1 引言

虚拟示波器，是将计算机强大的计算处理能力和一般硬件仪器的信号采集，控制能力结合在一起，从而实现一般示波器所不能实现的功能和友好的界面。

随着计算机技术的发展，使得虚拟仪器的实现成为可能，传统仪器的一些专用处理器和设备，被计算机的通用设备所代替，常用的虚拟仪器，多采用PCI或ISA插槽，将各种硬件连接到一起，然而采集卡的数量一般有限，因此组织系统的时候，只能指定特定的计算机，或打开计算机盖装入专门的采集卡，在使用笔记本电脑或工业一体化电脑的场合，根本就不支持PCI或ISA总线的设备。所以，我们需要一种更方便，更有效，更灵活的总线通讯方式来实现虚拟仪器，现代计算机一般都具有USB接口，且USB接口的使用灵活，方便，所以首先考虑采用USB总线。

USB总线是Intel，IBM，NEC，微软等7家著名公司提出的新一代总线技术，采用新一代USB总线之后，PC机配置新的硬件设备不用在打开机盖，且支持热插拔技术，给使用者以极大的方便^[1]，通过USB集线器，扩充设备可达127个，并可通过3-5m的电缆连接到计算机，而使采集卡靠近测试对象，从而大大地提高了电磁兼容性，在标准协议USB1.1中，UMB总线的传输速率可达1.5-12Mb/s，而在规范USB2.0中，速率则可达360Mb/s。这样的速率足以满足绝大多数场合的要求^[2、3]。

2 虚拟示波器的硬件设计

虚拟示波器的硬件设计就是要完成虚拟示波器的USB物理设备的设计，即USB接口和USB功能设备，虚拟示波器的硬件结构如图1所示。

图1可分为4个部分：信号调理部分，A/D转换模块，逻辑控制模块，USB接口模块，虚拟示波器的硬件部分完全采用模块化设计方案，使各部分硬件相对紧凑，最终缩小了采集，而且A/D转换模块不在计算机内部，可以有效地避免高频电磁干扰对计算机的影响，也减轻了计算机的负担，使计算机可稳定、高效的运行。

USB接口模块是这个系统通讯的关键，模块需要完成上位机和A/D转换模块的通讯，需要将上位机的指令送到逻辑控制器IDT7207，还需将转换结果送入上位机，USB接口芯片选用CYPRESS公司的AN2131QC，该芯片有其他芯片所没有的特点：

（1）基于RAM的“软”系统解决方案（SOFT，RAM BASED）不需要RAM或其他的固化存储器，而只使用片内的程序/数据RAM。通过主机下载的方式来配置USB接口，因而使接口系统的修改和升级变得非常简单，使外设硬件的更新和升级变得更为方便。

（2）数据吞吐量完全达到USB协议要求，可以向用户提供足够的端口、缓冲区和传输速度，提供USB协议要求的全部4种传输方式（控制传输、中断传输、批量传输和同步传输），可以满足用户对各种类型数据传输的需求。

（3）片上的串行接口处理机（SIE）完成大部分的USB协议操作，使用户可以摆脱复杂的协议细节，简化了用户配置代码，加快了开发过程。

（4）内嵌增强型8051处理器，兼容8051指令系统，一个指令周期仅需4个时钟周期，可提供标准8051三倍以上的处理能力；双数据指针；方便数据块搬移，使用片内的RAM作为数据/程序存储器，非复用数据/地址总线，使程序指令速度更快，并且同外部器件的连接更加简单。

（5）休眠模式可以降低系统功耗，延长器件的使用寿命。

逻辑控制模块是整个设备控制的核心，其主要是负责解释和控制执行主机软件系统的控制命令和要求，完成设备状态设置和控制设备完成激励信号的发出、响应信号的采集等功能，逻辑控制模块主要由可编程逻辑控制器IDT7207，及其辅助电路和外围扩展电路构成，芯片通过内部I/O编程，方便地实现输入/输出的逻辑关系，使得电路更加简洁，功能更加强大，在逻辑控制模块的控制下A/D转换模块利用A/D芯片7899完成对信号的A/D转换，由于A/D芯片电压输入范围为正负10V，因此前端信号调理模块负责将信号幅值调理到正负10V之间，并实现采集电路与被测试对象的信号隔离。

3 虚拟示波器软件设计

虚拟示波器的软件主要完成对虚拟示波器控制、显示的设计，即对各个模块的硬件控制，以及用户界面的设计，虚拟示波器的整体软件应该采用分层机构，整个控制软件分为3层，底层物理设备的控制程序，USB设备在PC机上的驱动程序，上位PC机的人机界面软件，控制软件的分块，分层设计使各层软件相对独立，只需考虑各层软件的接口即可，这样使软件的设计、编写较为简单，运行更为可靠，整体控制软件流程图如图2所示。

底层物理设备的控制，主要是对USB接口芯片AN21