虛擬電子測量儀器集成系統之示波器的製作方法
2023-06-10 05:36:16
專利名稱：虛擬電子測量儀器集成系統之示波器的製作方法
技術領域：
本技術發明是一種虛擬示波器，涉及虛擬儀器和電子測量技術及儀器領域，具體講是一種以計算機為硬體平臺核心，基於虛擬電子測量儀器集成系統總線VIIS-EM(Virtual Instrument Integration System for Electronic Measuring),由系統控制器控制，用軟體方法生成的虛擬示波器。
背景技術：
(I)示波器是一種用途十分廣泛的電子測量儀器。它能把肉眼看不見的電信號變換成清晰可見的圖象，便於人們研究各種電現象的變化過程。利用示波器能觀察各種信號幅度隨時間變化的波形曲線，還可以測試各種不同的電量，如電壓、電流、頻率、相位差、調巾畐度等等。
(2)虛擬儀器技術是計算機技術和儀器技術的深層次結合，其以計算機為軟硬體基礎平臺，利用高性能的模塊化硬體，結合高效靈活的軟體來完成測試、測量任務。儀器的操作、測量、控制、分析和顯示等功能均由軟體來實現，通過修改軟體即可修改或增減儀器的功能，充分體現了「軟體就是儀器」的概念和技術理念。虛擬儀器是一種可實現各種測試儀器和各種儀器測試功能的技術，以其性價比高、靈活性好、速度快等優勢成為儀器儀表領域的研究熱點。(3) 「虛擬電子測量儀器集成系統」是吉林大學虛擬儀器實驗室自主研發的一種由計算機操縱的模塊化儀器集成系統，系統採用「一個控制器加多個儀器模塊」的體系結構和設計思想，將各類通用的電子測量儀器模塊化、板卡化，通過自定義專用儀器總線VIIS-EM集成到一個3U機箱中。(4)VIIS-EM總線和系統控制器是虛擬電子測量儀器集成系統體系結構的基礎。VIIS-EM總線是專門為虛擬電子測量儀器集成系統定義的一種總線，系統控制器負責命令的解析與數據的傳輸，控制各功能模塊協調工作，並通過USB2. O接口與計算機通信。系統儀器模塊包括任意波形/函數信號發生器、虛擬示波器、虛擬頻譜分析儀、虛擬頻率計數器、虛擬邏輯分析儀、LCR測試儀、頻率特性測試儀、集成電路測試儀等一系列電子測量儀器。
發明內容
I.技術問題與本發明的目的(I)傳統的模擬示波器和數字示波器均以硬體結構為核心，結構封閉、靈活性不強、複雜功能實現困難、集成測試能力、數據管理和信號處理與分析能力仍然較差。本項技術發明所介紹的虛擬示波器可解決上述問題，採用以軟體為核心的虛擬儀器技術是解決這一問題的優選方案；(2)電子測量工作中，需要時間域、頻率域、數字域和信號源等各類電子測量儀器配合協同工作，因此將各類電子測量儀器集成於一個統一的平臺之上是電子測量儀器的發展趨勢，採用虛擬儀器總線技術實現這一系統集成是最為有效的技術方案。虛擬示波器是「虛擬電子測量儀器集成系統」的模塊化儀器之一。2.本發明的具體內容本技術發明是基於虛擬電子測量儀器集成系統總線VIIS-EM和系統控制器而設計的一種示波器，所採取的技術方案由具有虛擬示波器應用程式的PC機和數據採集部分構成。 虛擬示波器硬體結構虛擬示波器硬體結構由信號調理模塊、A/D轉換模塊、並行數據處理模塊、觸發電路模塊、總線接口通信模塊等五部分組成。(I)信號調理模塊將輸入的模擬信號調整到ADC所能識別的合適的電壓範圍內， 由高阻衰減、阻抗變換、差分變換等部分組成，各部分通過微控制器和FPGA實現實時控制。(2) A/D轉換模塊兩塊雙通道數模轉換器，每塊A/D的兩個通道採用並行交替採樣，做為示波器數據採集通道，是外界模擬信號與可處理的數位訊號之間的橋梁，該模塊是整個示波器的核心。