一种基于PC的低成本虚拟示波器外文翻译资料

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一种基于PC的低成本虚拟示波器

摘要

个人计算机（PC）与当今的测量和仪器仪表世界的整合为“虚拟仪器仪表”打开了大门。本文介绍了低成本，基于PC的虚拟数字示波器的开发。使用计算机并行端口的数据采集装置已经被制造为具有全模拟接口和具有相关控制逻辑和定时电路的8-b模数转换器。还开发了旨在管理获取过程和显示获取的信号的软件包。该器件被认为是一个简单的插入式板，可以集成到任何IBM PC并行端口，因此，在许多情况下，消除了多个昂贵的数字示波器的要求。该项目最初设计为本科论文，目前正用于实验室教学目的。该设备的特点使其适合作为教育资源，用于电气，电子，仪器仪表和计算机科学学院的本科生。

关键词：模数（A / D）转换，数据采集，数字示波器，并行端口，虚拟仪器。

一、简介

在今天的教育机构，特别是在电气工程和联合流中，数字示波器已经成为流行的信号采集和分析。由于其固有的高输入阻抗，数字示波器可用于高精度的模拟和数字电路分析。数字示波器与其模拟对应的阴极射线示波器相比，另一个吸引人的特性是数字示波器有效地存储数据用于后续分析^[1]。近来，数字存储示波器（DSO）已经实现了PC连接的附加功能，使得信号可以存储在PC中用于以后的分析^[2]。然而，随着特性的增加，这些示波器变得更昂贵，并且对于本科级新手学生来说更不方便。这些商用示波器的高级特性通常在普通本科实验室的低功率和低频率要求方面利用不足。此外，在从分析到数据表示到报告准备的任何实验室课程的几乎每一步中使用PC，促进了在很大程度上将结合数字示波器和PC的特征的设备的开发。该想法是开发一种低成本，经济实惠的插入式数据采集卡，可与任何通用PC和相关软件一起使用，并且可以使昂贵的DSO冗余用于基本信号分析目的。本文的主要贡献是提出集成系统与基于PC的数据采集硬件，软件和显示模块，并突出显示如何被用于本科实验室示范和教学目的。

二、基于PC的虚拟仪器

仪器工业正在稳步和快速地朝着虚拟仪器的方向发展。虚拟仪器以PC为中心，使用尽可能少的专用硬件将其链接到必须测量/控制的设备。该硬件通常是用于直接数字化信号或用于控制独立仪器的插件板。虚拟仪器因其灵活性，模块化和低成本而闻名。

Celma等人^[3]提出了适用于本科实验室的基于PC的频谱分析仪开发的想法。他们指出，鉴于本科实验室遇到的信号范围有限，这种数据采集系统的要求不是很高。Chickamenahalli等人^[4]提出了一个本科研究项目，涉及使用国家仪器的通用接口板的HP数字示波器到IBM PC的接口。Smith等人 ^[5]，[6]在他们的论文中描述了与打印机/绘图仪系统集成的简单DSO的设置，用于快速再现信号。然而，他们对涉及DSO，打印机/绘图仪和PC的这种方案的工作台空间要求持怀疑态度。这个发现导致了本文所描述的集成DSO-PC打印机系统的概念，一个对于大多数本科级实验室是足够的和可负担的。

通过并行端口的几个数据采集系统已经建立在过去^[7]，[9]与硬件和软件的各种组合。然而，这些作品没有得到全面报道，或者在发展方法上有太多的变化，使读者感到困惑。本文的目的是报告一个完整的工作系统，复杂性较低，但在本科级实验室的合理有用性。

最近，基于网络的虚拟实验室^[10]，[11]的理念导致了各种虚拟仪器的发展，包括虚拟示波器^[12]，[13]。然而，许多虚拟示波器不具有相关联的数据采集硬件，对于普通本科使用来说太通用，或者是昂贵的。这些在本质上是“虚拟的”——只显示示波器的前面板功能，没有实时数据采集和显示。本文的贡献在于开发具有数据采集硬件、软件、接口和图形用户界面（GUI）的相关模块的全功能的基于PC的示波器。

