GDIPlus雙緩存技術(shù)在USB采集卡控制軟件中的應(yīng)用

楊增寶 ， 楊 浩

（1.重慶大學(xué) 重慶 400044；2.長江師范學(xué)院 重慶 408100）

心電、腦電、胃電等生物電信號(hào)通常都集中在頻率低段，對(duì)采樣電路和波形顯示設(shè)備的要求都不太高。但為了能對(duì)象肌電一類相對(duì)較高頻率的生物電信號(hào)進(jìn)行更高質(zhì)量的采樣和精確分析，就要求有更高速率的數(shù)據(jù)采集設(shè)備。常規(guī)數(shù)據(jù)采集卡都采用PCI接口，安裝和攜帶都非常麻煩，給人們的研究工作帶來了極大的不便。因此，設(shè)計(jì)一款基于USB接口的高速率數(shù)據(jù)采集卡，對(duì)分析更復(fù)雜的生物電信號(hào)有著十分重要的作用，也會(huì)給研究工作帶來更大的方便。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Block diagram of hardware

1 硬件環(huán)境介紹

控制軟件針對(duì)的是該款自行設(shè)計(jì)的，以Cypress公司生產(chǎn)的CY7C68013A為核心的USB數(shù)據(jù)采集卡，該卡充分利用了USB2.0的高帶寬數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)勢，在采樣精度為12 Bit的條件下，還能達(dá)到單通道最高6 Ms/s的數(shù)據(jù)采樣速率。采集卡的硬件設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖中，隔離電路采用軌至軌、低噪聲運(yùn)放LT1677連接成跟隨器實(shí)現(xiàn)，有較高的通頻帶；A/D轉(zhuǎn)換器采用了ADI公司的AD9220，其轉(zhuǎn)換精度為12 Bit，最高采樣速率可達(dá)10 Ms/s；USB接口電路由Cypress公司的CY7C68013A構(gòu)成，它率先支持USB2.0傳輸標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)建一個(gè)可工作在48 MHz時(shí)鐘的增強(qiáng)型8051內(nèi)核[1]，利用它可以方便地通過上位機(jī)對(duì)其工作狀態(tài)進(jìn)行設(shè)定，而且它內(nèi)部還自帶4 kB FIFO，每個(gè)端點(diǎn)都可獨(dú)立使用其中的1 k。

該設(shè)計(jì)方案的最大特點(diǎn)是做到了硬件結(jié)構(gòu)的最簡化，因而成本最低、工作穩(wěn)定度也最高。設(shè)計(jì)中最主要的創(chuàng)新點(diǎn)是去掉了通常由FPGA或CPLD來執(zhí)行的外部控制邏輯，讓A/D轉(zhuǎn)換器的時(shí)鐘信號(hào)CLK直接由CY7C68013的GPIF輸出信號(hào)CTL來提供，在簡化了外圍控制邏輯的同時(shí)，又保證了較高的采樣速率（因?yàn)镚PIF的驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘為12 MHz），同時(shí)還很好地解決了時(shí)鐘同步問題。

2 GDIPlus雙緩存技術(shù)在控制軟件中的實(shí)現(xiàn)

GDIPlus（Graphics Device Interface Plus）是 Windows系列操作系統(tǒng)用來執(zhí)行繪畫及其他相關(guān)圖形操作的一套子系統(tǒng)[2]，它是一組通過C++類實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用程序編程接口，它不僅在GDI的基礎(chǔ)上添加了許多新特性，而且對(duì)原有的GDI功能進(jìn)行了各種優(yōu)化。在它的基礎(chǔ)上，采用GDIPlus雙緩存技術(shù)[3]繪圖，不僅可以非常容易地編寫出與設(shè)備無關(guān)的應(yīng)用程序，而且可以實(shí)現(xiàn)更好的繪圖效果。

由于硬件平臺(tái)數(shù)據(jù)采樣率比較高，這就要求上位機(jī)的波形顯示程序要有盡可能高的效率才能達(dá)到理想的動(dòng)態(tài)波形顯示效果，因此我們將GDIPlus雙緩存技術(shù)引入到此硬件平臺(tái)的控制軟件開發(fā)當(dāng)中。

