《電子技術(shù)應(yīng)用》
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任意波形編輯軟件中手動任意繪制功能的設(shè)計
摘要: 作為一種特殊的信號源,任意波形發(fā)生器越來越廣泛地應(yīng)用于各個領(lǐng)域。它不僅具有產(chǎn)生常規(guī)波形的能力,而且可以仿真實際測試中需要的任意波形。手動繪制是任意波形發(fā)生器的一項特殊功能,它是在給定的電腦屏幕上,按照用戶的需求,拖動鼠標(biāo)繪制需要的波形形狀。這里介紹了一種采用虛擬儀器進(jìn)行任意波形手動繪制功能軟件的設(shè)計方法。
Abstract:
Key words :

 作為一種特殊的信號源,任意波形發(fā)生器" title="任意波形發(fā)生器" target="_blank">任意波形發(fā)生器越來越廣泛地應(yīng)用于各個領(lǐng)域。它不僅具有產(chǎn)生常規(guī)波形的能力,而且可以仿真實際測試中需要的任意波形。手動繪制是任意波形發(fā)生器的一項特殊功能,它是在給定的電腦屏幕上,按照用戶的需求,拖動鼠標(biāo)繪制需要的波形形狀。這里介紹了一種采用虛擬儀器進(jìn)行任意波形手動繪制功能軟件的設(shè)計方法。


l 手動任意繪制功能描述及難點分析
    手動任意繪制功能包括波形參數(shù)信息、波形示意圖、狀態(tài)信息以及系統(tǒng)設(shè)置信息等。手動任意繪制波形功能也包括使用鼠標(biāo)繪制波形,以及在此基礎(chǔ)上對波形進(jìn)行各種修改,包括替代、翻轉(zhuǎn)、重新繪制、插入等。此外波形的顏色和點數(shù)可以根據(jù)用戶的需求進(jìn)行設(shè)置,同時要求波形能夠實時顯示。該軟件的邏輯關(guān)系和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,設(shè)計中需要考慮以下幾方面的問題:
    (1)由于是手動任意繪制,在繪制波形的過程中可能發(fā)生很多情況,因此需要包括對各種情況的處理。例如來回拖動鼠標(biāo),鼠標(biāo)拖動越界等。在繪制好波形后,對波形進(jìn)行各樣的修改也是設(shè)計的一個難點。
    (2)如何獲取離散點的坐標(biāo)值,采用何種插值處理計算離散點之間的坐標(biāo)值使得波形更加平滑也成為設(shè)計需要重點考慮的一個方面。
    (3)由于波形的點數(shù)可以很大,在波形的修改過程中可能要對數(shù)據(jù)進(jìn)行備份,因此也需要考慮到數(shù)據(jù)的存儲結(jié)構(gòu),保障整個軟件的速度和效率。
    (4)軟件應(yīng)具有良好的移植性,應(yīng)考慮用對象編程的思想對軟件進(jìn)行整體的一個架構(gòu)設(shè)計。


