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用于各個領域。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，拖動鼠標繪制需要的波形形狀。這里介紹了一種采用虛擬儀器進行任意波形手動繪制功能軟件的設計方法。
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)設置信息等。手動任意繪制波形功能也包括使用鼠標繪制波形，以及在此基礎上對波形進行各種修改，包括替代、翻轉、重新繪制、插入等。此外波形的顏色和點數(shù)可以根據(jù)用戶的需求進行設置，同時要求波形能夠實時顯示。該軟件的邏輯關系和數(shù)據(jù)結構較為復雜，設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，鼠標拖動越界等。在繪制好波形后，對波形進行各樣的修改也是設計的一個難點。
(2)如何獲取離散點的坐標值，采用何種插值處理計算離散點之間的坐標值使得波形更加平滑也成為設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)進行備份，因此也需要考慮到數(shù)據(jù)的存儲結構，保障整個軟件的速度和效率。
(4)軟件應具有良好的移植性，應考慮用對象編程的思想對軟件進行整體的一個架構設計。
2 總體設計流程圖
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，用戶將鼠標移動到需要的起始位置，然后按下鼠標不放，根據(jù)需要的波形形狀拖動鼠標在波形顯示區(qū)移動，當?shù)竭_合適的位置時，放開鼠標，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，如若超出繪圖區(qū)域需做出相應處理；波形的點數(shù)可以根據(jù)用戶的需要自行選擇，如若不選擇則默認為65 536個點，這也是設計的最大波形點數(shù)。手動任意繪制可能發(fā)生各種各樣的情況，比如鼠標可以前后拖動，因此需要對這樣的情況做出相應的處理，即對鼠標拖動過程中的有效值進行存儲。由于涉及到波形的修改，也需要對波形的部分存儲值進行更新。在整個繪制過程中鼠標連續(xù)操作，需要采集到各個離散的點，然后進行插值處理，做到整個波形比較平滑。
整個設計主要由監(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左鍵的監(jiān)測，設定波形數(shù)據(jù)的初始值，對其他模塊進行初始化，并啟動采集離散點時鐘，每隔2 ms進行一次采點；處理數(shù)據(jù)主要包括4個步驟：獲取當前數(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；存儲當前數(shù)據(jù)；實時顯示鼠標的當前坐標。顯示模塊主要完成波形顏色和顯示點數(shù)的設置，并對波形做實時顯示。圖1即為總體設計流程圖。
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志變量的方法解決此問題。
(2)由于鼠標是連續(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，即獲取當前光標處的橫縱坐標，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，這與用戶拖動鼠標的速度有關。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。考慮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，甚至可以重復繪制。而且，在繪制過程中還可能超出當前的繪圖范圍，因此采用只有當鼠標位置在波形內部時才采集當前坐標點，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繪制問題，采用取兩點之間的絕對值解決，然后再進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值進行存儲更新和坐標映射。
(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、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)都進行存儲，然后進行一對一的更新。在設計過程中，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)域內移動鼠標，當放到了合適的位置，然后按下鼠標左鍵，開始拖動鼠標。拖動過程中按住鼠標左鍵不放，這時會出現(xiàn)一個矩形，矩形的左上角即是鼠標開始按下的位置，矩形的右下角是當前鼠標的位置。
因此，矩形的大小隨鼠標的移動而更新。直到拖動到需要的位置，放開左鍵，至此放大操作完成。可以看到被矩形包圍的的波形部分被全屏顯示。
此功能的設計中，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”設計中使用的時鐘控件。于是在整個軟件的設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．另外還負責實時顯示鼠標坐標的功能；
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)，當選中了“鼠標拖動放大波形”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，在鼠標拖動過程中還需執(zhí)行不斷刷新波形的操作。
因為，當生成矩形時，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，將當前區(qū)域內的波形參數(shù)存儲，并將其復制一份，然后對其進行插值處理。如果需要也可以對波形進行平滑處理，平滑處理的方法是求平均值。
先選定一個要進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即為鼠標拖動放大波形操作過程示意圖。
4 結 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，都比較容易進行接口操作，在虛擬儀器的圖形界面編程領域有著良好的發(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，進一步增加具有其他功能的虛擬儀器，做進一步的擴展，使得系統(tǒng)更加完善。