Abstract—The integration of personal computers (PCs) with the present-day measurement and instrumentation world has opened up the door for “virtual instrumentation.” This paper describes the development of a low-cost, PC-based, virtual digital oscilloscope .A data acquisition device using the computer parallel port has been fabricated with full analog interface and 8-b analog-to-digital converter with associated control-logic and timing circuitries. A soft-ware package aimed at managing the acquisition process and dis-playing the acquired signal has also been developed. This device has been conceived as a simple plug-in board to be incorporated to any IBM PC parallel port—thus, in many cases, eliminating the requirements of multiple, expensive, digital oscilloscopes. The project, initially designed as an undergraduate thesis, is currently being used for laboratory instructional purposes. The features of this device make it suitable for implementing as an educational resource for undergraduate students from Electrical, Electronics, Instrumentation, and Computer Science faculties.
Index terms—Analog-to-digital (A/D) conversion, data acquisition, digital oscilloscope, parallel port, virtual instrumentation.
In todayrsquo;s educational institutes, especially in electrical engineering and allied streams, digital oscilloscopes have become popular for signal acquisition and analysis. Because of their inherently high-input impedance, digital oscilloscopes can be used for analysis of both analog and digital circuits with high accuracy. Another attractive feature of the digital oscilloscopes over its analog counterpart, the cathode-ray oscilloscopes, is the capability of the digital oscilloscopes for effective storage of the data for subsequent analysis [1]. In recent times, digital storage oscilloscopes (DSOs) have been implemented with the added feature of PC connectivity, such that the signal can be stored in the PC for later analysis [2]. However, with increasing features, these oscilloscopes have become more expensive and less accessible for undergraduate-level novice students. The advanced features of these commercially available oscilloscopes often are underutilized in the low-power and low-frequency requirements of common undergraduate laboratories. Moreover, the use of PCs in almost every step of any laboratory course, from analysis to data representation to report preparation, motivated the development of a device that will combine to a great extent the features of the digital oscilloscope and the PC. The idea was to develop a low-cost, affordable, plug-in kind of data acquisition card that can be used with any common-purpose PC with the associated software and can make the expensive DSO redundant for elementary signal analysis purposes.
The main contribution of this paper is to present the integrated system with PC-based data acquisition hardware, software, and display modules, and highlight how it is being used for undergraduate laboratory demonstration and instructional purposes.
The instrumentation industry is moving steadily and rapidly in the direction of virtual instrumentation. Virtual instruments are centered on a PC, used with as little specialized hardware as possible to link it to the devices it must measure/control. This hardware typically is plug-in boards for digitizing a signal directly or for controlling stand-alone instruments. Virtual instrumentation is known for its flexibility, modularity, and low cost.
Celma presented the idea behind development of a PC-based spectrum analyzer suitable for use in undergraduate laboratories. They pointed out that the requirements of such a data acquisition system are not very high in view of the limited range of signals encountered in undergraduate laboratories. Chickamenahalli et al. [4] presented an undergraduate research project that involved the interface of a HP digital oscilloscope to an IBM PC using National Instrumentsrsquo; General Purpose Interface Board. Smith et al. [5], [6] in their papers described the setting up of a simple DSO integrated with a printer/plotter system for quick reproduction of the signal. However, they were skeptical about the bench-space requirements for such a scheme involving the DSO, printer/plotter, and the PC. This discovery led to the concept of integrated DSO-PC-printer system described in the present paper, one sufficient and affordable for most undergraduate-level laboratories.
Several data acquisition systems through the parallel port have been built in the past [7]–[9]—with various combinations of hardware and softwares. However, either those works have not been reported comprehensively or there have been too many variations in the development approaches which confuse the readers. The aim of this paper is to report a complete working system with less complexity, yet reasonable usefulness in undergraduate-level laboratories.