(3)並行數據處理模塊轉換後的數據通過FPGA設計的數據選擇器統一存入FPGA內部的FIFO中，FIFO做為一種簡單的先入先出型數據緩存器，在不同時鐘域之間實現傳輸。(4)觸發電路模塊觸發電路控制每次採集的起始位置，使用戶觀察到穩定的波形。通道信號或外觸發信號通過一個多路選擇器，由微處理器選擇一路作為觸發信號源，再通過信號整形電路輸入給FPGA，進行時序控制。(5)總線接口通信模塊微處理器通過雙口 RAM實現系統總線接口的通信。微處理器負責系統的初始化(包括向雙口 RAM寫入配置信息、設置電路初始狀態)並分析和處理總線發送過來的命令，控制相應的電路單元。虛擬示波器軟體結構虛擬示波器軟體主要包括應用程式和驅動程序兩個層次。(I)驅動程序是將與儀器有關的I/O操作封裝成函數，通過CLF節點調用動態連接庫DLL-Dynamic Link Libraries)的方式,本方案中動態連結庫採用C++編寫生成,運行上位機軟體後，系統調用5102. dll，實現虛擬示波卡驅動，在對前面板參數設置好後，Labview調用函數VI5102_USB_WaveInputSet，對波形輸入進行設置，做好採集準備。(2)虛擬示波器上層應用軟體部分採用圖形化虛擬儀器程式語言LabVIEW開發，主要完成信號的數據採集與控制、數據文件存儲和讀取、信號處理與分析。虛擬示波器程序包括前面板和方框圖，前面板用來輸入相關參數和顯示測試結果，方框圖是將前面板的控制項按照一定邏輯連接起來，實現儀器的功能。(3)虛擬示波器前面板上有波形顯示，通道選擇，採樣率設置，濾波器選擇等控制項，測量之前首先對前面板各控制項賦值，開始測試時觀察「初始化函數狀態」顯示的參數，若顯示操作成功則上位機和下位機可正常通信，否則須檢查連接是否正確，直到開始設備連接正常進行測試。(4)方框圖總體採用平鋪式順序結構，首先通過調用動態連結庫對系統進行設備初始化，只有初始化成功後才能進行後面的操作，在初始化成功後，將開始採集、通道選擇等命令發送給下位機，設計中包括對信號進行濾波及採集的數據進行分析，求出相關參數，最後將參數和信號的波形顯示於前面板中。3.本發明的有益效果(I)本發明改變了傳統、經典示波器的整體設計理念和設計思路，是在「電子測量儀器集成系統」這樣一個大的理念之下的一個儀器單元，是整個電子測量儀器集成系統的一個獨立模塊。虛擬示波器電子系統的硬體結構是VIIS-EM總線之上的一個板卡。(2)本發明超越了模擬示波器和數字示波器的設計方案，實現了一種以軟體為核心和關鍵的虛擬示波器設計方案，硬體承擔的任務是信號輸入，技術成本大大降低。(3)軟體實現儀器的測試功能和人機互動，具有良好的可重構性和開放性，可根據實際情況進行更新和擴展，在系統硬體不變的情況下，可以通過更改程序流程和數據處理 方法實現示波器不同的測試功能。 (4)利用FPGA編程所實現的硬體功能在本發明中起到了重要而且良好的效果。本發明充分利用了 FPGA的內部資源，將採樣率控制、數據存儲器、增益控制等邏輯電路都集成在一片FPGA內部，所以可以通過更改程序來改變FPGA部分的硬體功能，實現硬體的可重構，提高了示波器的性能。
圖I虛擬示波器硬體結構與功能框2FPGA內部頂層結構3高阻衰減原理4AD9288 接口 電路圖5AT89S52單片機接線原理6FPGA內部雙口 RAM結構7FPGA內部FIFO設計圖8虛擬示波器軟硬體層次結構模型圖9虛擬示波器軟體流程10虛擬示波器數據採集模塊程序框11虛擬示波器前面板
具體實施例方式本技術發明的具體實施方式
