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李竹青的论文完整版
电子科技大学
UNIVERSITYOFELECTRONICSCIENCEANDTECHNOLOGYOFCHINA
硕士学位论文
MASTERDISSERTATION
论文题目:
高速数字化仪软件开发包的定制与设计
学科专业:
测试计量技术及仪器
指导教师:
徐建南高工
作者姓名:
李竹青
班学号:
200520701036
分类号密级
UDC注1
学位论文
高速数字化仪软件开发包的定制与设计
(题名和副题名)
李竹青
(作者姓名)
指导教师姓名徐建南高工
电子科技大学 成都
(职务、职称、学位、单位名称及地址)
申请学位级别硕士 专业名称测试计量技术及仪器
论文提交日期2008.4论文答辩日期2008.5
学位授予单位和日期
答辩委员会主席
评阅人
年月日
注1注明《国际十进分类法UDC》的类号
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
据我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。
签名:
日期:
年月日
关于论文使用授权的说明
本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定,有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和借阅。
本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。
(保密的学位论文在解密后应遵守此规定)
签名:
导师签名:
日期:
年月日
摘要
高速数字化仪是一种可以实现高速、高精度数据采集、大容量数据高速存储及面向系统级应用的模块化电子测量仪器。
它不但具有传统示波器的观察、测量、记录各种瞬时物理现象的功能,而且具有高精度、快速采样、灵活的用户软件定制等传统示波器所不具有的特点。
数字化仪将模拟信号数字化,通过对采集的数字信息进行数字信号处理,详细分析输入信号的时域、频域特征。
这些特点使数字化仪在消费电子、国防、航空航天、半导体制造装备以及医疗仪器等领域的测试中有着极其广泛的应用。
高速数字化仪作为一种模块化测量仪器,软件开发包是其实现模块化的一个重要部分和有效手段。
本文结合电子科技大学承担的“宽带高精度高速数字化仪”项目,完成了高速数字化仪软件开发包的定制与设计,发布的数字化仪的软件开发包中不但提供了由用户灵活定制其所需应用软件的接口,即仪器驱动程序,而且提供了规范、详尽的软件开发文档,帮助用户进行二次开发。
本论文在介绍CPCI总线技术和WDM设备驱动程序的基础上,详细地阐述了数字化仪仪器驱动软件的开发过程。
数字化仪的功能强大,仪器驱动对其功能进行了标准分类与封装。
不但可以准确地控制底层硬件,包括通道、时钟、存储、触发的控制和状态查询,发送控制命令字,读取数据等,而且还起到了屏蔽底层工作细节的作用,方便了用户应用软件的再开发。
数字化仪的仪器驱动由动态连接库的形式提供。
本文的第三章介绍了动态连接库的开发方法以及数字化仪仪器驱动的总体设计。
数字化仪的仪器驱动分为设备类函数、配置类函数、定标函数、发送命令类函数、读数类函数、测量类函数等七个模块。
第四章则重点介绍了仪器驱动各个功能函数的实现。
最后,给出了仪器驱动开发中的常见问题及解决方法。
通过与硬件和用户软件的联合调试,验证了该仪器驱动程序的可行性,它不但成功的完成了数字化仪的控制硬件、读数、数据处理等基本功能,而且实现了数字化仪的采样数据大模式存储、可变存储等高级特性。
关键词:
数字化仪、软件开发包、仪器驱动、动态连接库
Abstract
Thehighperformancedigitizer,featuringhighrate,highaccuracy,andmassstorage,isakindofmodularizedtestinginstrumentorientedtosytemlevel.Itiscapableofmoreaccuracy,moreflexiblecomparingwithoscilloscope.Throughtheaccuratesignalquantization,thepostanalysiscancapturetheminutelyinformationineithertimeorfrequencydomainfeature.Thesecharacteristicsleadthedigitizerpossessingaquiteimportantstatusinehefieldofconsumerelectronic,communication,semiconductorindustryandmedicalapparatus.
