數字示波器的技術原理,數字示波器運用

介紹了應用在RIGOL DS1000系列數字示波儀上的用戶圖形界面的實現，重點分析了用戶圖形界面（GUI）的設計思路，并簡單介紹了軟件設計結構和流程

隨著嵌入式系統應用領域的不斷擴大，系統復雜性也在不斷提高。所以在嵌入式系統中實現用戶圖形化（GUI），已經成為大勢所趨。在測量儀器中，圖形化界面也是廣泛采用，一種是嵌入操作系統，大多數的用戶圖形化界面（GUI）都是在操作系統（如OS、WinCE、Linix）的支持下， 調用系統的各種API函數實現的。這些操作系統為實現GUI提供了大量的庫函數，也為編程人員提供了界面設計的良好平臺。但是這種嵌入技術，對硬件要求高，相當于嵌入一臺計算機，如利用WinCE就可以十分方便的設計出具有Windows風格的圖形界面。另一種是，直接利用DSP技術，開發小型系統。這種系統精簡，對硬件要求低，但功能相對單一。

本文這款數字示波儀是普源精電（RIGOL）公司推出的DS1000系列，其設計完全自主完成，貼近國人使用習慣。其用戶圖形界面（GUI）是在VisualDSP++ 4.0 Kernel的基礎上開發的，界面風格緊緊與儀器的功能相聯系。在完成了儀器的波形和菜單等顯示的基礎上，RIGOL團隊也做了一些通用性的用戶圖形界面，如文件管理器等。當然，所設計的用戶圖形界面，在功能強大方面是遠不能與WinCE等所比擬的，但是對于儀器的使用者來說，已經是足夠的方便——因為這畢竟是儀器的用戶圖形界面，而不是掌上電腦PDA的用戶圖形界面。

用戶界面實現原理

用戶圖形界面的實現，需要硬件、軟件上的支持。如圖1所示，通過操作平臺（operation platform）的調配，調用顯示程序，顯示程序刷新顯示緩存，再由顯示驅動程序，將顯示緩存中的內容顯示到液晶屏上。


圖1 RIGOL DS1000數字示波器用戶圖形界面實現的原理圖

下面簡要的介紹圖1中主要的幾個組成部分。

GUI圖形標準庫

要在用戶圖形界面上顯示各種的圖形、圖案，除了硬件電路的支持外，還需要強大的軟件支持。而其中（GUI）的圖形標準庫為最基礎，而不可或缺的。用戶圖形界面（GUI）的圖形標準庫包括最基本的畫點、畫線、畫矩形、填充矩形、畫圓形、放置bmp格式的圖案、顯示中、英文等函數，該圖形庫功能越強大，就越可以支持復雜的用戶圖形界面（GUI）。

GUI的操作平臺的支持

僅僅有了繪制圖形的圖形標準庫，要實現用戶圖形界面，還是遠遠不夠。圖形庫是單一畫面不可缺少的，但是要形成有機的、可操作的用戶圖形界面，還需要后臺有一個穩定、功能強大的操作系統平臺。

操作平臺根據用戶的外界輸入（一般是鍵盤），以及系統當前的狀態來決定下一步系統的狀態，從而調用相應的GUI界面。如此，便實現了用戶圖形界面。

實現圖形化的硬件原理

RIGOL DS1000系列數字示波儀采用的是320×234分辨率的TFT液晶顯示器，通過液晶的驅動電路，可以使液晶正常顯示，通過幀信號同步、行信號同步、數據信號的時鐘（clock）同步，顯示點陣的數據將被從SDRAM中寫入到液晶顯示器的顯示緩沖器中，從而顯示出彩色圖像。

從圖1可以看出，如果要更新液晶顯示器顯示的內容，我們只需更新LCDbuffer中的顯示數據就可以了。

用戶圖形界面（GUI）軟件的設計思路

界面種類的劃分

對于用戶圖形界面（GUI）的設計不能簡單、統一的完成，要考慮到用戶在各種情況下的操作界面。根據這些界面所具備的共同點，我們將這些界面分成如下的種類，同一種類的界面中將具備相同或者相似的功能區域。每一種界面都會有相應的處理程序，也有專門的數據結構。

