.2 Labwindows/CVI 人機(jī)界面設(shè)計(jì)人機(jī)界面主要功能是模擬傳統(tǒng)示波器，實(shí)現(xiàn)波形顯示，滿足不同需要的分析功能以及對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件的參數(shù)設(shè)定。采用 NI公司的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺(tái)Labwindows/CVI可以充分發(fā)揮虛擬儀器的靈活性。LabWindows/CVI開發(fā)的應(yīng)用程序如果要與 AN2131Q通過(guò) USB接口通訊，必須另外開發(fā)連接 DL

15、L。應(yīng)用程序調(diào)用連接DLL與AN2131Q通訊，取得AN2131Q上傳的數(shù)據(jù)包后把數(shù)據(jù)包拆包，這樣才能獲得采樣數(shù)據(jù)。因此，開發(fā)上層應(yīng)用軟件的首要工作是動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的開發(fā)，動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)采用VC+6.0 進(jìn)行開發(fā)。 PC端應(yīng)用程序是虛擬示波器控制軟件的最上層，虛擬示波器用戶控制面板具有界面友好、操作直觀等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)面板上的各種控件便可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、再現(xiàn)及分析等功能。人機(jī)界面如圖4。圖4 人機(jī)界面5 結(jié)束語(yǔ)隨著 USB20標(biāo)準(zhǔn)的提出，USB的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，已經(jīng)涉及到幾乎所有計(jì)算機(jī)外設(shè)。USB 的特點(diǎn)為解決當(dāng)前虛擬儀器的一些問(wèn)題提供了一個(gè)新思路。本文是將 USB接口引入虛擬儀器、儀表系統(tǒng)的一次探索性研究。參考文獻(xiàn)1 李英偉.USB2.0原理與工程開發(fā)（第二版）M.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，20072 王輝.MAX+pus和Quartus應(yīng)用與開發(fā)技巧M.北京：機(jī)