摘 要：論述了一類八通道虛擬存儲(chǔ)式示波器以及信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)過(guò)程及軟件內(nèi)容。作者使用Borland公司的Delphi開發(fā)工具，基于相關(guān)的數(shù)據(jù)采集卡，設(shè)計(jì)出的該系統(tǒng)目前已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室中使用，對(duì)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)以及科研都起到了奶好的輔助作用。
關(guān)鍵詞：虛擬示波器，信號(hào)發(fā)生器，數(shù)據(jù)采信Delphi，多線程
1 引言
我們知道，示波器和信號(hào)發(fā)生器在電子測(cè)量、測(cè)試儀器中得到了廣泛的使用。傳統(tǒng)示波器功能比較單一、測(cè)試準(zhǔn)確度差，而目前的數(shù)字存儲(chǔ)示波器雖然測(cè)試準(zhǔn)確度高，且具有較強(qiáng)的數(shù)字化處理能力，但是這種示波器價(jià)格昂貴，儀器功能模塊固定，不具備用戶對(duì)儀器進(jìn)行定義和用戶編程的功能。
虛擬示波器采用計(jì)算機(jī)的虛擬技術(shù)，模擬數(shù)字存儲(chǔ)示波器的操作和功能，它使用個(gè)人計(jì)算機(jī)及其信號(hào)采集接口電路來(lái)捕捉信號(hào)波形，并通過(guò)圖形用戶界面來(lái)模擬示波器的操作面板，對(duì)信號(hào)完成測(cè)量，并可用于工業(yè)過(guò)程自動(dòng)控制中，對(duì)實(shí)時(shí)信號(hào)進(jìn)行采集與分析。
由于通過(guò)計(jì)算機(jī)串口[1]來(lái)實(shí)現(xiàn)，A/D和D/A硬件電路自我設(shè)計(jì)相對(duì)可靠性差、實(shí)現(xiàn)起來(lái)也比較繁瑣，所以，選用基于ISA總線的數(shù)據(jù)采集卡，這樣可保證硬件電路的可靠性。在軟件設(shè)計(jì)時(shí)有采用Labview的[2][3]，不過(guò)從軟件靈活性、可擴(kuò)展性角度出發(fā)，還是選用通用的編程語(yǔ)言較好。作者使用Borland公司的Delphi開發(fā)工具，基于相關(guān)的數(shù)據(jù)采集卡，設(shè)計(jì)出虛擬示波器和信號(hào)發(fā)生器，該系統(tǒng)目前已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室中使用，效果良好，并得到有關(guān)的好評(píng)。下面就本軟件的開發(fā)過(guò)程和內(nèi)容作一些說(shuō)明。
2 總體結(jié)構(gòu)說(shuō)明
設(shè)計(jì)時(shí)總的思路是將需要觀測(cè)的物理信號(hào)經(jīng)過(guò)相應(yīng)的電壓調(diào)節(jié)電路送入數(shù)據(jù)采集卡（A/D），然后再送入軟示波器進(jìn)行波形觀測(cè)和處理。軟信號(hào)發(fā)生器發(fā)出的信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集卡（D/A）和相應(yīng)的電壓調(diào)節(jié)電路可以送入物理設(shè)備作為信號(hào)源使用?？傮w結(jié)構(gòu)框圖如所示。在這里，數(shù)據(jù)采集卡可以自己設(shè)計(jì)，也可以使用現(xiàn)有的產(chǎn)品。為了方便以及保證系統(tǒng)的度，作者在開發(fā)過(guò)程中使用的是臺(tái)灣研華PCL711S（ISA接口）數(shù)據(jù)采集卡，這款數(shù)據(jù)采集卡速度快，性能高，價(jià)格相對(duì)全家特別適用于實(shí)驗(yàn)室使用。它提供8個(gè)模擬量輸入通道，電壓范圍為+5V～-5V，1個(gè)模擬量輸出通道，電壓范圍在0V～+10V。電壓調(diào)節(jié)電路的作用是對(duì)超過(guò)數(shù)據(jù)采集卡測(cè)量范圍的電壓信號(hào)進(jìn)行一定的比例調(diào)節(jié)，同時(shí)也可以對(duì)軟信號(hào)發(fā)生器發(fā)出的信號(hào)進(jìn)行的調(diào)節(jié)以適應(yīng)實(shí)際物理設(shè)備的需要。
3 軟件設(shè)計(jì)
Delphi是一個(gè)的編程開發(fā)工具，用它開發(fā)程序方便、快捷、且代碼執(zhí)行效率高。下面就軟件設(shè)計(jì)中的各部分程序作簡(jiǎn)要的說(shuō)明。
3.1 數(shù)據(jù)采集卡的選擇和設(shè)置程序
這部分程序包括采集卡型號(hào)的選擇（系統(tǒng)兼容研華PCL812PG等相關(guān)型號(hào)的數(shù)據(jù)采集卡），數(shù)據(jù)采集卡的輸入輸出設(shè)定、電壓范圍的設(shè)定。
3.2 操作面板程序
這部分程度包括控制面板和顯示面板?？刂泼姘逯泻行盘?hào)發(fā)生器的面板、示波器的控制面板。顯示面板包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示窗口、實(shí)時(shí)波形顯示窗口，如所示。信號(hào)發(fā)生器的控制面板中含有波形選擇（提供正弦波、方波、階躍波三種）、幅值勤周期設(shè)定窗口。示波器的控制面板中含波形顯示的速度調(diào)節(jié)（提供0.01秒/格～10秒/格）旋鈕、顯示幅度的設(shè)定窗口、實(shí)時(shí)波形的保存和打印以及開始、暫停、退出等控制按鈕。實(shí)時(shí)波形顯示窗口采用分頁(yè)式顯示8個(gè)通道的信號(hào)波形，每頁(yè)可同時(shí)顯示兩通道，橫軸為時(shí)間軸（分10小格）。