由于GDIPlus提供了更豐富的繪圖方法，因而生成平滑度效果十分良好的圖形線條，同時(shí)還能跟早期GDI編程一樣對(duì)所繪圖形的屬性進(jìn)行控制，該方法具有更高的實(shí)用價(jià)值。

控制軟件在繪制波形前，首先要從USB端口獲取AD采集的原始數(shù)據(jù)，這一過程需要通過訪問驅(qū)動(dòng)程序來實(shí)現(xiàn)。

2.1 應(yīng)用程序與驅(qū)動(dòng)程序的接口

控制軟件首先通過bOpenDriver（）方法與驅(qū)動(dòng)程序建立連接，并打開USB設(shè)備，函數(shù)原型如下：

BOOL bOpenDriver （HANDLE *phDeviceHandle，PCHAR devname）

{

char completeDeviceName[64]=""；

char pcMsg[64]=""；

strcat（completeDeviceName，"\\.\"）；

strcat（completeDeviceName，devname）；

*phDeviceHandle=CreateFile（completeDeviceName，

GENERIC_WRITE，

FILE_SHARE_WRITE，

NULL，

OPEN_EXISTING，

0，

NULL）；

if（*phDeviceHandle==INVALID_HANDLE_VALUE）

{

return （FALSE）；

}

else

{

return （TRUE）；

}

}

然后應(yīng)用程序通過DeviceIoControl（）方法[4]從CY7C68013A的EP6端點(diǎn)獲取AD轉(zhuǎn)換器采集到的數(shù)據(jù)結(jié)果，得到的數(shù)據(jù)在指針inBuffer中，其函數(shù)原型如下：

inBulkControl.pipeNum=1；//選擇EP6為輸入端口DeviceIoControl（usbInHandle， //指定 USB 設(shè)備句柄

IOCTL_EZUSB_BULK_READ，//指定傳輸類型為Bulk IN

（PVOID）&inBulkControl， //傳輸控制緩沖區(qū)指針

sizeof （BULK_TRANSFER_CONTROL）， //傳輸控制緩沖區(qū)大小

inBuffer，//數(shù)據(jù)輸入緩沖區(qū)指針

TransferSize，//數(shù)據(jù)傳輸量大小

&nBytes，//實(shí)際返回的字節(jié)數(shù)

NULL）；

如果采集到的數(shù)據(jù)還需進(jìn)行數(shù)字濾波[5]或其它算法的加工，可直接對(duì)inBuffer中的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理。處理完后的結(jié)果便可用于波形顯示。

由于AD采集的每一個(gè)數(shù)據(jù)都對(duì)應(yīng)波形上的一個(gè)點(diǎn)，所以波形顯示的主要目的就是把這些離散的點(diǎn)連成線條。因此，控制軟件會(huì)非常頻繁地調(diào)用DrawLine（）函數(shù)。如果DrawLine（）函數(shù)直接把圖形繪制到繪圖窗口，其繪圖效率會(huì)嚴(yán)重下降。最為嚴(yán)重的問題還在于每一幀圖形繪制完畢后的擦除操作會(huì)導(dǎo)致整個(gè)繪圖窗口的閃爍。為有效解決這兩個(gè)問題，設(shè)計(jì)引入了雙緩存的繪圖方法。

2.2 GDIPlus雙緩存技術(shù)的實(shí)現(xiàn)過程

實(shí)現(xiàn)雙緩存技術(shù)的基本思想是：創(chuàng)建一個(gè)跟顯示窗口等大的內(nèi)存空間作為虛擬畫布，用來保存臨時(shí)繪制的圖像，當(dāng)一幀完整的圖形全部繪制完畢之后，再一次性將此虛擬畫布的內(nèi)容復(fù)制到顯示窗口中，完成最終顯示任務(wù)。由于內(nèi)存的訪問速度遠(yuǎn)高于實(shí)際窗口繪圖，所以繪圖效率成倍地提高。再加上整個(gè)繪圖過程和擦除動(dòng)作都是在虛擬畫布中以后臺(tái)的方式完成的，所以前一幀與后一幀之間的擦圖操作被隱藏，閃爍問題得到了有效解決。

