基于USB接口的虛擬示波器的開發(fā)實(shí)現(xiàn)

為了克服虛擬示波器應(yīng)用中的一些缺點(diǎn)，在虛擬示波器中采用了一種新的總線接口標(biāo)準(zhǔn)——USB接口。主要介紹了基于USB的虛擬示波器的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，著重說明了系統(tǒng)整體設(shè)計、外插硬件設(shè)計、USB驅(qū)動軟件設(shè)計和客戶應(yīng)用軟件設(shè)計。
??? 關(guān)鍵詞：虛擬示波器，USB，Windows驅(qū)動模型，快速傅里葉變換

1　系統(tǒng)總體設(shè)計
　　USB規(guī)范中將USB分為5個部分：控制器、控制器驅(qū)動程序、USB芯片驅(qū)動程序、USB設(shè)備以及針對不同USB設(shè)備的客戶驅(qū)動程序。根據(jù)設(shè)備對系統(tǒng)資源需求的不同，在USB規(guī)范中規(guī)定了四種不同的數(shù)據(jù)傳輸方式：等時傳輸方式（isochronous）、中斷傳輸方式（interrupt）、控制傳輸方式（control）和批（bulk）傳輸方式。這些傳輸方式各有特點(diǎn)，分別用于不同的場所。USB需要主機(jī)硬件、操作系統(tǒng)和外設(shè)三個方面的支持才能工作。目前，主板一般都采用支持USB功能的控制芯片組，而且也安裝了USB接口插座。根據(jù)USB規(guī)范，整個虛擬示波器系統(tǒng)的設(shè)計分為主機(jī)軟件部分和外插硬件部分（見圖1）。

