USB虚拟示波器设计

USB虚拟示波器设计
-LabVIEW实现
内容提要：随着计算机技术的快速发展，计算机技术已经渗入到各个领域。

由于计算机
的快速性、稳定性、高精度等特点，基于计算机技术的现代仪器也快速的发展起来，虚拟仪器应运而生，在对精度、稳定性等方面要求高的场合，虚拟仪器将逐渐取代传统仪器。

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。

本文围绕“虚拟示波器”这一热点课题，阐述了基于USB的无线虚拟示波器的设计方案、开发方法、开发过程。

在设计中使用了TI公司的单片机MSP430 F1611、ATMEL公司的AVR系列单片机ATMEGA16L、Philips公司的USB器件芯片以及Nordic Semiconductor ASA公司的增强型无线通信芯片nRF24L01。

利用MSP430F1611芯片内置的A/D采样实现数据采集，并通过无线模块将数据传输到主机；ATGMEGAL16L实现数据的接收并与USB通信。

关键词：A/D采样无线传输 USB 虚拟仪器 ATMEGA16L nRF24L01 PDIUSBD12
USB virtual oscilloscope design
-- LabVIEW to achieve
Abstract：With the rapid development of computer technology, computer technology has infiltrated into every field. As the computer's fast, stable, high-precision, and other features of modern computer-based technology equipment is also rapidly developed, virtual instrument came into being in on the accuracy, high stability, and so on the occasion, the virtual machines will be gradually replaced by Traditional instruments.
Therefore, we need a more convenient and more effective and flexible communication bus to achieve virtual machines, modern computer with a USB interface in general, the USB interface and the use of flexible, convenient, so first of all consider the USB bus. USB bus is Intel, IBM, NEC, Microsoft, and so on 7 well-known bus company's next-generation technology, following the adoption of a new generation of USB bus, PC configuration of the new machine's hardware devices do not have to flip open, and hot swap support Technology, to the great convenience to users through the USB hub, to expand up to 127 devices, and through the 3-5m of cable to connect to the computer, by collecting cards close to the test object, thus greatly improving the electromagnetic Compatibility standards in the agreement USB1.1 in, UMB bus transfer rate up to 1.5-12Mb / s, and in the USB2.0 specification, the rate of up to 360Mb / s. Such a rate sufficient to meet the vast majority of occasions.
In this paper, around a "virtual oscilloscope" hot topics on the USB-based wireless virtual oscilloscope design, development methods, the development process. In the design used in TI's single-chip MSP430 F1611, ATMEL's AVR family of single-chip ATMEGA16L, Philips's chip USB devices as well as the Nordic Semiconductor ASA's enhanced wireless communications chips nRF24L01. MSP430F1611 use the built-in chip A / D sampling data collection and wireless data transmission module to the host; ATGMEGAL16L data reception and communication with the USB.
Key words:A/Dsampling wireless transmission USB virtual instrument ATMEGA16L nRF24L01 PDIUSBD12
目录
一、引言 (1)
（一）虚拟仪器的概念 (1)
（二）虚拟仪器的组成 (2)
（三）虚拟仪器的性能特点 (3)
（四）虚拟仪器的发展及应用 (5)
（五）虚拟仪器在中国的应用 (5)
（六）LabView简介 (6)
（七）LabVIEW的特点 (8)
（八）通用串行总线（USB）简介 (9)
二、方案分析 (13)
（一）采样控制器的选取 (13)
（二）无线传输模块的选取 (13)
（三）USB芯片的选取 (14)
（四）USB设备控制器选取 (16)
（五）系统整体设计 (17)
三、系统硬件设计 (18)
（一）A/D采样衰减电路 (18)
（二）A/D采样电压抬升电路 (19)
（三）A/D采样控制电路 (19)
（四）无线模块nRF24L01工作电路 (19)
（五）USB模块工作电路 (21)
（六）USB及nRF24L01主控板电路 (22)
（七）串口调试电路 (23)
四、软件设计 (23)
（一）数据流图 (23)
（二）下位机软件流程图 (24)
（三）应用程序设计 (30)
五、结论及展望 (32)
致谢 (33)
附录 (34)
附录一：A/D采样程序 (34)
附录二：nRF24L01无线传输模块数据收发程序 (36)
附录三：nRF24L01接收程序（AVR） (40)
附录四：LabVIEW界面VI程序 (45)
参考文献 (46)
一、引言
（一）虚拟仪器的概念
美国国家仪器公司（NI）在20世纪80年代最早提出虚拟仪器（VirtualInstrument，简称VI）的概念。