虛擬畫布的創(chuàng)建在GDIPlus中需要用Bitmap bmp（）方法來實(shí)現(xiàn)，其調(diào)用參數(shù) rect.Width（）和 rect.Height（）保障了它與實(shí)際窗口面積等大。應(yīng)用程序原則上可以調(diào)用任何GDIPlus提供的繪圖函數(shù)來在虛擬畫布所對(duì)應(yīng)的緩存區(qū)中繪制圖形映像，但本控制軟件的主要任務(wù)是繪制波形圖，所以只調(diào)用了DrawLine（）函數(shù)。需要特別指出的是，在GDIPlus庫中，畫點(diǎn)和畫線都只能用DrawLine（）函數(shù)來完成[6]，兩者實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一。

程序最后調(diào)用Graphics.DrawImage（）方法，將虛擬畫布中的圖形映像直接拷貝到顯示窗口內(nèi)存，快速完成將虛擬畫布中圖像顯示到實(shí)際窗口的任務(wù)。整個(gè)過程的關(guān)鍵代碼如下：

void CGdiDrawDlg::OnWave（）

{

CWnd*pWnd=GetDlgItem（IDC_WAVE）；

CClientDC dc（pWnd）；

Graphics g（dc.m_hDC）；

CRect clientrect；

GetClientRect（&clientrect）；

CRectrect （clientrect.left，clientrect.top，clientrect.Width（），clientrect.Height（））；

Bitmap bmp（rect.Width（），rect.Height（））；//——?jiǎng)?chuàng)建虛擬畫布

Graphics gTmp（&bmp）；//——獲取虛擬畫布的

Graphics引用

SolidBrush br（Color（255，0，0，0））； //定義背景畫刷

gTmp.FillRectangle （&br，0，0，rect.Width （），rect.Height（））； //定義填充背景

Pen pen（Color（255，255，50，50），1）；//定義畫筆及其屬性pen.SetWidth（1）； //設(shè)置畫筆線寬

gTmp.SetSmoothingMode （SmoothingModeHighQuality）；//反鋸齒平滑顯示

for（i=0；i＜ sizeof（inBuffer）；i++）

{

gTmp.DrawLine（&pen，i，inBuffer[i]，i+1，inBuffer[i+1]）；

//根據(jù)inBuffer里面的數(shù)據(jù)在虛擬畫布上繪圖

}

g.DrawImage （&bmp，0，0）； //將虛擬畫布中的圖形映像繪制到實(shí)際窗口

}

3 結(jié)束語

圖2是該卡在6 Ms/s采樣率下對(duì)22 kHz正弦波的采樣結(jié)果，對(duì)于如此高速率的數(shù)據(jù)流，任何軟件都無法完成對(duì)所有采樣點(diǎn)的同步實(shí)時(shí)顯示，所以本軟件目前也只能完成對(duì)該信號(hào)數(shù)據(jù)的分段抽樣顯示，抽樣率為20幀/秒，所以對(duì)于軟件的繪圖效率部分還有待進(jìn)一步研究和提高。綜上所述，GDIPlus雙緩存技術(shù)是Windows平臺(tái)支持的高效圖形顯示方案，通過該技術(shù)在本設(shè)計(jì)中的應(yīng)用表明，它實(shí)現(xiàn)了高效、平滑的波形顯示效果，使得動(dòng)態(tài)波形快速顯示的閃爍問題得以有效解決，能滿足工程設(shè)計(jì)要求。

圖2 控制軟件運(yùn)行圖Fig.2 Running diagram of control software

[1]錢峰.EZ-USB FX2單片機(jī)原理編程及應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

[2]Chand M.GDI+圖形程序設(shè)計(jì)[M].韓江，等譯.北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[3]Kruglinski D J， Wingo S.Visual C++6.0技術(shù)內(nèi)幕[M].北京：北京希望電子出版社，1999.

[4]CypressSemiconductor.CypressCyAPIprogrammer’s reference[EB/OL].（2003）[2010-03-20].http://www.mikrocontroller.net/attachment/34631/CyAPI.pdf.

[5]陳輝，李遠(yuǎn).基于USB2.0的數(shù)據(jù)采集卡[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2008，27（6）：91-93 CHEN Hui，LI Yuan.A data acquisition card based on USB2.0[J].Techniques of Automation and Applications，2008，27（6）:91-93

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