In recent times, the idea of a Web-based virtual laboratory [10], [11] has led to the development of a variety of virtual instruments, including virtual oscilloscopes [12], [13]. However, many of the virtual oscilloscopes do not come with associated data acquisition hardware, are too versatile for common undergraduate use, or are expensive. These are literally “virtual” in nature—demonstrating only the front-panel functionalities of the oscilloscope—without real-time data acquisition and display. The contribution of the present paper is in developing a fully functional, PC-based oscilloscope with associated modules of data acquisition hardware ,software ,interfacing ,and graphical user interface (GUI).
The LabVIEW virtual oscilloscope from National Instruments [14] offers a versatile tool for PC-based data acquisition. Truthfully speaking, however, the relatively high cost of such a system (along with the National Instrument Data Acquisition Card) often cannot be justified for undergraduate laboratories where the requirements
个人计算机(pc)与当今测量和仪器世界的集成为“虚拟仪器”打开了大门。本文介绍了一种低成本、基于pc机的虚拟数字示波器的研制。利用计算机并行口，研制了一种具有全模拟接口和8-b模拟-数字转换器的数据采集装置。开发了一种用于管理采集过程和显示采集信号的软件包。该设备被设想为一个简单的插件板，可以集成到任何IBM PC并行端口，从而在许多情况下，消除了对多个昂贵的数字示波器的需求。该项目最初设计为本科生论文，目前正用于实验室教学目的。该设备的特点使其适合作为电子、电子、仪器仪表和计算机科学专业本科生的教育资源。
索引术语模数转换(A/D)，数据采集，数字示波器，并行端口，虚拟仪器。
在当今的教育机构中，特别是在电气工程和相关领域，数字示波器已经成为信号采集和分析的主流。由于其固有的高输入阻抗特性，数字示波器可用于模拟电路和数字电路的高精度分析。数字示波器相对于模拟示波器(阴极射线示波器)的另一个吸引人的特性是数字示波器能够有效地存储数据，以便随后进行[1]分析。近年来，数字存储示波器(DSOs)的实现增加了PC机的连通性，使信号可以存储在PC机中，以供以后分析[2]。然而，随着功能的增加，这些示波器已经变得更加昂贵和难以接近的本科生水平的新手学生。这些商用示波器的先进特性在普通本科实验室的低功耗和低频要求中往往得不到充分利用。而且，从分析到数据表示再到报告准备，几乎每一门实验课程的每一步都使用了个人计算机，这就促使了一种装置的开发，这种装置将在很大程度上结合数字示波器和个人计算机的特点。当时的想法是开发一种低成本、可负担得起的插入式数据采集卡，它可以与任何带有相关软件的通用PC机一起使用，并且可以使昂贵的DSO冗余，用于基本的信号分析目的。
