基于高速數(shù)據(jù)采集卡的虛擬示波器的應(yīng)用畢業(yè)論文-資料下載頁(yè)

　　

【正文】 與各線程的相對(duì)優(yōu)先級(jí)相結(jié)合，就得到該線程的優(yōu)先級(jí)數(shù)（范圍是0到31）。在操作系統(tǒng)分配CPU的時(shí)間片的時(shí)候，高優(yōu)先級(jí)的線程總是可以優(yōu)先得到執(zhí)行。同時(shí)，高優(yōu)先級(jí)的線程還可以終止低優(yōu)先級(jí)別線程的執(zhí)行，搶占時(shí)間片中剩余的時(shí)間。不同線程可以采用定時(shí)器、中斷、休眠、同步對(duì)象等方法同步。 顯示模塊的特點(diǎn)是必須承擔(dān)繁重的圖形顯示輸出任務(wù)，而這部分的實(shí)時(shí)性要求一般不苛刻。這樣的功能模塊如果用單任務(wù)操作系統(tǒng)（如Dos）或非搶先式操作系統(tǒng)（）實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)采集任務(wù)將無(wú)權(quán)剝奪顯示任務(wù)的執(zhí)行權(quán)利而只能等待后者自行交出對(duì)CPU的控制權(quán)，從而使顯示模塊的延遲影響波及對(duì)時(shí)間響應(yīng)要求較嚴(yán)格的數(shù)據(jù)采集任務(wù)。但是在Windows9X下，實(shí)現(xiàn)中可以依靠系統(tǒng)的多線程、搶先多任務(wù)機(jī)制，將顯示功能在不同于數(shù)據(jù)采集線程的單獨(dú)線程中實(shí)現(xiàn)，然后通過(guò)上面提到的優(yōu)先級(jí)調(diào)度、線程同步等機(jī)制保證數(shù)據(jù)采集線程不被耗時(shí)的顯示線程所延誤。在數(shù)據(jù)采集和顯示任務(wù)由不同的線程完成的前提下，采集線程的執(zhí)行和休眠可以采用定時(shí)器或中斷調(diào)度等方式主動(dòng)控制。而顯示線程的調(diào)度主要有兩種策略： （1）將顯示線程的優(yōu)先級(jí)設(shè)置成低于數(shù)據(jù)采集線程的優(yōu)先級(jí)，那么顯示線程將始終處于等待狀態(tài)，只有在采集線程休眠后才能獲得CPU時(shí)間片執(zhí)行，這實(shí)際上是通過(guò)Windows的優(yōu)先級(jí)調(diào)度機(jī)制完成的線程同步。 （2）使用自定義消息，在采集線程每次休眠之前調(diào)用PostMessage()函數(shù)發(fā)出一個(gè)消息，由數(shù)據(jù)處理線程的消息響應(yīng)函數(shù)進(jìn)行響應(yīng)，進(jìn)而激活數(shù)據(jù)處理線程。 在本次設(shè)計(jì)中，除了一個(gè)處理用戶輸入消息的用戶界面線程（User_InterfaceThreads）之外，創(chuàng)建了兩個(gè)輔助線程（Worker Threads）。在主線程中，主要進(jìn)行觸發(fā)控制、通道控制、時(shí)基控制、增益控制等有關(guān)示波器的操作和控制。一個(gè)輔助線程用于數(shù)據(jù)采集，另外一個(gè)輔助線程用于數(shù)據(jù)處理，其中最主要的是波形顯示。軟件的多線程設(shè)計(jì)框圖如圖515所示。由于CS 82G的存儲(chǔ)器為單口存儲(chǔ)器，我們只能采用單緩沖區(qū)的工作方式，就是說(shuō)，每采集一定長(zhǎng)度的點(diǎn)后，采集線程休眠，并喚醒數(shù)據(jù)處理線程，當(dāng)數(shù)據(jù)處理線程有信號(hào)時(shí)，再喚醒采集線程，循環(huán)進(jìn)行，直至用戶發(fā)出中止命令。該方法的關(guān)鍵在于線程的同步，就是要保證在采集線程寫(xiě)內(nèi)存的時(shí)候，數(shù)據(jù)處理線程不能讀內(nèi)存，反之亦然，否則，會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤。可以采用臨界區(qū)或者Event同步對(duì)象來(lái)實(shí)現(xiàn)，為了保證在一次采集中采集線程不被中斷，而不僅僅是出于內(nèi)存訪問(wèn)保護(hù)的考慮，我們選擇Event同步對(duì)象的實(shí)現(xiàn)線程間的同步。圖512 軟件多線程設(shè)計(jì)框圖采用了多線程，那么就可以用一個(gè)單獨(dú)的線程進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，而另一個(gè)線程進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示和處理。這樣，能最大限度的保證采集的實(shí)時(shí)性，而另外的線程同時(shí)又能及時(shí)地響應(yīng)用戶的操作或進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示。否則，程序在采集數(shù)據(jù)時(shí)就不能響應(yīng)用戶的操作；在響應(yīng)用戶操作時(shí)就不能進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。尤其當(dāng)采集的數(shù)據(jù)量很大，數(shù)據(jù)處理任務(wù)很重時(shí)，如果不采用多線程，采集時(shí)的漫長(zhǎng)的等待是很難讓人接受的。