基于VC++技術(shù)的虛擬示波器的軟件設(shè)計(jì)?

趙云冬

（昆明船舶設(shè)備研究試驗(yàn)中心 昆明 650051）

基于VC++技術(shù)的虛擬示波器的軟件設(shè)計(jì)?

趙云冬

（昆明船舶設(shè)備研究試驗(yàn)中心 昆明 650051）

相較于傳統(tǒng)儀器，虛擬儀器功能更強(qiáng)、性價(jià)比更高、可擴(kuò)展性更好，目前已被廣泛應(yīng)用于各個(gè)測(cè)量、測(cè)試行業(yè)。論文完成了一種對(duì)通電線圈的電磁輻射信號(hào)顯示分析，為某型魚雷的調(diào)試檢查提供可視化定量分析工具。軟件采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想來編寫，按照功能劃分為5個(gè)模塊：數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、界面控制及顯示模塊、波形回放模塊、波形測(cè)量模塊，使用VC++基于對(duì)話框的應(yīng)用程序框架完成了這5個(gè)模塊的詳細(xì)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)；通過實(shí)際調(diào)試，該虛擬示波器操作簡(jiǎn)單、測(cè)量準(zhǔn)確，能滿足使用要求，同時(shí)該示波器具有良好的可擴(kuò)展性，完全可根據(jù)用戶需求實(shí)現(xiàn)自定義儀器功能。

虛擬示波器；VC++；傅里葉變換；MFC

ClassNum ber TP311.5

1 引言

20世紀(jì)80年代提出了虛擬儀器的概念，虛擬儀器以其功能強(qiáng)大、價(jià)格低廉、用戶可自定義儀器功能等優(yōu)勢(shì)得到了迅速發(fā)展［1］。虛擬示波器是虛擬儀器的典型應(yīng)用，是一種圖形顯示設(shè)備，通常將外部采集到的數(shù)據(jù)顯示出對(duì)應(yīng)波形，并對(duì)波形進(jìn)行存儲(chǔ)和分析。具體功能可根據(jù)用戶需求通過安裝在上位機(jī)上的開發(fā)環(huán)境自行編寫內(nèi)部源程序、搭建UI界面從而形成完整的軟件系統(tǒng)。

本文針對(duì)某型魚雷產(chǎn)品軟件調(diào)試臺(tái)的需求，結(jié)合VC++良好的面向?qū)ο筇匦?，基于VS 2010平臺(tái)下的MFC對(duì)話框應(yīng)用程序開發(fā)設(shè)計(jì)了一個(gè)虛擬示波器，完成了將采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)、波形回放，數(shù)據(jù)分析等功能，充分利用了虛擬儀器用戶可自定義儀器功能的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)某型魚雷產(chǎn)品的控制和調(diào)試。

2 軟件設(shè)計(jì)概要

通過需求分析，如圖1所示，本軟件主要由5個(gè)模塊構(gòu)成：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、界面控制及顯示、波形回放、波形測(cè)量。各模塊分別完成如下功能：

1）數(shù)據(jù)采集模塊：將外部采集卡采集的被測(cè)信號(hào)通過以太網(wǎng)（UDP協(xié)議）傳輸至上位機(jī)。

2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊：將傳輸至上位機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，便于回放和查看。

3）界面控制及顯示模塊：根據(jù)用戶需求設(shè)計(jì)人機(jī)界面，控制程序執(zhí)行步驟，同時(shí)完成波形顯示功能。

4）波形回放模塊：實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的回放，波形的顯示、放大、縮小功能。

5）波形測(cè)量模塊：完成波形上感興趣點(diǎn)的幅值測(cè)量、頻譜分析。

圖1 虛擬示波器模塊劃分

3 軟件各模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集卡以10K的采樣率采集3個(gè)通道的數(shù)據(jù)，采集卡每幀保存300個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，將采集到的點(diǎn)通過UDP協(xié)議傳至上位機(jī)，上位機(jī)采用多線程監(jiān)聽的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)聽，將每次監(jiān)聽到的數(shù)據(jù)進(jìn)行10次拼接后得到單通道1000個(gè)點(diǎn)后進(jìn)行波形繪制。具體實(shí)現(xiàn)方式如下：