其核心的思想是利用计算机的强大资源使本来需要硬件实现的技术软件化，以便最大限度地降低系统成本，增强系统功能与灵活性。

虚拟仪器，就是在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义、具有虚拟前面板、测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。

其基本思想就是在测试系统或仪器设计中尽可能地用软件代替硬件，即“软件就是仪器”。

虚拟仪器的基本构成包括计算机、虚拟仪器软件、硬件接口模块等。

用户可以通过友好的图形界面（这里称作虚拟前面板）操作计算机，如同操作功能相同的单台传统仪器一样。

在以PC计算机为核心组成的硬件平台支持下，虚拟仪器通过软件编程设计来实现仪器的测试功能，而且可以通过不同测试功能的软件模块的组合来实现多种测试功能。

虚拟仪器采用的开发平台LabVIEW现在已经成为行业标准的测试测量软件平台。

LabVIEW软件为不同领域的工程师简化了各种技术融合的复杂性，帮助工程师通过同一个软件平台，在第一时间内运用最先进的主流商业技术，加快工作效率。

例如一个没有学习过FPGA编程的工程师使用LabVIEWFPGA模块，可以借助LabVIEW这一已经掌握的工具开发FPGA应用，使用其自动生成的VHDL代码，而无需花时间了解FPGA的技术细节。

LabVIEW的优势在于其图形化的编程方式，直观、便于用户自定义；LabVIEW可集成多种I/O和硬件平台；并且可以连接到多种第三方算法和不同的测试仪器。

虚拟仪器系统概念是对传统仪器概念的重大突破，是计算机系统与仪器系统技术相结合的产物。

它利用计算机系统的强大功能，结合相应的硬件，大大突破传统仪器在数据处理、显示、传送、处理等方面的限制，使用户可以方便地对其进行维护、扩展、升级等。

虚拟仪器系统可以广泛地应用在通讯、自动化、半导体、航空、电子、电力、生化制药、和工业生产等各种领域。

现有的虚拟仪器系统按硬件工作平台主要可分为基于PC总线的虚拟仪器、基于VXI的虚拟仪器、基于PXI的虚拟仪器，所应用场合不同各有其特点。

虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。

灵活高效的软件能帮助您创建完全自定义的用户界面，模块化的硬件能方便地提供全方位的系统集成，标准的软硬件平台能满足对同步和定时应用的需求。

这也正是NI近30年来始终引领测试测量行业发展趋势的原因所在。

只有同时拥有高效的软件、模块化I/O硬
件和用于集成的软硬件平台这三大组成部分，才能充分发挥虚拟仪器技术性能高、扩展性强、开发时间少，以及出色的集成这四大优势。

（二）虚拟仪器的组成
虚拟仪器技术的三大组成部分：
首先是高效的软件，软件是虚拟仪器技术中最重要的部份。

使用正确的软件工具并通过设计或调用特定的程序模块，工程师和科学家们可以高效地创建自己的应用以及友好的人机交互界面。

NI公司提供的行业标准图形化编程软件——LabVIEW，不仅能轻松方便地完成与各种软硬件的连接，更能提供强大的后续数据处理能力，设置数据处理、转换、存储的方式，并将结果显示给用户。

此外，NI提供了更多交互式的测量工具和更高层的系统管理软件工具，例如连接设计与测试的交互式软件SignalExpress、用于传统C语言的LabWindows/CVI、针对微软Visual Studio的Measurement Studio等等，均可满足客户对高性能应用的需求。

