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      測試總線在近幾十年發(fā)展非常迅速：從早期的通用接口總線GPIB到近期的VXI、外圍設(shè)備接口總線(Peripheral Component Interconnection，PCI)、PXI、IEEE1394、通用串行(Universal Serial Bus，USB)測試總線。其中PXI總線是一代的測試總線技術(shù)，是PCI總線在測試領(lǐng)域的擴展(PCI eXtensions for Instruments)，于1997年被美國NI公司提出，并于次年被采用為工業(yè)標準。PXI總線可簡單地認為是 MicorosoftWindows、Compact PCI(CPCI)和VXI技術(shù)的綜合：機械規(guī)范方面采用CPCI的核心技術(shù)，即歐式插卡機械機構(gòu)和氣密式針孔接頭，特別適用于惡劣的工業(yè)環(huán)境；電氣規(guī)范方面在保持了PCI/CPCI總線所有優(yōu)點的前提下增加了專門的系統(tǒng)參考時鐘、觸發(fā)總線、星形觸發(fā)總線和模塊間的局部總線，以此來滿足高精度的定時、同步與數(shù)據(jù)通信要求；軟件規(guī)范方面也與PCI/CPCI一致，核心是Microsoft公司的Windows操作系統(tǒng)，所以PXI系統(tǒng)與PC兼容，方便選擇很多現(xiàn)成的應(yīng)用軟件開發(fā)工具。PXI總線系統(tǒng)將PC機性能價格的優(yōu)勢、CPCI的機械性能和VXI易于系統(tǒng)集成化等優(yōu)點集合了起來，所以是當今發(fā)展的總線技術(shù)。迄今為止，已經(jīng)有美國NI等數(shù)十家公司推出PXI(CPCI)模塊上千種。基于此，本文采用PXI總線，利用現(xiàn)有的PXI工控機及高速數(shù)據(jù)采集板，設(shè)計了基于PXI總線的虛擬數(shù)字存儲示波器軟件。

     基于PXI總線的數(shù)字示波器硬件與軟件結(jié)構(gòu)

     硬件結(jié)構(gòu)
     數(shù)字示波器硬件即通常說的數(shù)據(jù)采集板，其原理框圖如圖1所示(圖中省略電源和時鐘部分)：雙通道被測信號經(jīng)過模擬信號調(diào)理通道送入高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器，所得數(shù)字數(shù)據(jù)先送入2個先入先出(First In First Out，F(xiàn)IFO)緩存再送給本地總現(xiàn)最后由接口芯片PCI9030送入PXI機箱中。硬件的控制和狀態(tài)讀取需要根據(jù)用戶指令由相應(yīng)的軟件完成，送入 PXI工控機的數(shù)據(jù)也要由軟件進行處理，最后得到顯示波形和測量結(jié)果。

圖1     PXI數(shù)據(jù)采集板原理框圖

        軟件構(gòu)成
        Windows 系統(tǒng)為了保證系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性和可移植性，對系統(tǒng)底層操作采取了屏蔽的措施，利用設(shè)備驅(qū)動程序?qū)⒂布c用戶隔開。所以，軟件分為兩部分：底層設(shè)備驅(qū)動程序、高層應(yīng)用軟件。設(shè)備驅(qū)動程序從廣義上來講是指直接操作硬件的一組函數(shù)，完成硬件控制和數(shù)據(jù)采集。驅(qū)動程序在裝入后成為操作系統(tǒng)內(nèi)核的一部分。高層應(yīng)用軟件可以認為是虛擬示波器用戶態(tài)程序，將用戶界面，即面板上各種開關(guān)、按鈕等控件以及波形、測量數(shù)據(jù)結(jié)果顯示區(qū)和數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析聯(lián)系在一起。當用戶在界面上發(fā)出一定的命令后，應(yīng)用程序首先調(diào)用應(yīng)用程序接口(Application Programming Interface，API)函數(shù)，相關(guān)的系統(tǒng)服務(wù)將調(diào)用內(nèi)核模式的驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)API，將命令信息轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)采集板認識的數(shù)據(jù)格式，按照數(shù)據(jù)采集板的物理地址送到底層硬件。同時數(shù)據(jù)采集板采集到的數(shù)據(jù)和底層硬件的各種狀態(tài)信息也通過API傳送給應(yīng)用程序做顯示和控制用。