首先定義計(jì)數(shù)器變量：UDPAcceptDataCount，并將其初始化為0，以后每接收到1幀數(shù)據(jù)時(shí)該變量加1，直至該變量加至10時(shí)，單屏顯示數(shù)據(jù)拼接完畢，同時(shí)將該變量恢復(fù)為0，最后將拼接好的數(shù)據(jù)傳至WM_PAINT消息進(jìn)行波形繪制。

3.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

多線程技術(shù)是指當(dāng)一個(gè)線程等待I/O完成或需要大量運(yùn)算時(shí)，另一個(gè)線程可以繼續(xù)其他處理，使得進(jìn)程總處于運(yùn)行狀態(tài)，隨時(shí)進(jìn)行響應(yīng)，從而提高系統(tǒng)的響應(yīng)效率［2］。本軟件利用多線程技術(shù)將程序控制和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)進(jìn)行分離，線程間利用自定義消息進(jìn)行通訊，主線程運(yùn)行的同時(shí)，利用線程監(jiān)聽UDP傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，進(jìn)而將接收到的數(shù)據(jù)寫入文件。具體實(shí)現(xiàn)過程如下：

首先定義一個(gè)數(shù)組recvBuf［］用于存儲(chǔ)UDP上傳的數(shù)據(jù)，每接收到1幀數(shù)據(jù)后發(fā)送消息：：Post-Message（hwnd，WM_RECVDATA，0，（LPARAM）recvBuf）至 WM_RECVDATA（）函數(shù)進(jìn)行響應(yīng)，在WM_RECVDATA（）函數(shù)中利用fopen打開文件后，利用fwrite函數(shù)向文件寫入數(shù)據(jù)完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

3.3 界面控制及波形顯示模塊

如圖2所示為顯控界面，該界面主要由三大區(qū)域組成：左半部分為波形顯示區(qū)域、右半部分為信息顯示區(qū)域、底部為按鈕控制區(qū)域。其中波形顯示區(qū)域又分為原始波形顯示區(qū)域和頻譜顯示區(qū)域；信息顯示區(qū)域包括通道選擇、縱軸最值、調(diào)試流程信息、日志回放信息；底部按鈕控制區(qū)域共7個(gè)按鈕共同完成軟件的控制和調(diào)試。

圖2 顯控界面

3.4 波形回放模塊

1）數(shù)據(jù)讀取

將采樣率、通道數(shù)等基本參數(shù)設(shè)定后，利用fread（）函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取，讀取數(shù)據(jù)時(shí)需解決以下兩個(gè)問題：

（1）采樣率、通道數(shù)、幀數(shù)等參數(shù)在源程序中多處使用，當(dāng)這些參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，如何快速完成在整個(gè)程序中的修改；

（2）當(dāng)讀取的數(shù)據(jù)文件較大時(shí)，如何實(shí)現(xiàn)波形快速、完整的繪制。

針對(duì)問題1，本文采用配置文件（INI：Initialization File）來解決。INI文件是Windows的系統(tǒng)配置文件所采用的存儲(chǔ)格式，統(tǒng)管Windows的各項(xiàng)配置，一般用戶就用Windows提供的各項(xiàng)圖形化管理界面就可實(shí)現(xiàn)相同的配置了［3］。在程序設(shè)計(jì)過程中經(jīng)常需要對(duì)一些參數(shù)進(jìn)行配置，且配置完成后需下次啟動(dòng)時(shí)仍然有效，這時(shí)INI文件就是一個(gè)有效可行的辦法，也就是在Windows初始化文件中保存一些我們的設(shè)置，然后在程序啟動(dòng)時(shí)從INI文件中讀取相關(guān)配置。

INI文件由節(jié)、鍵、值組成。圖3為本軟件的INI文件，其中中括號(hào)［］內(nèi)為節(jié)，節(jié)下由鍵和值構(gòu)成。設(shè)置完配置文件后在初始化函數(shù)中讀取INI文件：