美国国家仪器公司^[14]的LabVIEW虚拟示波器为基于PC的数据采集提供了一个多功能工具。然而，真实地说，这种系统（以及国家仪器数据采集卡）的相对高的成本通常不能用于本科实验室，其要求不高到复杂程度，准确性和速度的水平。因此，LabVIEW比本科教育/教学更适合于工业/高级研究应用。在此背景下，所提出的系统旨在为本科实验室中的集成多通道数据采集、显示、分析和打印操作，提供低成本、简单、有效的解决方案。它使用传统的PC并行端口，接口电路成本低于10.00美元，以及常用的GUI开发工具和其他编程语言，如Visual Basic（VB）和Turbo C.该系统是理想的在本科实验室使用，时间应用和教育/教学目的。围绕开发系统构建的课程和教程材料有望提供对基于PC的实时数据采集硬件和软件的主题的充分了解。

三、系统描述

数据采集系统（DAQ）设计用于传感多通道模拟输入，并将其转换为数字格式，然后传输到PC。数字数据存储在PC存储器中并显示在PC屏幕上; 还保留用于处理数据的规定。该设备还提供在线打印设备。开发系统的框图如图1所示。

图1 系统框图

硬件设计主要用于执行接口和输入/输出（I / O）功能。该系统能够一次获取和显示八个信号，并具有用于数据存储和打印的附加设置。用户友好的GUI使学生能够了解示波器的基本功能，如振幅和时间设置。此外，还可以演示用于数据存储、显示、分析和打印的其他几个菜单驱动功能。

A、系统需求

在给定的问题中，PC的最低要求是Pentium处理器，优选32-MBRAM，Windows 95/98或更高的操作系统以及并行端口连接; VB和C用于开发系统。对于使用/运行应用程序，只有可执行文件（.exe）就足够了，用户不需要有编译器。

B、并行端口的基本描述

PC打印机端口是用于实现处理现实世界外围设备的控制的项目的廉价且强大的平台。它通常在PC的背面作为D型25针母连接器。端口由四条控制线，五条状态线和八条数据线组成。打印机端口的功能通过使用对应于数据，状态和控制的这三个可寻址端口来实现。

IEEE 1284数据传输模式标准^[15]在PC和任何外部外围设备之间提供高速双向通信。该标准可以比使用原始并行端口快50-100倍。本标准定义了五种操作模式，以实现与外部外设或数据传输的通信。每种模式固定用于以正向（PC到外设），反向（PC外设）或双向（半双工）传输数据的协议。在兼容性（SPP）模式下，八条数据线用于向外设发送数据。半字节和字节模式可用于在并行端口和外设之间创建双向通信路径。增强型并行端口（EPP）和扩展能力端口（ECP）模式具有作为其协议一部分的双向能力。在当前的工作中，EPP模式用于从8-模数转换器（ADC）进行8-b数据采样。在采集过程开始之前，模式选择所需的控制字通过以Turbo C 编写的接口软件提供给控制寄存器。

C、接口电路

用于将8个模拟输入通道数据转换为其相应数字值的接口电路和相关模块如图2所示。它显示了接口电路的详细连接图。下面描述所涉及的不同模块的功能。

图2 接口硬件电路示意图

1）时钟发生器模块：该模块基本上需要为ADC芯片提供时钟输入。为此，选择相对简单的LM555，其是用于产生精确的时间延迟或振荡的高度稳定的装置。模块最多可以产生1.34 MHz（大约）频率。在所设计的系统中，时钟发生器模块被调节以产生1MHz的输出频率。

2）模数（A / D）转换模块：对于A / D转换，需要一个选项来处理8个通道的模拟输入信号，所有这些通道都必须在同一时刻时间。为此，经济的选择是在模拟输入和ADC之间加入一个八通道多路复用器。美国国家半导体的0808 ADC具有内置的8通道多路复用器，适用于此目的。其每个通道的平均转换速率为100mu;s，这对于本申请来说是相当快的。IC 7493（二进制计数器集成电路IC）用于选择用于顺序数据传输的0808 ADC的八个通道。IC 7404用作用于以从PC并行端口输出的适当电平的信号选通IC 7493的反相器。A741 IC用于在0808 ADC输入通道的激活和A / D转换开始之间提供足够的延迟;这对应于0808 ADC IC的正常响应时间。接口电路的进一步详细描述超出了本文的范围。

3）自动量程模块：自动量程模块用于通过电位装置将100 V的输入模拟信号范围转换为2.5 V的范围。另一个使用LM324 IC的电子钳位电路用于将该范围的电压转换为ADC输入所需的0-5 V范围。