        驅(qū)動程序開發(fā)
      
         Windows 驅(qū)動程序編制可以采用Windows設(shè)備驅(qū)動程序開發(fā)包(Device Drivers Kit，DDK)，但需要程序員了解復雜的操作系統(tǒng)內(nèi)核。簡捷的方法是利用KRFTech公司的設(shè)備驅(qū)動程序開發(fā)工具WinDriver。 WinDriver是主要用于編寫針對ISA/PCI插卡和USB等硬件設(shè)備驅(qū)動程序的工具包。對于硬件的訪問，應(yīng)用程序從WinDriver用戶模式庫調(diào)用WinDriver的功能接口，再由這個功能調(diào)用WinDriver的內(nèi)核模塊，即WinDriver自身提供的的驅(qū)動程序 WinDriver.vxd和WinDriver.sys去完成硬件的訪問。

        分析數(shù)據(jù)采集板，知道驅(qū)動程序要完成的基本功能包括設(shè)備初始化、對I/O和內(nèi)存的讀寫、直接存儲器存取(Direct Memory Access，DMA)以及中斷等操作。首先利用WinDriver完成對硬件的診斷操作，獲得數(shù)據(jù)采集板硬件參數(shù)，如端口地址范圍、I/O方式、存儲器地址、內(nèi)存映射方式、中斷號等。然后再根據(jù)硬件的這些參數(shù)生成一些源代碼和框架函數(shù)，如：
SHBK_HANDLE SHBK_LocateAndOpenBoard(DWORD dwVendorID，DWORD dwDeviceID，BOOL
fUseInt)//定位并開啟數(shù)據(jù)采集板；
void SHBK_EnableDisableInterrupts(SHBK_HANDLE hSHBK)//定義開啟或終止中斷；
DWORD SHBK_ReadPCIReg(SHBK_HANDLE hSHBK, DWORD dwReg)//讀配置寄存器；
BYTE SHBK_ReadByte (SHBK_HANDLE hSHBK, SHBK_ADDR addrSpace, DWORD dwOffset)//讀出某內(nèi)存1字節(jié)內(nèi)容，該內(nèi)存地址為基地址加偏移量dwOffset；
void SHBK_WriteByte (SHBK_HANDLE hSHBK, SHBK_ADDR addrSpace, DWORD dwOffset, BYTE
data)//向內(nèi)存寫內(nèi)容為data的1字節(jié)數(shù)據(jù)。
       
         限于篇幅，只是舉例給出了小部分函數(shù)，所有函數(shù)都未給出具體的實現(xiàn)代碼。利用所有這些框架函數(shù)可以對硬件直接進行操作，為方便多個功能均要引用它們，將其封裝在一個動態(tài)連接庫(Down-Line Load，DLL)中，再根據(jù)實際的硬件設(shè)計進行調(diào)用，通過對內(nèi)存和IO進行具體讀寫操作，編制對數(shù)據(jù)采集板硬件進行操作的功能函數(shù)，這些功能函數(shù)也被封裝在此DLL中，供給高層應(yīng)用軟件調(diào)用。

        虛擬數(shù)字示波器應(yīng)用軟件設(shè)計

        LabWindows/CVI 是NI公司開發(fā)的基于C語言的軟件開發(fā)平臺，選用LabWindows/CVI用于虛擬示波器開發(fā)主要是基于LabWindows/CVI適用于各種測試、控制、故障分析及信息處理軟件的開發(fā)，尤其是大型、復雜的測試軟件，使用LabWindows/CVI開發(fā)可獲得優(yōu)良的測試性能[3]。為方便用戶，設(shè)計的示波器面板使用方式與通用示波器無異，所有操作都與通用示波器類似，如圖2所示，它包含如下內(nèi)容：
(1) 控制設(shè)置區(qū)：可由用戶控制相應(yīng)控件設(shè)置時基、量程、測量通道、觸發(fā)方式、觸發(fā)極性、觸發(fā)電平、觸發(fā)位置、觸發(fā)通道、耦合方式和是否平滑和反相顯示波形，另外還專門有一個自動設(shè)置按鈕，按下此按鈕，軟件將自動為用戶設(shè)定合適的以上參數(shù)。
(2) 波形顯示區(qū)：軟面板左上部分按照標準示波器顯示規(guī)范，橫向分為10格，縱向分為8格；有可移動的兩個光標，可供用戶在波形顯示區(qū)任意拖動。