有了功能强大的软件，您就可以在仪器中创建智能性和决策功能，从而发挥虚拟仪器技术在测试应用中的强大优势。

其次是模块化的I/O硬件，面对如今日益复杂的测试测量应用，NI提供了全方位的软硬件的解决方案。

无论您是使用PCI,PXI,PCMCIA,USB或者是1394总线，NI都能提供相应的模块化的硬件产品，产品种类从数据采集、信号条理、声音和振动测量、视觉、运动、仪器控制、分布式I/O到CAN接口等工业通讯，应有尽有。

NI高性能的硬件产品结合灵活的开发软件，可以为负责测试和设计工作的工程师们创建完全自定义的测量系统，满足各种独特的应用要求。

目前，NI已经达到了每2个工作日推出一款硬件产品的速度，大大拓宽了用户的选择面：例如NI新近推出的新一代数据采集设备——先期推出的20款M系列DAQ卡，就为数据采集领域设定了全新的标准。

最后是用于集成的软硬件平台。

NI首先提出的专为测试任务设计的PXI硬件平台，已经成为当今测试、测量和自动化应用的标准平台，它的开放式构架、灵活性和PC技术的成本优势为测量和自动化行业带来了一场翻天覆地的改革。

由NI发起的PXI系统联盟现已吸引了68家厂商，联盟属下的产品数量也已激增至近千种。

PXI作为一种专为工业数据采集与自动化应用度身定制的模块化仪器平台，内建有高端的定时和触发总线，再配以各类模块化的I/O硬件和相应的测试测量开发软件，您就可以建立完全自定义的测试测量解决方案。

无论是面对简单的数据采集应用，还是高端的混合信号同步采集，借助PXI高性能的硬件平台，您都能应付自如。

这就是虚拟仪器技术带给您的无可比拟的优势。

虚拟仪器是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。

灵活高效的软件能创建完全自定义的用户界面，模块化的硬件能方便地提供全方位
的系统集成，标准的软硬件平台能满足对同步和定时应用的需求。

虚拟仪器的本质是利用现有的计算机，加上特殊设计的仪器硬件和专用软件形成既有普通仪器的基本功能又有一般仪器所没有的特殊功能的高档低价的新型仪器。

它是利用计算机强大的图形环境和在线帮助功能，建立虚拟仪器面板，以代替传统仪器完成对仪器的控制、数据分析和显示功能。

虚拟仪器的输入输出由数据采集卡、GPIB卡等硬件模块完成，仪器的功能主要由软件构成。

虚拟仪器系统框图如图1所示。

图1 虚拟仪器系统框图
一套完整的虚拟仪器系统的结构一般来说分为四层：
1．测试管理层
用户使用虚拟仪器生产厂商开发的应用程序，组成自己的一套测试仪器。

这是虚拟仪器的优点之一，它可以方便地使用户根据自己的需要，自己的风格建立自己的测试仪器。

2．应用（程序）开发层
由生产商提供的软件开发工具，如NI（NATIONAL INSTRUMENTS）公司的LabVIEW软件，LabWindows/CVI软件。

用户可以用这类软件进行深层开发，以扩展仪器原有的功能。

3．仪器驱动层
由生产商开发，针对不同类型的仪器有不同的驱动程序接口。

为给用户提供方便、易用的仪器驱动程序，泰克公司、惠普公司和美商国家仪器公司等35家国际上最大的仪器公司成立了VXI plug & play系统联盟，并于推出VISA（Virtu-al Instrument Software Architecture）标准。

4．I/O总线驱动层
由生产商开发，用于将不同类型的实际仪器通过相同标准的总线连接起来形成一套完整的测试系统，如得到广泛应用的VXI（开放式测量系统）总线系统。

（三）虚拟仪器的性能特点
虚拟仪器彻底改变了传统仪器由生产厂家定义功能的模式，而是在少量附加硬件的基础上，由用户定义仪器功能。

因为它的运行主要依赖软件，所以修改或增加功能、改善性能都非常灵
活，也便于利用PC的软硬件资源和直接使用PC的外设和网络功能。

虚拟仪器不但造价低，而且通过修改软件可增加它的适应性，进而延长它的生命周期，是一种具有很好发展前景的仪器。

与传统仪器相比，虚拟仪器具有高效、开放、易用灵活、功能强大、性价比高、可操作性好等明显优点，具体表现为：
1．智能化程度高，处理能力强
虚拟仪器的处理能力和智能化程度主要取决于仪器软件水平。

