用PSOC3實現虛擬示波器的系統解決方案，軟硬件實現

虛擬儀器在近幾年發展較為迅速，虛擬儀器利用計算機強大的運算與數據處理能力，節省的硬件開銷，又可以從充分利用計算機編程技術的優勢實現較復雜的功能，基于此背景下項目使用Cypress Semiconductor 公司集成度高、開發周期短的PSoC3 芯片開發一款硬件開銷小及功能強大的虛擬示波器。示波器基于CY8C3866AXI 芯片實現，被測量的模擬信號經過芯片內部ADC轉換成數字信號，該信號由PSoC3主控芯片通過串口(UART)發送到PC機上，PC機使用Visual basic 6.0開發一款可視化軟件，監控串口發送過來的信號，并且將數字信號還原成模擬信號的波形，該軟件同時還提供控制面板可以控制示波器的顯示及參數設定。

0引言

示波器是電子設計一項最基本的儀器，該儀器可以用于觀察數字與模擬電路的波形，可以測量信號質量、電壓、頻率等系列參數。但是這個設備一般只有學校實驗室、研發部門才會擁有。該設備價格相對較貴，個人用戶一般不會擁有。網絡上還流傳一種利用系統API開發聲卡型示波器，該示波器能實現基本功能，但是因為測量時候因使用不慎會燒壞電腦的聲卡、甚至電腦主板，一臺筆記本本可能就這樣報廢。并且聲卡采用數據速率相當的有限，這套方案有先天的缺點，如果可以使用另一個解決方案，同時解決速率、成本、不燒壞電腦那么該產品一定可以在市場占有一席之地，經過學習PSOC3發現這是一套非常完美的方案，Cypress Semiconductor 的PSOC 3 芯片內包含USB 接口、MCU主控、高分辨率ADC。這樣為實現較高性能的、低價格、體積小的虛擬示波器提供了設計方便。

本設計利用PSOC的集成的內部單元模組、通過編程的方式實現硬件電路功能。該PSCOC芯片通過某種通訊方式與PC機通訊，計算機通過解析PSOC發送來的數據將數字信號還原成模擬波形。并且提供波形、電壓、周期等參數。

1總體設計方案

鑒于虛擬示波器產品體積、成本限制，本文構建系統對以上因素進行了綜合考慮。虛擬示波器核心在于利用PSOC3集成度高的優勢，實現了體積小，成本低多功能的虛擬示波器。

圖1為PSOC構建的虛擬示波器總體框圖，可分為三部分：(1)ADC采樣：采用PSOC3自帶8位ADC。(2)串口通訊：實現PSOC與上位機之間的通訊 (3)基于VB的示波器顯示軟件：利用計算機高分辨率波形顯示以及參數設置、測量等。

本設計中使用CY8C3866AXI 可編程器件，對模擬信號進行采集轉換為數字信號，數字信號通過USB傳送到PC機中，PC機解析PSOC發送上來的數據流，還原成模擬波形信號。

圖1

幾種設計方案對比：

表：1

基于表 1的方案對比，我們方案3為優選設計方案。方案4為備選方案，方案一為實驗方案。

較于方案1、2，方案3中PSOC3 ADC配置更為靈活，輕巧方便，硬件設計更簡潔。集成度高大大降低了開發成本。PSOC3便于修改軟件程序而進行功能擴展。用戶不必不斷購買新儀器，投入小而收效大。

方案3中使用USB2.0高速數據傳輸，與高度芯片集成。可以設計出一款性能優于體積較小的虛擬示波器產品。但不利于遠距離工業檢測。

到方案4。為了實現工業檢測與控制領域的低頻小信號測量，方案4比較實用，而且利用PSOC3的高度集成性，節省了很多模擬調理電路。同時也減小了設備體積和增強系統工作的可靠性。因此本項目采用方案4。

