PicoSDK (Software Development Kit) 是Pico Technology的軟件開發(fā)包，許多PicoScope產(chǎn)品的用戶把PicoScope示波器當(dāng)作一個數(shù)據(jù)采集設(shè)備來用，基于PicoScope的硬件開發(fā)自己的用戶軟件程序。不少人發(fā)現(xiàn)PicoSDK與傳統(tǒng)臺式示波器的二次開發(fā)/遠(yuǎn)程控制編程方式非常的不同，同時PicoSDK的響應(yīng)速度和靈活性把傳統(tǒng)示波器遠(yuǎn)遠(yuǎn)地甩在后面，這種差別來源于深層次的設(shè)計思路不同。

本文深入解析兩者的設(shè)計原理，揭示PicoSDK性能優(yōu)越之謎，并通過真實編程對比測試，實錘證明。

傳統(tǒng)臺式示波器軟件是如何工作的？

傳統(tǒng)臺式示波器除了核心的調(diào)理采集電路以外，還有一塊系統(tǒng)板，中低端的示波器采用基于ARM的嵌入式架構(gòu)，運行嵌入式Linux操作系統(tǒng)或者基于X86的WinCE操作系統(tǒng)。用于控制示波器的軟件界面全屏運行在這個嵌入式操作系統(tǒng)上，用戶看不到操作系統(tǒng)界面本身。在一些高端示波器中，會設(shè)計一塊PC系統(tǒng)板，基于X86/X64處理器，運行WindowsXP/7/10等桌面操作系統(tǒng)，示波器硬件板卡通過PCIE或者10G以太網(wǎng)連接到PC主板。示波器界面軟件則是Windows中的一個應(yīng)用程序，通過調(diào)用底層的硬件驅(qū)動控制示波器采集數(shù)據(jù)。用戶常?？梢酝顺鲞@個應(yīng)用程序，返回Windows桌面。

PicoScope6 軟件是如何工作的？

作為PC示波器，每一款PicoScope產(chǎn)品都需要連接到計算機(jī)，并安裝一套PicoScope6軟件來控制它們工作。在PicoScope6軟件中，可以實現(xiàn)示波器的檔位，時基設(shè)置，可以觀察，測量，分析和保存波形。從使用功能上來說，PicoScope6與傳統(tǒng)的臺式示波器相比，完全相同并且免費。甚至包括一些高端臺式示波器才有的順序觸發(fā)，歷史波形模式，自定義數(shù)學(xué)運算，模板測試以及串行解碼等功能，也都完全免費。

PicoScope6軟件運行在Windows/Linux操作系統(tǒng)上，通過調(diào)用底層的USB驅(qū)動軟件來控制PicoScope硬件。它的系統(tǒng)API調(diào)用都通過PicoIPP.dll這個動態(tài)鏈接庫來實現(xiàn)。這么說來，其實PicoScope的工作架構(gòu)和傳統(tǒng)高端臺式示波器十分類似。

圖1 不同示波器的軟硬件架構(gòu)對比

如何進(jìn)行傳統(tǒng)示波器編程？

以美國某著名示波器品牌為例，我們從其技術(shù)文檔中能摘錄軟件設(shè)計的架構(gòu)。

圖2 美國某著名示波器品牌二次開發(fā)軟件架構(gòu)

不難看出，用戶二次開發(fā)的程序不能直接訪問示波器硬件，而是繞了一個大圈子，最終訪問到示波器內(nèi)置的軟件程序，再由示波器軟件代行控制硬件之事。用戶程序和示波器軟件之間就需要一套命令套接字來實現(xiàn)控制和數(shù)據(jù)傳遞，通行的做法是使用VISA通信標(biāo)準(zhǔn)傳輸SCPI命令集，或者基于ActiveX運行遠(yuǎn)程VBS腳本語言等等。示波器軟件中運行著一個遠(yuǎn)程命令服務(wù)器，專門接收和翻譯遠(yuǎn)程控制命令，把它們翻譯成底層系統(tǒng)調(diào)用的API，得到結(jié)果后再翻譯回來傳輸給遠(yuǎn)程用戶程序。

因此傳統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制或二次開發(fā)，需要在運行用戶程序的計算機(jī)上安裝VISA驅(qū)動庫或者專門的ActiveX庫，再基于這些庫編寫控制程序，所有與示波器的交互不外乎讀寫相應(yīng)的命令字符。

科普小知識：SCPI命令全稱StandardCommands For Programmable Instruments, 起源于1990年代的IEEE488.2標(biāo)準(zhǔn)，也就是家喻戶曉的GPIB接口。后來的可編程儀表多在GPIB的基礎(chǔ)上模擬和擴(kuò)展其體系，萬變不離其宗。

如何使用PicoSDK？

安裝和配置PicoSDK的大略需要三步：第一步，安裝PicoScope6軟件，其中的作為驅(qū)動支持。第二步，安裝PicoSDK支持庫，其中包含了用于用戶程序開發(fā)的編程庫和必要的頭文件。最后，參考PicoTechnology官方給出的例程代碼，并試運行測試程序。更詳細(xì)的安裝和配置指南請向PicoTechnology技術(shù)支持索取。

