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

虛擬儀器在近幾年發(fā)展較為迅速，虛擬儀器利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的運(yùn)算與數(shù)據(jù)處理能力，節(jié)省的硬件開(kāi)銷，又可以從充分利用計(jì)算機(jī)編程技術(shù)的優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的功能，基于此背景下項(xiàng)目使用Cypress Semiconductor 公司集成度高、開(kāi)發(fā)周期短的PSoC3 芯片開(kāi)發(fā)一款硬件開(kāi)銷小及功能強(qiáng)大的虛擬示波器。示波器基于CY8C3866AXI 芯片實(shí)現(xiàn)，被測(cè)量的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)芯片內(nèi)部ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，該信號(hào)由PSoC3主控芯片通過(guò)串口(UART)發(fā)送到PC機(jī)上，PC機(jī)使用Visual basic 6.0開(kāi)發(fā)一款可視化軟件，監(jiān)控串口發(fā)送過(guò)來(lái)的信號(hào)，并且將數(shù)字信號(hào)還原成模擬信號(hào)的波形，該軟件同時(shí)還提供控制面板可以控制示波器的顯示及參數(shù)設(shè)定。

0引言

示波器是電子設(shè)計(jì)一項(xiàng)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(cè)量信號(hào)質(zhì)量、電壓、頻率等系列參數(shù)。但是這個(gè)設(shè)備一般只有學(xué)校實(shí)驗(yàn)室、研發(fā)部門才會(huì)擁有。該設(shè)備價(jià)格相對(duì)較貴，個(gè)人用戶一般不會(huì)擁有。網(wǎng)絡(luò)上還流傳一種利用系統(tǒng)API開(kāi)發(fā)聲卡型示波器，該示波器能實(shí)現(xiàn)基本功能，但是因?yàn)闇y(cè)量時(shí)候因使用不慎會(huì)燒壞電腦的聲卡、甚至電腦主板，一臺(tái)筆記本本可能就這樣報(bào)廢。并且聲卡采用數(shù)據(jù)速率相當(dāng)?shù)挠邢?，這套方案有先天的缺點(diǎn)，如果可以使用另一個(gè)解決方案，同時(shí)解決速率、成本、不燒壞電腦那么該產(chǎn)品一定可以在市場(chǎng)占有一席之地，經(jīng)過(guò)學(xué)習(xí)PSOC3發(fā)現(xiàn)這是一套非常完美的方案，Cypress Semiconductor 的PSOC 3 芯片內(nèi)包含USB 接口、MCU主控、高分辨率ADC。這樣為實(shí)現(xiàn)較高性能的、低價(jià)格、體積小的虛擬示波器提供了設(shè)計(jì)方便。

本設(shè)計(jì)利用PSOC的集成的內(nèi)部單元模組、通過(guò)編程的方式實(shí)現(xiàn)硬件電路功能。該P(yáng)SCOC芯片通過(guò)某種通訊方式與PC機(jī)通訊，計(jì)算機(jī)通過(guò)解析PSOC發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)將數(shù)字信號(hào)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(shè)計(jì)方案

鑒于虛擬示波器產(chǎn)品體積、成本限制，本文構(gòu)建系統(tǒng)對(duì)以上因素進(jìn)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(shì)，實(shí)現(xiàn)了體積小，成本低多功能的虛擬示波器。

圖1為PSOC構(gòu)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(shí)現(xiàn)PSOC與上位機(jī)之間的通訊 (3)基于VB的示波器顯示軟件：利用計(jì)算機(jī)高分辨率波形顯示以及參數(shù)設(shè)置、測(cè)量等。

本設(shè)計(jì)中使用CY8C3866AXI 可編程器件，對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采集轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)通過(guò)USB傳送到PC機(jī)中，PC機(jī)解析PSOC發(fā)送上來(lái)的數(shù)據(jù)流，還原成模擬波形信號(hào)。

圖1

幾種設(shè)計(jì)方案對(duì)比：

表：1

基于表 1的方案對(duì)比，我們方案3為優(yōu)選設(shè)計(jì)方案。方案4為備選方案，方案一為實(shí)驗(yàn)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(shè)計(jì)更簡(jiǎn)潔。集成度高大大降低了開(kāi)發(fā)成本。PSOC3便于修改軟件程序而進(jìn)行功能擴(kuò)展。用戶不必不斷購(gòu)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(shè)計(jì)出一款性能優(yōu)于體積較小的虛擬示波器產(chǎn)品。但不利于遠(yuǎn)距離工業(yè)檢測(cè)。

到方案4。為了實(shí)現(xiàn)工業(yè)檢測(cè)與控制領(lǐng)域的低頻小信號(hào)測(cè)量，方案4比較實(shí)用，而且利用PSOC3的高度集成性，節(jié)省了很多模擬調(diào)理電路。同時(shí)也減小了設(shè)備體積和增強(qiáng)系統(tǒng)工作的可靠性。因此本項(xiàng)目采用方案4。