多線程可明顯提高程序的執(zhí)行效率。 本課題在Visual C++，利用CS 82G高速數(shù)據(jù)采集卡開(kāi)發(fā)出了雙通道的虛擬示波器。其主要可實(shí)現(xiàn)的功能及性能指標(biāo)為： （1）兩通道同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地在示波器中以時(shí)域信號(hào)顯示，并可把采集到的數(shù)據(jù)很方便的存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)軟硬盤(pán)中。 （2）顯示信號(hào)的最高頻率是300MHz，最高采樣頻率為2GHz。 （3）可對(duì)兩個(gè)通道進(jìn)行頻譜分析和數(shù)字濾波，包括高通和低通濾波。 （4）可以通過(guò)軟件控制采樣率、觸發(fā)源、觸發(fā)電平、時(shí)基、波形縮放、放大器增益、輸入阻抗等。 （5）示波器分辨率是8位，～26ns。 本課題開(kāi)發(fā)的虛擬示波器除了通用功能以外，還具有傳統(tǒng)示波器所沒(méi)有的優(yōu)點(diǎn)，與傳統(tǒng)示波器比較，其優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在： （1）捕捉的波形可以保存在磁盤(pán)中或打印出來(lái)備份，可將存儲(chǔ)的樣板波形與實(shí)測(cè)波形同時(shí)顯示，以便進(jìn)行比較。 （2）測(cè)量準(zhǔn)確度高，虛擬示波器采用自動(dòng)測(cè)量，能減少輸入放大器和示波管線性度的影響，可以獲得較高的準(zhǔn)確度。 （3）波形均勻、穩(wěn)定、無(wú)閃爍，同時(shí)還能跟隨觀察窗口的放大、縮小，而放大、縮小為用戶作細(xì)致的觀測(cè)提供方便。 （4）通過(guò)用戶編程模塊，可擴(kuò)充用戶自己的數(shù)據(jù)處理和分析功能，因此，虛擬示波器適合對(duì)被測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行性能測(cè)試和故障診斷。 （5）窗口顯示模式。虛擬示波器可將多個(gè)通道的實(shí)測(cè)波形同時(shí)映現(xiàn)在屏幕的不同窗口中。這一功能使虛擬示波器可用于對(duì)控制系統(tǒng)多個(gè)工作部位的工況進(jìn)行監(jiān)視。 （6） 成本低。 PC機(jī)在價(jià)格上通常只有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)示波器的1/5到1/10 左右， 此外，PC機(jī)的資源并非全部為測(cè)試專用，當(dāng)不需要進(jìn)行測(cè)量時(shí)，PC機(jī)可用作其它用途。第六章 總結(jié)和展望 虛擬儀器技術(shù)強(qiáng)調(diào)利用計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大資源使本來(lái)需要硬件實(shí)現(xiàn)的技術(shù)軟件化，在相同的硬件模塊條件下通過(guò)調(diào)用不同軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的儀器功能，完成多種參數(shù)測(cè)試，以便最大限度地降低系統(tǒng)成本，增強(qiáng)系統(tǒng)功能與靈活性。本文所做的主要工作為： （1）研究了虛擬儀器的當(dāng)今發(fā)展，介紹了虛擬儀器概念和特點(diǎn)，與傳統(tǒng)儀器進(jìn)行了比較。并跟蹤國(guó)際上的最新技術(shù)，從構(gòu)成形式上劃分出的四種常見(jiàn)的體系結(jié)構(gòu)，然后根據(jù)實(shí)際需求，選擇了以計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集卡（PCDAQ）為體系結(jié)構(gòu)的虛擬儀器進(jìn)行了深入研究。 （2）對(duì)CS 82G高速數(shù)據(jù)采集卡的硬件和SDK進(jìn)行了深入的研究，確定了虛擬示波器的主要指標(biāo)，編寫(xiě)了高效的數(shù)據(jù)采集程序。 （3）基于PCI接口的CS 82G高速數(shù)據(jù)采集卡和Visual C++編程工具，設(shè)計(jì)了一種快速的虛擬示波器試驗(yàn)系統(tǒng)。具有以下主要功能：①實(shí)現(xiàn)了波形的實(shí)時(shí)與動(dòng)態(tài)顯示；②實(shí)現(xiàn)了FFT，完成了對(duì)信號(hào)頻譜的顯示；③實(shí)現(xiàn)了對(duì)采集信號(hào)的高通和低通濾波；④實(shí)現(xiàn)了對(duì)信號(hào)頻率、峰值、均值、功率及均方根等參數(shù)的測(cè)量及動(dòng)態(tài)顯示；⑤實(shí)現(xiàn)了對(duì)波形的存儲(chǔ)。 （4）提出了一種新的波形滾動(dòng)顯示算法，新的算法改變了滾動(dòng)方式只能觀察變化緩慢的信號(hào)的限制，使示波器的動(dòng)態(tài)顯示波形的效果得到了很大的改觀。 （5）為了保證示波器數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理特別是波形顯示的快速性，軟件必須充分考慮對(duì)各個(gè)模塊的同步控制。