new具有USB接口的便携式虚拟仪器1

具有USB接口的便携式虚拟仪器设计

郑勇1，关晓菡2，王玉全1，李文嘉1

（ 1 北方工业大学 机电工程学院 北京 100144; 2 北方工业大学 信息工程学院 北京 100144）

摘要：本文给出了一种便携式多功能虚拟仪器的设计方法，从硬件和软件两方面做了详细阐述。系统由高集成度的C8051F020 MCU为核心设计的硬件板卡和由VB编写的上位机软件组成，数据采集板和计算机之间采用USB通讯，连接方便，该虚拟仪器集信号发生、数据采集、开关量输入输出、数据曲线实时显示、数据存储与回放、事后分析等功能于一体，功能完善。 关键词：虚拟仪器；USB；C8051F020 1 概述

信号发生器和数据采集仪是科研与教学中经常用到的科学仪器，我们开发的具有USB接口的便携式虚拟仪器由多功能硬件板卡、计算机、软件包及连接线组成，配合相应的信号调理电路可应用于生理电信号采集、机械故障诊断、机床切削力测量及其他诸多领域，该虚拟仪器集信号发生、数据采集、开关量输入输出、数据曲线实时显示、数据存储与回放、事后分析等功能于一体，功能完善，具有连接方便、成本低廉、操作简便、便于二次开发等突出的优点，软件采用模块化设计，便于移植到其他各种硬件平台。

主要技术指标：

2通道DA, 12位精度，可发出阶跃、斜坡、抛物线、正弦、方波、三角、锯齿、随机等多种信号且幅值、频率、极性、初始相位可调，2路DA之间相位可调、可叠加。

8通道AD，12位精度，程控增益，量程±10V，实时采样频率1KHZ/通道，定时精度1ms，实时数据曲线显示，具有长余辉X-Y与短余辉X-Y显示方式，海量数据存储，可实现数据采集、存储、回放，数据存储格式包括专用格式、文本格式、EXCEL、ACCESS等，存储数据可导入Matlab进行分析。

另外该虚拟仪器可扩展数字量输入输出及网络测控功能。

2 便携式虚拟仪器硬件设计 2.1微控制器的选择及电路设计 数据采集卡的微控制器采用美国Silicon Laboratories公司的C8051F020，此单片机是完全集成的混合信号系统级芯片（SOC），具有与MCS-51完全兼容的指令内核，具有高速、流水线结构，可达25MIPS。具有全速、非侵入式的系统调试接口，方便程序的下载、调试；具有真正12位、100ksps的8通道ADC，带PGA和模拟多路开关，可以满足数据采集卡模数转换的需要；两个12 位DAC，具有可编程数据更新方式，可以满足数据采集卡数模转换的需要；足够多的通用IO口，可以扩展数字量输入输出；64K字节可在系统编程的FLASH存储器，以及4352字节的片内RAM，足可满足软件编程需要；两个UART串行接口方便单片机和计算机的通讯。

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第一作者简介：

郑勇（1970-），男，河北省泊头市人，副教授，主要从事自动化技术与计算机应用方面的教学与科研工作。

通讯，电路如图2所示。

图1 CPU电路设计 2.2 USB接口电路设计

无需其他的外部USB元件，外围电路设计简单，使用方便。在程序编写上完全可以把USB接口作为一个串口来使用，从而简化编程。同时系统也可通过跳线选择使用RS232普通串口

USB通讯电路芯片选用美国Silicon公司的USB-UART桥接电路芯片CP2102，该电路的集成度高，内置USB2.0全速功能控制器、USB收发器，振荡器和带有全部的调制解调器控制信号的异步串行数据总线（UART），全部功能集成在一个5mm×5mm MLP-28封装的IC中，

图2 USB/RS232接口硬件电路

2.3 网络接口电路设计

网络接口电路采用高集成度以太网控制芯片RTL8019AS，它在一块芯片上集成了RTL8019内核和一个16KB的SDRAM存储器，与NE2000相兼容，支持以太网全双工通信方式。 硬件电路如图3所示。

