基于SOPC技术的虚拟示波器设计 (1)

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虚拟示波器系统需要为定义的IP设计相应的驱动程序，对于最底层与硬件相关的操作，NiosⅡ提供了IOWR（base，offerset，data）和IORD（base，offerset）2个宏，分别用于对寄存器的读、写操作。这里，base为虚拟示波器驱动程序的基地址，其自动生成；offerset为指被操作的寄存器在该设备中的偏移地址。
　　2.3 嵌入式USB协议栈开发
　　USB协议复杂，虚拟示波器系统开发的USB协议栈基于microc/os－Ⅱ，并采用了如图7的分层结构，以减少开发调试的难度。

硬件抽象层和命令接口层都与硬件相关，硬件抽象层负责对SX2的寄存器进行读写操作，而命令接口则实现与SX2的工作方式有关的操作；协议层与平台无关，其主要完成USB的枚举及各端口数据处理；应用层完成对提供调用的函数进行封装，应用层提供了简单的API接口，其利用senddata函数发送数据到主机，同时利用recdata函数从主机接收数据以及厂商请求的函数，上层程序只要简单地调试这3个函数而无需关注USB协议，即可完成虚拟示波器的USB通信。3 虚拟示波器上位机软件设计
　　3.1 虚拟示波器USB通信的封装
　　虚拟示波器上位机程序采用LabWindows/CVI开发，其本身并不支持USB通信，因此采用了调用外部模块的方法。采用VC++编写程序，将USB通信底层函数进行封装，编译成DLL，再供LabWindows/CVI进行调用。为此，将动态链接库的头文件和DLL文件导入进工程，生成1个FP的驱动器，这时虚拟示波器系统就可以直接调用DLL里面提供的函数。
　　3.3 虚拟示波器面板程序的开发
　　图8中，用户对虚拟示波器面板上的垂直幅度调节、水平宽度调节等按钮操作时，系统会将相应的操作命令传送给下位机，并由下位机调节垂直幅度和水平时基等，从而实现用户对虚拟示波器系统的操作。

4 测试结果
　　采用FPGA处理器和ALTERA公司的NiosⅡ软核完成虚拟示波器系统设计后，进行了多次测试，其性能指标如表1所示。

由表1可知，该虚拟示波器达到了一般模拟示波器的指标。然而由于本系统采用虚拟仪器技术，在功能上增加单次采样、波形保存等功能，因此与普通示波器相比，其成本低廉，操作界面更友好、简便。
　　5　结论
　　本文以LabWindows/CVI为开发平台，设计了1种双通道虚拟示波器，该示波器利用FPGA 中嵌入的NiosⅡ软核构成的SOPC系统，完成虚拟示波器各模块的管理；利用嵌入式USB协议，配合片外的模拟信号处理模块，通过USB总线，完成各种波形数据的采集，经上位机软件完成了波形显示和数据分析，并实现了仪器的各种操作功能。实际测试结果表明，该虚拟示波器达到了或优于一般模拟示波器的性能指标。