基于VC6. 0 的USB 型虚拟示波器设计与实现

1、黄石理工学院学报基于VC6.0的USB型虚拟示波器设计与实现张坤 沈华东 尹念东（黄石理工学院机电工程学院，湖北 黄石 435003）摘 要：以8位A/D转换器TLC5510、逻辑控制芯片EPM7064、USB接口芯片AN2131QC为核心，以计算机系统为硬件平台，以Labwindows/CVI和VC为开发工具，设计并制作一种USB型虚拟示波器。系统由数据采集、数据分析处理、数据输出与显示三部分组成。关键词：虚拟示波器；Labwindows/CVI；USB；中图分类号：TM935.37 文献标识码：ADesign and Implementation of virtual oscillosco

2、pe with USB based on VC6.0Zhang Kun Yin Niandong Shen Huadong(School of Mechanical Engineering，Huangshi Institute of Technology，Huangshi Hubei 435003)Abstract：On the basis of 8-bit A / D converter TLC5510, logic control chip EPM7064, USB interface chip AN2131QC，a kind of virtual oscilloscope was des

3、igned and made. With the computer system hardware platform and Labwindows / CVI for instrument for the development, a USB-based virtual oscilloscope was designed and produced. The system consists of data acquisition, data processing, data output and display.Keywords：Virtual Oscilloscope；Labwindows；U

4、SB调理电路A/D转换FIFO缓冲USB接口PC处理与显示被测信号CPLD时序控制1引言虚拟仪器是利用现有的PC计算机、加上特殊设计的仪器硬件及专用软件，形成既有普通仪器的基本功能，又有一般仪器所没有的特殊功能的新型仪器。本文介绍一种基于USB总线接口技术，用Labwindows/CVI及Visual C+6.0编程的虚拟示波器试验系统。该系统集波形采集、数据分析、输出、显示为一体。2 系统总体框图1、 湖北省自然科学基金项目（编号2007ABA403）2、 湖北省重点学科“机械电子工程”资助项目3、 “虚拟试验技术”校级创新团队项目虚拟示波器系统主要由数据采集卡、计算机和专用软件组成，其中，

5、数据采集卡主要包括：信号调理电路、A/D转换模块、CPLD时序逻辑控制、FIFO缓冲、USB接口。系统的结构框图如图1。信号调理电路主要负责信号的滤波、放大和阻抗匹配；A/D模块主要对经过调理后的信号进行模/数转换实现信号数字化；CPLD时序控制主要为A/D转换和FIFO缓冲提供时序信号完成A/D转换和数据的存储；USB接口实现与PC间的通讯，把采集的数据送给PC处理和接收PC发来的控制信号进行相应的处理。图1 系统总体结构2.1系统硬件电路设计根据系统总体框图选择元器件。A/D转换选择美国德州仪器（TI）公司生产的位半闪速结构模数转换器TLC5510。CPLD选择ALTERA公司MAX700

6、0系列EPM7064 CPLD，具有高性能低功耗CMOS EEPROM技术、遵循PCI规范、内嵌JTAGBST电路、标准ISP特性、5ns pin to pin延时，最高频率175.4 MHz、I/O接口支持5V、3.3V和2.5V等多种电平的特点。USB接口选择Cypress公司的EZ-USB系列的AN2131QC，它支持12Mb/s的全速传输，可使用4种USB传输协议方式：控制传输、中断传输、块传输和同步传输，完全兼容USB1.1协议，AN2131QC主要包括USB收发器、Ancher Core、增强型8051、8KB RAM、2KB 的FIFO存储器、24个I/O口、8位数据总线、16位

7、总线和I2C接口。系统的电路如图2。该系统的主要技术指标：1A 、B 双通道工作模式 2+/- 10V 的双极性输入图2 系统硬件电路原理图3最高采样率为1MSPS450阻抗匹配3 USB驱动的设计3.1 WDM驱动程序的组成WDM（Windows Driver Mode，Windows驱动模型）基本组成包括以下5个例程。（1）驱动程序入口例程：处理驱动程序的初始化。（2）即插即用例程：处理PnP设备的添加、删除和停止。（3）分发例程：处理用户应用程序发出的各种I/O请求。（4）电源管理例程：处理电源管理请求。（5）卸载例程：处理驱动程序的卸载。 3.2 USB驱动的开发编写USB设备驱动程序

8、所需的开发环境，主要包括：DDK、BUILD工具和Visual C+开发环境设置。DDK是Microsoft公司提供的驱动程序开发包，它是开发驱动程序所必须的软件，在WindowsXP下使用的是WinXP DDK。在DDK安装完毕后，其文件下的bin目录下包含一些可执行文件，如Build.exe（用于创建驱动程）、Setenv.bat（用于设置驱动程序的构造环境）。Visual C+ 开发环境需要进行一些设置以使其能直接编译、连接设备驱动程序的源代码。主要是以下几个地方需要修改。（1）把DDK的bin目录添加到的可执行文件目录列表中。（2）创建一个Make file 项目，按表1 设置“Win

