CN1327350C - 数字信号的采集系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种数字信号在WINDOWS操作系统下的采集系统及方法，先连接待测硬件系统与计算机并行通信端口，设置数据采集量与触发条件，根据数据采集量从内核分配相应数量的内存空间，屏蔽操作系统的多线程切换功能，根据采集条件连续从并行通信端口读入待测硬件数据，将采集到的数据存入内存空间直至存满，恢复操作系统的多线程切换功能，将采集到的数据从内存空间转存入数据存储区，最后释放内核分配的内存空间，本发明可以低廉的成本，简单实用的进行数据采集。

Description

数字信号的采集系统及方法

技术领域

本发明涉及一种数字信号的采集系统及方法，特别是涉及一种利用计算机对待测硬件系统的数字信号进行采集的系统及方法。

背景技术

在计算机硬件测试领域，为了更有效的对计算机及其接口设备进行测试，需要将待测硬件系统的数字信号采集出来进行各种分析。有时也需要制作一些测试工具来配合测试程序进行测试工作，例如对计算机的串行端口、并行端口、PCMCIA或者CRT端口进行测试时，需要开发出一些专用的测试工具来配合测试，这些工具的开发过程中，也需要对待测硬件系统的数字信号进行采集与分析。

但是，在现有技术中，无论是数字信号的采集过程还是在测试工具的开发过程中，都是由特殊的专业设备来完成信号的采集工作，然而这种专业设备的造价非常昂贵。往往需要几万元甚至更多。

而另一方面，目前的计算机具有很强的运算处理能力，自身又拥有很多通信端口可以利用，这些通信端口都具有基本的输入/输出功能，因此，能否利用计算机的通信端口来对待测硬件系统的数字信号进行采集，以软件程序来取代昂贵的专业设备，遂成为一亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是为解决上述问题而提供一种数字信号的采集系统及方法，通过普通计算机来完成待测硬件系统的数字信号采集。

本发明提供一种数字信号的采集方法，用以将待测硬件的数字信号在WINDOWS操作系统下采集入计算机，该方法首先将待测硬件与计算机并行通信端口相连，然后设置数据采集量与采集触发条件，根据数据采集量从内核分配相应数量的内存空间，屏蔽操作系统的多线程切换功能，根据采集触发条件连续从并行通信端口读入待测硬件数据，将采集到的数据存入内核分配的内存空间直至存满，恢复操作系统的多线程切换功能，将采集到的数据从内核分配的内存空间转存入数据存储区，释放该内核分配的内存空间。

本发明进而提供一种数字信号的采集系统，用以将待测硬件的数字信号在WINDOWS操作系统下采集入计算机，该系统包括：通信端口接口装置，该通信端口接口装置包括信号传输线，该信号传输线的一端连接于通信端口的数据线与地线，另一端与待测硬件系统的相应信号端相连，用于连接待测硬件并传输测试数据；屏蔽控制模块，用于屏蔽或恢复操作系统的多线程切换功能；配置模块，用于设置数据采集量以及采集触发条件；采集模块，用于根据采集触发条件采集数据；储存模块，用于储存由该采集模块采集到的数据。

应用本发明，采集数据的硬件成本非常低廉，只需一个通信端口接口，几根电缆线就可以进行数据采集，简单实用，支持多信道信号采集，数据采集时机可控，充分考虑一般单板机硬件开发中的需求，可满足大多数开发的需要，而且性能也是可靠的。

附图说明

图1为本发明的数字信号的采集方法的流程图；

图2为本发明的数字信号的采集系统的架构图；

图3为本发明所提的并行通信端口界面示意图；

图4为本发明所提的触发条件配置界面示意图；及

图5为应用本发明收集CRT接口的数字信号显示示意图

其中，附图标记说明如下：

步骤101将待测硬件与计算机通信端口相连

步骤102设置数据采集量与采集触发条件

步骤103根据数据采集量从内核分配相应数量的内存空间

步骤104屏蔽操作系统的多线程切换功能

步骤105根据采集触发条件连续从通信端口读入待测硬件数据

步骤106将采集到的数据存入内核分配的内存空间直至存满

步骤107恢复操作系统的多线程切换功能

步骤108将采集到的数据从内核分配的内存空间转存入数据存储区

步骤109释放该内核分配的内存空间

201通信端口接口装置

202屏蔽控制模块

203配置模块

204采集模块

205储存模块

具体实施方式

本发明提供一种数字信号的采集方法，用以将待测硬件的数字信号采集入计算机，请参阅图1，为本发明的数字信号采集方法的流程图，首先将待测硬件与计算机通信端口相连(步骤101)；然后设置数据采集量与采集触发条件(步骤102)；根据数据采集量从内核分配相应数量的内存空间(步骤103)；屏蔽操作系统的多线程切换功能(步骤104)；根据采集触发条件连续从通信端口读入待测硬件数据(步骤105)；将采集到的数据存入内核分配的内存空间直至存满(步骤106)；恢复操作系统的多线程切换功能(步骤107)；将采集到的数据从内核分配的内存空间转存入数据存储区(步骤108)；最后释放该内核分配的内存空间(步骤109)。