用户完全可以根据实际应用需求，将先进的信号处理算法、人工智能技术和专家系统应用于仪器设计与集成，从而将智能仪器水平提高到一个新的层次。

虚拟仪器技术是在PC技术的基础上发展起来的，所以完全“继承”了以现成即用的PC技术为主导的最新商业技术的优点，包括功能超卓的处理器和文件I/O，使您在数据高速导入磁盘的同时就能实时地进行复杂的分析。

此外，不断发展的因特网和越来越快的计算机网络使得虚拟仪器技术展现其更强大的优势。

2．应用性强，系统费用低
应用虚拟仪器思想，用相同的基本硬件可构造多种不同功能的测试分析仪器，如同一个高速数字采样器，可设计出数字示波器、逻辑分析仪、计数器等多种仪器。

这样形成的测试仪器系统功能更灵活、更高效、更开放、系统费用更低。

通过与计算机网络连接，还可实现虚拟仪器的分布式共享，更好地发挥仪器的使用价值。

NI的软硬件工具使得工程师和科学家们不再圈囿于当前的技术中。

得益于NI软件的灵活性，只需更新您的计算机或测量硬件，就能以最少的硬件投资和极少的、甚至无需软件上的升级即可改进您的整个系统。

在利用最新科技的时候，您可以把它们集成到现有的测量设备，最终以较少的成本加速产品上市的时间。

3．操作性强，易用灵活
虚拟仪器面板可由用户定义，针对不同应用可以设计不同的操作显示界面。

使用计算机的多媒体处理能力可以使仪器操作变得更加直观、简便、易于理解，测量结果可以直接进入数据库系统或通过网络发送。

测量完后还可打印、显示所需的报表或曲线。

这些都使得仪器的可操作性大大提高而且易用、灵活。

虚拟仪器技术从本质上说是一个集成的软硬件概念。

随着产品在功能上不断地趋于复杂，工程师们通常需要集成多个测量设备来满足完整的测试需求，而连接和集成这些不同设备总是要耗费大量的时间。

NI的虚拟仪器软件平台为所有的I/O设备提供了标准的接口，帮助用户轻松地将多个测量设备集成到单个系统，减少了任务的复杂性。

4．开发时间少
在驱动和应用两个层面上，NI高效的软件构架能与计算机、仪器仪表和通讯方面的最新技术结合在一起。

NI设计这一软件构架的初衷就是为了方便用户的操作，同时还提供了灵活性和
强大的功能，使您轻松地配置、创建、发布、维护和修改高性能、低成本的测量和控制解决方案。

（四）虚拟仪器的发展及应用
虚拟仪器技术不断地扩展其功能及应用范围。

现在LabVIEW不仅能在PC上开发测试程序，而且可以在嵌入式处理器和FPGA上设计硬件。

这一技术也将最终提供这样的一个独立环境，使用户可以从设计测试系统到定义硬件的功能，如图3所示。

测试工程师将能使用合适的功能来进行系统级的设计。

当他们需要定义专门的测量功能时，他们也将可以用同样的软件工具来“细化”到合适的级别以定义测量的功能。

例如，工程师可以开发LabVIEW程序来使用模块化仪器进行某些测量，如DC电压和上升时间。

当工程师需要开发专门的测量时，他们也可以使用LabVIEW 对原始的测量数据进行分析，从而开发出专门的测量，比如峰值检测。

如果在某些情况下他们需要使用一些新的硬件功能来实现测量，如定制的触发，那么他们可以用LabVIEW定义一个触发和滤波方案，并嵌入到仪器卡上的FPGA中。

虚拟仪器技术已成为测试、工业I/O和控制和产品设计的主流技术，随着虚拟仪器技术的功能和性能已被不断地提高，如今在许多应用中它已成为传统仪器的主要替代方式。

随着PC、半导体和软件功能的进一步更新，未来虚拟仪器技术的发展将为测试系统的设计提供一个极佳的模式，并且使工程师们在测量和控制方面得到强大功能和灵活性。

