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IEEE TRANSACTIONS ON EDUCATION, VOL. 47, NO. 2, MAY 2004 295

基于PC的低成本虚拟示波器

Chandan Bhunia，Saikat Giri，Samrat Kar，Sudarshan Haldar和Prithwiraj Purkait，IEEE

摘要 - 个人计算机（PC）与当今测量和仪器仪表世界的集成为“虚拟仪器”打开了大门。本文介绍了低成本，基于PC的虚拟数字示波器的开发。使用计算机并行端口的数据采集设备已经制造有全模拟接口和具有相关控制逻辑和定时电路的8-b模数转换器。还开发了旨在管理采集过程和显示采集信号的软件包。该器件被设计为一个简单的插件板，可以集成到任何IBM PC并行端口中 - 因此，在许多情况下，消除了对于大量且昂贵的数字示波器的要求。该项目最初设计为本科毕业论文，目前正用于实验室教学目的。该设备的特点使其适合作为电气，电子，仪器和计算机科学院系本科生的教育资源。

索引术语 - 模数（A / D）转换，数据采集，数字示波器，并行端口，虚拟仪器。

1. 介绍

在今天的教育机构，特别是电气工程，数字示波器已成为信号采集和分析的常用仪器。由于其固有的高输入阻抗，数字示波器可用于高精度地分析模拟和数字电路。数字示波器与模拟示波器相比，阴极射线示波器的另一个吸引人的特点是数字示波器能够有效存储数据，以便后续分析[1]. 最近，数字存储示波器（DSO）已经实现了PC连接的附加功能，这样信号可以存储在PC中供以后分析[2]. 然而，随着功能的增加，这些示波器变得更加昂贵，并且对于本科级别的新手学生来说更难以获得。这些商用示波器的高级功能通常在普通本科实验室的低功耗和低频要求中未得到充分利用。此外，在任何实验室课程的几乎每个步骤中使用PC，从分析到数据表示再到报告准备，都促使设备的开发在很大程度上结合了数字示波器和PC的功能。这

Manuscript received October 8, 2002; revised May 11, 2003.

C. Bhunia is with Bengal Engineering College, Shibpur, India (e-mail: cbhunia@yahoo.com).

S. Giri is with Computer Maintenance Company (CMC), Ltd., Kolkata, India

(e-mail: saikatgiri@yahoo.com).

S. Kar is with Bhaba Atomic Research Centre (BARC), Mumbai, India

(e-mail: esamrat@yahoo.com).

S. Haldar is with BHaldia Petrochemicals, Ltd. (HPL), Haldia, India (e-mail:

sudarshan.halder@hpl.co.in).

P. Purkait is with the Department of Electrical Engineering, Haldia Institute

of Technology, Haldia, India (e-mail: praj@iee.org).

Digital Object Identifier 10.1109/TE.2004.825527

个想法是为了开发一种低成本，价格合理的插入式数据采集卡，可与任何通用PC及相关软件一起使用，并可将昂贵的DSO冗余用于基本信号分析。

本文的主要贡献是为集成系统提供基于PC的数据采集硬件，软件和显示模块，并重点介绍它如何用于本科实验室演示和教学目的。

1. 基于pc的虚拟仪器

仪器仪表行业正朝着虚拟仪器的方向稳步快速地发展。虚拟仪器以PC为中心，与尽可能少的专用硬件一起使用，将其链接到必须测量/控制的设备。该硬件通常是用于直接数字化信号或用于控制独立仪器的插入式板。虚拟仪器以其灵活性，模块化和低成本而闻名。Celma等人[3] 介绍了适用于本科实验室的基于PC的频谱分析仪开发背后的想法。他们指出，鉴于本科实验室遇到的信号范围有限，这种数据采集系统的要求并不高。Chickamenahalli等人[4] 展示了一个本科研究项目，该项目涉及使用NI通用接口板将HP数字示波器连接到IBM PC。Smith等人[5], [6] 在他们的论文中描述了与打印机/绘图仪系统集成的简单DSO的设置，以便快速再现信号。然而，他们对涉及DSO，打印机/绘图仪和PC的此类方案的基准空间要求持怀疑态度。这一发现导致了本文所述的集成DSO-PC打印机系统的概念，其

