任意波形編輯軟件中手動任意繪制功能的設(shè)計(jì)

 作為一種特殊的信號源，任意波形發(fā)生器越來越廣泛地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。它不僅具有產(chǎn)生常規(guī)波形的能力，而且可以仿真實(shí)際測試中需要的任意波形。手動繪制是任意波形發(fā)生器的一項(xiàng)特殊功能，它是在給定的電腦屏幕上，按照用戶的需求，拖動鼠標(biāo)繪制需要的波形形狀。這里介紹了一種采用虛擬儀器進(jìn)行任意波形手動繪制功能軟件的設(shè)計(jì)方法。

l 手動任意繪制功能描述及難點(diǎn)分析
    手動任意繪制功能包括波形參數(shù)信息、波形示意圖、狀態(tài)信息以及系統(tǒng)設(shè)置信息等。手動任意繪制波形功能也包括使用鼠標(biāo)繪制波形，以及在此基礎(chǔ)上對波形進(jìn)行各種修改，包括替代、翻轉(zhuǎn)、重新繪制、插入等。此外波形的顏色和點(diǎn)數(shù)可以根據(jù)用戶的需求進(jìn)行設(shè)置，同時(shí)要求波形能夠?qū)崟r(shí)顯示。該軟件的邏輯關(guān)系和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，設(shè)計(jì)中需要考慮以下幾方面的問題：
    (1)由于是手動任意繪制，在繪制波形的過程中可能發(fā)生很多情況，因此需要包括對各種情況的處理。例如來回拖動鼠標(biāo)，鼠標(biāo)拖動越界等。在繪制好波形后，對波形進(jìn)行各樣的修改也是設(shè)計(jì)的一個(gè)難點(diǎn)。
    (2)如何獲取離散點(diǎn)的坐標(biāo)值，采用何種插值處理計(jì)算離散點(diǎn)之間的坐標(biāo)值使得波形更加平滑也成為設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)考慮的一個(gè)方面。
    (3)由于波形的點(diǎn)數(shù)可以很大，在波形的修改過程中可能要對數(shù)據(jù)進(jìn)行備份，因此也需要考慮到數(shù)據(jù)的存儲結(jié)構(gòu)，保障整個(gè)軟件的速度和效率。
    (4)軟件應(yīng)具有良好的移植性，應(yīng)考慮用對象編程的思想對軟件進(jìn)行整體的一個(gè)架構(gòu)設(shè)計(jì)。

2 總體設(shè)計(jì)流程圖
    手動繪制是波形生成方法中最直觀、最方便的方法。它同時(shí)也體現(xiàn)了任意波形編輯過程中的“任意性”。在設(shè)計(jì)中，選用LabWindows／CVI做為軟件開發(fā)平臺。具體操作時(shí)，用戶將鼠標(biāo)移動到需要的起始位置，然后按下鼠標(biāo)不放，根據(jù)需要的波形形狀拖動鼠標(biāo)在波形顯示區(qū)移動，當(dāng)?shù)竭_(dá)合適的位置時(shí)，放開鼠標(biāo)，則一次繪制過程完成。在整個(gè)過程中首先需要確定接收什么樣的信號觸發(fā)繪制波形事件發(fā)生，繪制波形也必須被限制在特定的區(qū)域內(nèi)，如若超出繪圖區(qū)域需做出相應(yīng)處理；波形的點(diǎn)數(shù)可以根據(jù)用戶的需要自行選擇，如若不選擇則默認(rèn)為65 536個(gè)點(diǎn)，這也是設(shè)計(jì)的最大波形點(diǎn)數(shù)。手動任意繪制可能發(fā)生各種各樣的情況，比如鼠標(biāo)可以前后拖動，因此需要對這樣的情況做出相應(yīng)的處理，即對鼠標(biāo)拖動過程中的有效值進(jìn)行存儲。由于涉及到波形的修改，也需要對波形的部分存儲值進(jìn)行更新。在整個(gè)繪制過程中鼠標(biāo)連續(xù)操作，需要采集到各個(gè)離散的點(diǎn)，然后進(jìn)行插值處理，做到整個(gè)波形比較平滑。
    整個(gè)設(shè)計(jì)主要由監(jiān)測模塊、處理模塊和顯示模塊3部分組成。監(jiān)測模塊主要完成對鼠標(biāo)左鍵的監(jiān)測，設(shè)定波形數(shù)據(jù)的初始值，對其他模塊進(jìn)行初始化，并啟動采集離散點(diǎn)時(shí)鐘，每隔2 ms進(jìn)行一次采點(diǎn)；處理數(shù)據(jù)主要包括4個(gè)步驟：獲取當(dāng)前數(shù)據(jù)并查看是否有效；根據(jù)有效值做線性插值處理使得波形平滑；存儲當(dāng)前數(shù)據(jù)；實(shí)時(shí)顯示鼠標(biāo)的當(dāng)前坐標(biāo)。顯示模塊主要完成波形顏色和顯示點(diǎn)數(shù)的設(shè)置，并對波形做實(shí)時(shí)顯示。圖1即為總體設(shè)計(jì)流程圖。

