常熟理工学院毕业设计（论文）基于高速数据采集卡的虚拟示波器的设计摘要随着计算机技术的发展，仪器工业正在经历一场巨变。计算机强大的处理和显示能力，使它可以在数据采集、分析和表达中的任意一个方面提升仪器的性能。以虚拟仪器为代表的新型仪器改变了传统仪器的思想，它们充分利用了计算机强大的软硬件资源，把计算机技术和测量技术紧密结合起来，是融合了电子测量、信号处理、计算机和网络技术的新型测量仪器，由于成本低、使用方便等优点得到了广泛的应用。本文基于GaGe公司的高速数据采集卡CS 82G和通用PC平台，使用VC+ 6.0编程工具，完成了一种快速虚拟示波器的设计。首先，本文介绍了虚拟仪器的研究背景和意义以及国内外的一些研究进展。对虚拟仪器总体进行了概述，讨论了虚拟仪器的概念、构成、特点、发展，建立了虚拟仪器的基本框架。然后对虚拟示波器的重要组成部分数据采集系统进行了探讨，同时对CS 82G数据采集卡进行了深入的研究，在此基础上，进行了虚拟示波器的系统设计。本文的重点是第五章虚拟示波器的具体实现，这部分完成了虚拟示波器各模块的详细设计，包括数据采集模块、用户界面模块、频谱分析模块、数字滤波模块、波形显示模块和参数计算模块的设计，并给出了设计和实验结果，还讨论和实现了软件设计中的关键技术，最后进行了系统性能分析。文章的最后进行了课题的总结和展望。本文对相关高速、大容量数据采集系统和虚拟仪器的设计有重要的参考价值。关键词：虚拟仪器 虚拟示波器 数据采集 CS 82VDesign of Virtual Oscillograph Based on High Speed Data-acquisition CardAbstractThe instrumentation industry is undergoing a variety of exciting changes as a result of the development of PCs, The PC revolution has equipped users with powerful processing and display capabilities of their own. The computer can enhance instrument functionality in any of the three areas-data acquisition, analysis, and presentation. Virtual instrument (VI) changed the ideas of traditional instrument and made full use of the powerful resources of computer. It is a new-style instrument that combines the technologies of electronic measurement, signal processing, computer and network. In this dissertation, a new-style fast virtual oscillograph was designed with the use of VC+ 6.0 programming tool based on a fast data-acquisition card, CS82G and universal PC platform.The research background and significance of VI are introduced in this dissertation firstly including the research status of VI in China and foreign countries. Then, the general technologies of VI are summarized including the definition of VI, the component of VI, the characters of VI and the development of VI, which established the framework of VI. Afterwards, the data-acquisition system is discussed detailedly as well as the studying of the data-acquisition card CS82G. On the basis of those work, the system of virtual oscillograph is designed. Chapter 5 is the emphasis of this dissertation. Every module is designed in detail including data-acquisition module, GUI module, FFT module, digital filter module, waveform display module and parameters computing module. Besides, the result of design and experiments is put forward and some key technologies of software are discussed in this chapter. In the end, some existing problems are pointed out