Asamodularizedtestinginstrument,theSoftwareDevelopmentKit(SDK)isknownforanimportantelementinrealizingmodularizationofhighspeeddigitizer.TheSDKsuppliestheinterfacebetweenuserapplicationanddigitizerhardware,andactuallyisakeyonassessingperformanceofdigitizer.Inthisdissertation,acustomizinganddesigntheSDKofthehighspeeddigitizerisdescribedindetailaimingatthedigitizerexploited.
Aboveall,thedissertationfocusesonthedevelopmentprocessofdigitizerinstrumentdriver,basedontheintroductionoftheCPCIbustechnologyandWDMdriver.Digitizerwouldprovidemanyfunctioncallswhichwouldbepackagedintheinstrumentdriver.Thefunctioncallsincludessamplingoperation,calibration,hardwarestatusinquiry,datatransferetc..Foraefficientdesign,adeepanalysisofhardwareabilitiesaredescribed.Secondly,thedissertationintroducesthewholedesignofinstrumentdriverandhowtodevelopDLLinchapter3.Thedigitizerinstrumentdriveriscomposedofsevenmodules-equipmentfunction,configurefunction,commandsendingfunction,datareadingfunctions,testingfunctionsetc.Inchapter4,itexpatiateshowtorealizethesemodulesmentionedabove.Inchapter5,itdiscussesdebuggingthedigitizerinstrumentdrivercombinedwithusersoftwareandhardware,whichprovesthatdigitizerinstrumentdrivercanaccomplishallthefunctionsofdigitizerverywell,andfinallyitservedasaformofDynamicLinkLibrary(DLL)forarelease.
Keywords:
Digitizer,SoftwareDevelopmentKit,instrumentdriver,DLL
目录
第一章引言1
1.1高速数字化仪的功能及特点1
1.1.1模块化仪器的特点1
1.1.2数字化仪的概述2
1.2国内外数字化仪的发展现状3
1.3本论文的选题和研究任务5
第二章高速数字化仪的总体设计6
2.1数字化仪的硬件系统设计6
2.1.1数字化仪的硬件结构6
2.1.2CPCI总线技术及特点7
2.2数字化仪软件系统设计8
2.2.1数字化仪的软件结构8
2.2.2数字化仪的软件开发环境10
2.3本章小结11
第三章高速数字化仪的软件开发包定制12
3.1数字化仪对硬件控制的实现12
3.1.1数字化仪硬件控制的种类12
3.1.2仪器驱动与DSP的通信协议14
3.2数字化仪对硬件功能的封装16
3.3仪器驱动与硬件数据传输的实现17
3.3.1WDM驱动开发技术及特点17
3.3.2仪器驱动与WDM驱动的通信20
3.4数字化仪仪器驱动的设计22
3.4.1仪器驱动的全局设计22
3.4.2动态链接库的功能及特点24
3.4.3动态链接库的创建25
