用PSOC3實現(xiàn)虛擬示波器的系統(tǒng)解決方案，軟硬件實現(xiàn)

虛擬儀器在近幾年發(fā)展較為迅速，虛擬儀器利用計算機強大的運算與數(shù)據(jù)處理能力，節(jié)省的硬件開銷，又可以從充分利用計算機編程技術的優(yōu)勢實現(xiàn)較復雜的功能，基于此背景下項目使用Cypress Semiconductor 公司集成度高、開發(fā)周期短的PSoC3 芯片開發(fā)一款硬件開銷小及功能強大的虛擬示波器。示波器基于CY8C3866AXI 芯片實現(xiàn)，被測量的模擬信號經過芯片內部ADC轉換成數(shù)字信號，該信號由PSoC3主控芯片通過串口(UART)發(fā)送到PC機上，PC機使用Visual basic 6.0開發(fā)一款可視化軟件，監(jiān)控串口發(fā)送過來的信號，并且將數(shù)字信號還原成模擬信號的波形，該軟件同時還提供控制面板可以控制示波器的顯示及參數(shù)設定。

0引言

示波器是電子設計一項最基本的儀器，該儀器可以用于觀察數(shù)字與模擬電路的波形，可以測量信號質量、電壓、頻率等系列參數(shù)。但是這個設備一般只有學校實驗室、研發(fā)部門才會擁有。該設備價格相對較貴，個人用戶一般不會擁有。網(wǎng)絡上還流傳一種利用系統(tǒng)API開發(fā)聲卡型示波器，該示波器能實現(xiàn)基本功能，但是因為測量時候因使用不慎會燒壞電腦的聲卡、甚至電腦主板，一臺筆記本本可能就這樣報廢。并且聲卡采用數(shù)據(jù)速率相當?shù)挠邢?，這套方案有先天的缺點，如果可以使用另一個解決方案，同時解決速率、成本、不燒壞電腦那么該產品一定可以在市場占有一席之地，經過學習PSOC3發(fā)現(xiàn)這是一套非常完美的方案，Cypress Semiconductor 的PSOC 3 芯片內包含USB 接口、MCU主控、高分辨率ADC。這樣為實現(xiàn)較高性能的、低價格、體積小的虛擬示波器提供了設計方便。

本設計利用PSOC的集成的內部單元模組、通過編程的方式實現(xiàn)硬件電路功能。該PSCOC芯片通過某種通訊方式與PC機通訊，計算機通過解析PSOC發(fā)送來的數(shù)據(jù)將數(shù)字信號還原成模擬波形。并且提供波形、電壓、周期等參數(shù)。

1總體設計方案

鑒于虛擬示波器產品體積、成本限制，本文構建系統(tǒng)對以上因素進行了綜合考慮。虛擬示波器核心在于利用PSOC3集成度高的優(yōu)勢，實現(xiàn)了體積小，成本低多功能的虛擬示波器。

圖1為PSOC構建的虛擬示波器總體框圖，可分為三部分：(1)ADC采樣：采用PSOC3自帶8位ADC。(2)串口通訊：實現(xiàn)PSOC與上位機之間的通訊 (3)基于VB的示波器顯示軟件：利用計算機高分辨率波形顯示以及參數(shù)設置、測量等。

本設計中使用CY8C3866AXI 可編程器件，對模擬信號進行采集轉換為數(shù)字信號，數(shù)字信號通過USB傳送到PC機中，PC機解析PSOC發(fā)送上來的數(shù)據(jù)流，還原成模擬波形信號。

圖1

幾種設計方案對比：

表：1

基于表 1的方案對比，我們方案3為優(yōu)選設計方案。方案4為備選方案，方案一為實驗方案。

較于方案1、2，方案3中PSOC3 ADC配置更為靈活，輕巧方便，硬件設計更簡潔。集成度高大大降低了開發(fā)成本。PSOC3便于修改軟件程序而進行功能擴展。用戶不必不斷購買新儀器，投入小而收效大。

方案3中使用USB2.0高速數(shù)據(jù)傳輸，與高度芯片集成?？梢栽O計出一款性能優(yōu)于體積較小的虛擬示波器產品。但不利于遠距離工業(yè)檢測。

到方案4。為了實現(xiàn)工業(yè)檢測與控制領域的低頻小信號測量，方案4比較實用，而且利用PSOC3的高度集成性，節(jié)省了很多模擬調理電路。同時也減小了設備體積和增強系統(tǒng)工作的可靠性。因此本項目采用方案4。