2示波器硬件方案設(shè)計(jì)

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(shè)計(jì)了低成本體積小的電路，實(shí)現(xiàn)峰峰值高電壓采樣。

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

例如：一個(gè)信號(hào)為 50V 而PSOC內(nèi)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(dāng)J1短路時(shí)，電路采集低電壓。當(dāng)需要高電壓采集時(shí)，按照采樣原理，配置R1、R2。

圖2(上)

圖2(下)

2.2 PSOC內(nèi)部電路設(shè)計(jì)

PSoC3架構(gòu)所具有的強(qiáng)大的精確模擬能力的實(shí)際應(yīng)用例子。有了這個(gè)工具包，基于虛P(yáng)SoC3擬示波器模擬集成的高水準(zhǔn)，以及通過(guò)PSoC Creator ADC進(jìn)行模擬設(shè)計(jì)通過(guò)配置而顯得簡(jiǎn)潔方便。

PSOC內(nèi)部多種基本單元電路模塊可以實(shí)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(shí)現(xiàn)

近幾年生產(chǎn)的筆記本電腦一般不配備串口，為了操作攜帶方便，在設(shè)計(jì)的時(shí)候添加了USB轉(zhuǎn)串口的電路，使用USB口既可以完成與計(jì)算機(jī)完成數(shù)據(jù)通訊。

圖4軟件設(shè)計(jì)

3.1 PSOC軟件設(shè)計(jì)(下位機(jī))

圖5

PSOC軟件啟動(dòng)先初始化所以設(shè)備，進(jìn)入while循環(huán)。首先執(zhí)行ADC 模擬信號(hào)處理,將數(shù)據(jù)送到LED燈中用于ADC采集信號(hào)顯示。將ADC的值返回到串口中，由串口發(fā)送ADC到計(jì)算機(jī)。

3.2 Visual basic軟件設(shè)計(jì)(上位機(jī))

3.2.1上位機(jī)基本原理

在Visual Basic中一個(gè)Microsoft Communication Control(簡(jiǎn)稱Mscomm) 串口通訊控件，本作品就是靈活的使用該控件實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與PC機(jī)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(qū)動(dòng)，使用事件驅(qū)動(dòng)具有節(jié)省PC資源響應(yīng)速度快的優(yōu)勢(shì)所以本文使用事件驅(qū)動(dòng)方式接收串口發(fā)送過(guò)來(lái)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(lái)的數(shù)據(jù)為十六進(jìn)制數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為0—1000的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換完成的數(shù)據(jù)將存儲(chǔ)的一個(gè)數(shù)據(jù)緩沖去中，該緩沖區(qū)存儲(chǔ)了一段時(shí)間的波形，這樣就可以實(shí)現(xiàn)按下暫停之后可以拖動(dòng)滾動(dòng)條查詢歷史的波形，波形的顯示使用一個(gè)picture控件，并且設(shè)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(guò)繪線的方式將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為波形。

3.2.3 軟件基本界面設(shè)計(jì)

軟件主要考慮到用戶使用方便的問(wèn)題，設(shè)計(jì)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(shí)際示波器的布局來(lái)設(shè)計(jì)，左邊為CRT的顯示器，左邊為控制面板。這樣可以做到會(huì)使用實(shí)際示波器，也會(huì)使用虛擬示波器。

示波器界面中菜單有系統(tǒng)、設(shè)置、幫助三個(gè)選項(xiàng)?？梢栽O(shè)置波特率等。采集波形時(shí)可零點(diǎn)上下移、波形大小調(diào)節(jié)、波形保存、XY增益調(diào)節(jié)等多種功能。與實(shí)際示波器功能相似、布置相同，易于操作。波形通過(guò)賽普拉斯高精度的ADC采集經(jīng)串口傳輸后，該界面可實(shí)現(xiàn)清晰準(zhǔn)確的顯示。采集三角波如圖6所示。

圖6

4結(jié)束語(yǔ)

基于PSOC虛擬儀器把計(jì)算機(jī)技術(shù)與傳統(tǒng)測(cè)試技術(shù)緊密結(jié)合起來(lái)，它充分利用計(jì)算機(jī)的信息處理能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)多路輸入信號(hào)的實(shí)時(shí)采集和存儲(chǔ)，并進(jìn)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(huà)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(shí)現(xiàn)，節(jié)約經(jīng)費(fèi)。PSOC高精度可配置的ADC且內(nèi)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(shè)計(jì)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(guò)軟件可調(diào)。本虛擬儀器使用簡(jiǎn)單、方便、價(jià)格低廉，人機(jī)交互容易。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單使其體積小巧、便于攜帶，尤其適于配合便攜機(jī)野外使用。