中一个足以满足大多数非研究生水平的实验室。

过去已经建立了几个通过并行端口的数据采集系统[7] - [9] - 以及各种硬件和软件组合。但是，这些作品要么没有得到全面报道，要么在开发方法上有太多变化，使读者感到困惑。本文的目的是报告一个完整的工作系统，其复杂性较低，但在本科实验室中却具有合理的用途。

最近，基于Web的虚拟实验室的想法[10], [11] 导致了各种虚拟仪器的发展，包括虚拟示波器[12], [13]. 但是，许多虚拟示波器没有相关的数据采集硬件，对于普通的大学生来说功能太多，或者价格昂贵。这些在本质上是“虚拟” - 仅演示示波器的前面板功能 - 无需实时数据采集

0018-93559/04 $20.00copy;2004 ieee

和显示。本文的贡献在于开发一种功能齐全的基于PC的示波器，该示波器具有数据采集硬件，软件，接口和图形用户界面（GUI）的相关模块。

National Instruments的LabVIEW虚拟示波器[14] 为基于PC的数据采集提供了多功能工具。然而，说实话，这样一个系统（以及国家仪器数据采集卡）的相对较高的成本往往不适用于要求不达到复杂程度，准确性和速度的本科实验室。因此，LabVIEW比本科教育/教学更适合工业/高等研究应用。

在此背景下，所提出的系统旨在为本科实验室中的集成多通道数据采集，显示，分析和打印操作提供低成本，简单且有效的解决方案。它使用传统的PC并行端口，接口电

路的成本低于美国的$ 10.00，常用的GUI开发工具和其他

编程语言，如Visual Basic（VB）和TurboC.该系统非常适合在本科实验室中用于实时应用和教育/教学目的。围绕开发系统构建的课程和教程材料有望提供对基于PC的实时数据采集硬件和软件主题的充分了解。

1. 系统描述

数据采集系统（DAQ）设计用于检测多通道模拟输入，并在将它们传输到PC之前将其转换为数字格式。数字数据存储在PC存储器中并显示在PC屏幕上;这些规定也用于处理数据。该装置还提供在线印刷设备。开发系统的框图如图1所示。

硬件设计主要用于执行接口和输入/输出（I/O）功能。该系统能够一次获取和显示八个信号，并提供额外的数据存储和打印设备。用户友好的GUI可以向学生讲授示波器的基本功能，例如幅度和时间设置。此外，还可以演示用于数据存储，显示，分析和打印的其他几个菜单驱动功能。

1. 系统要求

在给定的问题中，PC的最低要求是奔腾处理器，最好是32-MB RAM，操作系统Windows 95/98或更高，以及并行端口连接;VB和C用于开发系统。对于使用/运行应用程序，只有可执行（.exe）文件就足够了，用户不需要编译器。

1. 并行端口基本描述

PC打印机端口是一个廉价但功能强大的平台，用于实现处理现实世界外围设备控制的项目。它通常位于PC背面，作为D型25针母连接器。该端口由四个控制线，五条状态线和八条数据线组成。

图1.系统框图。

通过使用与数据，状态和控制相对应的这三个可寻址端口来实现打印机端口的功能。

IEEE 1284数据传输模式标准[15] 提供PC与任何外围设备之间的高速双向通信。该标准可以比使用原始并行端口快50-100倍。该标准定义了五种操作模式，以实现与外部外设或数据传输的通信。每种模式都修复了一个协议，用于在正向（PC到外设），反向（PC外设）或双向（半双工）中传输数据。

在兼容性（SPP）模式下，八条数据线用于向外设发送数据。可以使用半字节和字节模式在并行端口和外设之间创建双向通信路径。增强型并行端口（EPP）和扩展功能端口（ECP）模式具有双向功能，作为其协议的一部分。在当前的工作中，EPP模式用于从8-b模数转换器（ADC）获取8-b数据。在启动采集过程之前，通过Turbo C 编写的接口软件将用于模式选择的必要控制字提供给控制寄存器。