2 總體設(shè)計流程圖
    手動繪制是波形生成方法中最直觀、最方便的方法。它同時也體現(xiàn)了任意波形編輯過程中的“任意性”。在設(shè)計中,選用LabWindows/CVI做為軟件開發(fā)平臺。具體操作時,用戶將鼠標(biāo)移動到需要的起始位置,然后按下鼠標(biāo)不放,根據(jù)需要的波形形狀拖動鼠標(biāo)在波形顯示區(qū)移動,當(dāng)?shù)竭_(dá)合適的位置時,放開鼠標(biāo),則一次繪制過程完成。在整個過程中首先需要確定接收什么樣的信號觸發(fā)繪制波形事件發(fā)生,繪制波形也必須被限制在特定的區(qū)域內(nèi),如若超出繪圖區(qū)域需做出相應(yīng)處理;波形的點數(shù)可以根據(jù)用戶的需要自行選擇,如若不選擇則默認(rèn)為65 536個點,這也是設(shè)計的最大波形點數(shù)。手動任意繪制可能發(fā)生各種各樣的情況,比如鼠標(biāo)可以前后拖動,因此需要對這樣的情況做出相應(yīng)的處理,即對鼠標(biāo)拖動過程中的有效值進(jìn)行存儲。由于涉及到波形的修改,也需要對波形的部分存儲值進(jìn)行更新。在整個繪制過程中鼠標(biāo)連續(xù)操作,需要采集到各個離散的點,然后進(jìn)行插值處理,做到整個波形比較平滑。
    整個設(shè)計主要由監(jiān)測模塊、處理模塊和顯示模塊3部分組成。監(jiān)測模塊主要完成對鼠標(biāo)左鍵的監(jiān)測,設(shè)定波形數(shù)據(jù)的初始值,對其他模塊進(jìn)行初始化,并啟動采集離散點時鐘,每隔2 ms進(jìn)行一次采點;處理數(shù)據(jù)主要包括4個步驟:獲取當(dāng)前數(shù)據(jù)并查看是否有效;根據(jù)有效值做線性插值處理使得波形平滑;存儲當(dāng)前數(shù)據(jù);實時顯示鼠標(biāo)的當(dāng)前坐標(biāo)。顯示模塊主要完成波形顏色和顯示點數(shù)的設(shè)置,并對波形做實時顯示。圖1即為總體設(shè)計流程圖。

3 具體實現(xiàn)
3.1 手動任意繪制波形具體實現(xiàn)
    (1)在手動繪制時,鼠標(biāo)左鍵一直按下可以有兩個操作,一是繪制任意波形;二是拉動滑塊,此時要判斷是拉動滑塊還是繪波形,這時筆者采用判斷標(biāo)志變量的方法解決此問題。
    (2)由于鼠標(biāo)是連續(xù)操作,因此根據(jù)需要使用筆者選用定時函數(shù),每隔一定的時間(2 ms)被觸發(fā)1次,每次執(zhí)行函數(shù)采集1個離散的點,即獲取當(dāng)前光標(biāo)處的橫縱坐標(biāo),這樣就得到了一系列的離散點,相鄰離散點之前的間隔是不等的,這與用戶拖動鼠標(biāo)的速度有關(guān)。于是還有許多波形點數(shù)沒有賦值,這樣就要在相鄰的離散點之間插值計算出那些空缺的幅值??紤]到兩個相鄰點之間的距離比較小,于是可以采用線性插值,插值計算出來的波形是比較光滑的。
    (3)正如難點分析中講到,手動任意繪制可能發(fā)生的情況很多,用戶可以從前向后繪制波形也可以從后向前繪制波形,甚至可以重復(fù)繪制。而且,在繪制過程中還可能超出當(dāng)前的繪圖范圍,因此采用只有當(dāng)鼠標(biāo)位置在波形內(nèi)部時才采集當(dāng)前坐標(biāo)點,超出波形范圍則取最大值的方法。再者,對于繪制中的方向及重復(fù)繪制問題,采用取兩點之間的絕對值解決,然后再進(jìn)行線性插值并計算兩點之間的其他各點的幅值,最后對波形各點相應(yīng)值進(jìn)行存儲更新和坐標(biāo)映射。

 

    (4)波形的處理也是手動繪制功能的一個亮點,其中包括剪切、插入、翻轉(zhuǎn)、粘貼等,用到的原理是一樣的,即是對波形處理前和處理后的數(shù)據(jù)都進(jìn)行存儲,然后進(jìn)行一對一的更新。在設(shè)計過程中,使用鏈表完成。這樣既保證了數(shù)據(jù)的實時更新,也可以不浪費內(nèi)存來管理數(shù)據(jù)。圖2即為手動繪制的一個任意波形。

 