3.3 波形實(shí)時(shí)顯示程序
這部分程序是將數(shù)據(jù)采集卡采集到的數(shù)據(jù)以一定的波形顯示出來(lái)，程序的達(dá)到每秒顯示1000個(gè)數(shù)據(jù)。程序?qū)⒉杉碾妷簲?shù)值放入一數(shù)組中，同時(shí)把連續(xù)采集的電壓數(shù)值在所選定的通道上按照所設(shè)定的波形顯示速度在指定區(qū)域?qū)崟r(shí)地顯示出來(lái)，并仿照物理示波器進(jìn)行滾屏顯示。
3.4 控制程序
這部分程序?qū)φ麄€(gè)系統(tǒng)起到協(xié)調(diào)和控制作用，采集Windows多任務(wù)機(jī)制讓CPU對(duì)各個(gè)任務(wù)進(jìn)行循環(huán)偵測(cè)并響應(yīng)各消息對(duì)列。這樣達(dá)到對(duì)數(shù)據(jù)的采集、波形的繪制、鼠標(biāo)和鍵盤的響應(yīng)、信號(hào)波形的發(fā)生，其它一些程序運(yùn)行等許多任務(wù)的協(xié)調(diào)和管理，使系統(tǒng)在運(yùn)行當(dāng)中對(duì)每一個(gè)動(dòng)作都能作出及時(shí)的響應(yīng)，以保證程序運(yùn)行的和可靠性。
3.5 信號(hào)波形發(fā)生程序
產(chǎn)生三種常用的波形：方波、正弦波、階躍波，波形周期0.1秒～20秒。首先判斷要產(chǎn)生什么波形以及波形的幅值、周期、然后，按此要求產(chǎn)生波形并不斷送給數(shù)據(jù)采集卡。
4 部分程序代碼
4.1 模擬掃描電路的波形繪制程序摘要
如果現(xiàn)在已采集一個(gè)電壓值數(shù)據(jù)，則進(jìn)行下列過(guò)程實(shí)現(xiàn)波形的繪制，然后，按照用戶所設(shè)定的波形顯示頻率，采集一個(gè)電壓值數(shù)據(jù)、調(diào)整時(shí)間軸x再循環(huán)進(jìn)行接下來(lái)的過(guò)程。

下面的程序?yàn)椋喝绻ㄐ蔚竭_(dá)模擬屏終點(diǎn)，重新刷新模擬屏，從模擬屏起點(diǎn)繼續(xù)波形的顯示。

4.2 多線程控制程序摘要
由于是八通道顯示，這里采用分頁(yè)顯示的方法，每頁(yè)兩個(gè)通道，以1、2通道為例。
波形繪制線程的類定義如下：
如果CPU在執(zhí)行多線程過(guò)程中發(fā)現(xiàn)其他動(dòng)作，那么如何從波形繪制中跳出來(lái)呢？下面的程序就可實(shí)現(xiàn)實(shí)一功能。

5 系統(tǒng)簡(jiǎn)單使用說(shuō)明
首先要將研華數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動(dòng)程序裝入計(jì)算機(jī)，并激活相應(yīng)的采集卡。然后聯(lián)上相應(yīng)的設(shè)備，啟動(dòng)本系統(tǒng)程序，進(jìn)入數(shù)據(jù)采集卡選擇、輸入通道、輸出通道設(shè)置窗口。選擇相應(yīng)的功能選項(xiàng)并進(jìn)行一定的設(shè)定，按開始按鈕即可顯示出實(shí)時(shí)的波形及相應(yīng)的數(shù)據(jù)。如要存儲(chǔ)正在顯示的波形，只需按圖形存儲(chǔ)按鈕即可。至于信號(hào)發(fā)生器，需要選擇相應(yīng)的發(fā)生波形，然后設(shè)置波形的幅值和周期，按開始按鈕，這樣，在數(shù)據(jù)采集卡的輸出端就可產(chǎn)生相應(yīng)的信號(hào)。
6 結(jié)束語(yǔ)
基于數(shù)據(jù)采集卡，用Delphi設(shè)計(jì)出虛擬示波器和信號(hào)發(fā)生器軟件，實(shí)現(xiàn)了八通道采集和單通道輸出，基本實(shí)現(xiàn)了數(shù)字式存儲(chǔ)示波器的功能和常用信號(hào)發(fā)生器的三種常用信號(hào)源的功能。由于通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，所以具有很大的擴(kuò)展空間，可以在以后在使用中不斷加強(qiáng)和完善其功能。本系統(tǒng)目前已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室使用一年多，性能良好，對(duì)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)以及科研都起到了奶好的輔助作用。
參考文獻(xiàn)
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