基于USB接口的虛擬示波器的開發(fā)實(shí)現(xiàn)

　　摘要：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*優(yōu)點(diǎn)，著重說明了系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)、外插硬件設(shè)計(jì)、USB驅(qū)動(dòng)軟件設(shè)計(jì)和客戶應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)。
　　
　　1、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
　　
　　USB規(guī)范中將USB分為5個(gè)部分：控制器、控制器驅(qū)動(dòng)程序、USB芯片驅(qū)動(dòng)程序、USB設(shè)備以及針對(duì)不同USB設(shè)備的客戶驅(qū)動(dòng)程序。根據(jù)設(shè)備對(duì)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(shí)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(chǎng)所。USB需要主機(jī)硬件、操作系統(tǒng)和外設(shè)三個(gè)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(gè)虛擬示波器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(shí)顯示與運(yùn)算，波形存儲(chǔ)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(cè)量，電流測(cè)量，電阻測(cè)量等。（3）高精度可自定義信號(hào)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(jì)
　　
　　系統(tǒng)外插硬件設(shè)計(jì)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www．philips．com。模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片采用MAX公司的AD芯片MAX108。控制單元采用AT908515單片機(jī)作為控制器，控制整個(gè)硬件部分的協(xié)調(diào)工作。兩路被測(cè)信號(hào)可同時(shí)進(jìn)入雙路AD單元，模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過信號(hào)預(yù)處理單元，對(duì)信號(hào)作初步的處理并將信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楸阌诖鎯?chǔ)的數(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(hào)的路徑相反，zui后由DA單元轉(zhuǎn)變?yōu)橛脩舳x輸出的模擬信號(hào)。控制單元控制AD和DA轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)停止、信號(hào)預(yù)處理單元的處理動(dòng)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(dòng)程序設(shè)計(jì)
　　
　　本USB驅(qū)動(dòng)程序采用等時(shí)管道傳輸數(shù)據(jù)，用控制管道來傳輸指令與信息。用等時(shí)管道可以實(shí)現(xiàn)主機(jī)和設(shè)備之間有規(guī)律的時(shí)間敏感性數(shù)據(jù)交換。總線驅(qū)動(dòng)程序?qū)⑹褂?0％的總線帶寬進(jìn)行等時(shí)和中斷傳輸。打開一個(gè)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(dòng)程序符合WDM（Windows驅(qū)動(dòng)模型），本驅(qū)動(dòng)程序采用微軟公司的DDK2000開發(fā)，使用平臺(tái)為Windows2000。鑒于篇幅原因，此處僅提供USB驅(qū)動(dòng)程序主入口例程的設(shè)計(jì)。
　　
　　WDM驅(qū)動(dòng)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(duì)于本W(wǎng)DM驅(qū)動(dòng)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(dòng)程序?qū)ο蟆＿@些指針為操作系統(tǒng)指明了驅(qū)動(dòng)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(dòng)程序?qū)ο笾校?br />　　
　　（1）DriverUnload指向驅(qū)動(dòng)程序的清除例程。I／O管理器會(huì)在卸載驅(qū)動(dòng)程序前調(diào)用該例程。
　　
　　（2）DriverExtension→AddDevice指向驅(qū)動(dòng)程序的AddDevice函數(shù)。PnP管理器將為每個(gè)硬件實(shí)例調(diào)用一次AddDevice例程。
　　
　　（3）DriverStartIo驅(qū)動(dòng)程序使用標(biāo)準(zhǔn)的IRP（interruptrequestpackage，中斷請(qǐng)求包）排隊(duì)。
　　
　　（4）MajorFunction驅(qū)動(dòng)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(duì)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(dòng)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(duì)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(jì)
　　
　　整個(gè)客戶服務(wù)軟件使用VC＋＋編寫，分以下幾個(gè)主要模塊設(shè)計(jì)。
　　
　　4．1驅(qū)動(dòng)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(dòng)程序進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí)，主界面就會(huì)凍結(jié)。為了解決這個(gè)問題，我們直接創(chuàng)建一個(gè)子線程來單獨(dú)完成與驅(qū)動(dòng)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WindowsAPI函數(shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)象；WriteFile（）和ReadFile（）用于對(duì)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(gè)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(jì)系統(tǒng)完成啟動(dòng)、停止、單步、存儲(chǔ)和裝入數(shù)據(jù)文件等等控制功能。
　　
　　4．3波形實(shí)時(shí)顯示模塊
　　
　　對(duì)顯示窗口按用戶習(xí)慣進(jìn)行定制，并且按控制面板的參數(shù)來顯示波形、刷新波形和對(duì)波形進(jìn)行一定的運(yùn)算。
　　
　　4．4FFT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(shí)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(hào)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(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。