虚拟仪器的功能和性能已被不断地提高，如今在许多应用中它已成为传统仪器的主要替代方式。

随着PC、半导体和软件功能的进一步更新，未来虚拟仪器技术的发展将为测试系统的设计提供一个极佳的模式，并且在测量和控制方面都有无以伦比的强大功能和灵活性。

可广泛应用于电子测量、振动分析、声学分析、故障诊断、航天航空、军事工程、电力工程、机械工程、建筑工程、铁路交通、地质勘探、生物医疗、教学及科研等诸多方面。

虚拟仪器的各种优点让用户可以放心地舍弃旧的传统测量设备，接受更新型、以计算机为基础的虚拟仪器系统。

由于计算机的性能价格比不断改进，使虚拟仪器的价格更为大众化，用户不必再受限于传统仪器的使用限制和昂贵的价格，进一步降低了使用成本，减少了系统的开发费用和系统的维护费用。

此外，新型笔记本电脑又把虚拟仪器的便携性和强大功能推向一个新的水平。

所有这些必将加快虚拟仪器的发展，使它的功能和应用领域不断增强和扩大。

（五）虚拟仪器在中国的应用
尽管虚拟仪器近几年在中国发展得较快，但也遇到了一些问题。

首先虚拟仪器的维护成本较高。

据哈尔滨工业大学深圳研究生院博士后和军平介绍，传统的仪器出现故障后，常常由公司内部的仪器部门通过更换相应的故障模块，得到较快的解决，维护成本较低。

而虚拟仪器采用的插卡式硬件密度很高，维修难度较大，维护费用较为昂贵。

同时中国用户的使用习惯也会
影响虚拟仪器的发展。

据赛宝计量检测中心高级工程师王勇解释，中国的测试工程师习惯于直接使用测量设备。

而使用虚拟仪器还要根据特定需要做二次开发，设计针对自身应用的自定义测试系统。

因此需要富有经验的工程师，较长的学习和培训时间与一定的开发周期。

同时他认为现在虚拟仪器的实现成本相比传统仪器并没有明显的优势，因此对中国厂商的吸引力还不够强。

而且虚拟仪器单个插卡模块的性能固然可能做得很高，但是其整体性能会受到PC/PXI系统的总线带宽的限制。

而总线速度的提升相对于计算机性能的提升周期要慢得多。

对于某些需要很高带宽的测量应用，虚拟仪器的使用常常受到限制。

（六）LabView简介
现代科技的发展日新月异。

计算机技术则尤为如此。

计算机强大的处理能力，使得它成为一种很好的工具，其应用范围也越来越广泛。

在工业自动化和测试及测量领域，传统的方法有许多重复建设，显然已经不能适应时代发展的需要了。

如何利用先进的计算机技术提高效率则成为该领域迫切需要解决的问题。

1986年，美国NI公司（Nation Instrument）提出了虚拟仪器的概念，提出了"软件即仪器"的口号，彻底打破了传统仪器只能由生产厂家定义，用户无法改变的局面，从而引起仪器和自动化工业的一场革命。

随着现代软件和硬件技术的飞速发展，仪器的智能化和虚拟化已经成为未来各级实验室以及研究机构发展的方向。

虚拟仪器，顾名思义，它应具有传统仪器的功能，又有别于其传统仪器。

它的特点体现在其灵活性上，它能够充分利用和发挥现有计算机先进技术，使仪器的测试和测量及自动化工业的系统测试和监控变得异常方便和快捷。

LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench实验室虚拟仪器工程平台）是一个程序开发环境。

类似于C、BASIC。

但LabVIEW的特点在于，它使用图形化编程语言G在流程图中创建源程序，而非使用基于文本的语言来产生源程序代码。

LabVIEW还整合了与诸如满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485以及数据采集卡等硬件通讯的全部功能。