其中该通信端口包括并行端口、IDE端口及PCMCIA端口。对操作系统的多线程切换功能的屏蔽控制，可以是通过关闭或重新开启系统中断来实现的。所述由内核分配的内存空间为系统中的不可交换内存空间。

应用本发明所采集的数据，可以应用于各种分析，因此，可以将这些采集的数据转存入永久的数据存储区，例如硬盘中。也可以将数据存入应用程序的数据存储区中。

本发明进而提供一种数字信号的采集系统，参阅图2，该系统包括：通信端口接口装置201，屏蔽控制模块202，配置模块203，采集模块204，储存模块205。

其中，通信端口接口装置201用于连接待测硬件并传输测试数据，屏蔽控制模块202用于屏蔽或恢复操作系统的多线程切换功能，配置模块203用于设置数据采集量以及采集触发条件，采集模块204用于根据采集触发条件采集数据，储存模块205用于储存由该采集模块采集到的数据。

对于类似windows等的保护模式操作系统，还需要一暂存模块，用于临时储存采集到的数据并在该屏蔽恢复后将数据转存入该存储模块。

其中该通信端口接口装置包括一信号传输线，一端连接于通信端口的数据线与地线，另一端与待测硬件系统的相应信号端相连。

对于不同的通信端口，其外部输入电压不同，因此，接口装置还可以包括一电压转换电路，用于匹配待测硬件的输出电压与通信端口的外部输入电压。

以并行端口为例，我们知道，计算机的并行端口除了连接打印机外，还可做一般的通信端口使用，具有普通的I/O功能，这就提示我们，可以使用并行端口作为数据采集信道，充分利用PC机强大的运算控制能力实现数据采集功能。

请参阅图3，在本发明的并行端口实施例中，为实现数据采集功能而要制作的通信端口接口装置非常简单，利用一个普通的并行端口插头，9条细的硬芯线，分别焊接在并行端口接头的数据线和地线，然后将并行端口接头插在计算机的并行端口上即可，使用时将地线与被测系统的地线接好，将其它信号线接在需要采集数据的信号端即可。

需要注意的是，并行端口的外部输入电平为TTL电平，范围是0～5V，如待测电路的电压高于此范围，必须增加电压转换电路，以免造成并行端口损坏。

一般情况下，计算机的并行端口有四种工作方式：

SPP模式(Standard Parallel Port)：最普通的并行端口模式，用于控制并行端口打印机，可通过并行端口的控制端发出控制命令，通过状态端读取打印机状态，数据端为单向输出，用于向打印机输出数据。

EPP模式(Extended Parallel Port)：此模式支持数据的高速(最高2Mb/s)双向传输，并可寻址多个(256)设备。

ECP模式(Enhanced Capability Port)：与EPP模式类似，但增加了数据压缩，FIFO(高速缓存)等功能。

双向(Bidirectional)模式(或称PS2模式)：在此模式下，并行端口不仅能实现SPP下的功能，而且通过控制寄存器的bit5，可选择数据线工作于输入或输出模式：bit5＝0，表示输出，bit5＝1，则表示输入。本发明可采用此模式。由于要采集外部信号，因此要求将并行端口置于输入状态，即bit5＝1。

虽然并行端口的原理并不复杂，但如何在WINDOWS环境下实现数据采集仍是问题。在DOS环境下读取并行端口状态并无困难，用C语言简单的import命令即可，但DOS下的用户接口很难做的友好，同时现在绝大多数PC是工作在WINDOWS环境，因此必须解决WINDOWS下并行端口数据读写的问题。

现在广泛使用的WINDOWS系统按基本原理可分为两大类：WINDOWS98系列和WINDOWS2000系列。前者包括WINDOWS95/98/ME，对底层操作采用VxD的方式；后者包括WINDOWS-NT/2000/XP，对底层操作则需采用WDM的技术实现。这两种技术在具体实现上是完全不同的，但他们的原理则是一样的。

我们知道，WINDOWS系统对硬件及I/O端口的保护是通过Intel x86系列CPU的保护模式机制实现的，要想获得对硬件通信端口的操作权限，必须使程序运行于RING0特权级。WDM(VxD)就是工作在RING0级，在这种状态下，可以象在DOS中一样对系统执行任何操作，但特权级的切换需要消耗大量的CPU时间，严重影响端口数据的读取速度，造成数据丢失，为此，本发明需要一直工作在Ring0级，直到采集完全部数据。

另外，数字信号的采集特点在于将某个采集点的数字信号连续完整地纪录下来，以供用户分析，因此必须保证数据采集过程的连续性。然而WINDOWS是一个多任务系统，即使对工作在RING0级别的程序，也要遵守线程调度的机制。这就有可能发生这种情况：程序正在从并行端口读取数据，却被系统将控制权切换到其它线程，显然这将造成数据丢失。而如何关闭系统的线程调度机制，并没有统一通用的技术手段来实现，但我们可以分析系统线程调度的基本原理，其显然是基于PC系统的时钟及中断系统，只要关闭系统中断，就可以屏蔽线程切换功能。

