基于VC6. 0 的USB 型虛擬示波器設計與實現

1、黃石理工學院學報基于VC6.0的USB型虛擬示波器設計與實現張坤 沈華東 尹念東（黃石理工學院機電工程學院，湖北 黃石 435003）摘 要：以8位A/D轉換器TLC5510、邏輯控制芯片EPM7064、USB接口芯片AN2131QC為核心，以計算機系統(tǒng)為硬件平臺，以Labwindows/CVI和VC為開發(fā)工具，設計并制作一種USB型虛擬示波器。系統(tǒng)由數據采集、數據分析處理、數據輸出與顯示三部分組成。關鍵詞：虛擬示波器；Labwindows/CVI；USB；中圖分類號：TM935.37 文獻標識碼：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調理電路A/D轉換FIFO緩沖USB接口PC處理與顯示被測信號CPLD時序控制1引言虛擬儀器是利用現有的PC計算機、加上特殊設計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，用Labwindows/CVI及Visual C+6.0編程的虛擬示波器試驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)集波形采集、數據分析、輸出、顯示為一體。2 系統(tǒng)總體框圖1、 湖北省自然科學基金項目（編號2007ABA403）2、 湖北省重點學科“機械電子工程”資助項目3、 “虛擬試驗技術”校級創(chuàng)新團隊項目虛擬示波器系統(tǒng)主要由數據采集卡、計算機和專用軟件組成，其中，

5、數據采集卡主要包括：信號調理電路、A/D轉換模塊、CPLD時序邏輯控制、FIFO緩沖、USB接口。系統(tǒng)的結構框圖如圖1。信號調理電路主要負責信號的濾波、放大和阻抗匹配；A/D模塊主要對經過調理后的信號進行模/數轉換實現信號數字化；CPLD時序控制主要為A/D轉換和FIFO緩沖提供時序信號完成A/D轉換和數據的存儲；USB接口實現與PC間的通訊，把采集的數據送給PC處理和接收PC發(fā)來的控制信號進行相應的處理。圖1 系統(tǒng)總體結構2.1系統(tǒng)硬件電路設計根據系統(tǒng)總體框圖選擇元器件。A/D轉換選擇美國德州儀器（TI）公司生產的位半閃速結構模數轉換器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、遵循PCI規(guī)范、內嵌JTAGBST電路、標準ISP特性、5ns pin to pin延時，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。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協議，AN2131QC主要包括USB收發(fā)器、Ancher Core、增強型8051、8KB RAM、2KB 的FIFO存儲器、24個I/O口、8位數據總線、16位

7、總線和I2C接口。系統(tǒng)的電路如圖2。該系統(tǒng)的主要技術指標：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驅動的設計3.1 WDM驅動程序的組成WDM（Windows Driver Mode，Windows驅動模型）基本組成包括以下5個例程。（1）驅動程序入口例程：處理驅動程序的初始化。（2）即插即用例程：處理PnP設備的添加、刪除和停止。（3）分發(fā)例程：處理用戶應用程序發(fā)出的各種I/O請求。（4）電源管理例程：處理電源管理請求。（5）卸載例程：處理驅動程序的卸載。 3.2 USB驅動的開發(fā)編寫USB設備驅動程序

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)境設置。DDK是Microsoft公司提供的驅動程序開發(fā)包，它是開發(fā)驅動程序所必須的軟件，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)建驅動程）、Setenv.bat（用于設置驅動程序的構造環(huán)境）。Visual C+ 開發(fā)環(huán)境需要進行一些設置以使其能直接編譯、連接設備驅動程序的源代碼。主要是以下幾個地方需要修改。（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Make file 項目，按表1 設置“Win

9、32 Release”選項，相應的設置“Win32 Debug”。表1 自由構造環(huán)境設置（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”中設置輸入配置名字： 分別為“