2示波器硬件方案設計

2.1 采樣電路

采樣原理圖如圖2所示(上)電路。根據采集高電壓的需要，設計了低成本體積小的電路，實現峰峰值高電壓采樣。

采樣電路使用2個電阻R1與R2分壓， Vadc = Vsingal input * R2 / R2+R1 ，利用這個電路可以實現峰峰值較高的模擬信號的采樣。

例如：一個信號為 50V 而PSOC內部參考電壓為1.024V 則可以選擇R2 =1K

R1 = 49K

PSOC配置了如圖2所示(下)電路：當J1短路時，電路采集低電壓。當需要高電壓采集時，按照采樣原理，配置R1、R2。

圖2(上)

圖2(下)

2.2 PSOC內部電路設計

PSoC3架構所具有的強大的精確模擬能力的實際應用例子。有了這個工具包，基于虛PSoC3擬示波器模擬集成的高水準，以及通過PSoC Creator ADC進行模擬設計通過配置而顯得簡潔方便。

PSOC內部多種基本單元電路模塊可以實現電路，在本方案中使用到了ADC模塊，UART、LED顯示。并且軟件上配置器件的配置信息。

電路如圖3所示：

圖3

2.3 串口電路實現

近幾年生產的筆記本電腦一般不配備串口，為了操作攜帶方便，在設計的時候添加了USB轉串口的電路，使用USB口既可以完成與計算機完成數據通訊。

圖4軟件設計

3.1 PSOC軟件設計(下位機)

圖5

PSOC軟件啟動先初始化所以設備，進入while循環。首先執行ADC 模擬信號處理,將數據送到LED燈中用于ADC采集信號顯示。將ADC的值返回到串口中，由串口發送ADC到計算機。

3.2 Visual basic軟件設計(上位機)

3.2.1上位機基本原理

在Visual Basic中一個Microsoft Communication Control(簡稱Mscomm) 串口通訊控件，本作品就是靈活的使用該控件實現單片機與PC機通訊的，該控件可以使用查詢接受數據，也可以使用事件驅動，使用事件驅動具有節省PC資源響應速度快的優勢所以本文使用事件驅動方式接收串口發送過來的數據流。

3.2.2 解析數據的方法

串口發送回來的數據為十六進制數據，該數據通過數據轉換為0—1000的數據，轉換完成的數據將存儲的一個數據緩沖去中，該緩沖區存儲了一段時間的波形，這樣就可以實現按下暫停之后可以拖動滾動條查詢歷史的波形，波形的顯示使用一個picture控件，并且設置容器的大小為1000像素×1000像素，繪制好示波器界面，然后顯示出一定數量的緩沖去的數據，該數據分別在容器中通過繪線的方式將數據轉換為波形。

3.2.3 軟件基本界面設計

軟件主要考慮到用戶使用方便的問題，設計示波器界面充分考慮親和性與易用性，所以界面也是仿照實際示波器的布局來設計，左邊為CRT的顯示器，左邊為控制面板。這樣可以做到會使用實際示波器，也會使用虛擬示波器。

示波器界面中菜單有系統、設置、幫助三個選項。可以設置波特率等。采集波形時可零點上下移、波形大小調節、波形保存、XY增益調節等多種功能。與實際示波器功能相似、布置相同，易于操作。波形通過賽普拉斯高精度的ADC采集經串口傳輸后，該界面可實現清晰準確的顯示。采集三角波如圖6所示。

圖6

4結束語

基于PSOC虛擬儀器把計算機技術與傳統測試技術緊密結合起來，它充分利用計算機的信息處理能力，實現對多路輸入信號的實時采集和存儲，并進行離線分析和處理。

與傳統示波器制作步驟相比較，PSOC工具包省去了畫電路圖、布線、底層協議等的麻煩，直接配置硬件，注入思想流程，易于操作實現，節約經費。PSOC高精度可配置的ADC且內部含參考電壓，這為制作虛擬示波器提供了可發展的空間。

本設計能獲得小于1K赫茲的任意波形，輸出幅度基本可以根據需要配置。1MHz/秒采樣速率,采樣數目以及采樣頻率通過軟件可調。本虛擬儀器使用簡單、方便、價格低廉，人機交互容易。結構簡單使其體積小巧、便于攜帶，尤其適于配合便攜機野外使用。