：：GetPrivateProfileString（_T（“CommonParameter”），keyname，NULL，key_value.GetBuffer（128），128，_T（“E：\VS工程\20170410-2101\CYJ5812-2\InputParameter.ini”））；

key_value.ReleaseBuffer（）；

SampleRate=atof（key_value）；

圖3 INI文件

針對(duì)問題2，當(dāng)讀取的數(shù)據(jù)文件較大時(shí)（如Gbit以上），直接讀取會(huì)占用很大的內(nèi)存，造成波形繪制緩慢，這時(shí)可人為將信號(hào)分幀顯示，例如前1幀顯示信號(hào)前一萬個(gè)點(diǎn)，下一幀顯示后一萬個(gè)點(diǎn)，以此

程序根據(jù)文件大小自動(dòng)選擇降采樣率后，將讀取的數(shù)據(jù)傳至WM_PAINT消息繪制波形，從而實(shí)現(xiàn)了任何數(shù)據(jù)大小的文件均可快速、完整地繪制波形。

2）坐標(biāo)軸的智能繪制

坐標(biāo)軸的智能繪制實(shí)際上是實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)軸根據(jù)讀取不同文件自動(dòng)調(diào)整橫縱坐標(biāo)最值。以圖4（a）原始數(shù)據(jù)波形顯示區(qū)域橫軸為例：首選根據(jù)波形顯示區(qū)域的大?。ū疚脑O(shè)定為900*280像素），在頭文件中定義橫軸最大、最小像素值、等分?jǐn)?shù)，然后將對(duì)應(yīng)等分點(diǎn)所在的屏幕像素在OnPaint（）函數(shù)中顯示出來。具體實(shí)現(xiàn)如下：

X_PixelMax=980；X_PixelMin=80；X_DivisionNum=6；

void CReplyDlg：：OnPaint（）

｛

CPaintDC dc（this）；

for（int i=0；i＜X_DivisionNum+1；i++）

｛

str.Format（“%。2fs”，X_t*i/X_DivisionNum）；

dc.TextOut（X_PixelMin+（X1_PixelMax-X_PixelMin）*i/X_DivisionNum，Y_PixelMax，str）；

｝｝

以相同的方式將縱坐標(biāo)繪制完成后便實(shí)現(xiàn)了坐標(biāo)軸根據(jù)讀取文件的不同自動(dòng)調(diào)整幅值、智能繪制。

3）波形繪制

示波器最基本的功能是實(shí)現(xiàn)波形的繪制，即實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的圖形化輸出［4］。在實(shí)現(xiàn)波形快速、完整繪制的基礎(chǔ)上，為方便觀測(cè)局部波形，波形的縮放功類推將信號(hào)分為不同幀數(shù)進(jìn)行顯示。分幀顯示可有效解決波形繪制緩慢的問題，但也引入新的問題：?jiǎn)纹林荒茱@示1幀，無法看清數(shù)據(jù)全貌，導(dǎo)致很難找到信號(hào)所在幀。為了能快速、完整地回放波形，考慮到采集卡采樣率較高而波形顯示區(qū)域僅有900*280像素，當(dāng)回放數(shù)據(jù)量較大的文件時(shí)，多個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)落在了屏幕上的同一像素點(diǎn)上，因此可采用抽點(diǎn)降采樣的方式繪制波形，這樣不僅能看到波形全貌，還能實(shí)現(xiàn)快速繪制。本文降采樣的策略如下：首先使用fread（）函數(shù)讀出文件長(zhǎng)度File_Len，然后計(jì)算出單通道點(diǎn)數(shù)：Point_Num=File_Len（文件長(zhǎng)度）/DataChannelNum（通道數(shù)）；最后根據(jù)單通道點(diǎn)數(shù)Point_Num與波形顯示區(qū)域?qū)挾鹊谋戎礡決定降采樣率：能必不可少，在實(shí)現(xiàn)波形縮放功能前，需先了解VC++繪圖的原理。

VC++的繪圖原理是基于像素點(diǎn)的繪圖方式［12］，例如一組數(shù)據(jù)data［N-1］共N個(gè)元素，最大值為Y_MaxValue；欲將這組數(shù)據(jù)顯示在起點(diǎn)為（5，10）、大小為100*50像素的矩形框內(nèi)，其實(shí)現(xiàn)過程是將數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)應(yīng)到顯示區(qū)域的像素值上，然后利用MFC的CCientDC類的MoveTo（）、LineTo（）函數(shù)實(shí)現(xiàn)畫線功能。具體實(shí)現(xiàn)如下：

