基于以太网的虚拟示波器设计

虚拟仪器是利用高性能模块化硬件，结合高效灵活的软件，在通用的计算机平台上，根据用户需求设计仪器的测试功能．实现对信号的处理、计算、分析以及波形显示。近年来，随着微电子与计算机技术的飞速发展，以及测量技术与计算机的深层次相结合，虚拟仪器已成为国内外学者研究的热点问题之一。
文献提出的虚拟示波器是以PCI采集卡硬件为基础，极大地限制了其连接和加载性能；文献使用的串行接口传输采集设备传输速率不高，实时性也不理想；文献所提出的虚拟示波器采用USB接口数据采集设备，虽然其技术日趋成熟，但其稳定性、数据吞吐量、传输速率与传输距离，均逊色于工业以太网技术。因此，将虚拟仪器技术与以太网技术相结合，在VC环境下利用其辅助开发包MFC开发出一种新型网络化虚拟示波器，界面友好、数据准确，不但包含传统虚拟示波器数据计算、频谱分析和波形显示等常规功能，还可实现波形的快速存储、回放及远程多机操控功能。

1 虚拟示波器硬件设计
虚拟示波器硬件系统结构如图1所示。底层硬件采用基于DSP的嵌入式系统，该系统集成了信号调理电路、A／D转换模块以及网络接口器件，完成对被测信号的采集、处理及发送功能：信号调理电路对各种不同的输入模拟信号进行电压转换，使被采样信号电压幅值的变化范围满足A／D转换模块的要求，同时还对输入信号进行滤波处理，减少信号失真和噪声，阻止带外频率引入的虚假信号。A／D转换模块是嵌入式系统中最为重要的单元，选用TM320F2812DSP中的A／D转换模块具有12位精度，16通道最高采样带宽达12．5 MS／s。

其优异的动态性能足以满足虚拟示波器的要求。而系统网络接口器件则选用以太网控制器LAN91C111，并将其作为外围设备与MCU连接，该器件支持100／10 Mb／s的传输速率。嵌入式系统与上位机建立网络连接之后通过以太网将数据传输至上位机，使用上层软件完成数据的波形显示，计算和相关分析等功能。

2 虚拟示波器软件设计
为提高虚拟示波器程序的运行效率，编程采用多线程思想，所谓多线程就是将程序分割成相互独立运行的子任务，其中包括主线程和分线程，利用CPU分时机制，每个线程都能循环地获得自己的CPU时间，由于轮询速度非常快，使得所有线程都像是在同时运行一样。该虚拟示波器程序主线程进行数据处理，波形显示；分线程则独立完成接收UDP数据报、保存数据并向主线程发送消息的功能。虚拟示波器程序流程图如图2所示。

2．1 以太网数据通信设计
虚拟示波器采用分布式以太网接入技术，即将以太网控制模块嵌入在嵌入式中，使设备能直接连接到以太网。嵌入式系统将包含被测信号数据信息的以太网数据帧发送到局域网内的上位机时。需要根据48 b的以太网硬件地址来确定目的接口。地址解析协议ARP为以太网硬件地址和IP地址提供映射。虚拟示波器运行时嵌入式系统向目的上位机发送ARP请求，预先设定好IP地址的上位机接收到报文后，识别出这是发送端在询问它的硬件地址，则发送一个包含自身的IP地址和硬件地址的ARP应答，嵌入式系统收到应答之后便可向目的上位机发送数据报了。
嵌入式系统与上位机建立网络连接之后要进行以太网通信还需要实现TCP／IP协议族以完成对数据的封装和分用，在应用层、运输层、网络层、链路层4层协议系统中每层主要负责与其他机器上的对等层进行通信。其中链路层主要包括物理层和数据链路层。完成物理上的接口连结协议，设计中采用Ethemet(IEEE802．3)确保数据传输量；运输层协议主要包括TCP和UDP 2种，TCP协议虽然具有更高的可靠性，但是其在软件上实现复杂，程序冗长，并且校验时占用大量网络流量；相比之下，UDP协议对于减小DSP资源消耗，提高网络传输效率方面更有优势。为了增强UDP协议的可靠性，在实际的通信协议中，对于关键的量值通过回传校验机制保证其可靠传输。这种方法将UDP协议的简洁性和TCP协议的可靠性相结合，同时也节省了大量用来校验的网络流量，增强了网络的实时性，因此运输层协议上选择的是UDP协议。以太网数据发送／接收流程图如图3所示。