基于以太網的虛擬示波器設計

具體虛擬示波器程序中發送和接收數據信息都是由套接字完成。嵌入式系統作為客戶機端，上位機則作為服務器端，其連接過程可以分為3個步驟：服務器監聽，客戶端請求，連接確認。成功連接之后，作為客戶機端的嵌入式系統在收到上位機發送的數據發送命令后，將被測信號數據打包通過以太網發送至上位機。在監測網絡連接方面，嵌入式系統與上位機之間通過心跳幀連接，當網絡連接出現故障時嵌入式系統發出的心跳幀中斷。上位機可及時發現并退出網絡進行報警。以太網通信運行機制如圖4所示。

虛擬示波器通信設計充分發揮以太網數據量大、傳輸速度快的優點，提高了虛擬示波器波形顯示的實時性，使其更加接近真實示波器顯示的波形。
2．2 通道選擇及數據坐標計算模塊
嵌入式系統向上位機發送的UDP數據包包含有6種被測信號的數據信息，共計60個采樣點，360個數據點。程序中通過建立數組NUM[6][60]將其分別保存并寫入上位機緩存區，同時虛擬示波器界面使用復選框控件設定6個顯示通道，從而實現同時顯示6通道波形的功能。當通道C(C=1～6)被選中時，其對應的復選框控件所關聯的成員變量值由FALSE變為TRUE，調用當前NUM[C][60]數據，逐個計算數據點對應的坐標并將其顯示在波形顯示窗口中。對于數字示波器來說，不僅需要超高速實時采樣速率，還需要有較高的波形分析細節，因此本文的虛擬示波器采用線性插值算法進行恢復和重建原始信號，所謂線性插值就是在兩個采樣點之間插入一點，用直線將采樣點和插值點連接起來。采樣點數據坐標Pi(xi，yi)和插值點數據坐標計算方法如下：

式中，left為屏幕最左端數據點坐標，cnt為當前數據點的編號，即示波器接收到的第幾個數據點。而xvalue則是兩點之間間隔的距離。yvalue為縱軸幅值系數，yoffset為當前所選縱軸偏移量，插值點選取相鄰兩采樣點的中點。
2．3 觸發模塊
為使掃描信號與被測信號同步，可以設定一些條件，將被測信號不斷地與這些條件相比較，只有當被測信號滿足這些條件時才啟動掃描，從而使得掃描的頻率與被測信號相同或存在整數倍的關系，也就是同步。觸發的目的在于使每次顯示的初始時刻都從波形的同一位置開始，確保波形穩定顯示。
程序中主線程不斷地接收分線程發送來的數據，首先判斷當前數據點是否大于它之前的5個數據點，如果判斷為真，則說明當前為波形上升沿，之后數據點與預先設定好的觸發電平相比較；如果相等或在允許的誤差帶內，則確定該數據點為觸發點，由于使用軟件實現觸發功能，因此虛擬示波器“掛起時間”即重新準備觸發的時間很短，錯失波形中重要事件的幾率極低。
2．4 波形存儲回放模塊
虛擬示波器程序通過建立分線程來接收數據，同時還兼顧保存數據的任務。程序初始化時創建2個文件。
1)歷史頁面文件，當用戶點擊“開始保存”控件時程序啟動保存功能，將以太網發送的數據全部寫入歷史頁面文件；
2)歷史頁面信息文件，用來保存數據在一次保存操作中的各類信息，例如：本次數據保存的起始和結束時間、保存的數據量、符合觸發條件的數據點的位置等。
當需要實現波形的回放時，程序根據歷史頁面信息文件保存的信息，從歷史頁面文件中篩選出指定時間段內的數據，計算各數據點坐標并將其顯示于示波器屏幕內。
2．5 參數計算模塊
虛擬示波器在波形正常顯示的同時，根據接收到的數據實時地計算當前信號的各類指標。其中信號的平均值、有效值以及頻率的算法如下：


式中，n是預先給定的參與計算的數據點數，NUM[c][m]是保存數據的數組，tmax1-tmax2的含義是波形相鄰的兩個最值之間的平均時間，定義為波形的周期。
2．6 前面板設計
與文獻使用LabVIEW開發工具設計的虛擬示波器前面板相比，本文虛擬示波器前面板控件類型更加豐富、美觀，通過模擬實際示波器的各項操作，顯示處理結果，其設計如圖5所示。界面包括波形顯示窗口和控制區域2個部分。其中控制區域根據儀器功能需要設有：通道選擇、刻度選擇、波形存儲、頻譜分析、計算等各類控制按鍵。