For（inti=0；i＜N；i++）

｛

m_Point1.x=100/N*i+5；

m_Point1.y=50-50/Y_MaxValue*data［i］+10；

m_Point2.x=100/N*（i+1）+5；

m_Point2.y=50-50/Y_MaxValue*data［i+1］+10；

CClientDC dc（this）；

dc.MoveTo（m_Point1）；

dc.LineTo（m_Point2）；

｝

如圖4（a）為應(yīng)用上述方法繪制的一段時(shí)長(zhǎng)38.63s的原始數(shù)據(jù)波形圖。

（1）橫軸放大

圖4（a）中，在［0，6.44］和［25.75，32.19］兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)檢測(cè)到了有效信號(hào)，但想了解信號(hào)的具體細(xì)節(jié)則需對(duì)信號(hào)進(jìn)行局部放大，即實(shí)現(xiàn)波形橫軸放大功能。

本文實(shí)現(xiàn)橫軸放大的方式是：使用鼠標(biāo)拖動(dòng)選定放大區(qū)域。根據(jù)鼠標(biāo)按下和彈起時(shí)的像素點(diǎn)找到對(duì)應(yīng)波形數(shù)據(jù)起始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)的索引值，根據(jù)索引值重繪波形實(shí)現(xiàn)波形的局部放大。局部放大的關(guān)鍵點(diǎn)是找準(zhǔn)起始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)的索引值，尋找索引值時(shí)需要根據(jù)讀取的數(shù)據(jù)文件長(zhǎng)度Len與波形顯示區(qū)域橫軸最大值X_PixelMax的比值Zoom In_Ratio分情況處理：

Zoom In_Ratio≥1表明數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)不小于繪圖區(qū)域像素，繪制時(shí)會(huì)有多個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)落在同一像素上；小于1則說明數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)少于繪圖區(qū)域像素，繪制時(shí)某些像素上沒有像素點(diǎn)。

當(dāng)Zoom In_Ratio≥1時(shí)，多個(gè)點(diǎn)落在同一像素上，拖動(dòng)鼠標(biāo)放大時(shí)無法確定該像素點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的準(zhǔn)確點(diǎn)，為解決上述問題，本文定義了兩個(gè)與繪圖區(qū)域橫軸最大像素值X_PixelMax同樣大的數(shù)組，一個(gè)用于存放某一像素上首次出現(xiàn)的數(shù)據(jù)點(diǎn)，一個(gè)用于存放該像素上最后出現(xiàn)的數(shù)據(jù)點(diǎn)。這樣，當(dāng)拖動(dòng)鼠標(biāo)時(shí)，將鼠標(biāo)按下OnLButtonDown（）函數(shù)獲取像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)到數(shù)組中首次出現(xiàn)的數(shù)據(jù)點(diǎn)作為起始點(diǎn)索引值，將鼠標(biāo)彈起OnLButtonUp（）函數(shù)獲取像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)到數(shù)組中最后一次出現(xiàn)的數(shù)據(jù)點(diǎn)作為結(jié)束點(diǎn)索引值，然后根據(jù)找到的索引值對(duì)應(yīng)到原始數(shù)據(jù)文件中重繪波形實(shí)現(xiàn)波形的局部放大。

當(dāng)Zoom In_Ratio＜1時(shí)，某些像素點(diǎn)上沒有數(shù)據(jù)點(diǎn)，拖動(dòng)鼠標(biāo)放大時(shí)存在該像素點(diǎn)無法找到對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)點(diǎn)的問題，為解決上述問題，本文采用插空補(bǔ)點(diǎn)方式解決。具體實(shí)現(xiàn)方式是：計(jì)算出某一數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的像素值后，比較該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的像素值與上一個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的像素值是否一樣，若不一樣，用該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的像素值減去上一點(diǎn)對(duì)應(yīng)的像素值求出中間空出的點(diǎn)數(shù)，然后用該點(diǎn)補(bǔ)全空出點(diǎn)數(shù)。

如圖4（b）所示為圖4（a）原始數(shù)據(jù)的局部放大圖，由圖可知上述方法實(shí)現(xiàn)了將［0，6.44］時(shí)間段內(nèi)第一次出現(xiàn)信號(hào)值的波形進(jìn)行局部放大，局部放大后的波形能清晰地知道信號(hào)類型、幅值、頻率等詳細(xì)信息。