本论文的主要贡献是介绍了基于pc机的数据采集硬件、软件和显示模块的集成系统，并重点介绍了如何将其用于本科生实验室演示和教学目的。
仪器仪表行业正朝着虚拟仪器的方向稳步快速发展。虚拟仪器以PC为中心，使用尽可能少的专用硬件将其与必须测量/控制的设备连接起来。这种硬件通常是插件板，用于直接数字化信号或控制独立仪器。虚拟仪器以其灵活性、模块化和低成本而闻名
Celma提出了一种基于pc的适合于本科实验室使用的频谱分析仪的开发思路。他们指出，由于本科实验室所遇到的信号范围有限，因此对这种数据采集系统的要求不是很高。Chickamenahalli等人提出了一个本科生研究项目，该项目使用美国国家仪器公司的通用接口板将一个惠普数字示波器接口到一台IBM PC上。Smith等人在他们的论文中描述了一种简单的DSO与打印机/绘图仪系统集成，用于快速复制信号。然而，他们对这种涉及DSO、打印机/绘图仪和PC的方案的工作台空间要求持怀疑态度。这一发现引出了本文所述的集成dso - pc -打印机系统的概念，对于大多数本科生水平的实验室来说，这是一个足够且经济的系统。
在过去的[7]-[9]中已经建立了多个通过并行端口的数据采集系统，采用了各种软硬件组合。然而，这些作品要么没有得到全面的报道，要么在开发方法上有太多的变化，让读者感到困惑。本文的目的是报告一个完整的工作系统，具有较少的复杂性，但合理的用途，在本科生水平的实验室。
近年来，基于web的虚拟实验室[10]、[11]的思想导致了各种虚拟仪器的发展，包括虚拟示波器[12]、[13]。然而，许多虚拟示波器并没有附带相关的数据采集硬件，对于普通的大学生来说功能过于丰富，或者价格昂贵。这些在本质上是“虚拟的”——只显示示波器的前面板功能——没有实时数据采集和显示。本论文的贡献在于开发了一种功能齐全的基于pc机的示波器，该示波器具有数据采集硬件、软件、接口和图形用户界面(GUI)等相关模块。
国家仪器公司[14]的LabVIEW虚拟示波器为基于pc的数据采集提供了一个通用的工具。然而，说实话，这样一个系统(连同国家仪器数据采集卡)的相对较高的成本，对于要求没有达到那种复杂程度、准确性和速度的本科实验室来说，往往是不合理的。因此，LabVIEW比本科教育/教学更适合于工业/高等科研应用。
在此背景下，本系统旨在提供一个低成本，简单，但有效的解决方案，集成多通道数据采集，显示，分析和打印操作在本科实验室。它使用传统的PC并行端口，接口电路成本低于10美元，以及常用的GUI开发工具和其他编程语言，如Visual Basic (VB)和Turbo c。围绕所开发的系统构建的课程和教程材料有望对基于pc的实时数据采集硬件和软件的主题提供足够的了解。
数据采集系统(DAQ)的设计目的是感知多通道模拟输入，并将其转换为数字格式，然后再传输到PC机。数字数据存储在PC内存中，并显示在PC屏幕上;保留这些条款也是为了处理数据。该股还提供一个联机印刷设施。所研制的系统框图如图1所示
硬件设计的主要目的是执行接口和输入/输出(I/O)功能。该系统能够同时获取和显示8个信号，并提供额外的数据存储和打印功能。用户友好的图形用户界面使学生了解示波器的基本功能，如振幅和时间设置。此外，还可以演示用于数据存储、显示、分析和打印的其他几个菜单驱动功能。
在给定的问题中，对PC机的最低要求是奔腾处理器，最好是32 mb RAM，操作系统Windows 95/98或更高，以及并行端口连接;系统采用VB和C语言开发。对于使用/运行应用程序，只有可执行文件(.exe)是足够的，用户不需要编译器。
PC打印机端口是一个廉价但功能强大的平台，用于实现处理现实世界外围设备控制的项目。它通常被发现在PC背面作为一个d型25针母接头。该端口由4条控制线、5条状态线和8条数据线组成。打印机端口的功能是通过使用这三个对应于数据、状态和控制的可寻址端口来实现的。