所示。 电路如图5所示。

图4 AD转换电路设计 图3 网络接口硬件电路 考电压连接到外部基准电压输入引脚VREFD，这样DAC的输出电压范围为0至+3V。DA转换

2.4 AD/DA接口电路设计 AD转换的电压基准选用外部电压基准，通过AS1117得到3.0V参考电压，连接到ADC的外部基准电压输入引脚VREF0，这样ADC0的可转换范围为0至+3V。AD转换电路如图4

DA转换的电压基准选用外部电压基准，同ADC0一样也是将通过AS1117得到的3.0V参

图5 DA转换电路设计

2.5 DI/DO接口电路设计

系统通过P1和P2口扩展16路数字量输入，通过P6口扩展8路数字量输出。电路分别如图6和图7所示。

2.6 IC存储器接口电路设计

图6 DI电路设计 图7 DO电路设计 2 系统扩展了I2C存储器，可用于采集数据的存储。电路如图8所示。

图8 I2C存储器电路设计

2.7 扩展接口电路设计

系统将一些未用口线引出到2个端子上作扩展用，其中P1可用来扩展SPI功能，P2可用来扩展基于HD7279芯片的键盘显示功能。

3 通信协议设计

系统采用串行通信，115200bps，8位数据位，1位停止位，无奇偶校验位，通信协议见表1。

表1 系统通讯协议 指令 DA0输出（模拟量输出） DA1输出（模拟量输出） AD（模拟量输入） DO（P6口数字量输出） DI （P1口数字量输入） DI （P2口数字量输入） DI （P6口数字量输入） 字节1 00 01 02 03 04 05 06 字节2 0X 0X 任意 任意 任意 任意 任意 0X 0X 任意 FF 字节3 XX XX 通道号00-07 XX 任意 任意 任意 XX XX XX FF 无 XX（P1口状态） XX（P2口状态） XX（P6口状态） 01 01 01 01 回复 无 无 0X XX 图9 扩展电路设计 DA0输出（需回执模拟量输出） 07 DA1输出（需回执模拟量输出） 08 DO（需回执P6口数字量输出） 节点测试 09 FF 注：XX代表十六进制数据00-FF 4 虚拟仪器软件设计

VB是一种灵活高效的软件开发工具，拥有MSCOM、Winsock等控件资源，可以方便地开发串口通讯、网络通讯等软件，利用VB开发测控软件涉及到硬件接口编程、数据库编程等诸多方面，目前已有大量文献对这些内容进行了论述，本文主要介绍VB开发测控软件中的一个重要环节，即实时数据趋势曲线的实现，实时数据曲线反映的是现场数据的实时性，因此对绘图效率，定时精度提出了较高的要求。 4.1 利用API函数绘制数据曲线

VB提供的Pset（画点）, Line（画线）等方法可用于曲线的绘制，但在实时性要求较高的场合有必要采用API绘图函数，以下介绍相关的API函数。 4.1.1 SelectObject函数

函数功能：选择一个对象，放到指定的设备环境中，新对象替换先前的相同类型的对象。 4.1.2 DeleteObject函数

函数功能：删除一个对象，释放所有与该对象有关的系统资源，则对象被删除之后，指定的句柄随之失效。要删除的对象包括逻辑笔，画笔，字体，位图，区域或者调色板。 4.1.3 Createpen 函数

函数功能：用指定的样式，宽度和颜色建立一个逻辑画笔。

4.1.4 SetPixel 函数

函数功能：该函数用于在指定的设备环境中设置一个像素的RGB值,可用于绘点。 4.1.5 Lineto 函数

函数功能：用当前画笔，从当前位置到指定的点画一条线。用当前画笔，从当前位置到指定的点画一条线。

4.1.6 BitBlt 函数

函数功能：对指定的设备环境区域中的像素进行位块（bit-block）转换，以传送到另一个设备环境。其中进行位块转换的设备环境称为原设备环境，要传送到的设备环境称为目标设备环境，源和目标设备环境必须相互兼容。 4.1.7 TextOut 函数

函数功能：在指定的位置输出一个字符串，该函数可用于标注坐标值等。 4.2 实现精确定时

4.2.1 定时器Timer控件

VB提供的定时器Timer控件存在两个缺点，即计时精度低和消息优先权低，虽然设定时间间隔的分辨率为1ms,但内部实际的时间间隔被归整为54.925ms的整数倍，即实际精度为55ms左右，同时，由于消息优先权低，定时器控件在运行中会受鼠标键盘输入，开闭窗口等其他进程或线程的影响而产生ms级的偏差，故Timer控件只可用于长达数百ms以上的定时。在对定时精度要求高的情况下，可采用API函数来实现较精确的定时。

4.2.2 API函数 timegettime

API函数 timegettime能返回Windows开机以来所经过的毫秒数。其精度在Windows98下为1ms。在Windows NT 下精度为5ms，与机器有关。该函数可用于实时数据曲线中时间轴坐标的确定，1ms的定时精度已可满足相当一部分应用场合的需要。timegettime函数的返回值在系统连续运行约49.7天后回零。

图10 便携式虚拟仪器硬件

图11 便携式虚拟仪器软件界面 参考文献

1.Silicon Laboratories Inc，潘琢金译.C8051F020/1/2/3混合信号ISP FLASH微控制器数据手册.沈阳新华龙公司，2002.10

2.Silicon Laboratories Inc.CP2102 datasheet.

3. 童长飞 C8051F系列单片机开发与C语言编程，北京，北京航空航天大学出版社，2005

4. 潘琢金 施国君 C8051Fxxx高速SOC单片机原理及应用，北京，北京航空航天大学出版社，2002 5.郭迎福 毛征宇 晏燕 罗晓莉.基于虚拟仪器的数字示波器设计.湖南科技大学学报（自然科学版），2006.3 6.朱洪涛 曹利钢 王志勇.基于USB的便携式数据采集与控制系统的实现.机电产品开发与创新，2005.1

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