内置了便于TCP/IP、Active X等软件标准的库函数。

虽然LabVIEW是一个通用编程系统，但是它也包含为数据采集和仪器控制特别设计的函数库和开发工具。

LabVIEW程序被称为虚拟仪器（VIs），是因为它们的外观和操作能模仿实际的仪器。

由于LabVIEW所使用的术语、图标和概念都是技术人员、科学家、工程师所熟悉的，故而即使用户没有多少编程经验，同样也能利用LabVIEW来开发自己的应用程序。

创建虚拟仪器的过程共分三步：（1）虚拟仪器的交互式用户接口被称为前面板，因为它模仿了实际仪器的面板。

前面板包含旋钮、按钮、图形和其它的控制与显示对象。

通过鼠标和键盘输入数据、控制按钮，可在计算机屏幕上观看结果。

（2）虚拟仪器从流程图中接收命令（用G语言创建）。

流程图是一个编程问题的图形化解决方案。

流程图也是虚拟仪器的源代码。

（3）
一个虚拟仪器的图标和连接就象一个图形（表示某一虚拟仪器）的参数列表。

这样，其它的虚拟仪器才能将数据传输给一个子仪器。

图标和连接允许将此仪器作为最高级的程序，也可以作为其它程序或子程序中的子程序（子仪器）。

1.图形化编程环境
该环境包含前面板、流程图、图标和连接。

在软件启动时，系统会建立一个缺省名为Untitled.1的文件（VI）。

该文件包含两个窗口，一个用以编辑前面板，另一个用作编辑流程图。

前面板就象是虚拟仪器的用户接口，尤如实际仪器的面板。

前面板基本上是控制和显示对象的集合。

用以控制模拟仪器输入设备，为虚拟仪器的流程图提供数据。

显示模拟仪器的输出设备及流程图中获得或产生的数据。

流程图窗口用以编辑虚拟仪器的图形化源代码。

通过连线将输出、接收数据的对象连接起来创建流程图，就能实现特定的功能，控制执行的流程。

需特别指明的是：LabVIEW运行是数据流驱动的。

简单地说，就是只有当所有的输入数据都准备好的时候，一个节点才能执行其功能，当节点执行完后，它所有的输出端口都会产生一个数据值。

数据都是从源端流到目的端。

数据流不同于执行一个传统程序的控制流方法（通过执行一系列的指令来实现的）。

控制流执行是指令驱动。

而数据流执行是数据流驱动或依赖数据的。

这里提到的节点是程序执行的元素。

它们类似于传统编程语言中的状态、操作、函数和子程式。

LabVIEW包含广泛用于数学计算、比较、转换、输入/输出的函数库。

另一类节点类型是结构。

结构就是传统编程语言的循环、条件描述的图形表示，不断的重复和执行代码。

LabVIEW也提供了用于连到外部基于文本的代码和用于计算基于文本的公式的特殊节点。

图标和连接--当一个虚拟仪器的图标被放置在另一个虚拟仪器的流程图中时，它就是一个子仪器或说是LabVIEW的一个子程序。

子仪器的控制和显示对象从调用它的仪器流程中获得数据，然后将处理后的数据返回给它。

连接是对应于子仪器控制和显示对象的一系列连线端子。

图标既包含虚拟仪器用途的图形化描述，也包含仪器连线端子的文字说明。

连接更象是功能调用的参数列表。

连线端子就是类似于参数。

每个终端都对应于前面板的一个特别的控制和显示对象。

连接从它的输入连线端子接收数据，然后通过子仪器的控制对象将数据传输给子仪器的代码。

每个虚拟仪器都有一个缺省的图标，位于两个窗口的右上角。

当然，图标可根据用户的需要进行修改。

每个虚拟仪器都有一个连接。

在前面板的仪器图标上右击鼠标，选择Show Connector，即可看到该仪器的具体连接。

第一次显示时，会有缺省的模式。

若用户想修改，则可选择Pattern或Use/Remove Terminal来进行新的模式设置。

2.编程工具介绍。