3 具體實(shí)現(xiàn)
3．1 手動任意繪制波形具體實(shí)現(xiàn)
    (1)在手動繪制時(shí)，鼠標(biāo)左鍵一直按下可以有兩個(gè)操作，一是繪制任意波形；二是拉動滑塊，此時(shí)要判斷是拉動滑塊還是繪波形，這時(shí)筆者采用判斷標(biāo)志變量的方法解決此問題。
    (2)由于鼠標(biāo)是連續(xù)操作，因此根據(jù)需要使用筆者選用定時(shí)函數(shù)，每隔一定的時(shí)間(2 ms)被觸發(fā)1次，每次執(zhí)行函數(shù)采集1個(gè)離散的點(diǎn)，即獲取當(dāng)前光標(biāo)處的橫縱坐標(biāo)，這樣就得到了一系列的離散點(diǎn)，相鄰離散點(diǎn)之前的間隔是不等的，這與用戶拖動鼠標(biāo)的速度有關(guān)。于是還有許多波形點(diǎn)數(shù)沒有賦值，這樣就要在相鄰的離散點(diǎn)之間插值計(jì)算出那些空缺的幅值?？紤]到兩個(gè)相鄰點(diǎn)之間的距離比較小，于是可以采用線性插值，插值計(jì)算出來的波形是比較光滑的。
    (3)正如難點(diǎn)分析中講到，手動任意繪制可能發(fā)生的情況很多，用戶可以從前向后繪制波形也可以從后向前繪制波形，甚至可以重復(fù)繪制。而且，在繪制過程中還可能超出當(dāng)前的繪圖范圍，因此采用只有當(dāng)鼠標(biāo)位置在波形內(nèi)部時(shí)才采集當(dāng)前坐標(biāo)點(diǎn)，超出波形范圍則取最大值的方法。再者，對于繪制中的方向及重復(fù)繪制問題，采用取兩點(diǎn)之間的絕對值解決，然后再進(jìn)行線性插值并計(jì)算兩點(diǎn)之間的其他各點(diǎn)的幅值，最后對波形各點(diǎn)相應(yīng)值進(jìn)行存儲更新和坐標(biāo)映射。
    (4)波形的處理也是手動繪制功能的一個(gè)亮點(diǎn)，其中包括剪切、插入、翻轉(zhuǎn)、粘貼等，用到的原理是一樣的，即是對波形處理前和處理后的數(shù)據(jù)都進(jìn)行存儲，然后進(jìn)行一對一的更新。在設(shè)計(jì)過程中，使用鏈表完成。這樣既保證了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新，也可以不浪費(fèi)內(nèi)存來管理數(shù)據(jù)。圖2即為手動繪制的一個(gè)任意波形。