　　本虛擬示波器的開發(fā)將三種實(shí)用儀器儀表的功能集于一體。（1）雙通道寬帶示波器功能：波形實(shí)時顯示與運(yùn)算，波形存儲打印，頻譜分析等。（2）數(shù)字／表針雙顯高精度萬用表功能：電壓測量，電流測量，電阻測量等。（3）高精度可自定義信號發(fā)生器功能：三角波發(fā)生，正弦波發(fā)生，方波發(fā)生，自定義波形發(fā)生等。
2　系統(tǒng)外插硬件設(shè)計
??? 系統(tǒng)外插硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)見圖2。本系統(tǒng)的外插硬件中采用Philips公司的PDIUSBD12全速USB接口芯片組成USB接口單元。PDIUSBD12芯片詳細(xì)資料可查看Philips公司網(wǎng)站www．philips．com。模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片采用MAX公司最新的AD芯片MAX108?？刂茊卧捎肁T908515單片機(jī)作為控制器，控制整個硬件部分的協(xié)調(diào)工作。兩路被測信號可同時進(jìn)入雙路AD單元，模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號經(jīng)過信號預(yù)處理單元，對信號作初步的處理并將信號轉(zhuǎn)變?yōu)楸阌诖鎯Φ臄?shù)據(jù)形式。此后，將數(shù)據(jù)送入高速緩存，等待USB接口單元逐步輸入主機(jī)。而系統(tǒng)輸出信號的路徑相反，最后由DA單元轉(zhuǎn)變?yōu)橛脩舳x輸出的模擬信號?？刂茊卧刂艫D和DA轉(zhuǎn)換的啟動停止、信號預(yù)處理單元的處理動作、高速緩存的存取以及協(xié)助USB接口單元的輸入輸出。 3　USB驅(qū)動程序設(shè)計
　　本USB驅(qū)動程序采用等時管道傳輸數(shù)據(jù)，用控制管道來傳輸指令與信息。用等時管道可以實(shí)現(xiàn)主機(jī)和設(shè)備之間有規(guī)律的時間敏感性數(shù)據(jù)交換?？偩€驅(qū)動程序?qū)⑹褂?0％的總線帶寬進(jìn)行等時和中斷傳輸?！　〈蜷_一個USB管道，首先要知道這種USB設(shè)備的GUID和管道名稱，獲取句柄以后就可以使用ReadFile／WriteFile進(jìn)行讀寫了。
　　USB驅(qū)動程序符合WDM（Windows驅(qū)動模型），本驅(qū)動程序采用微軟公司的DDK2000開發(fā)，使用平臺為Windows2000。鑒于篇幅原因，此處僅提供USB驅(qū)動程序主入口例程的設(shè)計。
　　WDM驅(qū)動程序的主入口例程為DriverEntry例程，I／O管理器將調(diào)用該例程。對于本W(wǎng)DM驅(qū)動程序的DriverEntry例程，其主要工作是把各種函數(shù)指針填入驅(qū)動程序?qū)ο蟆＿@些指針為操作系統(tǒng)指明了驅(qū)動程序庫中各種子例程的位置。它們包括下面這些指針成員（驅(qū)動程序?qū)ο笾校?br>　?。?）DriverUnload指向驅(qū)動程序的清除例程。I／O管理器會在卸載驅(qū)動程序前調(diào)用該例程。
　　（2）DriverExtension→AddDevice指向驅(qū)動程序的AddDevice函數(shù)。PnP管理器將為每個硬件實(shí)例調(diào)用一次AddDevice例程。
　　（3）DriverStartIo驅(qū)動程序使用標(biāo)準(zhǔn)的IRP（interrupt request package，中斷請求包）排隊。
　　（4）MajorFunction驅(qū)動程序可能需要處理幾種類型的IRP，所以，應(yīng)該設(shè)置與那幾種IRP類型相對應(yīng)的指針元素，使它們指向相應(yīng)的派遣函數(shù)。根據(jù)虛擬儀器系統(tǒng)的實(shí)際要求，本驅(qū)動程序所要處理的主功能IRP有：
IRP-MJ-CREATE；IRP-MJ-CLOSE；
IRP-MJ-DEVICE-CONTR;IRP-MJ-WRITE;
IRP-MJ-READ;IRP-MJ-SYSTEM-CONTROL;
IRP-MJ-PNP;IRP-MJ-POWER。
　　在主入口例程中，必須設(shè)置和這些IRP類型相對應(yīng)的指針元素，使它們指向相應(yīng)的派遣函數(shù)。
4　客戶服務(wù)軟件設(shè)計
　　整個客戶服務(wù)軟件使用VC＋＋編寫，分以下幾個主要模塊設(shè)計。
4．1　驅(qū)動層與應(yīng)用層通信模塊
　　如果通信功能塊直接放在應(yīng)用程序主線程中實(shí)現(xiàn)，那么，當(dāng)應(yīng)用程序與驅(qū)動程序進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時，主界面就會凍結(jié)。為了解決這個問題，我們直接創(chuàng)建一個子線程來單獨(dú)完成與驅(qū)動程序的通信任務(wù)，讓主界面專心于響應(yīng)視窗界面的訊息。在子線程中通過調(diào)用Windows API函數(shù)來實(shí)現(xiàn)對USB設(shè)備進(jìn)行IO操作。其中，DeviceIoControl（）函數(shù)用于傳送設(shè)備配置信息；CreateFile（）用于創(chuàng)建設(shè)備對象；WriteFile（）和ReadFile（）用于對USB設(shè)備讀寫數(shù)據(jù)。
4．2　控制面板模塊
　　在客戶服務(wù)界面上我們創(chuàng)建了RUN、STOP、SINGLE、頻譜分析、LOAD和SAVE6個主控功能按鈕，來實(shí)現(xiàn)其主要控制功能。這一部分設(shè)計系統(tǒng)完成啟動、停止、單步、存儲和裝入數(shù)據(jù)文件等等控制功能。
4．3　波形實(shí)時顯示模塊
　　對顯示窗口按用戶習(xí)慣進(jìn)行定制，并且按控制面板的指定參數(shù)來顯示波形、刷新波形和對波形進(jìn)行一定的運(yùn)算。
4．4　FFT模塊
　　利用快速傅里葉變換（FFT）進(jìn)行頻譜分析。本軟件中頻譜分析采用按時間抽取FFT算法，然后將幅值頻譜分析和相位頻譜分析結(jié)果在用戶界面上以坐標(biāo)曲線形式顯示。
4．5　其它模塊
　　包括波形存取、打印、重放，以及數(shù)字／表針雙顯高精度萬用表和高精度可自定義信號發(fā)生器功能模塊。
5　結(jié)束語
　　隨著USB2．0標(biāo)準(zhǔn)的提出，USB的應(yīng)用范圍越來越廣，已經(jīng)涉及到幾乎所有計算機(jī)外設(shè)。USB的特點(diǎn)為解決當(dāng)前虛擬儀器的一些問題提供了新思路。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。