10、Free” 或“Checked”；其對應為“Copy setting from”分別為“xxx-Win32 Relesse”和“xxx-Win32 Debug”，然后把兩個“xxx-Win32 Relesse”和“xxx-Win32 Debug”刪除即可。USB設備驅動程序框架包含了驅動程序頭文件、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公司提供的標準驅動程序來完成USB的驅動開發(fā)。在正確安裝了USB驅動后可以在設備管理器中看到USB設備。上電復位初始化變量調用TD-Init()使用中斷是

11、否接收到SETUP包延時1S，重舉例調用TD-POLL（）是否接收到SETUP包執(zhí)行設備請求USB總線空閑標志是否有效掛起處理器調用TD-Resume ()調用TD-Suspend()YNYNNY4 系統(tǒng)軟件設計 4.1 EZ-USB固件程序設計固件共包含8個程序文件：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AN2131中的各種寄存器進行定義；testheader.h定義通用的EZ-USB常

12、量、數據類型和宏；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中斷跳轉表；main.c是固件運行的主程序文件，負責處理各種USB設備請求；function.c包含各種功能函數的定義，用于完成系統(tǒng)的主要功能，如處理USB同步傳輸等。main.c是固件運行的主程序文件，負責處理主機發(fā)出的各種USB設備請求。實現流程如下所示，該程序首先初始化所有的內部狀態(tài)變量，然后調用TD_Init（以前綴”TD_”開頭的函數均在function.c文件中定義）用戶函數進行初始化，并打

13、開中斷，最后固件程序開始列舉USB設備，直至在端點上接收到SETUP令牌包時為止。一接收到SETUP令牌包，其將重復執(zhí)行下面的任務分配過程。(1)調用函數TD_poll，以完成用戶指定的任務。(2)判斷是否有USB設備請求(SETUP令牌包)。如果有則調用parseControlTransfer函數進行相應的處理；如果沒有，則繼續(xù)向下執(zhí)行。(3)檢測USB總路線是否空閑。如果空閑，則調用程序TD_Suspend，以交由用戶處理。在TD_Suspend返回真值后，它將調用EZUSB_Susp函數(在delayms.a51文件中定義)，以使8051處于空閑狀態(tài)。這時，只有USB總路線活動或芯片WA

14、KAEUP#管腳活動，才可能將8051重新激活。(4)8051被激活后，固件程序將首先調用EZUSB_Resume函數，以使用8051從空閑狀態(tài)中恢復出來，然后再調用TD_Resume函數來處理用戶指令。主程序流程圖如圖3。圖3 主程序流程圖4.2 Labwindows/CVI 人機界面設計人機界面主要功能是模擬傳統(tǒng)示波器，實現波形顯示，滿足不同需要的分析功能以及對數據采集系統(tǒng)硬件的參數設定。采用 NI公司的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺Labwindows/CVI可以充分發(fā)揮虛擬儀器的靈活性。LabWindows/CVI開發(fā)的應用程序如果要與 AN2131Q通過 USB接口通訊，必須另外開發(fā)連接 DL

15、L。應用程序調用連接DLL與AN2131Q通訊，取得AN2131Q上傳的數據包后把數據包拆包，這樣才能獲得采樣數據。因此，開發(fā)上層應用軟件的首要工作是動態(tài)鏈接庫的開發(fā)，動態(tài)鏈接庫采用VC+6.0 進行開發(fā)。 PC端應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，通過面板上的各種控件便可實現數據的采集、存儲、再現及分析等功能。人機界面如圖4。圖4 人機界面5 結束語隨著 USB20標準的提出，USB的應用范圍越來越廣，已經涉及到幾乎所有計算機外設。USB 的特點為解決當前虛擬儀器的一些問題提供了一個新思路。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1 李英偉.USB2.0原理與工程開發(fā)（第二版）M.北京：國防工業(yè)出版社，20072 王輝.MAX+pus和Quartus應用與開發(fā)技巧M.北京：機