作者：常熟理工学院信息与控制工程系 陈景波

摘  要：本文基于PCI接口的CS 82G高速数据采集卡和Visual C++编程工具，开发了一种快速的虚拟示波器试验系统，实现了高速数据的采集和动态波形的显示，并具有频谱分析和数字滤波功能。

关键词：虚拟示波器；数据采集；CS 82G

引言

虚拟仪器以通用计算机作为系统控制器，各种复杂测试功能、数据分析和结果显示都完全由计算机软件完成，在很多方面较传统仪器有无法比拟的优点。

本文在带有PCI总线接口的CS82G高速数据采集卡和Visual C++编程工具的基础上开发的快速虚拟示波器试验系统，集成了波形采集、数据分析、输出、显示等多种功能。同时，为保证数据采集和波形显示的实时性，设计中还采用了多线程技术。

图1  CS 82G采集卡系统框图

图2 软件系统总体流程图

虚拟示波器的系统组成

系统组成

本虚拟示波器系统主要由数据采集卡、计算机和专用的软件组成。 其中数据采集卡完成对输入测量信号的调理采集、缓存，并通过计算机PCI总线送入内存；计算机在应用程序控制下，对数据进行处理、运算，最后完成各种电量测试并在屏幕上用图形或数据形式显示。这一切均可在人机交互方式下完成。

数据采集卡的硬件结构

本虚拟示波器采用的是Gage公司的CS 82G高速数据采集卡。其硬件结构框图如图1所示。

该数据采集卡是一个具有两个模拟量输入通道的标准的PCI总线插卡，卡上集成的两个高速8位ADC，最高工作频率高达1 GHz，在单通道工作模式下，两个ADC同时投入工作，分别在脉冲的上升沿和下降沿进行转换，所以最高采样频率可以达到2GHz。全卡的功能电路由数字控制逻辑电路统一控制。卡上配置有16MB的高速存储器，解决了高采样率和相对较低的PCI总线数据传输速率的匹配问题。

在使用之前必须对采集卡的硬件进行配置,这些控制程序用到了相应的底层DAQ驱动程序。通过采集卡自带的DLL，可以在程序中灵活地对硬件输入阻抗、输入电压范围、放大器增益大小、采样频率、每次采样点数等参数进行控制。

模拟信号经同轴电缆进入采集卡的输入通道后，经过前置滤波电路、衰减电路、可变增益的放大电路，将信号处理成ADC可以处理的标准电平，经过A/D采样量化转化成计算机可以处理的数字信号并缓存到存储器。该采集卡支持软件通过PC机的PCI总线接口控制模拟通道的阻抗匹配、放大器的增益选择、启动ADC及转换结束的识别，并允许将采集数据以DMA方式传输到计算机内存，同时对数据信号进行分析处理、显示、存储及打印输出。

系统的软件设计

虚拟示波器的软件开发环境

虚拟仪器最核心的是软件技术。目前，用于虚拟仪器开发的软开发平台主要有两大类：一类是通用的可视化软件编程环境，主要有Microsoft公司的Visual C++和Visual Basic、Inprise公司的Delphi和C++ Builder等；另一类是一些公司推出的专用于虚拟仪器开发软件的编程环境，主要有NI公司的图形化编程环境LabView及文本编程环境LabWindows/CVI、Agilent公司的图形化编程环境Agilent VEE。考虑到软件的灵活性、高效性和可移植性，本设计中采用Visual C++作为虚拟示波器的开发环境。

软件的方案设计

图2展示了本设计中软件系统的总体流程图。程序开始工作后，首先进入主线程，进行相关的初始化工作，主要是软件界面的初始化(采集卡的初始化在采集子线程中进行)。OnStart()函数的主要目的是执行StartCapture()函数以启动数据采集子线程，执行StartProcessing()函数以启动数据处理子线程，主线程进入消息循环，并通过消息和子线程进行通信。采样线程和数据处理线程实际上是由g_bRunThread变量控制的循环过程，这样可以方便主线程控制工作线程的退出。数据采集线程利用了采集卡驱动程序提供的中断采样函数，采样深度n由控件设定，每当采集完成n个点的采样时，采样数据便被送入卡上的缓冲区，然后通过PCI总线向计算机传输数据，当数据传输完毕之后，采样线程向数据处理线程发送WM_RECEIVE消息，通知数据处理模块对这n点进行分析处理。在主线程里，主要接收用户操作的消息，比如通道参数的设定、通道显示的设定、数据的存储打印以及察看历史数据、波形等操作。

软件功能模块

该虚拟示波器有5大功能模块：数据采集、用户界面、频谱分析、数字滤波以及波形显示。

信号采集模块

信号采集模块主要完成对数据的采集,根据所采集信号的不同采用不同的采样频率。这个模块中应用程序会通过采集卡的驱动程序和硬件进行通信，如果把这个模块放在程序主线程中实现，那么,当应用程序与驱动程序进行数