圖2  示波器面板

(3) 光標及測量結(jié)果顯示區(qū)：分別可顯示光標1、2位置，光標相對位置及相應(yīng)的時間/幅度差值。另外，還顯示出所測量信號的周期、頻率、峰峰值、有效值和平均值5個量值。

         整個系統(tǒng)軟件總體模塊如圖3所示，主要包括：初始化模塊、結(jié)束程序模塊、控件消息處理模塊、波形數(shù)據(jù)采集處理顯示模塊、光標及測量結(jié)果顯示模塊。其中后兩部分軟件模塊嚴格說來也屬于一種特殊控件的消息處理。在CVI中有一類特殊控件稱為定時器(Timer)，它在用戶界面上是隱藏的，根據(jù)預(yù)先設(shè)置的時間間隔不斷產(chǎn)生消息，利用其消息回調(diào)函數(shù)處理需要重復執(zhí)行的代碼。波形采集處理顯示程序和數(shù)據(jù)顯示程序分別為20 ms和1.2 s周期循環(huán)執(zhí)行。在執(zhí)行這兩部分循環(huán)程序的同時，如果示波器面板上有控件被操作，應(yīng)用程序?qū)⒃趦纱窝h(huán)中間處理控件消息，如需要還將調(diào)用底層驅(qū)動程序?qū)τ布M行相應(yīng)的設(shè)置，例如用戶通過鼠標改變量程控件檔位時，對該控件消息的處理是根據(jù)改變后的量程檔位設(shè)置數(shù)據(jù)采集板上模擬調(diào)理通道上相應(yīng)的衰減率。初始化模塊包括定位和開啟數(shù)據(jù)采集板、初始化用戶界面和設(shè)置相應(yīng)初始硬件參數(shù)，然后可開始采集數(shù)據(jù)。另外，軟面板右下角有一個特殊按鍵“退出程序”，按下它則結(jié)束上述循環(huán)，退出應(yīng)用程序。

圖3 程序總框圖

      要完成如圖2所示示波器功能，最終顯示波形和數(shù)據(jù)，波形數(shù)據(jù)采集處理和顯示是最重要的過程。當面板上“RUN/STOP”鍵狀態(tài)為“RUN”后，調(diào)用驅(qū)動程序開始數(shù)據(jù)采集過程，首先要根據(jù)觸發(fā)通道的不同和觸發(fā)方式的不同，選取不同的數(shù)據(jù)采集方式，同時根據(jù)用戶設(shè)置的觸發(fā)電平和觸發(fā)位置的不同也應(yīng)該選擇采集不同時間段的被測數(shù)據(jù)。得到的數(shù)據(jù)在送做顯示之前，采集回來的波形數(shù)據(jù)根據(jù)需要可能還要經(jīng)過一定的處理，如平滑、插值、防抖等。由于示波器的數(shù)字存儲功能、實時采樣特點，以及其單次觸發(fā)、滾動顯示、自動時基量程、波形停留、自動光標測量等特點，決定了此部分程序模塊時序復雜、分支龐多，是設(shè)計和調(diào)試的重點。

     結(jié)束語

      本文所述虛擬數(shù)字存儲示波器技術(shù)已運用在某自動測試系統(tǒng)中，其實現(xiàn)的示波器可雙通道同時工作于100MHz采樣頻率，檢測輸入范圍在10 mV～100V的信號(靈敏度為10mV)。該自動測試系統(tǒng)基于測試領(lǐng)域的PXI總線技術(shù)，體積小巧、使用方便，抗干擾能力強，能滿足研究所、基地維修中心等需要。