任意波形编辑软件中手动任意绘制功能的设计

 作为一种特殊的信号源，任意波形发生器越来越广泛地应用于各个领域。它不仅具有产生常规波形的能力，而且可以仿真实际测试中需要的任意波形。手动绘制是任意波形发生器的一项特殊功能，它是在给定的电脑屏幕上，按照用户的需求，拖动鼠标绘制需要的波形形状。这里介绍了一种采用虚拟仪器进行任意波形手动绘制功能软件的设计方法。

l 手动任意绘制功能描述及难点分析
    手动任意绘制功能包括波形参数信息、波形示意图、状态信息以及系统设置信息等。手动任意绘制波形功能也包括使用鼠标绘制波形，以及在此基础上对波形进行各种修改，包括替代、翻转、重新绘制、插入等。此外波形的颜色和点数可以根据用户的需求进行设置，同时要求波形能够实时显示。该软件的逻辑关系和数据结构较为复杂，设计中需要考虑以下几方面的问题：
    (1)由于是手动任意绘制，在绘制波形的过程中可能发生很多情况，因此需要包括对各种情况的处理。例如来回拖动鼠标，鼠标拖动越界等。在绘制好波形后，对波形进行各样的修改也是设计的一个难点。
    (2)如何获取离散点的坐标值，采用何种插值处理计算离散点之间的坐标值使得波形更加平滑也成为设计需要重点考虑的一个方面。
    (3)由于波形的点数可以很大，在波形的修改过程中可能要对数据进行备份，因此也需要考虑到数据的存储结构，保障整个软件的速度和效率。
    (4)软件应具有良好的移植性，应考虑用对象编程的思想对软件进行整体的一个架构设计。

2 总体设计流程图
    手动绘制是波形生成方法中最直观、最方便的方法。它同时也体现了任意波形编辑过程中的“任意性”。在设计中，选用LabWindows／CVI做为软件开发平台。具体操作时，用户将鼠标移动到需要的起始位置，然后按下鼠标不放，根据需要的波形形状拖动鼠标在波形显示区移动，当到达合适的位置时，放开鼠标，则一次绘制过程完成。在整个过程中首先需要确定接收什么样的信号触发绘制波形事件发生，绘制波形也必须被限制在特定的区域内，如若超出绘图区域需做出相应处理；波形的点数可以根据用户的需要自行选择，如若不选择则默认为65 536个点，这也是设计的最大波形点数。手动任意绘制可能发生各种各样的情况，比如鼠标可以前后拖动，因此需要对这样的情况做出相应的处理，即对鼠标拖动过程中的有效值进行存储。由于涉及到波形的修改，也需要对波形的部分存储值进行更新。在整个绘制过程中鼠标连续操作，需要采集到各个离散的点，然后进行插值处理，做到整个波形比较平滑。
    整个设计主要由监测模块、处理模块和显示模块3部分组成。监测模块主要完成对鼠标左键的监测，设定波形数据的初始值，对其他模块进行初始化，并启动采集离散点时钟，每隔2 ms进行一次采点；处理数据主要包括4个步骤：获取当前数据并查看是否有效；根据有效值做线性插值处理使得波形平滑；存储当前数据；实时显示鼠标的当前坐标。显示模块主要完成波形颜色和显示点数的设置，并对波形做实时显示。图1即为总体设计流程图。