1. 接口电路

用于将八个模拟输入通道数据转换成它们相应的数字值和相关模块的接口电路如图2所示。它显示了接口电路的详细连接图。下面描述所涉及的不同模块的功能。

• 1. 时钟发生器模块：该模块基本上是为ADC芯片提供时钟输入所必需的。为此，选择相对简单的LM555，它是用于产生精确时间延迟或振荡的高度稳定的装置。该模块可以产生最大1.34MHz（大约）频率。在设计的系统中，调整时钟发生器模块以产生1MHz的输出频率。
  2. 模数（A / D）转换模块：对于A / D转换，需要一个选项来处理八个通道的模拟输入信号，并且所有这些通道必须在同一时刻进行采样。为此，经济的选择是在模拟输入和ADC之间加入一个8通道多路复用器。美国国家半导体的0808 ADC具有内置八通道多路复用器，适用于此目的。它每通道的平均转换率为100 s，这对于本申请来说非常快。IC 7493 [二进制计数器集成电路

图2.接口电路硬件的原理图布局。

（IC）]用于选择0808 ADC的8个通道进行顺序数据传输。IC 7404用作反相器，用于选通IC 7493，并从PC并行端口输出适当的信号电平。A741 IC用于在激活0808 ADC输入通道和A / D转换开始之间提供足够的延迟;这相当于0808 ADC IC的正常响应时间。接口电路的进一步详细描述超出了本文的范围。

• 1. 自动量程模块：自动量程模块用于通过电位计将100

V的输入模拟信号范围转换为2.5 V的范围。另一个使用LM324 IC-s的电子钳位电路用于将此范围的电压转换为ADC输入所需的0-5V范围。

在关键位置使用足够的基于齐纳的保护电路，以便电路不会因意外过电压而损坏。这些稳压二极管的位置并未在图2中单独示出，以避免图中过多的拥挤。

1. 软件数据采集和GUI

开发了专用软件来控制数据采集系统。该软件是用Turbo C 编写的，在DOS 6.0下运行。该程序由主要功

能和若干子功能组成，用于管理相关联的低级任务，例如并行端口配置，定时器编程，与ADC的握手，用于数据捕获，数据采集和硬盘中的数据存储。对应于主程序的流程图在图3中示出。

图3的流程图中使用的缩写，例如SOC（转换开始），EOC（转换结束）和ALE（地址锁存使能）是PC和数据采集硬件之间的通信信号，指示不同的定时和控制。信号。这些信号的详细功能可以在[9], [15]. GUI是用VB开发的

• 1. 除了实时显示八种不同的模拟信号外，GUI还允许演示常见的示波器任务，如时间尺度和电压尺度变化。只需将光标放在波形上的所需点上，它就可以显示信号任意点的值。图4显示了开发系统的示例GUI窗口。可以从“工具”菜单下的相应子菜单获得对所获取信号的进一步分析，例如均方根（rms），平均值和平均值。

1. 应用

大多数商用数据采集系统可用的显示系统通常提供单通道或最多双通道同时显示。当需要显示系统同时监视三个或更多输入通道时（例如，当监视三相时）

图3.开发软件的简化流程图。

电源），必须同时查看三个或更多通道。本文中描述的系统提供了一次同时显示八个通道中的任何四个通道。此

图4.开发的GUI的屏幕截图。

图5.运行中的原型系统。

外，为用户提供观看选项如果需要，可以放大格式显示任何一个特定通道的波形。

具有相关硬件，接口电缆和运行中的PC的整个系统的原型如图5所示。开发的系统可以很容易地用作DSO，频谱分析仪，数字万用表等，显示界面。此外，可以借助于数字 滤波器，快速傅里叶变换等适当地处理从端口读取的数据。单独的附加软件模块可以执行每个信号处理功能。因

此，该项目为进一步发展奠定了坚实的基础 -基于软件的仪器和信号处理器。

设计的系统也有几个有用的学术应用。在实验室中，该包装可用于教学目的。开发的系统向学生介绍了基本功能，例如实际示波器的幅度和时间设置。有关数据采集，PC接口硬件和软件以及GUI开发相关主题的课程和教程正在使用开发的原型作为演示套件实施。除了这些基本的日常实验室练习外，该系统还可以为教学带来新的创新理念，例如以下内容。

• • 1. 学生可以对他们正在做的事

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