虛擬儀器是利用高性能模塊化硬件，結合高效靈活的軟件，在通用的計算機平臺上，根據用戶需求設計儀器的測試功能．實現對信號的處理、計算、分析以及波形顯示。近年來，隨著微電子與計算機技術的飛速發展，以及測量技術與計算機的深層次相結合，虛擬儀器已成為國內外學者研究的熱點問題之一。
文獻提出的虛擬示波器是以PCI采集卡硬件為基礎，極大地限制了其連接和加載性能；文獻使用的串行接口傳輸采集設備傳輸速率不高，實時性也不理想；文獻所提出的虛擬示波器采用USB接口數據采集設備，雖然其技術日趨成熟，但其穩定性、數據吞吐量、傳輸速率與傳輸距離，均遜色于工業以太網技術。因此，將虛擬儀器技術與以太網技術相結合，在VC環境下利用其輔助開發包MFC開發出一種新型網絡化虛擬示波器，界面友好、數據準確，不但包含傳統虛擬示波器數據計算、頻譜分析和波形顯示等常規功能，還可實現波形的快速存儲、回放及遠程多機操控功能。

1 虛擬示波器硬件設計
虛擬示波器硬件系統結構如圖1所示。底層硬件采用基于DSP的嵌入式系統，該系統集成了信號調理電路、A／D轉換模塊以及網絡接口器件，完成對被測信號的采集、處理及發送功能：信號調理電路對各種不同的輸入模擬信號進行電壓轉換，使被采樣信號電壓幅值的變化范圍滿足A／D轉換模塊的要求，同時還對輸入信號進行濾波處理，減少信號失真和噪聲，阻止帶外頻率引入的虛假信號。A／D轉換模塊是嵌入式系統中最為重要的單元，選用TM320F2812DSP中的A／D轉換模塊具有12位精度，16通道最高采樣帶寬達12．5 MS／s。

其優異的動態性能足以滿足虛擬示波器的要求。而系統網絡接口器件則選用以太網控制器LAN91C111，并將其作為外圍設備與MCU連接，該器件支持100／10 Mb／s的傳輸速率。嵌入式系統與上位機建立網絡連接之后通過以太網將數據傳輸至上位機，使用上層軟件完成數據的波形顯示，計算和相關分析等功能。

2 虛擬示波器軟件設計
為提高虛擬示波器程序的運行效率，編程采用多線程思想，所謂多線程就是將程序分割成相互獨立運行的子任務，其中包括主線程和分線程，利用CPU分時機制，每個線程都能循環地獲得自己的CPU時間，由于輪詢速度非常快，使得所有線程都像是在同時運行一樣。該虛擬示波器程序主線程進行數據處理，波形顯示；分線程則獨立完成接收UDP數據報、保存數據并向主線程發送消息的功能。虛擬示波器程序流程圖如圖2所示。

2．1 以太網數據通信設計
虛擬示波器采用分布式以太網接入技術，即將以太網控制模塊嵌入在嵌入式中，使設備能直接連接到以太網。嵌入式系統將包含被測信號數據信息的以太網數據幀發送到局域網內的上位機時。需要根據48 b的以太網硬件地址來確定目的接口。地址解析協議ARP為以太網硬件地址和IP地址提供映射。虛擬示波器運行時嵌入式系統向目的上位機發送ARP請求，預先設定好IP地址的上位機接收到報文后，識別出這是發送端在詢問它的硬件地址，則發送一個包含自身的IP地址和硬件地址的ARP應答，嵌入式系統收到應答之后便可向目的上位機發送數據報了。
嵌入式系統與上位機建立網絡連接之后要進行以太網通信還需要實現TCP／IP協議族以完成對數據的封裝和分用，在應用層、運輸層、網絡層、鏈路層4層協議系統中每層主要負責與其他機器上的對等層進行通信。其中鏈路層主要包括物理層和數據鏈路層。完成物理上的接口連結協議，設計中采用Ethemet(IEEE802．3)確保數據傳輸量；運輸層協議主要包括TCP和UDP 2種，TCP協議雖然具有更高的可靠性，但是其在軟件上實現復雜，程序冗長，并且校驗時占用大量網絡流量；相比之下，UDP協議對于減小DSP資源消耗，提高網絡傳輸效率方面更有優勢。為了增強UDP協議的可靠性，在實際的通信協議中，對于關鍵的量值通過回傳校驗機制保證其可靠傳輸。這種方法將UDP協議的簡潔性和TCP協議的可靠性相結合，同時也節省了大量用來校驗的網絡流量，增強了網絡的實時性，因此運輸層協議上選擇的是UDP協議。以太網數據發送／接收流程圖如圖3所示。