3．2 任意波形編輯軟件中拖動放大功能的實(shí)現(xiàn)
    在波形顯示區(qū)域內(nèi)移動鼠標(biāo)，當(dāng)放到了合適的位置，然后按下鼠標(biāo)左鍵，開始拖動鼠標(biāo)。拖動過程中按住鼠標(biāo)左鍵不放，這時(shí)會出現(xiàn)一個(gè)矩形，矩形的左上角即是鼠標(biāo)開始按下的位置，矩形的右下角是當(dāng)前鼠標(biāo)的位置。
    因此，矩形的大小隨鼠標(biāo)的移動而更新。直到拖動到需要的位置，放開左鍵，至此放大操作完成。可以看到被矩形包圍的的波形部分被全屏顯示。
    此功能的設(shè)計(jì)中，需用到函數(shù)SetAxisRange()改變顯示區(qū)的橫縱向范圍，還用到“手動繪制波形”設(shè)計(jì)中使用的時(shí)鐘控件。于是在整個(gè)軟件的設(shè)計(jì)中用到兩個(gè)時(shí)鐘控件：
    第一個(gè)時(shí)鐘在手動繪制波形時(shí)用來采集離散的波形點(diǎn)．另外還負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)顯示鼠標(biāo)坐標(biāo)的功能；
    第二個(gè)時(shí)鐘就是現(xiàn)在為了繪制不斷更新的矩形而設(shè)的。需要注意的是：兩個(gè)時(shí)鐘控件不能同時(shí)處于激活狀態(tài)，即時(shí)鐘1初始為非激活狀態(tài)(unenable)，當(dāng)選中了“鼠標(biāo)拖動放大波形”菜單項(xiàng)時(shí)，先停止時(shí)鐘1，再將時(shí)鐘2激活(enable)。除了控件時(shí)鐘控件的使用，在鼠標(biāo)拖動過程中還需執(zhí)行不斷刷新波形的操作。
    因?yàn)?，?dāng)生成矩形時(shí)，該矩形有填充色，會覆蓋顯示區(qū)的波形，為了使矩形看起來是只有邊框而沒有填充色的效果，需要不斷地刷新波形。因此，操作過程中會看到波形有輕微的抖動現(xiàn)象。其實(shí)現(xiàn)的原理和波形擴(kuò)展的原理是一致的，將當(dāng)前區(qū)域內(nèi)的波形參數(shù)存儲，并將其復(fù)制一份，然后對其進(jìn)行插值處理。如果需要也可以對波形進(jìn)行平滑處理，平滑處理的方法是求平均值。
    先選定一個(gè)要進(jìn)行平滑處理的波形點(diǎn)，然后將它左面幾個(gè)點(diǎn)和右面幾個(gè)點(diǎn)的幅度值相加，再除以相加的總波形點(diǎn)數(shù)。這樣平滑處理后的波形將有一定程度的失真，因每個(gè)點(diǎn)的幅值是其左邊和右邊各8個(gè)點(diǎn)的幅值的平均值，因此更新后的幅值將有所減小。但平滑效果較好，對于比較不規(guī)則的波形，連續(xù)進(jìn)行多次平滑處理之后，波形將變得較為光滑平坦。圖2即為鼠標(biāo)拖動放大波形操作過程示意圖。

4 結(jié) 語
    基于LabWindows，／CVI的任意波形編輯軟件中手動任意繪制軟件成本低、效率高、移植性好，無論是采用何種發(fā)送數(shù)據(jù)的方式，都比較容易進(jìn)行接口操作，在虛擬儀器的圖形界面編程領(lǐng)域有著良好的發(fā)展前景。與此同時(shí)，手動任意繪制波形軟件不必受到具體儀器的功能限制，這給設(shè)計(jì)帶來了很大的靈活性。目前，筆者開發(fā)的任意波形發(fā)生器手動任意繪制軟件可以選用串口和USB接口發(fā)送數(shù)據(jù)，也可以實(shí)現(xiàn)和VXI通信。已經(jīng)應(yīng)用到100 MSPS任意波形發(fā)生器上。經(jīng)過各種測試，性能穩(wěn)定，操作簡單，使用方便。以后還可以根據(jù)不同的儀器要求，進(jìn)一步增加具有其他功能的虛擬儀器，做進(jìn)一步的擴(kuò)展，使得系統(tǒng)更加完善。