基于高速USB的数字示波器设计

摘 要 文章分析了基于高速USB接口的数字示波器的设计。该系统采用Cypress公司的EZ-USBFX2系列芯片作为USB通信及主控芯片，完全符合USB协议，是一种新型的数字示波器。 通用串行总线USB是1995年康柏、微软、IBM、DEC等公司为解决传统总线不足而推广的一种新型的通信标准。该总线接口具有安装方便、高带宽、易于扩展等优点，已逐渐成为现代数据传输的发展趋势。基于高速USB的数字示波器充分利用USB总线的上述优点，有效解决了传统缺陷。 系统设计中包括：高速数据采集硬件及USB接口设计；高级应用程序设计；绘制电路原理图；编写固件驱动程序；开发硬件接口驱动程序；编写界面显示程序。 本文重点介绍了USB总线接口芯片的原理、驱动程序及应用，降低了USB系统开发的门槛，并达到令人满意的效果。 关键词：USB接口，数字示波器，EZ-USBFX2，高速数据采集 本次设计主要是基于高速USB的数字示波器的设计与实现，那么我就先把我的总体设计的方案的确定，以及具体的系统组成在这一章中展示给大家。至于具体的设计就在下面的章节中详细介绍。 2.1方案论证 方案一：基于单片机的等效采样示波器设计。 在数字示波器技术中，常用的采样方法有两种：实时采样和等效采样。实时采样通常是等时间间隔的，它的最高采样频率是奈奎斯特极限频率。等效采样（Equivalent Sampling）是指对多个信号周期连续样来复现一个信号波形，采样系统能以扩展的方式复现频率大大超过奈奎斯特极限频率的信号波形。 1 总体设计 由于所设计的示波器输入频率范围较宽，本系统采用了等效和实时两种采样方式。若输入频率小于1.25MHz，选用实时采样；反之，选用等效采样。根据输入频率确定时钟芯片的输出及分频数。当输入频率高于1kHz时，利用可编程频率合成芯片SY89429V产生基准时钟；当输入频率小于1kHz时，由单片机提供40kHz的基准时钟。然后根据输入频率的大小对基准时钟使用不同的分频数，从而产生采样时钟。 2 硬件设计 本系统在硬件上可分为五部分：控制器、测频及键盘控制、波形采样、程控时钟和液晶模块。 3 软件设计 MCU1接收MCU2的测频结果，并将幅值信息传递给MCU2，由MCU1根据输入频率确定采样方式，并控制精密时钟发生电路为ADC提供采样时钟。一次采样完成后，由MCU1处理采样数据并送LCD显示。 方案二：基于高速USB接口的虚拟数字示波器设计 ??? 此虚拟示波器的数据采集器由以下功能模块组成：前端信号变换模块、高速模数转换模块、高速数据缓冲模块、单片机控制模块、USB接口模块和电源模块。前端信号变换、高速数据采集有成熟的方案并且可根据需要的指标，譬如采样率、量程控制、采样深度等进行设计，我们这里主要讨论USB接口部分的开发。 方案论证： 方案一，采用纯粹的单片机来实现整个体统，那么系统的可重用性差，同时系统庞大，有冗余。 方案二，把单片机和高速USB接口模块相互结合，并且基于高速USB接口的虚拟数字示波器目前已完成基本功能的验证，正在后期完善中。测试表明其技术性能良好，功能强大、体积小巧、使用简便、价格低廉。 综合以上，我最终确定的是采用方案二。 2.2系统的总体设计-系统总体结构框图 选择了方案二，之后我就开始规划整个系统的整体设计，并在原有方案的基础上进行了扩展。 此数字示波器的数据采集器由以下功能模块组成：前端信号变换模块、高速模数转换模块、高速数据缓冲模块、单片机控制模块、USB接口模块和电源模块。前端信号变换、高速数据采集有成熟的方案并且可根据需要的指标，譬如采样率、量程控制、采样深度等进行设计，我们这里主要讨论USB接口部分。 数字示波器的上位机部分主要是应用VB6.0进行的开发和系统扩展，即上位机的图形界面。