PicoSDK的用戶程序是基于PicoScope的動態(tài)鏈接庫直接進(jìn)行API系統(tǒng)調(diào)用，動態(tài)鏈接庫底層直接連接到PicoScope的USB驅(qū)動程序。可以說是實現(xiàn)了程序流的最短路徑。

因此PicoSDK與傳統(tǒng)示波器的最大區(qū)別在于：一言以蔽之，沒有中間層賺差價。

這個差價一是造成了響應(yīng)時間被拖長，二是限制了功能的靈活性。

小結(jié)底層軟件架構(gòu)對比如下：

圖3 PicoSDK與傳統(tǒng)示波器的二次開發(fā)軟件架構(gòu)對比

詳細(xì)說來是這樣的：

PicoSDK的優(yōu)點1：響應(yīng)快，無延遲

上文已經(jīng)提到傳統(tǒng)示波器的二次開發(fā)程序彎彎繞繞，過五關(guān)斬六將才到達(dá)示波器底層硬件，這中間會產(chǎn)生多次數(shù)據(jù)拷貝，數(shù)據(jù)傳輸，包括命令集的解析和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)重組。不難想象，費時彌久。而PicoSDK簡單直接，API調(diào)用直接穿入硬件核心，只產(chǎn)生極少數(shù)幾次數(shù)據(jù)拷貝，并且沒有復(fù)雜的命令和數(shù)據(jù)格式需要解析轉(zhuǎn)換，原始波形拿來就用。下文我們會舉一個例子，發(fā)現(xiàn)同樣是采集和獲取一段數(shù)據(jù)波形，PicoSDK比傳統(tǒng)示波器快一倍以上。

PicoSDK的優(yōu)點2：支持連續(xù)數(shù)據(jù)采集

我們知道示波器的采集方式是不定期突發(fā)式的，每一次從觸發(fā)到把數(shù)據(jù)從硬件上傳到軟件層，再經(jīng)過軟件的處理和顯示以后才能開始下一次觸發(fā)采集。這個過程中的信號波形我們是捕捉不到的，稱之為死區(qū)。而與之對應(yīng)的數(shù)據(jù)采集卡，可以連續(xù)不斷的將信號波形捕獲并存儲到計算機(jī)硬盤上。傳統(tǒng)的示波器只能基于觸發(fā)模式一段一段的工作，沒辦法連續(xù)采集波形，而PicoSDK支持一種stream（流模式），底層硬件可以源源不斷地把數(shù)據(jù)送入一個用戶程序提供的緩存區(qū)域，用戶程序也不斷地把緩存中的數(shù)據(jù)取出來，或是存儲到硬盤上，或是直接處理。在這種模式下，數(shù)據(jù)連續(xù)采集，永遠(yuǎn)不會間斷或丟失，硬盤有多大就能采集多少數(shù)據(jù)。換句話說，PicoSDK既能像傳統(tǒng)示波器一樣基于觸發(fā)信號來突發(fā)地采集波形，也可以如數(shù)據(jù)采集卡一樣連續(xù)不間斷的進(jìn)行流模式采集。翻遍各種傳統(tǒng)示波器的編程手冊，也尋覓不到數(shù)據(jù)流采集模式的字眼，這是因為在原理上它就無法實現(xiàn)。上面已經(jīng)提到，傳統(tǒng)示波器數(shù)據(jù)要穿越多個軟件中間層，因此延遲很大，實現(xiàn)不了快速數(shù)據(jù)存取。PicoSDK的底層硬件驅(qū)動和上層用戶程序可以訪問同一個內(nèi)存緩存空間，因此可以快速存取數(shù)據(jù)。

圖4 示波器普通采集模式與流模式

PicoSDK的優(yōu)點3：支持并發(fā)機(jī)制

上文已經(jīng)提到，示波器采集和數(shù)據(jù)傳輸處理需要耗費一定的時間，在傳統(tǒng)示波器中，這個過程是阻塞的，或者需要靠不斷查詢狀態(tài)來確認(rèn)完成了沒有，用戶程序在這個過程中只能無謂地等待，做不了別的事，白白浪費了運算時間。而PicoSDK的采集和數(shù)據(jù)拷貝函數(shù)都支持回調(diào)，用戶程序可以在采集和數(shù)據(jù)拷貝的過程中處理上一組數(shù)據(jù)，完成計算或者繪圖等操作，過程中如果采集完成，會自動打斷當(dāng)前進(jìn)程，緩存新的數(shù)據(jù)，等待處理。

關(guān)于PicoSDK響應(yīng)快的特點，我們通過一個真實編程案例，實錘證明！

首先我們通過NI-VISA庫，經(jīng)過USB-TMC接口連接一臺臺式示波器（美國某知名品牌350MHz四通道型號），然后編寫一段python程序控制改示波器采集一小段波形，并傳輸?shù)接脩舫绦虻膬?nèi)存中。代碼如下，程序分別記錄了示波器采集信號和將數(shù)據(jù)拷貝到計算上的時間。（為了簡化過程，程序連接示波器后，相應(yīng)的垂直檔位和時基設(shè)置手動完成）。