IEEE 1284数据传输模式标准[15]提供了PC机和任何外部外设之间的高速双向通信。该标准的通信速度比原来的并行端口快50-100倍。本标准定义了五种操作模式，以支持与外部外设或数据传输的通信。每种模式都固定了一个协议，用于在正向(PC到外围设备)、反向(外围设备到PC)或双向(半双工)传输数据。
在兼容(SPP)模式下，使用8条数据线将数据发送到外设，使用Nibble和Byte模式在并行端口和外设之间创建双向通信路径。增强并行端口(EPP)和扩展功能端口(ECP)模式作为协议的一部分具有双向功能。在目前的工作中，采用EPP模式从8-b模数转换器(ADC)中获取8-b数据。在采集过程开始之前，通过用Turbo c 编写的接口软件将模式选择所需的控制字提供给控制寄存器。
将8个模拟输入通道数据转换为相应数字值和相关模块的接口电路如图2所示。给出了接口电路的详细接线图。下面将描述所涉及的不同模块的功能。
时钟产生模块:ADC芯片的时钟输入基本上需要这个模块。为此，选择了相对简单的LM555，这是一种用于产生精确的时间延迟或振荡的高度稳定的设备。该模块可以生成最大1.34-MHz(大约)频率。在设计的系统中，将时钟发生器模块调整为输出频率1MHz。
模数转换(A/D)模块:对于A/D转换，需要一个选项来处理8个模拟输入信号通道，所有这些通道必须在同一时刻采样。为此，经济的选择是在模拟输入和ADC之间合并一个八通道多路复用器。美国国家半导体公司(National Semiconductor)的0808 ADC具有内置的八通道多路复用器，适合于这种用途。它每个通道的平均转化率为100秒，对于目前的应用来说，这已经相当快了。IC 7493[二进制计数器集成电路(IC)]用于选择0808 ADC的八个通道进行顺序数据传输。该IC 7404是作为一个逆变器用于频闪IC 7493与适当的水平的信号出来的PC并行端口。使用A741集成电路的目的是在激活0808 ADC输入通道和开始A/D转换之间提供足够的延迟;这相当于0808 ADC IC的正常响应时间，对接口电路的详细描述超出了本文的范围。
自动测距模块:自动测距模块通过电位排列将输入模拟信号100v范围转换为2.5 V范围。另一个使用LM324 IC-s的电子箝位电路用于将该电压范围转换为ADC输入所需的05 - v范围。
适当的，基于zenerbased的保护电路用于关键的地方，这样电路就不会因为意外的过电压而损坏。为了避免图中过于拥挤，这些齐纳器的位置并不完全显示在图2中
开发了控制数据采集系统的专用软件。该软件是用Turbo c 编写的，在DOS 6.0下运行。该程序由一个主函数和几个子函数组成，用于管理相关的底层任务，如并行端口配置、定时器编程、与ADC握手进行数据捕获、数据采集和硬盘中的数据存储。主程序对应的流程图如图3所示。
图3流程图中使用的SOC(转换开始)、EOC(转换结束)、ALE(地址锁存器启用)等缩写是PC机与数据采集硬件之间的通信信号，表示不同的定时和控制信号。这些信号的详细功能可以在[9]、[15]中找到。GUI是在VB 5.0中开发的。除了实时显示8种不同的模拟信号，GUI还允许演示常见的示波器任务，如时间尺度和电压尺度的变化。它可以在信号的任意点显示该值，只需将光标放在波形上所需的点上即可。图4显示了开发系统的GUI窗口示例。通过“工具”菜单下对应的子菜单，可以进一步分析获得的信号，如均方根(rms)、平均值、平均值等。
与大多数商用数据采集系统一起使用的显示系统通常提供单通道或最多的双通道同时显示。当显示系统需要同时监视三个或多个输入通道时(例如，监视三相电源时)，必须同时查看三个或多个通道。本论文所述的系统具有同时显示8个频道中的任意4个频道的功能。此外，如有需要，用户可选择以放大格式查看任何一个特定通道的波形。
整个系统的原型，包括相关的硬件、接口电缆和正在运行的PC机，如图5所示。
该系统在显示界面上作了微小的改动，可方便地作为数字so、频谱分析仪、数字万用表等仪器使用，并通过数字滤波器、快速傅里叶变换等手段对从端口读取的数据进行适当的处理。独立的外接程序软件模块可以执行每个信号处理功能。该项目为进一步开发基于软件的仪器和信号处理器打下了坚实的基础。