3 具体实现
3．1 手动任意绘制波形具体实现
    (1)在手动绘制时，鼠标左键一直按下可以有两个操作，一是绘制任意波形；二是拉动滑块，此时要判断是拉动滑块还是绘波形，这时笔者采用判断标志变量的方法解决此问题。
    (2)由于鼠标是连续操作，因此根据需要使用笔者选用定时函数，每隔一定的时间(2 ms)被触发1次，每次执行函数采集1个离散的点，即获取当前光标处的横纵坐标，这样就得到了一系列的离散点，相邻离散点之前的间隔是不等的，这与用户拖动鼠标的速度有关。于是还有许多波形点数没有赋值，这样就要在相邻的离散点之间插值计算出那些空缺的幅值。考虑到两个相邻点之间的距离比较小，于是可以采用线性插值，插值计算出来的波形是比较光滑的。
    (3)正如难点分析中讲到，手动任意绘制可能发生的情况很多，用户可以从前向后绘制波形也可以从后向前绘制波形，甚至可以重复绘制。而且，在绘制过程中还可能超出当前的绘图范围，因此采用只有当鼠标位置在波形内部时才采集当前坐标点，超出波形范围则取最大值的方法。再者，对于绘制中的方向及重复绘制问题，采用取两点之间的绝对值解决，然后再进行线性插值并计算两点之间的其他各点的幅值，最后对波形各点相应值进行存储更新和坐标映射。
    (4)波形的处理也是手动绘制功能的一个亮点，其中包括剪切、插入、翻转、粘贴等，用到的原理是一样的，即是对波形处理前和处理后的数据都进行存储，然后进行一对一的更新。在设计过程中，使用链表完成。这样既保证了数据的实时更新，也可以不浪费内存来管理数据。图2即为手动绘制的一个任意波形。

3．2 任意波形编辑软件中拖动放大功能的实现
    在波形显示区域内移动鼠标，当放到了合适的位置，然后按下鼠标左键，开始拖动鼠标。拖动过程中按住鼠标左键不放，这时会出现一个矩形，矩形的左上角即是鼠标开始按下的位置，矩形的右下角是当前鼠标的位置。
    因此，矩形的大小随鼠标的移动而更新。直到拖动到需要的位置，放开左键，至此放大操作完成。可以看到被矩形包围的的波形部分被全屏显示。
    此功能的设计中，需用到函数SetAxisRange()改变显示区的横纵向范围，还用到“手动绘制波形”设计中使用的时钟控件。于是在整个软件的设计中用到两个时钟控件：
    第一个时钟在手动绘制波形时用来采集离散的波形点．另外还负责实时显示鼠标坐标的功能；
    第二个时钟就是现在为了绘制不断更新的矩形而设的。需要注意的是：两个时钟控件不能同时处于激活状态，即时钟1初始为非激活状态(unenable)，当选中了“鼠标拖动放大波形”菜单项时，先停止时钟1，再将时钟2激活(enable)。除了控件时钟控件的使用，在鼠标拖动过程中还需执行不断刷新波形的操作。
    因为，当生成矩形时，该矩形有填充色，会覆盖显示区的波形，为了使矩形看起来是只有边框而没有填充色的效果，需要不断地刷新波形。因此，操作过程中会看到波形有轻微的抖动现象。其实现的原理和波形扩展的原理是一致的，将当前区域内的波形参数存储，并将其复制一份，然后对其进行插值处理。如果需要也可以对波形进行平滑处理，平滑处理的方法是求平均值。
    先选定一个要进行平滑处理的波形点，然后将它左面几个点和右面几个点的幅度值相加，再除以相加的总波形点数。这样平滑处理后的波形将有一定程度的失真，因每个点的幅值是其左边和右边各8个点的幅值的平均值，因此更新后的幅值将有所减小。但平滑效果较好，对于比较不规则的波形，连续进行多次平滑处理之后，波形将变得较为光滑平坦。图2即为鼠标拖动放大波形操作过程示意图。

4 结 语
    基于LabWindows，／CVI的任意波形编辑软件中手动任意绘制软件成本低、效率高、移植性好，无论是采用何种发送数据的方式，都比较容易进行接口操作，在虚拟仪器的图形界面编程领域有着良好的发展前景。与此同时，手动任意绘制波形软件不必受到具体仪器的功能限制，这给设计带来了很大的灵活性。目前，笔者开发的任意波形发生器手动任意绘制软件可以选用串口和USB接口发送数据，也可以实现和VXI通信。已经应用到100 MSPS任意波形发生器上。经过各种测试，性能稳定，操作简单，使用方便。以后还可以根据不同的仪器要求，进一步增加具有其他功能的虚拟仪器，做进一步的扩展，使得系统更加完善。