9、32 Release”选项，相应的设置“Win32 Debug”。表1 自由构造环境设置（Win32 Release）名称取值Build command lineDrvBuild%DDKPTH%d:d:usbdriver freeRebuild all options-nmake/aOutput file nameUsbdrive.sysBrowse info file nameObjchki386usbdriver.bsc(Win2000/XP)（3）选“BUILDCONFIGURATIONS”菜单，单击“ADD”按钮，在新窗口中的“CONFIGURATION”中设置输入配置名字： 分别为“

10、Free” 或“Checked”；其对应为“Copy setting from”分别为“xxx-Win32 Relesse”和“xxx-Win32 Debug”，然后把两个“xxx-Win32 Relesse”和“xxx-Win32 Debug”删除即可。USB设备驱动程序框架包含了驱动程序头文件、入口例程和卸载例程即插即用例程、电源管理例程、资源管理头文件、版本资源信息等。可以在此基础上添加自己所需的一些分发例程即可。也可采用Cypress公司提供的标准驱动程序来完成USB的驱动开发。在正确安装了USB驱动后可以在设备管理器中看到USB设备。上电复位初始化变量调用TD-Init()使用中断是

11、否接收到SETUP包延时1S，重举例调用TD-POLL（）是否接收到SETUP包执行设备请求USB总线空闲标志是否有效挂起处理器调用TD-Resume ()调用TD-Suspend()YNYNNY4 系统软件设计 4.1 EZ-USB固件程序设计固件共包含8个程序文件：main.c、function.c、delayms.a51、decrptr.a51、jmptable.a51、testheader.h、testregs.h和testregsl.inc。其中，头文件testregs.h和testregs.inc对AN2131中的各种寄存器进行定义；testheader.h定义通用的EZ-USB常

12、量、数据类型和宏；dscrprt.a51定义系统所使用的各种USB描述符；delayms.a51中包含延时1ms子程序和芯片挂起处理子程序；jmptable.a51文件定义EZ-USB的INT2中断跳转表；main.c是固件运行的主程序文件，负责处理各种USB设备请求；function.c包含各种功能函数的定义，用于完成系统的主要功能，如处理USB同步传输等。main.c是固件运行的主程序文件，负责处理主机发出的各种USB设备请求。实现流程如下所示，该程序首先初始化所有的内部状态变量，然后调用TD_Init（以前缀”TD_”开头的函数均在function.c文件中定义）用户函数进行初始化，并打

13、开中断，最后固件程序开始列举USB设备，直至在端点上接收到SETUP令牌包时为止。一接收到SETUP令牌包，其将重复执行下面的任务分配过程。(1)调用函数TD_poll，以完成用户指定的任务。(2)判断是否有USB设备请求(SETUP令牌包)。如果有则调用parseControlTransfer函数进行相应的处理；如果没有，则继续向下执行。(3)检测USB总路线是否空闲。如果空闲，则调用程序TD_Suspend，以交由用户处理。在TD_Suspend返回真值后，它将调用EZUSB_Susp函数(在delayms.a51文件中定义)，以使8051处于空闲状态。这时，只有USB总路线活动或芯片WA

14、KAEUP#管脚活动，才可能将8051重新激活。(4)8051被激活后，固件程序将首先调用EZUSB_Resume函数，以使用8051从空闲状态中恢复出来，然后再调用TD_Resume函数来处理用户指令。主程序流程图如图3。图3 主程序流程图4.2 Labwindows/CVI 人机界面设计人机界面主要功能是模拟传统示波器，实现波形显示，满足不同需要的分析功能以及对数据采集系统硬件的参数设定。采用 NI公司的虚拟仪器软件开发平台Labwindows/CVI可以充分发挥虚拟仪器的灵活性。LabWindows/CVI开发的应用程序如果要与 AN2131Q通过 USB接口通讯，必须另外开发连接 DL

15、L。应用程序调用连接DLL与AN2131Q通讯，取得AN2131Q上传的数据包后把数据包拆包，这样才能获得采样数据。因此，开发上层应用软件的首要工作是动态链接库的开发，动态链接库采用VC+6.0 进行开发。 PC端应用程序是虚拟示波器控制软件的最上层，虚拟示波器用户控制面板具有界面友好、操作直观等优点，通过面板上的各种控件便可实现数据的采集、存储、再现及分析等功能。人机界面如图4。图4 人机界面5 结束语随着 USB20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一个新思路。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。参考文献1 李英伟.USB2.0原理与工程开发（第二版）M.北京：国防工业出版社，20072 王辉.MAX+pus和Quartus应用与开发技巧M.北京：机