在分析Windows內(nèi)核任務(wù)調(diào)度機(jī)制和多線程程序設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，軟件采用了多線程設(shè)計(jì)，并且在數(shù)據(jù)采集線程和數(shù)據(jù)處理線程間采樣了同步對(duì)象的調(diào)度機(jī)制。 展望 虛擬儀器技術(shù)經(jīng)過(guò)十余年的發(fā)展，正沿著總線與驅(qū)動(dòng)程序的標(biāo)準(zhǔn)化、硬/軟件的模塊化，以及編程平臺(tái)的圖形化和硬件模塊的即插即用(Plugamp。Play)化等方向發(fā)展。現(xiàn)在，虛擬儀器技術(shù)在發(fā)達(dá)國(guó)家的應(yīng)用已非常普及，而我國(guó)起步較慢。因此，從引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的儀器技術(shù)和產(chǎn)品入手，大力推廣虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用和設(shè)計(jì)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品，無(wú)論對(duì)加速發(fā)展我國(guó)自己的電子儀器工業(yè)，還是提高我們的測(cè)試水平都是有益的。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展,虛擬儀器技術(shù)也會(huì)在各領(lǐng)域中發(fā)揮其重要作用,它將在促進(jìn)科技進(jìn)步,創(chuàng)造良好的社會(huì)效益和巨大的經(jīng)濟(jì)效益方面發(fā)揮卓越的作用,并表現(xiàn)出強(qiáng)大的生命力,它必然會(huì)對(duì)科技發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生不可估量的影響。在虛擬儀器中，數(shù)據(jù)采集、測(cè)試、過(guò)程控制、信息傳輸和通信等現(xiàn)代信息技術(shù)匯集在一起，將使標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化及軟件化儀器更廣泛流行，傳統(tǒng)儀器將逐漸失去主導(dǎo)地位。 微電子、計(jì)算機(jī)、軟件、通信及網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的迅速發(fā)展，必將推動(dòng)通過(guò)高速計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的分布式測(cè)試系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控及故障診斷的技術(shù)，即聯(lián)網(wǎng)測(cè)量技術(shù)在更廣泛的領(lǐng)域得到應(yīng)用。下一代虛擬儀器工具需要能夠快速方便地與藍(lán)牙（BlueTooth）、無(wú)線以太網(wǎng)和其它標(biāo)準(zhǔn)融合的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。繼“軟件就是儀器”概念之后，很可能出現(xiàn)“網(wǎng)絡(luò)就是儀器”的新概念。參考文獻(xiàn)[1] David 著，Visual C++ ，希望工作室譯，1999 [2] 候俊杰著，深入淺出MFC(第二版)，華中科技大學(xué)出版社，2000 [3] 胡峪，劉靜著Visual C++ 編程技巧與示例，西安電子科技大學(xué)出版社，2000 [4] 趙會(huì)兵，虛擬儀器技術(shù)規(guī)范與系統(tǒng)集成，清華大學(xué)出版社，2003 [5] 胡廣書(shū)，數(shù)字信號(hào)處理（第二版），清華大學(xué)出版社，2003 [6] 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本文是在陳景波老師精心指導(dǎo)和大力支持下完成的。陳老師以其嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的治學(xué)態(tài)度、高度的敬業(yè)精神、兢兢業(yè)業(yè)、孜孜以求的工作作風(fēng)和大膽創(chuàng)新的進(jìn)取精神對(duì)我產(chǎn)生重要影響。他淵博的知識(shí)、開(kāi)闊的視野和敏銳的思維給了我深深的啟迪。感謝班主任溫曉行老師，四年的生活相處不久，卻從您身上學(xué)到了太多，必將終身受益。感謝所有教授過(guò)我課程的常熟理工學(xué)院的老師們，是你們誨人不倦才有了現(xiàn)在的我。 感謝我的父母，沒(méi)有你們，就沒(méi)有我的今天，你們的支持與鼓勵(lì)，永遠(yuǎn)是支撐我前進(jìn)的最大動(dòng)力。 感謝四年生活在一起的顧張亮、張歡歡、徐春華同學(xué)，感謝你們四年對(duì)我的悉心照顧。謝謝你們對(duì)我任性的寬容。四年生活在同一屋檐下，感謝我們一起經(jīng)歷的點(diǎn)點(diǎn)滴滴。 感謝身邊所有的朋友與同學(xué)，謝謝你們四年來(lái)的關(guān)照與寬容，與你們一起走過(guò)的繽紛時(shí)代，將會(huì)是我一生最珍貴的回憶。