虚拟数字示波器软件的研究与设计

论文摘要

示波器是一种从外界采集信号,并转化成可见波形的测量仪器,多用于电子测量行业。目前市面上可见的示波器有:模拟示波器,数字示波器,虚拟数字示波器。与模拟示波器相比,数字示波器使得测量技术由定性发展到定量,即能定量地测量出波形的幅值等。但这两种示波器常被设计成台式仪器,且先于虚拟数字示波器研发出来。虚拟数字示波器是计算机技术与测量技术结合的产品,通常可以划分为前端信号的采集模块、计算机控制模块与信号显示模块。和传统的示波器相比,虚拟数字示波器具有很多优势。除了能观察波形,能对波形作定量的测量与分析外,还有性价比高、灵活性好、可轻松扩展功能、终端用户可以利用开放的接口做二次开发、操作界面友好等优点。特别是在网络极度发达的今天,伴随着云计算的兴起,测量已经突破了单台测量仪器、单个实验室的限制,跨网络的测量与测试以及远程共享测量结果已成为测量技术发展的趋势。国外很早就开始了虚拟测量仪器的研究,现已取得丰硕的成果。由于国内起步晚,研制出的虚拟测量仪器无论是在功能上还是性能上都和国外还有一定的差距。因此,必须更广泛地普及测量技术,让更多的电子测量爱好者能够掌握测量相关的基础知识;也为开发高端的测量仪器打下基础,培养和储备人才。我认为很有必要开发一款入门级的,成本低的,简单易用的虚拟示波器产品。根据虚拟示波器的需求,本论文设计并实现了一款支持波形观察和分析的虚拟示波器软件,主要工作有:收集和整理了虚拟示波器的需求,并列出虚拟示波器软件的关键功能需求和性能需求;根据需求分析的结果,设计出了适合虚拟示波器软件的架构,该架构具有结构层次清晰,适应能力强,容易扩展等特点;结合需求分析和架构设计,把整个软件系统划分成了几个模块:波形显示模块,数据传输模块,USB通信模块,以太网通信模块,信号采集模块以及信号发生器模块;在对各个模块进行详细设计之后,用C++语言编程实现了一款支持示波器主要功能的虚拟示波器软件。相比同类型论文,我并没有把重点放在数据采集硬件的实现上,而是把重点放在了虚拟仪器上位机软件的实现上,且在上位机也没有使用NI的LABVIEW库来实现虚拟仪器界面和波形显示,而是全部使用C++语言编码实现。另外,该虚拟示波器软件设计并实现了一套应用层接口,该接口同时对第三方开发人员开放。在现有的基础上,第三开发人员不仅可以利用此接口继续开发,增强软件功能,也可以在第三方软件中使用该接口操作数据采集卡。在波形显示模块中,本论文设计并实现了一种高效的画图算法——峰峰值画图算法,即使在波形数据点达到10万个点时,使用峰峰值画图法,一样可以得到非常好的屏幕刷新率。该画图算法还可被用于其它连接大量画图点的程序中。在信号采集模块中,设计并实现了一种新的波形采样算法。普通的采样算法很难捕获信号源中的振动与毛刺,而该波形采样算法能有效捕捉快速变化的信号。本论文实现的虚拟示波器软件界面简洁友好,方便用户上手使用,且其内部实现展示了虚拟示波器的工作原理,因此,它可用于教学之中,帮助学生理解和掌握示波器测量相关知识。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 虚拟示波器的优势
• 1.3.1 高性价比
• 1.3.2 携带方便
• 1.3.3 易扩展
• 1.3.4 UI 接口更友好
• 1.4 论文研究的内容
• 1.5 作者的主要工作
• 1.6 论文的组织结构
• 第二章 虚拟数字示波器软件的总体设计
• 2.1 需求简介
• 2.2 架构设计
• 2.3 子系统划分
• 2.4 模块划分
• 2.5 开发环境和工具的选择
• 2.5.1 开发平台的选择
• 2.5.2 开发环境的选择
• 2.6 小结
• 第三章 虚拟示波器软件界面的设计与实现
• 3.1 GDI 简介
• 3.2 MFC 类库简介
• 3.3 虚拟示波器界面的设计
• 3.4 虚拟示波器界面的实现
• 3.5 绘制波形
• 3.6 波形保存功能
• 3.7 实现虚拟示波器界面用到的关键算法
• 3.7.1 峰峰值画图算法
• 3.7.2 双缓存绘图
• 3.7.3 透明位图的实现方法
• 3.8 界面操作
• 3.9 小结
• 第四章 数据传输的设计与实现
• 4.1 数据传输模块的需求
• 4.2 应用层传输协议
• 4.2.1 通信结构体定义
• 4.2.2 应用层通信接口
• 4.3 数据通信接口
• 4.4 TCP 通信接口定义
• 4.5 USB 通信接口定义
• 4.6 小结
• 第五章 虚拟数据采集卡的设计与实现
• 5.1 虚拟数据采集设备的功能
• 5.2 信号发生器功能的实现
• 5.3 网络通信功能的实现
• 5.4 命令响应功能
• 5.5 触发系统
• 5.6 关键算法描述
• 5.6.1 信号采集
• 5.6.2 插值算法
• 5.6.3 数字化信号
• 5.7 实现过程中遇到的问题及解决方法
• <sub>int64 转成网络字节序的问题及解决方法'>5.7.1_<sub>int64 转成网络字节序的问题及解决方法
• TIMER 在工作线程中失效的解决方法'>5.7.2 WM_TIMER 在工作线程中失效的解决方法
• 5.8 小结
• 第六章 波形数据的数学处理
• 6.1 波形数据的表示形式
• 6.2 参数自动测量
• 6.3 数字滤波
• 6.4 快速傅立叶变换
• 6.4.1 快速傅立叶变换简介
• 6.4.2 频率数据的使用
• 6.5 波形叠加
• 6.6 小结
• 第七章 示波器的手动测量技术
• 7.1 电压的测量
• 7.2 时间和频率的测量
• 7.3 脉冲宽度与上升时间的测量
• 7.4 小结
• 第八章 总结与展望
• 8.1 总结
• 8.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果
• 致谢