3.4.4数字化仪动态链接库的调用27
3.5本章小结29
第四章数字化仪仪器驱动的功能函数设计30
4.1设备类函数30
4.1.1打开设备的方式30
4.1.2打开关闭设备函数30
4.2定标函数31
4.2.1定标的原理31
4.2.2定标函数的具体实现33
4.2.3定标文件的装载35
4.2.4定标前后的比较36
4.3配置类函数37
4.3.1通道配置函数38
4.3.2触发配置函数38
4.3.3时钟配置函数39
4.3.4其它配置函数41
4.4命令发送及状态查询函数42
4.4.1命令发送类函数42
4.4.2状态查询类函数43
4.5读数类函数44
4.5.1小模式读数函数44
4.5.2大模式读数函数47
4.5.3可变读数函数49
4.6参数测量类函数52
4.6.1频率(周期)的测量53
4.6.2上升(下降)时间的测量55
4.7数字化仪功能的实现56
4.8本章小结56
第五章调试与验证58
5.1仪器驱动程序的调试58
5.2常见问题及解决方法59
5.3仪器驱动的功能验证60
第六章结束语63
致谢64
参考文献65
附录66
研究成果67
第一章引言
1.1高速数字化仪的功能及特点
1.1.1模块化仪器的特点
高速数字化仪是一种基于计算机的模块化数字测量仪器。
由于计算机总线和模块化仪器总线的发展,仪器硬件实现了模块化、系列化,大大缩小了系统尺寸,可方便地构建模块化仪器(Instrument on a Card)。
模块化仪器结合了紧凑的高性能硬件、灵活的开发软件以及集成式的定时和同步功能。
模块化仪器可以采用最新的商业科技,为测量工作提供高分辨率和高数据吞吐量。
模块化仪器具有灵活的软件定制的特性。
模块化仪器的开发软件,内置有基于软件的测量函数和复杂的分析功能,使负责测试和设计工作的工程师们可以采用模块化仪器创建完全自定义的测量系统。
模块化仪器能够将模拟信号数字化,通过对采集到的数字信息实现数字信号处理,详细分析输入信号的时域、频域特征,在各领域中有着非常广泛的应用背景。
使用模块化仪器建立的系统比传统的台式仪器相比,模块化仪器设备具有以下一些显著特点【1】:
灵活性好:
同样的硬件系统只需变更软件就可实现不同的功能。
如一块AD模块既可用于虚拟示波器显示采集信号时域波形,也可用于虚拟频谱仪显示信号频谱,还可用于信号分析系统。
可靠性高:
全部采用坚固的模块化总线结构,没有易损和易老化的键盘、开关、旋钮等输入设备和液晶、CRT、荧光管等显示设备,高低温性能好,抗震性强。
可扩展性强:
系统的规模可以通过增减模块非常容易地实现,借助总线技术,只要简单地的插入所需的相同模块就可扩展系统实现多信道应用,插入不同模块还可扩展系统功能。
系统性能和应用软件功能也可通过更换低廉的控制计算机软、硬件的方法进行提升。
速度快:
系统均由外部计算机或嵌入式计算机通过总线进行控制,速度要远快于采用IEEE488和RS232接口的控制。
体积小:
模块化设备组成的系统体积要远小于台式仪器组成的系统体积,而且信道数越多体积差别越大。
系统价格相对低廉:
由于公用机箱、电源和输入输出设备,模块化设备组成多信道系统的价格要低于分立式仪器组成的系统。
结构简单、维护方便:
所有的模块均通过同一个接口进行控制,模块之间可以互换,故障模块可由用户随时更换,系统结构、控制和维护非常简单。
一致性好:
相同的环境(机箱、电源、温度等)和同步触发保证了各个模块之间的指标一致性,易于组建高性能系统。
1.1.2数字化仪的概述
随着电子技术的迅速发展以及计算机在自动检测和自动控制系统中的广泛应用,利用数字系统处理模拟信号的情况变得更加普遍。
实际中遇到的大多是连续变化的模拟量,数据采集的作用就是将这些模拟信号数字化,为了提取信号中的有用信息,通常要将采集并转换后的数字信号进行分析、变换、综合、估值与识别等处理。
数字化仪就是具有数字信号处理能力的数据采集仪器,它具有很高的分辨率、采样率。
数字化仪通常采用并行的体系结构,每个通道有独立的ADC转换器,可同时对所有通道的输入信号进行采样。
数字化仪具有强大的数据处理功能,可以对采集数据进行各种的分析,其对数据的分析能力远远超过扫描A/D和示波器【2】。