運行結(jié)果：

1)     時基100us/div,采樣率500MS/s，總數(shù)據(jù)量500Kpts.數(shù)據(jù)采集時間接近0（理論值1ms，想必該示波器的工作機(jī)制是先采集后觸發(fā)，故實際不需要等待示波器采集新的數(shù)據(jù)，直接從緩存中取用已有數(shù)據(jù)），相比之下數(shù)據(jù)拷貝時間較大，約8.3ms.總時間8.3ms

2)     時基2ms/div，采樣率500MS/s，總數(shù)據(jù)量10Mpts，數(shù)據(jù)采集時間仍然接近0，而數(shù)據(jù)拷貝時間增大到了1.49s（應(yīng)包含了準(zhǔn)備好下一次緩存數(shù)據(jù)的時間），總時間1.49s

3)     時基100ms/div,采樣率10MS/s，總數(shù)據(jù)量保持10Mpts，此時數(shù)據(jù)采集時間有所增加達(dá)到1ms（理論時間1s，1ms應(yīng)該是底層數(shù)據(jù)預(yù)處理所消耗的時間），但數(shù)據(jù)拷貝時間竟然增加到了2.34s，總時間2.34s

同樣的測量環(huán)境與設(shè)置，我們再來看PicoSDK的結(jié)果（PicoScope2408B 100MHz示波器），通過USB連接示波器，并安裝好SDK庫，運行python程序如下（節(jié)選）：

運行結(jié)果：

1)     時基100us/div,采樣率500MS/s，總數(shù)據(jù)量500Kpts.數(shù)據(jù)采集時間18ms,與傳統(tǒng)示波器不同的是，PicoSDK不取用緩存的數(shù)據(jù)，而是得到指令后再采集，數(shù)據(jù)拷貝時間1.4ms，總時間19.4ms，長于傳統(tǒng)示波器

2)     時基2ms/div，采樣率500MS/s，總數(shù)據(jù)量10Mpts，數(shù)據(jù)采集時間0.2s（理論值20ms），而數(shù)據(jù)拷貝時間增大到了0.26s，總時間0.46s，傳統(tǒng)示波器的30%

3)     時基100ms/div,采樣率10MS/s，總數(shù)據(jù)量保持10Mpts，數(shù)據(jù)采集時間增加到了1.14s（理論值1s），數(shù)據(jù)拷貝時間0.26s，總時間1.4s,傳統(tǒng)示波器的60%

由此我們得出結(jié)論，當(dāng)采集數(shù)據(jù)量小時，PicoSDK的優(yōu)勢不明顯或略慢于傳統(tǒng)示波器，隨著數(shù)據(jù)量的增加，PicoSDK能夠比傳統(tǒng)示波器快50%左右。且由于工作機(jī)制不同，PicoSDK在數(shù)據(jù)采集階段不是取用已緩存的舊數(shù)據(jù)，而是重新捕獲，因此必須受限于物理上的等待時間，同時PicoSDK在數(shù)據(jù)拷貝上只花費極少的時間，在編程實踐中可以把等待捕獲的物理時間與后續(xù)的數(shù)據(jù)處理并行起來。而傳統(tǒng)示波器數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)幾乎不耗費時間，這是因為它取用了緩存中的舊數(shù)據(jù)，而數(shù)據(jù)拷貝環(huán)節(jié)耗時極長，不利于并行編程運算，最終的總耗時也比PicoSDK慢一倍以上。數(shù)據(jù)拷貝時間的巨大差別，也導(dǎo)致了PicoSDK能夠給支持連續(xù)不斷的流模式采集，而傳統(tǒng)示波器絕無可能。

當(dāng)然，PicoSDK也有一些缺點，例如無法直接調(diào)用示波器的測量，串行解碼等功能，需要援用第三方信號處理庫來實現(xiàn)。同時PicoScope6也支持一套自動化命令集，在不使用SDK的時候能夠直接調(diào)用PicoScope6已有的軟件功能實現(xiàn)自動化測試。詳細(xì)內(nèi)容可參考PicoScope6用戶手冊。在未來，PicoScope7軟件將支持更加豐富的自動化命令集，我們也將專門行文介紹，敬請關(guān)注。

英國比克科技有限公司 Pico Technology 成立于1991年，近30年來一直專注于電子測試測量領(lǐng)域，推出了示波器、數(shù)據(jù)記錄儀、網(wǎng)絡(luò)分析儀和信號發(fā)生器等等產(chǎn)品，它們共同的特點是小巧便攜、易于集成且性能不輸于傳統(tǒng)臺式儀表。對于外場實驗、技術(shù)支持、科研數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)集成和產(chǎn)線測試等等場景尤其適用。