由上面的分析，我们知道在数据采集期间，本发明关闭了系统的中断以防止数据丢失，但这随之带来一个问题：采集到的数据存放在哪里呢？如果按照一般的编程方法，申请一块内存，则由于Windows系统虚拟内存的机制，申请到的内存不一定真的在RAM里，可能在交换文件中，这样在使用时必须进行读写硬盘的操作，但是系统的中断却已经被我们关闭了，硬盘中断无法响应，这样一来，显然系统将会崩溃。因此，我们必须使用Windows函数：new(NonPagedPool)UCHAR[bufsize]，即可分配到bufsize字节的RAM，而且保证不会被交换到硬盘上去。这样我们可以将采集到的数据存放在这个buffer里并且不会触发硬盘的操作。

在数据采集过程中，如果只是简单地记录并行端口的一切数据，那么数据就没有什么用了，因为无法控制采集的时机。因此用户必须可以在接口中设定数据采集的触发条件，只有当条件满足时才开始纪录数据，这样就可保证最终显示的是用户真正感兴趣的数据。请参阅图4，为触发条件的配置接口示意图，选择0表示低电平触发，选择1表示高电平触发，X表示任意电平触发。因此，如图中所示表示在信道0为低电平且信道1为高电平时，开始采集数据。

本发明可以应用于各种硬件系统的测试，例如，在有的项目开发过程中，需要准确地了解计算机CRT接口的输出信号，主要是行同步信号及场同步信号的具体波形及它们的时序关系，利用本发明就可以收集CRT接口的数据信号，然后再加以分析，如图5所示，Channel 0为行同步脉冲，Channel 1为场同步脉冲。

再例如，单板机的串行通信程序如发生错误，要找出原因是很麻烦的，因为既可能是串口设定的问题，又可能是线路断线，也可能是波特率不匹配，甚至串行设备损坏，这就需要收集串行设备的数字信号，观察线路上的信号波形，迅速确定故障原因。我们知道，串口线路平时的状态为高电平，发送数据时起始位用0表示，为了捕捉串口数据线上的有效数据，可以设定相应的捕捉触发条件。

以上所述，仅为本发明其中的较佳实施例而已，并非用来限定本发明的实施范围；即凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆为本发明专利范围所涵盖。

Claims (9)

1、一种数字信号的采集方法，用以将待测硬件的数字信号在WINDOWS操作系统下采集入计算机，其中该方法包括：

将待测硬件与计算机并行通信端口相连；

设置数据采集量与采集触发条件；

根据数据采集量从内核分配相应数量的内存空间；

屏蔽操作系统的多线程切换功能；

根据采集触发条件连续从并行通信端口读入待测硬件数据；

将采集到的数据存入内核分配的内存空间直至存满；

恢复操作系统的多线程切换功能；

将采集到的数据从内核分配的内存空间转存入数据存储区；及释放该内核分配的内存空间。

2、如权利要求1所述的数字信号的采集方法，其中该将待测硬件与计算机并行通信端口相连的步骤，是通过信号传输线连接的，该传输线的一端连接于并行通信端口的数据线与地线，另一端与待测硬件系统的相应信号端相连。

3、如权利要求1所述的数字信号的采集方法，其中该屏蔽操作系统的多线程切换功能的步骤，是通过关闭系统中断来实现的。

4、如权利要求1所述的数字信号的采集方法，其中该恢复操作系统的多线程切换功能的步骤，是通过重新开启系统中断来实现的。

5、如权利要求1所述的数字信号的采集方法，其中该转存入数据存储区的步骤，是将数据存入硬盘中。

6、如权利要求1所述的数字信号的采集方法，其中该转存入数据存储区的步骤，是将数据存入应用程序的数据存储区中。

7、一种数字信号的采集系统，用以将待测硬件的数字信号在WINDOWS操作系统下采集入计算机，该系统包括：

一通信端口接口装置，该通信端口接口装置包括信号传输线，该信号传输线的一端连接于通信端口的数据线与地线，另一端与待测硬件系统的相应信号端相连，用于连接待测硬件并传输测试数据；

一屏蔽控制模块，用于屏蔽或恢复操作系统的多线程切换功能；

一配置模块，用于设置数据采集量以及采集触发条件；

一采集模块，用于根据采集触发条件采集数据；及

一储存模块，用于储存由该采集模块采集到的数据。

8、如权利要求7所述的数字信号的采集系统，其中更包括一暂存模块，用于临时储存采集到的数据并在该屏蔽恢复后将数据转存入该存储模块。

9、如权利要求7所述的数字信号的采集系统，其中该通信端口接口装置还包括一电压转换电路，用于匹配待测硬件的输出电压与通信端口的外部输入电压。

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