数字化仪通常被理解为只是一个模/数转换器(ADC),其实作为测量仪器的数字化仪具有更深层的技术涵义,复杂的数字化仪相当于一台不带显示器的数字存储示波器(DSO),而且功能更丰富,例如更多的输入通道、更高准确度、更好分辨率、更深存储量,使用上更灵活多样等等。
数字化仪的基本电路核心部件是ADC,它的取样率由时钟发生器决定,输入信号经过衰减和前置放大后,由低通滤波器滤除混淆频率,模拟信号再经过模/数转换器变成数字量,存放在存储器内供数据处理输出之用【3】。
高速数字化仪的这些特点使数字化仪在消费电子、国防、航空航天、半导体制造装备以及医疗仪器等的测试中有着不可缺少的地位。
而且实时信号的采集在工业、科研、医学、军事等诸多领域具有十分重要的作用,其关键技术在国外先进工业国家受到了长期重视。
但是由于我国的电子工业起步较晚且基础薄弱,我国目前在高端数字化仪产品上面还没有突破,而且能够进入我国的产品大部分是指标性能级别较低,难以适应更高要求的用途。
因此自主研制宽带高精度数字化仪是非常必要且急迫的事情。
高速数字化仪是一种模块化电子测量仪器,软件开发包是其实现模块化的有效手段和重要方法。
模块化已经成为行业的主流,现在的工程师面对很多挑战,他们需要的测试系统一定要具备很高的灵活性,一个很好的解决方案就是通过由软件定义硬件的模块化仪器来实现高灵活性和升级的要求。
强大的测量软件是模块化仪器技术的关键。
由于能通过软件定制测试系统的功能,使用户可以建立传统仪器所不具备的独特测试功能。
数字化仪的软件开发包是由仪器驱动和软件设计文档组成。
仪器驱动程序是一个处理特定仪器的控制与通信具体过程的软件。
它对仪器测量和测量功能提供全面的访问。
仪器驱动程序是一套可被用户调用的子程序,用户利用它只需调用相应的一些函数就可以定制自己的应用软件,而不必了解每个仪器的编程协议和具体编程步骤,完成对仪器各种功能的操作。
软件设计文档给用户提供了开发应用程序的指南。
它介绍了仪器驱动的应用环境及调用方式,告知用户如何利用仪器驱动开发自己的应用软件。
除此之外,设计文档还具体介绍了每个函数的功能,函数的参数及使用方法。
1.2国内外数字化仪的发展现状
随着电子技术和计算机技术的高速发展,数字化仪向着:
分辨率更高,动态范围更大;更高采样率和更宽频带;采用更高传输率的总线;采用更深的存储器和新的存储芯片;嵌入式微处理器和开放式软件的方向发展。
今后,我国将在信息技术、生物技术、新材料技术、先进制造技术、航空航天技术等关键领域取得更大突破,这些领域的研究、开发、技术升级的基本手段就是利用电子测量仪器。
因此,高速数字化仪作为一种重要的模块化数字测量仪器,在我国也得到了迅速的发展。
尤其在满足现代电子对抗所需求的宽带高精度信号数字化技术方面,更高采样率、更高有效分辨位、更灵活的采集控制机制、更大数据存储容量以及更快的数据传输等先进技术成为数字化仪研发的热点和趋势。
虽然数字化仪的研制在我国已有了很大的发展,但是数字化仪技术发展至今,引导世界技术潮流的仍是国外的几大仪器公司。
如美国的Agilent和NI,瑞士的Acqiris等。
我国目前在高端数字化仪产品上面还没有突破,因此大部分的需求还要靠进口来满足。
基于目前的紧迫形势和国内数字化仪的研发实力,我国自行开发和生产高性能数字化仪的条件已经具备。
因此在和有关部门的合作下,电子科技大学CAT教研室提出了我国第一台高性能数字化仪的研制任务,并提出了相应的指标体系。
评判一台数字化仪的优劣,主要关注一下几个指标:
采样速率、有效采样精度、存储深度、传输速率和多通道的同步精度,另外其他的几个辅助指标是模拟通道的交流和直流耦合带宽、信噪比、无杂散动态失真以及信号的输入幅度范围等。
在国际上处于领先水平的数字化仪的代表产品主要有:
Aglient的93000【4】、Acqiris的DC440,DP310【5】以及NI的NI5124。
Agilent93000数字化仪具有主要技术性能指标为:
双通道、最高105Msps采样率、垂直分辨率达14位、输入模拟带宽0~100MHz、无杂散动态范围达85dBc、信噪比大于65dB、持续数据存储能力8M(可选)。
AcqirisDC440数字化仪是一款适用于宽带频域分析应用的数字化仪,采用双通道6UCPCI、最高400Msps采样率、垂直分辨率达12位、输入方式有标准BNC和HF、BNC输入模拟带宽0~100MHz、系统无杂散动态范围SFDR大于80dB、信噪比大于65dB、持续数据存储能力为64k(可选购4M点)等。