3.2 任意波形編輯軟件中拖動放大功能的實現(xiàn)
    在波形顯示區(qū)域內(nèi)移動鼠標(biāo),當(dāng)放到了合適的位置,然后按下鼠標(biāo)左鍵,開始拖動鼠標(biāo)。拖動過程中按住鼠標(biāo)左鍵不放,這時會出現(xiàn)一個矩形,矩形的左上角即是鼠標(biāo)開始按下的位置,矩形的右下角是當(dāng)前鼠標(biāo)的位置。
    因此,矩形的大小隨鼠標(biāo)的移動而更新。直到拖動到需要的位置,放開左鍵,至此放大操作完成??梢钥吹奖痪匦伟鼑牡牟ㄐ尾糠直蝗溜@示。
    此功能的設(shè)計中,需用到函數(shù)SetAxisRange()改變顯示區(qū)的橫縱向范圍,還用到“手動繪制波形”設(shè)計中使用的時鐘控件。于是在整個軟件的設(shè)計中用到兩個時鐘控件:
    第一個時鐘在手動繪制波形時用來采集離散的波形點.另外還負(fù)責(zé)實時顯示鼠標(biāo)坐標(biāo)的功能;
    第二個時鐘就是現(xiàn)在為了繪制不斷更新的矩形而設(shè)的。需要注意的是:兩個時鐘控件不能同時處于激活狀態(tài),即時鐘1初始為非激活狀態(tài)(unenable),當(dāng)選中了“鼠標(biāo)拖動放大波形”菜單項時,先停止時鐘1,再將時鐘2激活(enable)。除了控件時鐘控件的使用,在鼠標(biāo)拖動過程中還需執(zhí)行不斷刷新波形的操作。
    因為,當(dāng)生成矩形時,該矩形有填充色,會覆蓋顯示區(qū)的波形,為了使矩形看起來是只有邊框而沒有填充色的效果,需要不斷地刷新波形。因此,操作過程中會看到波形有輕微的抖動現(xiàn)象。其實現(xiàn)的原理和波形擴展的原理是一致的,將當(dāng)前區(qū)域內(nèi)的波形參數(shù)存儲,并將其復(fù)制一份,然后對其進(jìn)行插值處理。如果需要也可以對波形進(jìn)行平滑處理,平滑處理的方法是求平均值。
    先選定一個要進(jìn)行平滑處理的波形點,然后將它左面幾個點和右面幾個點的幅度值相加,再除以相加的總波形點數(shù)。這樣平滑處理后的波形將有一定程度的失真,因每個點的幅值是其左邊和右邊各8個點的幅值的平均值,因此更新后的幅值將有所減小。但平滑效果較好,對于比較不規(guī)則的波形,連續(xù)進(jìn)行多次平滑處理之后,波形將變得較為光滑平坦。圖2即為鼠標(biāo)拖動放大波形操作過程示意圖。

4 結(jié) 語
    基于LabWindows,/CVI的任意波形編輯軟件中手動任意繪制軟件成本低、效率高、移植性好,無論是采用何種發(fā)送數(shù)據(jù)的方式,都比較容易進(jìn)行接口操作,在虛擬儀器的圖形界面編程領(lǐng)域有著良好的發(fā)展前景。與此同時,手動任意繪制波形軟件不必受到具體儀器的功能限制,這給設(shè)計帶來了很大的靈活性。目前,筆者開發(fā)的任意波形發(fā)生器手動任意繪制軟件可以選用串口和USB接口發(fā)送數(shù)據(jù),也可以實現(xiàn)和VXI通信。已經(jīng)應(yīng)用到100 MSPS任意波形發(fā)生器上。經(jīng)過各種測試,性能穩(wěn)定,操作簡單,使用方便。以后還可以根據(jù)不同的儀器要求,進(jìn)一步增加具有其他功能的虛擬儀器,做進(jìn)一步的擴展,使得系統(tǒng)更加完善。

 

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