根據實現的不同功能劃分出如下的界面種類：

A. 背景網格顯示界面；B.波形顯示界面；C. 幫助文檔瀏覽界面；D.菜單顯示界面；E. 文件管理瀏覽器界面；F. 文件名稱輸入界面；J.前景內容顯示界面（包括各種參數顯示信息，測量信息以及提示信息等）。
各界面種類如圖2、3所示。


圖2 RIGOL DS1000數字示波儀圖形界面說明1


圖3 RIGOL DS1000數字示波儀圖形界面說明2

界面區域與外界輸入的相互配合響應

由以上可知，顯示的圖形雖然形形色色，但是它們都可以抽象成具有共同屬性的某種數據結構。數據結構就好比是圖形界面的靈魂，掌握了數據結構，就可以讓圖形界面隨之而變。

那么如何設計、控制、改變這些數據結構就成為實現用戶圖形界面（GUI）的關鍵了。要響應外界用戶的輸入，我們需要制定一套機制運行法則，而這套機制運行法則就是狀態機（system status machine），也是用戶用以操作儀器的操作平臺（operation platform）。依據這套運行法則，我們的系統根據外界的輸入來更改各種界面下使用的數據結構，從而實現用戶對圖形界面的操作。

當然，在實際的設計中，操作平臺不僅僅是改變GUI的數據結構，還要考慮任務調度以及其他任務模塊中的數據結構的改變。

數字示波器的用戶圖形界面（GUI）的軟件設計流程

設計出一個好的用戶圖形界面，是一個龐大而巨細的工程。涉及到方方面面的相互關系，也涉及到實現過程中的許多細節的問題。

如何理清這些繁多的變化關系是設計的關鍵。RIGOL團隊曾經使用一些全局變量作為各種狀態、各種模式下的標志，用以改變用戶的圖形界面。但是因為變量的眾多，導致變量之間的搭配的可能性成倍的增加，狀態的轉移關系也就會成倍的增加。這對于編程者來說，與其說是在編程，還不如說是在做一道極其龐雜的邏輯組合題。

所以，這樣的思路在理論上是可行的，但在實際中是不可取的。我們應該盡量的去其枝葉，找到能夠貫穿整個系統、標志不同狀態以及模式的變量或者結構。最終，我們以鍵盤的輸入鍵值為主線，輔以各種的全局變量，來控制系統狀態的變化。鍵值雖然有許多，但是因為只有這么一個變量作為狀態量，系統狀態的變化就可以在掌控之中了。所以，在這個系統中，鍵值變量KEY_ID成為了主角，用戶界面將圍繞其進行改變。

鍵值變量KEY_ID要根據用戶的輸入進行改變。這里就不描繪狀態變量是如何轉移的。我們介紹對于既定的鍵值變量KEY_ID是如何完成用戶圖形界面輸出的。圖4為實現用戶圖形界面的軟件流程圖。


圖4 RIGOL DS1000系列示波器數字實現用戶圖形界面的軟件流程圖

結語

目前，國內的數字示波儀，除了測量信號的性能指標較低外，在系統的整體性、用戶的可操作性等功能上都不及國外產品考慮得周詳。

為了彌補國內產品在這方面的缺陷，RIGOL開發團隊開發出的這款DS1000系列數字示波儀除了實現高存儲深度、高測量精度等功能之外，更是注重了圖形用戶界面的設計。繼續保持其在技術上的創新和人性化、本土化的優勢，新的用戶圖形界面使得用戶能夠比以往更加容易測量與分析波形。

隨著儀器的功能增多，會對用戶圖形界面（GUI）提出更高的要求，那么就要求GUI更加系統化、模塊化、功能化。所以，在這方面還有許多工作要做



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