基于USB接口的虚拟示波器的开发实现

为了克服虚拟示波器应用中的一些缺点，在虚拟示波器中采用了一种新的总线接口标准——USB接口。主要介绍了基于USB的虚拟示波器的独特优点，着重说明了系统整体设计、外插硬件设计、USB驱动软件设计和客户应用软件设计。
    关键词：虚拟示波器，USB，Windows驱动模型，快速傅里叶变换

1　系统总体设计
　　USB规范中将USB分为5个部分：控制器、控制器驱动程序、USB芯片驱动程序、USB设备以及针对不同USB设备的客户驱动程序。根据设备对系统资源需求的不同，在USB规范中规定了四种不同的数据传输方式：等时传输方式（isochronous）、中断传输方式（interrupt）、控制传输方式（control）和批（bulk）传输方式。这些传输方式各有特点，分别用于不同的场所。USB需要主机硬件、操作系统和外设三个方面的支持才能工作。目前，主板一般都采用支持USB功能的控制芯片组，而且也安装了USB接口插座。根据USB规范，整个虚拟示波器系统的设计分为主机软件部分和外插硬件部分（见图1）。

　　本虚拟示波器的开发将三种实用仪器仪表的功能集于一体。（1）双通道宽带示波器功能：波形实时显示与运算，波形存储打印，频谱分析等。（2）数字／表针双显高精度万用表功能：电压测量，电流测量，电阻测量等。（3）高精度可自定义信号发生器功能：三角波发生，正弦波发生，方波发生，自定义波形发生等。
2　系统外插硬件设计
    系统外插硬件设计结构见图2。本系统的外插硬件中采用Philips公司的PDIUSBD12全速USB接口芯片组成USB接口单元。PDIUSBD12芯片详细资料可查看Philips公司网站www．philips．com。模数转换芯片采用MAX公司最新的AD芯片MAX108。控制单元采用AT908515单片机作为控制器，控制整个硬件部分的协调工作。两路被测信号可同时进入双路AD单元，模数转换后的数字信号经过信号预处理单元，对信号作初步的处理并将信号转变为便于存储的数据形式。此后，将数据送入高速缓存，等待USB接口单元逐步输入主机。而系统输出信号的路径相反，最后由DA单元转变为用户定义输出的模拟信号。控制单元控制AD和DA转换的启动停止、信号预处理单元的处理动作、高速缓存的存取以及协助USB接口单元的输入输出。

3　USB驱动程序设计
　　本USB驱动程序采用等时管道传输数据，用控制管道来传输指令与信息。用等时管道可以实现主机和设备之间有规律的时间敏感性数据交换。总线驱动程序将使用90％的总线带宽进行等时和中断传输。　　打开一个USB管道，首先要知道这种USB设备的GUID和管道名称，获取句柄以后就可以使用ReadFile／WriteFile进行读写了。
　　USB驱动程序符合WDM（Windows驱动模型），本驱动程序采用微软公司的DDK2000开发，使用平台为Windows2000。鉴于篇幅原因，此处仅提供USB驱动程序主入口例程的设计。
　　WDM驱动程序的主入口例程为DriverEntry例程，I／O管理器将调用该例程。对于本WDM驱动程序的DriverEntry例程，其主要工作是把各种函数指针填入驱动程序对象。这些指针为操作系统指明了驱动程序库中各种子例程的位置。它们包括下面这些指针成员（驱动程序对象中）：
　　（1）DriverUnload指向驱动程序的清除例程。I／O管理器会在卸载驱动程序前调用该例程。
　　（2）DriverExtension→AddDevice指向驱动程序的AddDevice函数。PnP管理器将为每个硬件实例调用一次AddDevice例程。
　　（3）DriverStartIo驱动程序使用标准的IRP（interrupt request package，中断请求包）排队。
　　（4）MajorFunction驱动程序可能需要处理几种类型的IRP，所以，应该设置与那几种IRP类型相对应的指针元素，使它们指向相应的派遣函数。根据虚拟仪器系统的实际要求，本驱动程序所要处理的主功能IRP有：
IRP-MJ-CREATE；IRP-MJ-CLOSE；
IRP-MJ-DEVICE-CONTR;IRP-MJ-WRITE;
IRP-MJ-READ;IRP-MJ-SYSTEM-CONTROL;
IRP-MJ-PNP;IRP-MJ-POWER。
　　在主入口例程中，必须设置和这些IRP类型相对应的指针元素，使它们指向相应的派遣函数。
4　客户服务软件设计
　　整个客户服务软件使用VC＋＋编写，分以下几个主要模块设计。
4．1　驱动层与应用层通信模块
　　如果通信功能块直接放在应用程序主线程中实现，那么，当应用程序与驱动程序进行数据通信时，主界面就会冻结。为了解决这个问题，我们直接创建一个子线程来单独完成与驱动程序的通信任务，让主界面专心于响应视窗界面的讯息。在子线程中通过调用Windows API函数来实现对USB设备进行IO操作。其中，DeviceIoControl（）函数用于传送设备配置信息；CreateFile（）用于创建设备对象；WriteFile（）和ReadFile（）用于对USB设备读写数据。
4．2　控制面板模块
　　在客户服务界面上我们创建了RUN、STOP、SINGLE、频谱分析、LOAD和SAVE6个主控功能按钮，来实现其主要控制功能。这一部分设计系统完成启动、停止、单步、存储和装入数据文件等等控制功能。
4．3　波形实时显示模块
　　对显示窗口按用户习惯进行定制，并且按控制面板的指定参数来显示波形、刷新波形和对波形进行一定的运算。
4．4　FFT模块
　　利用快速傅里叶变换（FFT）进行频谱分析。本软件中频谱分析采用按时间抽取FFT算法，然后将幅值频谱分析和相位频谱分析结果在用户界面上以坐标曲线形式显示。
4．5　其它模块
　　包括波形存取、打印、重放，以及数字／表针双显高精度万用表和高精度可自定义信号发生器功能模块。
5　结束语
　　随着USB2．0标准的提出，USB的应用范围越来越广，已经涉及到几乎所有计算机外设。USB的特点为解决当前虚拟仪器的一些问题提供了新思路。本文是将USB接口引入虚拟仪器、仪表系统的一次探索性研究。