AcqirisDP310是一款模块化、100MHzDC-耦合标准输入、单通道12位高解析,高速数字采集卡。
具有12位monolithicADCs,SFDR>78dB,SNR>64dB;采样率可告达400MS/s;;每信道采集内存64k(可选购4M点);激活触发采集模式;完整前置(Pre)及(Post)触发;外部时钟输入可连接精密的频率标准;标准PCI接口等特性。
NI公司的NI5124一款具有200MS/s的采样率和12位的分辨率的高速数字化仪,其带宽为150MHz。
本课题研制的高速数字化仪的目标是400MSa/s、垂直分辨率达12bits、DC耦合标准输入带宽:
DC~80MHz;AC耦合HF输入带宽:
1~300MHz;存储容量每通道64MB;输入通道数:
2CH/模块;具有CPCI接口和通讯接口及相应的接口软件驱动程序的宽带高精度高速数字化仪。
该数字化仪的性能指标,与国内外先进的数字化仪产品的相比较,不相上下,某些性能甚至已优于国内外数字化仪的代表产品。
国内外数字化仪性能指标对比详见表1-1。
从表1-1可以看出,本课题自主研发的宽带高精度高速数字化仪,其综合性能已经达到国际领先水平。
表1-1国内外数字化仪性能指标对比
厂家
Agilent
Acqiris
NI
UESTC
型号
93000
DC440
NI5124
本仪器
采样率(MS/s)
105
400
200
400
通道数
2
2
2
4
分辨率(bits)
14
12
12
12
SNR(dB)
>66
>65
>57
>62
SFDR(dB)
>80
>80
>75
>75
DC带宽(MHz)
DC~80
DC~100
DC~55
DC~80
AC带宽(MHz)
0.25~100
1~300
1~145
1~300
输入范围(V)
±2.5
±10
±10
±5
存储深度(Word)
8M
8M
512
128M
采样率细分
无
有
有
有
通道同步技术
T-Clock
AsBus
SMC
EsBus
1.3本论文的选题和研究任务
本论文结合电子科技大学承担的“宽带高精度高速数字化仪”项目,实现研究高速数字化仪软件开发包的定制与设计。
数字化仪的软件开发包定制与设计的主要任务在于:
一、数字化仪软件开发包的定制分析:
结合数字化仪的硬件特性及用户需求,将数字化仪的仪器驱动根据功能进行模块化设计。
二、数字化仪仪器驱动的开发:
在windowsXP系统下,仪器驱动以动态链接库的形式提供给用户。
动态链接库不但实现了对硬件的控制,并且屏蔽了底层的工作细节。
三、数字化仪的软件设计文档的撰写:
软件设计文档是用户进行开发时的指南,也是用户充分了解数字化仪性能的重要窗口。
由于软件设计文档在项目交付时已经提供给了用户,故论文中将不再赘述。
第二章高速数字化仪的总体设计
本课题研制的高速数字化仪是基于CPCI总线的模块化电子测量仪器,是由模块化仪器硬件,用于数据分析、过程通讯的仪器驱动及图形用户界面的软件组成的测控系统。
作为模块化仪器,数字化仪利用了计算机丰富的软件资源,实现了部分仪器硬件的软件化,节省了物质资源,增加了系统灵活性;通过软件技术和相应数值算法,实时、直接地对测试数据进行各种分析与处理;通过图形用户界面技术,真正做到界面友好、人机交互。
2.1数字化仪的硬件系统设计
2.1.1数字化仪的硬件结构
高速数字化仪的硬件系统主要完成信号调理、采样存储、同步与触发、解析控制命令,发送数据等功能。
硬件整体结构图如图2-1所示。
图2-1数字化仪硬件结构图
数字化仪硬件具体电路按功能大致分为四个部分:
采样与存储电路、定时与同步电路、全局控制与处理电路、接口电路。
这些电路可细分为以下模块:
信号调理模块、触发模块、时钟模块、A/D综合滤波模块、存储单元模块、主控逻辑模块、总线接口模块等。
采样与存储电路:
实现信号的采集与信号转换后数据的存储,是系统的核心部分,它直接关系到整机的关键性能指标的优劣。
模块包括宽带信号通道调理、信号子带分解、高速并行交替采样、非均匀采样校准、双速率动态存储及分相存储控制电路等。
同
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