所设计的系统还具有一些实用的学术应用。在实验室中，这个包可以用于教学目的。该系统向学生介绍了真实示波器的振幅和时间设置等基本功能。有关数据采集、pc接口硬件和软件以及GUI开发相关主题的课程和教程正在使用开发的原型作为演示工具包来实现。除了这些基本的日常实验练习，该系统还可以为教学带来新的创新思路，如:
根据PC机并行端口的通信特点，研制了一种基于PC机的、低成本的、便携式的插拔式虚拟示波器。所开发系统的用户规格是根据电子、电子、计算机工程等普通本科实验室的要求而制定的。接口电路硬件已经开发出来，很少有可负担得起的电子元件用于转换和处理模拟信号的数字形式，然后才被PC机获得。开发了综合软件来管理信号的采集、信号表示和后处理。该系统已成功地测试了几种形式的输入波形，如正弦、正方形和三角形信号。所开发的系统有可能以附加信号处理模块的形式扩展能力。虚拟数据采集系统可用于本科生实验室中最常用的低功耗、低频段的实时数据采集。它也可以作为本科生数据采集课程的教学工具，用于说明有关并行端口编程、A/D转换和详细电路开发的复杂概念。
超声检测以其检测灵敏度高、穿透性好、成本低、设备简单、无损伤等优点，在机械、电子、导航、航空、生物医学等领域得到了快速发展和广泛应用。
随着计算机技术的飞速发展，基于计算机的测试仪器逐渐受到人们的重视，因此在仪器性能方面软件比硬件更为重要。提出了虚拟仪器的概念，提出了“软件即仪器”的理念。
虚拟仪器系统是用户用来开发计算机化测试和测量系统的计算机软件，用于从计算机桌面控制外部测量硬件设备，以及在计算机屏幕上的仪表样面板上显示由外部设备收集的测试或测量数据。虚拟仪器还扩展到计算机化系统，用于根据计算机化仪器系统收集和处理的数据控制过程。
仪表是一种设计用来从环境或被测单元中收集数据，并根据收集到的数据向用户显示信息的设备。这种仪器可以使用传感器来感知物理参数的变化，如温度或压力，并将所感知的信息转换为电信号，如电压或频率的变化。
来自NI公司的虚拟仪器开发平台LabVIEW [1] (Virtual Instruments Engineering Workbench实验室)是一种图形化语言，它使用图标而不是文本行来创建应用程序。LabVIEW程序被称为虚拟仪器，或VIs，因为它们的外观和操作模仿物理仪器，如示波器和万用表。VI包含以下三个组件
前端面板—用作用户界面。当程序运行时，前面板用于与用户交互。用户可以控制程序，更改输入，并看到实时更新的数据。强调控件用于输入——调整滑动控件以设置报警值、打开或关闭开关或停止程序。指标用作输出。温度计、指示灯和其他指示器指示程序中的值。这些可能包括数据、程序状态和其他信息。每个前面板控制或指示灯在框图上都有对应的端子。当运行VI时，来自控件的值流经框图，它们在框图上的函数中使用，结果被传递到其他函数或指示器中。
块图-包含定义VI功能的图形化源代码。块图包含此图形化源代码。前面板对象在框图上显示为终端。此外，框图包含来自内置LabVIEW VI库的函数和结构。线连接框图上的每个节点，包括控制和指示终端、功能和结构
图标和连接器面板标识VI，以便您可以在另一个VI中使用VI。另一个VI中的VI称为子VI。子VI对应于基于文本的编程语言中的子例程。
对基于技术在超声检测系统中的应用进行了初步探讨，成功开发了基于虚拟仪器和LabVIEW的超声检测系统。
系统硬件方面，如图1所示，由以下模块组成:探测器、发射接收电路、编程放大器、USB总线数据采集卡和个人或台式计算机，通过这些模块实现信号采集、测试、控制等功能。
系统软件设计，基于模块化框架，通过菜单运行所有功能模块。通过这种方式，在添加新的功能模块时改变主程序，并将新的功能模块添加到主程序中，增强了系统的可扩展性。
资料编号：[5645]
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