虛擬示波器是將計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算處理能力和一般硬件儀器的信號采集和控制能力結(jié)合在一起，從而實(shí)現(xiàn)一般示波器所不能實(shí)現(xiàn)的功能和友好的界面，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)示波器功能單一、體積龐大、攜帶不便、價格昂貴的不足。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展 ,對虛擬儀器的智能化和小型化的要求越來越高。嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展使得基于嵌入式微處理器和實(shí)時操作系統(tǒng)的嵌入式虛擬儀器能夠滿足惡劣工作環(huán)境下的便攜虛擬儀器的需要。同時，基于USB總線的儀器設(shè)備克服了現(xiàn)有PC總線虛擬儀器的不足，可滿足自動化工業(yè)測量的要求，特別適合現(xiàn)場信號的測試。

常用的虛擬儀器多采用PCI或ISA插槽，然而采集卡的數(shù)量一般有限，因此在搭建系統(tǒng)的時候，只能指定特定的計(jì)算機(jī)或嵌入專門的采集卡，但有些設(shè)備根本就不支持PCI或ISA總線，這種內(nèi)置形式很容易受到PC機(jī)箱內(nèi)高頻干擾的影響，降低系統(tǒng)的采樣精度和穩(wěn)定性。如果能夠?qū)⒄麄€系統(tǒng)做成外置式，不僅能夠提高系統(tǒng)的采樣精度和穩(wěn)定性，還能增強(qiáng)系統(tǒng)的靈活性，同時還有利于系統(tǒng)的維護(hù)。

USB接口是實(shí)現(xiàn)虛擬儀器的一種更方便、更有效、更靈活的總線通訊式。USB總線是新一代總線技術(shù)，使PC機(jī)配置新的硬件設(shè)備不用在打開機(jī)蓋，且支持熱插拔技術(shù)，給使用者以極大的方便。USB總線具有傳輸速率高、支持異步和等時傳輸特點(diǎn)，并且可同時掛接127個獨(dú)立的USB設(shè)備，適合于外登式中高速、高精度采樣系統(tǒng)。USB技術(shù)是非贏利性的規(guī)范，已得到了廣泛工業(yè)支持。

1　系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

嵌入式處理器是由C8051F020單片機(jī)和USB總線芯片CH375組成。C8051F020單片機(jī)作為系統(tǒng)的CPU擔(dān)任著邏輯控制、數(shù)據(jù)采集和存儲管理的工作，接收測試分析對象上傳的數(shù)據(jù)源信號，通過信號調(diào)理模塊和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊等控制功能實(shí)時采集數(shù)據(jù)，由USB總線芯片CH375作為與上位機(jī)通信的接口將數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)監(jiān)控模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

C8051F系列單片機(jī)是完全集成混合信號的系統(tǒng)級芯片，具有與8051兼容的控制器內(nèi)核，并與MCS-51指令集兼容；片內(nèi)還集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件和其他數(shù)字外設(shè)及功能部件。C8051F單片機(jī)采用流水線結(jié)構(gòu)，機(jī)器周期由標(biāo)準(zhǔn)的12個系統(tǒng)時鐘降為1個系統(tǒng)時鐘，處理能力大大提高，峰值性能可 達(dá)25M IPS.C8051F單片機(jī)是能真正獨(dú)立工作的片上系統(tǒng)(SoC)。每個MCU都能有效地管理模擬外設(shè)和數(shù)字外設(shè)，可以關(guān)閉單個或全部外設(shè)節(jié)省功耗。Flash存儲器還具有片上重新編程能力，可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲。片內(nèi)JTAG調(diào)試支持觀察、修改儲存器和寄存器，支持?jǐn)帱c(diǎn)、單步、運(yùn)行、停機(jī)命令。調(diào)試時所有的模擬和數(shù)字外設(shè)都能全功能運(yùn)行。

C8051F最突出的改進(jìn)是引入了數(shù)字交叉開關(guān)。這是一個大的數(shù)字開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，允許將內(nèi)部數(shù)字系統(tǒng)資源分配給端口I/O 引腳。這種結(jié)構(gòu)可支持所有的功能組合，可通過設(shè)置交叉開關(guān)控制寄存器，將片內(nèi)的計(jì)數(shù)器 /定時器、串行總線、硬件中斷、ADC轉(zhuǎn)換啟動輸入及微控制器內(nèi)部的其他數(shù)字信號配置在端口I/O引腳，這就允許用戶根據(jù)自己的特定應(yīng)用選擇通用端口I/O和所需數(shù)字資源的組合。

USB模塊CH375是一個USB總線的通用設(shè)備接口芯片，無需編寫驅(qū)動程序，內(nèi)置有USB通訊中的底層協(xié)議，完全滿足USB1.1標(biāo)準(zhǔn)。該模塊具有8位數(shù)據(jù)總線(D0～D7)、地址輸入(A0)、讀(RDJHJ)、寫(WRJHJ)、片選控制線(CSJHJ)，以及中斷輸出(INTJHJ)等功能，可以方便地掛接到單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線上。當(dāng)A0為低電平時選擇數(shù)據(jù)端口，單片機(jī)通過8位并口對CH375進(jìn)行讀寫數(shù)據(jù)；當(dāng)AO為高電平時選擇命令端口，可以向其寫入命令。

在本地端，單片機(jī)對CH375的操作是采用命令加數(shù)據(jù)的I/O 操作方式，任何操作都是先發(fā)命令給CH375，然后執(zhí)行數(shù)據(jù)輸入輸出。CH375接收到上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)或者發(fā)送完給上位機(jī)的數(shù)據(jù)后，以中斷方式通知單片機(jī)。各通道的USB模塊CH375在計(jì)算機(jī)應(yīng)用層與其本地端單片機(jī)之間提供了端對端的連接，統(tǒng)一采用數(shù)據(jù)加應(yīng)答方式進(jìn)行通信，所有的通信都由計(jì)算機(jī)應(yīng)用層發(fā)起，然后以接收到單片機(jī)的應(yīng)答結(jié)束。