用PSOC3实现虚拟示波器的系统解决方案，软硬件实现

虚拟仪器在近几年发展较为迅速，虚拟仪器利用计算机强大的运算与数据处理能力，节省的硬件开销，又可以从充分利用计算机编程技术的优势实现较复杂的功能，基于此背景下项目使用Cypress Semiconductor 公司集成度高、开发周期短的PSoC3 芯片开发一款硬件开销小及功能强大的虚拟示波器。示波器基于CY8C3866AXI 芯片实现，被测量的模拟信号经过芯片内部ADC转换成数字信号，该信号由PSoC3主控芯片通过串口(UART)发送到PC机上，PC机使用Visual basic 6.0开发一款可视化软件，监控串口发送过来的信号，并且将数字信号还原成模拟信号的波形，该软件同时还提供控制面板可以控制示波器的显示及参数设定。

0引言

示波器是电子设计一项最基本的仪器，该仪器可以用于观察数字与模拟电路的波形，可以测量信号质量、电压、频率等系列参数。但是这个设备一般只有学校实验室、研发部门才会拥有。该设备价格相对较贵，个人用户一般不会拥有。网络上还流传一种利用系统API开发声卡型示波器，该示波器能实现基本功能，但是因为测量时候因使用不慎会烧坏电脑的声卡、甚至电脑主板，一台笔记本本可能就这样报废。并且声卡采用数据速率相当的有限，这套方案有先天的缺点，如果可以使用另一个解决方案，同时解决速率、成本、不烧坏电脑那么该产品一定可以在市场占有一席之地，经过学习PSOC3发现这是一套非常完美的方案，Cypress Semiconductor 的PSOC 3 芯片内包含USB 接口、MCU主控、高分辨率ADC。这样为实现较高性能的、低价格、体积小的虚拟示波器提供了设计方便。

本设计利用PSOC的集成的内部单元模组、通过编程的方式实现硬件电路功能。该PSCOC芯片通过某种通讯方式与PC机通讯，计算机通过解析PSOC发送来的数据将数字信号还原成模拟波形。并且提供波形、电压、周期等参数。

1总体设计方案

鉴于虚拟示波器产品体积、成本限制，本文构建系统对以上因素进行了综合考虑。虚拟示波器核心在于利用PSOC3集成度高的优势，实现了体积小，成本低多功能的虚拟示波器。

图1为PSOC构建的虚拟示波器总体框图，可分为三部分：(1)ADC采样：采用PSOC3自带8位ADC。(2)串口通讯：实现PSOC与上位机之间的通讯 (3)基于VB的示波器显示软件：利用计算机高分辨率波形显示以及参数设置、测量等。

本设计中使用CY8C3866AXI 可编程器件，对模拟信号进行采集转换为数字信号，数字信号通过USB传送到PC机中，PC机解析PSOC发送上来的数据流，还原成模拟波形信号。

图1

几种设计方案对比：

表：1

基于表 1的方案对比，我们方案3为优选设计方案。方案4为备选方案，方案一为实验方案。

较于方案1、2，方案3中PSOC3 ADC配置更为灵活，轻巧方便，硬件设计更简洁。集成度高大大降低了开发成本。PSOC3便于修改软件程序而进行功能扩展。用户不必不断购买新仪器，投入小而收效大。

方案3中使用USB2.0高速数据传输，与高度芯片集成。可以设计出一款性能优于体积较小的虚拟示波器产品。但不利于远距离工业检测。

到方案4。为了实现工业检测与控制领域的低频小信号测量，方案4比较实用，而且利用PSOC3的高度集成性，节省了很多模拟调理电路。同时也减小了设备体积和增强系统工作的可靠性。因此本项目采用方案4。

2示波器硬件方案设计

2.1 采样电路

采样原理图如图2所示(上)电路。根据采集高电压的需要，设计了低成本体积小的电路，实现峰峰值高电压采样。

采样电路使用2个电阻R1与R2分压， Vadc = Vsingal input * R2 / R2+R1 ，利用这个电路可以实现峰峰值较高的模拟信号的采样。

例如：一个信号为 50V 而PSOC内部参考电压为1.024V 则可以选择R2 =1K

R1 = 49K

PSOC配置了如图2所示(下)电路：当J1短路时，电路采集低电压。当需要高电压采集时，按照采样原理，配置R1、R2。

图2(上)

图2(下)

2.2 PSOC内部电路设计

PSoC3架构所具有的强大的精确模拟能力的实际应用例子。有了这个工具包，基于虚PSoC3拟示波器模拟集成的高水准，以及通过PSoC Creator ADC进行模拟设计通过配置而显得简洁方便。

PSOC内部多种基本单元电路模块可以实现电路，在本方案中使用到了ADC模块，UART、LED显示。并且软件上配置器件的配置信息。

电路如图3所示：

图3

2.3 串口电路实现

近几年生产的笔记本电脑一般不配备串口，为了操作携带方便，在设计的时候添加了USB转串口的电路，使用USB口既可以完成与计算机完成数据通讯。

图4软件设计

3.1 PSOC软件设计(下位机)

图5

PSOC软件启动先初始化所以设备，进入while循环。首先执行ADC 模拟信号处理,将数据送到LED灯中用于ADC采集信号