1 引言
智能仪器(vi)是计算机技术向测量仪器移植的产物，含有微计算机或微处理器的测量仪器。由于它拥有对数据的存储、运算、逻辑判断及自动化操作等功能，有着智能的作用，因而被称之为智能仪器。自从“智能仪器”概念产生以来,智能仪器在测量过程自动化、测量结果的数据处理及一机多用(多功能化)等方面已经取 得了巨大的进展。可以说，在高准确度、高性能、多功能的测量中已经很少有不采用智能仪器的了。
示波器是电子测量行业最常用的测量仪器之一，主要用来测量并显示被测信号的参数和波形，在科学研究、科学实验以及现场监测等许多领域被广泛应用。随着科学研究的不断深入和各种高新技术的不断发展，传统示波器的诸如波形不稳定、测量不准确等许多缺陷逐渐显露出来，越来越不能满足现代应用的需要。智能化数字示 波器(亦称虚拟示波器)不仅可以实现传统示波器的功能，而且具有存储、再现、分析、处理波形等特点。
本文中，采用了基于数据采集系统上的虚拟仪器系统组建方案实现虚拟示波器的功能，使用功能强大的微型计算机来完成信号的处理和波形的显示，利用软件技术在屏幕上设计出方便、逼真的仪器面板，进行各种信号的处理、加工和分析，用各种不同的方式(如数据、图形、图表等)表示测量结果，完成各种规模的测量任务。
2 系统设计
如图1所示，整个系统采用高速缓存、局部总线、高速dsp等为主的硬件结构。它包含了一个完整的数据获取、处理系统，但是它又是具有测试仪器的特色，这主 要表现在模拟放大，增益控制和一系列的高速控制电路;局部总线是数据采集系统的核心，组成系统的各个模块均挂接在局部总线上;高速缓存分为两路，分别负责通信接口和dsp之间的上行和下行通信。数据采集系统的通信接口可以使用各种方法实现，如pc计算机的io口、存储器窗口映射、dma等。在本文中，采用 usb接口传输技术，以达到满足较高通信速率的目的。
图1 系统硬件组成图
在规定的触发条件满足时，数据采集系统中的高速控制电路启动ad变换器工作，变换后的数据在dsp中，dsp根据pc计算机预先设置的算法计算pc计算机 需要的结果，存储于高速缓存中，并通知pc计算机来取数据，pc计算机取出数据后，重新启动数据采集，等待触发条件的又一次满足。
数据采集系统与pc计算机的通信协议为被动式协议。在虚拟仪器系统的硬件模块中，pc计算机完成的功能是提供人机图形界面以及控制数据采集工作，各种处理 算法在dsp中运行，pc计算机对采集卡初始化时除了完成必要的寄存器赋值外，还要为dsp加载运行程序。
整个系统使用的主要芯片如下:模/数转 换芯片是ti公司的低价高速a/d芯片tlc320ad50c;dsp使用ti公司的tms320vc5410定点数字信号处理器;usb芯片是 cypress公司的an2131qc;dsp与usb之间的fifo是idt公司的72v02,它有1024个单元。
2.1 模/数转换部分
tlc320ad50c使用过采样(over sampling)的∑-△技术提供从数字至模拟(d/a)和模拟至数字(a/d)的高分辨率低速信号转换。该器件包括2个串行的同步转换通道(用于各自 的数据方向);在dac之前有一个插入滤波器(interpolation filter)和adc之后有一个抽取滤波器(decimation filter)，其它的高级功能有片内时序和控制，结构在低系统速度和低价格下产生高分辨率的模数和数模转换。在本设计中主要用到的是ad50芯片的 a/d功能该器件的选项和电路结构可通过串行接口进行编程，其选项包括:复位、掉电、通信协议、串行时钟率、型号采样率、增益控制及测试方式等。 tlc320ad50c的工作范围方位从0℃～70℃。
(1) tlc320ad50c与dsp的硬件连接
tlc320ad50c的引脚示意图及其与dsp的硬件连接ad50与dsp芯片的硬件连接如图2所示;
(2) 模/数转换部分的程序
图2 ad50与dsp的硬件连接图
在本系统中，模拟量信号经过前端处理转换成差分信号后进入tlc320ad50c芯片，ad50根据输入信号的大小值将其转换成数字信号，并触发 vc5410芯片来接收。dsp芯片里的程序流程如图3所示
图3 ad部分程序流程图
2.2 dsp部分
tms320vc5410基于一个高级的改进哈佛结构，有一组程序存储总线和三组数据存储总线。这个处理器提供一个高水准的并行算术逻辑单元，专用硬件逻辑，片内存储器以及片内外设。它的特点是:
(1) 先进的多线程结构
包括三条独立的16位数据存储总线和一条程序存储总线;
(2) 40位的算术逻辑单元;
(3) 17位的并行乘法器，可用来进行非流水单周期mac运算;
(4) 数据总线具有总线保持特性;
(5) 支持32位长操作数指令;
(6) 单周期定点指令执行时间10ns。
2.3 usb总线(通用串行总线)
usb技术的提出是基于采用通用连接技术实现外设的简单快速连接，达到方便用户，降低成本，扩展pc机连接外设范围的目的，使pc的功能扩展变得非常简 便，并且能最大程度地降低用户对计算机技术的需求，使所有的外设均成为所谓的“傻瓜”式设备。usb的规范能针对不同的性能价格比要求提供不同的选择，以满足不同的系统和部件及相应不同的功能，主要有以下优点:
(1) 终端用户的易用性;
(2) 广泛的应用性;
(3) 同步传输带宽;
(4) 灵活性.
usb技术具有开放性，是非赢利性的规范，得到了广泛的工业支持。它在数字图像、电话语音合成、交互式多媒体、消费电子产品等领域得到了广泛的应用。
an2131qc和dsp芯片tms320vc5410之间采用fifo(first in first out sram)连接，不用主机接口(hpi)方式，这样可以使usb接口芯片和dsp之间的最大数据交换速度超过usb总线的速度，使之不成为数据传输的瓶 颈，dsp和主机间的数据传输速度只受usb协议限制。由于an2131qc内嵌8位8051处理器，所以用两片fifo实现usb接口和dsp之间的双向通信如图4所示。
图4 an2131qc和dsp连接示意图
2.4 上位机vb应用程序
tlc320ad50将输入的模拟量信号转换成数字信号，并送到dsp芯片tms320vc5410中去;vc5410将数据打包，并写入fifo，通知 usb芯片an2131qc来取;an2131qc从fifo中读出数据，再送到上位机，上位机应用程序就是要将这些数据接收并通过还原显示出来。该程序的框图如图5所示。该应用程序对应的dsp程序从fifo2中读数，一旦读到“a”的acsii码61h，就将从adc通道接收到的采样数据打包，写到 fifo1中，同时向usb发出中断信号，通知usb到fifo1中将数据包读出。这样就实现了usb和dsp之间的数据交换。
图5 上位机vb应用程序框图
3 结束语
由于篇幅的限制，本文只介绍了基于usb接口的虚拟示波器的设计的一部分，这部分并不仅仅局限于虚拟示波器中，它也可以通用于一般的高速数据数据采集与处理系统中。本系统作为一个通用平台，具有广阔的应用前景。
参考文献
[1] 刘益成. tms320c54x dsp应用程序设计与开发[m]. 北京:北京航空航天大学出版社,2002.
[2] 张 弘. usb接口设计[m]. 西安:西安电子科技大学出版社,2002.
[3] 汪安民. tms320c54xx dsp实用技术[m]. 北京:清华大学出版社,2002.