as well as the summary work. This dissertation is of important value to the design of correlative fast, large- capability data-acquisition system and VI. Key words:virtual instrument;virtual oscillograph;data-acquisition;CS 82G目录第一章 绪 论11.1引言11.2 研究的背景和意义11.3 本文内容安排2第二章 虚拟仪器技术42.1虚拟仪器的基本概念42.2虚拟仪器的特点5第三章 基于数据采集卡的虚拟示波器的研究63.1基于PC的数据采集系统63.2 超高速数据采集卡CS 82G63.3 基于数据采集卡的虚拟示波器的原理和结构73.3.1 虚拟示波器的工作原理73.3.2 系统的结构和特点8第四章 虚拟示波器的方案设计94.1硬件和软件的选择94.1.1硬件的选择94.1.2软件开发环境的选择104.2软件总体方案11第五章 虚拟示波器系统的软件具体实现135.1虚拟示波器的系统软件功能框图135.2 数据采集模块的设计135.2.1 数据采集的编程过程135.2.2采集模块的流程图155.3 软面板的设计155.4 频谱分析模块的设计155.4.1 设计结果185.4.2 数字滤波模块的设计215.6 波形显示模块的设计235.6.1 数据内插技术235.6.2 波形显示技术235.6.3设计结果265.6.4数据采集和数据处理的多线程实现275.7小结29第六章 总结和展望316.1总结316.2 展望31参考文献33致谢34第一章 绪 论1.1引言虚拟仪器是随着计算机技术、电子测量技术和通信技术而发展起来的一种新型仪器，虚拟仪器的出现是测量仪器领域的一个突破， 从根本上更新了测量仪器的概念。它是在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义，具有虚拟面板，测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。虚拟仪器技术充分利用计算机系统强大的数据处理。 能力，利用软件完成数据的采集、控制、数据分析和处理以及测试结果的显示等， 通过软、硬件的配合实现传统仪器的各种功能， 大大突破了传统仪器在数据处理、显示、传送、存储等方面的限制，使用户可以方便地对仪器进行维护、扩展和升级。它的优势在于可由用定义自己的专用仪器系统，且功能灵活，很容易构建，所以应用面极为广泛。尤其在科研、开发、测量、检测、计量、测控等领域更是不可多得的好工具。虚拟仪器技术先进，十分符合国际上流行的“硬件软件化”的发展趋势，因而常被称作“软件仪器”。随着计算机技术的广泛应用，传统的仪器设备缺乏相应的计算机接口，因而配合数据采集及数据处理十分困难。而且，传统仪器体积相对庞大，多种数据测量时常常感到捉襟见肘。我们常见到硬件工程师的工作台上堆砌着纷乱的仪器，交错的线缆和繁多待测器件。然而在集成的虚拟测量系统中，我们见到的是整洁的桌面，条理的操作，不但使测量人员从繁复的仪器堆中解放出来，而且还可实现自动测量、自动记录、自动数据处理。其方便之极固不必多言，而设备成本的大幅降低却不可不提。一套完整的实验测量设备少则几万元，多则几十万元。在同等的性能条件下，相应的虚拟仪器价格要低二分之一甚至更多。虚拟仪器强大的功能和价格优势，使得它在仪器计量领域具有很强的生命力和十分广阔的前景。1.2 研究的背景和意义所谓虚拟仪器就是微机化的智能电子测量仪器。虚拟仪器通过硬件功能模块和专用软件构成一种良好的人机交互界面,用户可以自定义测试功能以及使测量对象多样化。虚拟仪器的外部接口是通过数据采集卡将信号数据采集后送入计算机,各种复杂测试功能、数据分析和结果显示则完全由计算机软件完成。一台性能优良的虚拟仪器不仅可以实现传统测量仪器的大部分测量功能,在许多方面较传统仪器有无法比拟的优点,如使用灵活方便、测试功能丰富、价格低廉、一机多用等,这些使得虚拟仪器成为未来电子测量仪器发展的方向。一台传统仪器有3大功能:对被测信号的采集与控制,分析与处理,结果的表达与输出。传统仪器的这些功能都是以硬件(或固化的软件)的形式存在的。虚拟仪器的特点就是将计算机技术和仪器技术有机结合,充分利用计算机技术,用计算机的显示器模拟各种仪器的控制面板,以多种形式表达输出检测结果;以计算机软件实现各种模拟信号分析,处理,完成多种多样的测试。在电子测量测试仪器中,示波器的使用范围非常广泛。传统示波器包括宽带示波器,取样示波器和记忆示波器等,它们频带较宽,价格便宜,但测量精度不高,功能比较单一。近年推出的数字存储示波器,由于引入微处理器,极大地提高了测量准确度,同时还具有较强的数字化处理功能,如FFT、信号平均和自动测频等。不过,这种示波器在应用上存在一些限制因素,例如价格昂贵,仪器功能和模式固定,不具备用户对仪器进行定义及编程的功能。本文采用基于计算机的虚拟技术,设计出虚拟存储示波器,模拟通用双踪示波器的面板操作和处理功能。使用个人计算机及其接口电路来采集现场和实验室信号,并通过图形用户界面来模仿示波器的操作面板完成试验采集,调理,分析处理和显示输出,存储记录等功能。当今，对低速的虚拟仪器的研究已经比较多，而以GaGe公司的高速卡为数据采集设备的虚拟示波器的研究与设计还未见报道。本课题研究的虚拟示波器是一种重要的虚拟仪器，主要用于超高频信号的采集、波形显示和频谱分析，在雷达信号处理和激光信号处理等领域有着广泛的应用。1.3 本文内容安排 本文主要基于GaGe公司PCI接口的CompuScope 82G高速数据采集卡和Visual C+ 6.0编程工