2示波器硬件方案設計

2.1 采樣電路

采樣原理圖如圖2所示(上)電路。根據(jù)采集高電壓的需要，設計了低成本體積小的電路，實現(xiàn)峰峰值高電壓采樣。

采樣電路使用2個電阻R1與R2分壓， Vadc = Vsingal input * R2 / R2+R1 ，利用這個電路可以實現(xiàn)峰峰值較高的模擬信號的采樣。

例如：一個信號為 50V 而PSOC內部參考電壓為1.024V 則可以選擇R2 =1K

R1 = 49K

PSOC配置了如圖2所示(下)電路：當J1短路時，電路采集低電壓。當需要高電壓采集時，按照采樣原理，配置R1、R2。

圖2(上)

圖2(下)

2.2 PSOC內部電路設計

PSoC3架構所具有的強大的精確模擬能力的實際應用例子。有了這個工具包，基于虛PSoC3擬示波器模擬集成的高水準，以及通過PSoC Creator ADC進行模擬設計通過配置而顯得簡潔方便。

PSOC內部多種基本單元電路模塊可以實現(xiàn)電路，在本方案中使用到了ADC模塊，UART、LED顯示。并且軟件上配置器件的配置信息。

電路如圖3所示：

圖3

2.3 串口電路實現(xiàn)

近幾年生產的筆記本電腦一般不配備串口，為了操作攜帶方便，在設計的時候添加了USB轉串口的電路，使用USB口既可以完成與計算機完成數(shù)據(jù)通訊。

圖4軟件設計

3.1 PSOC軟件設計(下位機)

圖5

PSOC軟件啟動先初始化所以設備，進入while循環(huán)。首先執(zhí)行ADC 模擬信號處理,將數(shù)據(jù)送到LED燈中用于ADC采集信號顯示。將ADC的值返回到串口中，由串口發(fā)送ADC到計算機。

3.2 Visual basic軟件設計(上位機)

3.2.1上位機基本原理

在Visual Basic中一個Microsoft Communication Control(簡稱Mscomm) 串口通訊控件，本作品就是靈活的使用該控件實現(xiàn)單片機與PC機通訊的，該控件可以使用查詢接受數(shù)據(jù)，也可以使用事件驅動，使用事件驅動具有節(jié)省PC資源響應速度快的優(yōu)勢所以本文使用事件驅動方式接收串口發(fā)送過來的數(shù)據(jù)流。

3.2.2 解析數(shù)據(jù)的方法

串口發(fā)送回來的數(shù)據(jù)為十六進制數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)轉換為0—1000的數(shù)據(jù)，轉換完成的數(shù)據(jù)將存儲的一個數(shù)據(jù)緩沖去中，該緩沖區(qū)存儲了一段時間的波形，這樣就可以實現(xiàn)按下暫停之后可以拖動滾動條查詢歷史的波形，波形的顯示使用一個picture控件，并且設置容器的大小為1000像素×1000像素，繪制好示波器界面，然后顯示出一定數(shù)量的緩沖去的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)分別在容器中通過繪線的方式將數(shù)據(jù)轉換為波形。

3.2.3 軟件基本界面設計

軟件主要考慮到用戶使用方便的問題，設計示波器界面充分考慮親和性與易用性，所以界面也是仿照實際示波器的布局來設計，左邊為CRT的顯示器，左邊為控制面板。這樣可以做到會使用實際示波器，也會使用虛擬示波器。

示波器界面中菜單有系統(tǒng)、設置、幫助三個選項。可以設置波特率等。采集波形時可零點上下移、波形大小調節(jié)、波形保存、X\Y增益調節(jié)等多種功能。與實際示波器功能相似、布置相同，易于操作。波形通過賽普拉斯高精度的ADC采集經串口傳輸后，該界面可實現(xiàn)清晰準確的顯示。采集三角波如圖6所示。

圖6

4結束語

基于PSOC虛擬儀器把計算機技術與傳統(tǒng)測試技術緊密結合起來，它充分利用計算機的信息處理能力，實現(xiàn)對多路輸入信號的實時采集和存儲，并進行離線分析和處理。

與傳統(tǒng)示波器制作步驟相比較，PSOC工具包省去了畫電路圖、布線、底層協(xié)議等的麻煩，直接配置硬件，注入思想流程，易于操作實現(xiàn)，節(jié)約經費。PSOC高精度可配置的ADC且內部含參考電壓，這為制作虛擬示波器提供了可發(fā)展的空間。

本設計能獲得小于1K赫茲的任意波形，輸出幅度基本可以根據(jù)需要配置。1MHz/秒采樣速率,采樣數(shù)目以及采樣頻率通過軟件可調。本虛擬儀器使用簡單、方便、價格低廉，人機交互容易。結構簡單使其體積小巧、便于攜帶，尤其適于配合便攜機野外使用。