（2）縱軸縮放

縱軸的縮放相較于橫軸要簡(jiǎn)單的多，具體實(shí)現(xiàn)只需利用UpdateData（）函數(shù)將用戶輸入縱軸編輯框的值賦給波形最大值Y_MaxValue即可。當(dāng)輸入值小于Y_MaxValue時(shí)，Y_MaxValue默認(rèn)不變；當(dāng)輸入值大于Y_MaxValue時(shí)，按照輸入值更新Y_MaxValue后重繪波形即可。如圖4（c）所示為用戶在縱軸編輯框內(nèi)輸入8000.00后對(duì)圖4（a）的縮放結(jié)果。

3.5 波形測(cè)量模塊

根據(jù)用戶需求，調(diào)試臺(tái)所需測(cè)量的信息包括：信號(hào)強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間、信號(hào)頻率。本文中通過雙擊鼠標(biāo)左鍵可測(cè)出雙擊處波形的橫縱坐標(biāo)，縱坐標(biāo)即為信號(hào)的強(qiáng)度；信號(hào)持續(xù)時(shí)間通過雙擊信號(hào)起始和結(jié)束處的橫坐標(biāo)之差得到信號(hào)持續(xù)時(shí)間；信號(hào)頻率通過將信號(hào)傅里葉變換后求出頻譜，如圖2中左下即為信號(hào)的頻譜圖。

通過鼠標(biāo)左鍵雙擊波形區(qū)域得到波形坐標(biāo)的實(shí)現(xiàn)方法如下：首先通過WM_LBUTTONDBLCLK消息捕獲雙擊處的像素值，然后找到該像素值對(duì)應(yīng)的原始數(shù)據(jù)中的點(diǎn)，將其顯示出來即可。如圖2波形顯示區(qū)域中深色豎線為根據(jù)用戶雙擊處繪制的豎線，豎線右側(cè)括號(hào)內(nèi)為對(duì)應(yīng)波形上的坐標(biāo)值，這樣用戶想知道波形某點(diǎn)坐標(biāo)值只需雙擊該處即可得到對(duì)應(yīng)坐標(biāo)。

圖4 波形繪制

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于VC++的虛擬示波器軟件，該軟件可用于某型魚雷產(chǎn)品調(diào)試檢查控制，用于線圈輻射信號(hào)顯示及分析波形參數(shù)。本文采用面向?qū)ο蟮姆椒▽?duì)軟件功能進(jìn)行了劃分及模塊化設(shè)計(jì)，經(jīng)調(diào)試表明該虛擬示波器操作簡(jiǎn)單、運(yùn)行良好，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、波形顯示、參數(shù)測(cè)量等功能，同時(shí)該軟件功能擴(kuò)展性良好，用戶可根據(jù)需求自定義儀器功能，具有廣泛的應(yīng)用前景。

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Software Design of VirtualOscilloscope Based on VC++

ZHAO Yundong
（Kunming Shipborne EquipmentResearch and TestCenter，Kunming 650051）

Compared with traditional instruments，virtual instrument ismore powerful，more cost-effective andmore scalable.Ithas beenwidely used in variousmeasurementand testing fields.Avirtualoscilloscope is designed to display and analysis the electrified-coil's electromagnetic radiation signal in the paper.The virtual oscilloscope is used in a visual quantitative analysis tool which can debug and check ofa torpedo.Object-oriented design ideas is used towrite the system software programs，The system is divided into fivemodules：data collectionmodule，data storagemodule，interface control and displaymodule，waveform playback module，waveform measurementmodule.The system based on VC++dialog application framework to complete the detailed design of the 5modules.According to debug，the virtualoscilloscope is easy to operate，accurate tomeasure，satisfies user's requirement.At the same time，the oscilloscope's function can be fully realized according to the user's requirement，Itshows that the instrumenthas good extensibility.

virtualoscilloscope，VC++，F(xiàn)ourier transform，MFC

TP311.5

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.09.015

2017年3月9日，

2017年4月25日

趙云冬，男，碩士研究生，助理工程師，研究方向：軟件設(shè)計(jì)開發(fā)。