在关键位置使用了充足的基于齐纳的保护电路，使得电路不会由于意外的过电压而损坏。这些齐纳的位置没有在图2中专门示出的，以避免在图中的拥挤。

D、软件——数据采集和用户图像界面

开发了专用软件用于控制数据采集系统。该软件是用Turbo C 编写的，在DOS 6.0下运行。该程序由主要功能和几个子功能组成，用于管理相关的低级任务，例如并行端口配置，定时器编程，与ADC的握手，用于数据捕获，数据采集和硬盘中的数据存储。对应于主程序的流程图在图3中示出。

图3 开发软件的简化流程图

在图3的流程图中使用的缩写，诸如SOC（转换开始），EOC（转换结束）和ALE（地址锁存使能）是PC和数据采集硬件之间的通信信号，指示不同的定时和控制 信号。这些信号的详细功能可以在^[9]，[15]中找到。GUI是在VB 5.0开发的。 除了实时显示八种不同的模拟信号外，GUI还允许演示常见的示波器任务，如时标和电压量程变化。它可以通过简单地将光标放在波形上所需的点上来显示信号任意点的值。图4示出了开发系统的示例GUI窗口。可以从“工具”菜单下的相应子菜单获得所获取信号的进一步分析，例如均方根（rms），平均值和平均值。

图4 用户图形界面的屏幕截图

四、应用

大多数市售数据采集系统可用的显示系统通常提供单通道或最多双通道同时显示。当显示系统需要同时监视三个或更多个输入通道时（例如，当监视三相电源时），必须同时观看三个或更多个频道。在本文中描述的系统已经规定一次同时显示八个频道中的任何四个频道。此外，如果需要，向用户提供以放大格式查看任何一个特定频道的波形的选项。

整个系统的原形具有相关硬件，接口电缆和正在操作的PC如图5所示。

图5 正在运行的系统

所开发的系统可以通过在显示器接口中并入微小的改变而容易地用作DSO，频谱分析仪，数字万用表等。此外，从端口读取的数据可以在数字滤波器，快速傅里叶变换等的帮助下被适当地处理。单独的附加软件模块可以执行每个信号处理功能。因此，该项目为进一步开发基于软件的仪器和信号处理器提供了坚实的基础工作。

设计的系统也有几个有用的学术应用。在实验室，这个包可以用于教学目的。 开发的系统向学生介绍基本功能，例如真实示波器的振幅和时间设置。关于数据采集，PC接口硬件和软件的课程和教程，以及与GUI开发相关的主题正在以用作演示套件的开发原型实现。 除了这些基本的日常实验室练习外，该系统还可以为教学带来新的创新想法，如下所述。

1）学生可以对他们在做什么进行测验。

2）可以呈现替代的可视化。

3）可以基于存储的数据呈现“真实”诊断问题。

4）可以在不同的问题解决方案之间提供比较。

5）虚拟练习可以围绕该技术进行规划。

此外，通过使用PC打印机端口对主题PC接口的详细处理将使感兴趣的学生能够实现其他创新想法。

五、小结

已经开发了基于PC并行端口的通信特征的基于PC的，低成本的便携式插入式虚拟示波器。开发系统的用户规范已经根据在电气，电子和计算机工程课程的普通本科级实验室的要求而设立。接口电路硬件已经被开发为具有很少的可用电子部件，用于在被PC获取之前以数字形式转换和处理模拟信号。已经开发了集成软件来管理信号的采集，信号表示和后处理。该系统已成功测试了几种形式的输入波形，如正弦，方形和三角形信号。开发的系统具有以附加信号处理模块的形式的可能的扩展能力。虚拟DSO可用于本科实验室的大多数通用低功率和低频范围应用中的实时数据采集。它也可以用作本科数据采集课程的教学工具，用于说明有关并行端口编程，A / D转换和详细电路开发的复杂概念。

参考文献：

[1] Tektronix Inc. (2003, Mar.). [Online] Available: http://www.tek.com

[2] Gage—A Tektronix Technology Co. (2003, Mar.). [Online] Available:

http://www.gage-applied.com/tektronix.asp

[3] S. Celma, A. Carlosena, and P. A. Martinez, “PC-based spectrum analyzer,” IEEE Trans. Educ., vol. 35, pp. 204–210, Aug. 1992.

[4] S. A.Chickamenahalli and A. Hall, “Interfacing a digital oscilloscope to a personal computer using GPIB,” in Proc. 27th Annu. Conf. Frontiers in Education—Teaching and Learning in Era of Change,

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