是基於虛擬電子測量儀器集成系統總線Vemis和系統控制器而設計的一種示波器。主要包括數據採集部分和PC機上的虛擬示波器應用程式。虛擬示波器硬體實施方式(I)虛擬示波器硬體由信號調理、A/D轉換、並行數據處理、觸發電路、總線接口通信等五部分組成。整個示波器板卡採用FPGA+51單片機作為總體控制，其中FPGA完成大規模數據的交換存儲以及單元電路控制，51單片機完成總線通信和系統初始化配置。(2)信號調理模塊的任務是完成對模擬輸入信號的調理，對大信號進行衰減、小信號直通或進行放大，使其滿足AD轉換器對輸入信號的要求，包括高阻哀減、阻抗變換和差分變換三個部分。不波器對輸入信號電壓範圍有一定要求，本設計要求為50Vpp,而A/D轉換電路使用的AD9288晶片輸入電壓範圍為lVpp，因而需要衰減電路。本發明選用補償式分壓器減弱高頻寄生電容對電路性能的影響，該分壓電路工作頻率為IHz 10MHz，滿足系統要求。阻抗變換電路選用TI公司寬帶高速放大器0PA657實現，通過電壓跟隨，增大系統輸入阻抗，滿足系統對輸入阻抗的要求。差分變換選用ADI公司低失真差分ADC驅動放大器AD8138ARZ,實現單端信號輸入,雙端差分信號輸出，作為AD的輸入信號,對共模幹擾和電磁幹擾具有很好的抑制能力，增加系統穩定性和準確性。(3) A/D轉換模塊採用雙通道並行採樣技術達到獲得雙倍採樣率的目的。本發明選用兩塊ADI公司的AD9288BST-100作為板卡的核心轉換晶片，每片AD9288有兩個通道，分別獲得與採樣時鐘頻率等量的數據，兩個通道的時鐘相差180度，將兩個通道的數據統一存儲，實現兩倍於採樣時鐘頻率的數據採集。AD9288的最高採樣速率為I00MSPS，通過並行採樣可以實現最高為200MSPS的採樣率。採樣率控制由FPGA內部實現，2分頻器和5分頻器結合可以實現4分頻及10分頻，共設計出20種可選頻率。(4)總線接口通信模塊是PC機與模塊化儀器交換信息的接口，本發明的示波器卡主要是與USB控制卡交換信息，包括傳送分析指令和初始化操作，由單片機部分和FPGA兩部分實現。單片機選用Atmel公司的AT89S52，完成指令的傳送解析以及初始狀態配置，同時對交直流耦合繼電器進行控制。FPGA選用Altera公司的Cyclone II系列EP2C5Q208C8，主要有IDT7130和MCU解碼器兩部分實現通信功能。IDT7130是雙口 RAM，具有中斷仲裁電路和2個中斷輸出引腳，實現FPGA與單片機通信，獲取指令和信息；MCU解碼器是單片機和FPGA的接，將指令編碼通過地址總線和數據總線發送到FPGA，通過MCU解碼器，將指令翻譯為FPGA可以識別的命令，以控制相應單元電路工作。(5)並行數據處理模塊包括FIFO、數據選擇器及平滑濾波器三個部分內容。FIFO是一種先入先出型數據緩存器，用於不同時鐘域之間的數據傳輸。並行採樣技術單位時間採到的數據是單通道時的兩倍，數據要統一放入FIFO。數據選擇器時鐘頻率為採樣時鐘頻率的兩倍，對時鐘頻率上升沿進行計數，奇數時存儲A通道數據，偶數時存儲B通道數據，從而實現數據的統一存儲。兩個通道的數據統一存入FIFO中時，增加一個同步時鐘，在時鐘上升沿統一存儲，以減小誤碼率。平滑濾波器對系統數據進行必要的濾波，解決數據傳送存儲過程中可能會出現錯碼和亂碼，同時降低系統噪聲的影響，以使最終的波形能夠更加平滑。濾波器將傳送進來的4組數據求和後，輸出平均值作為最終數據輸出。減小異常數據對結果的影響，實現使波形更加平滑的效果。
(6)觸發電路控制每次採集的起始位置，使用戶觀察到穩定的波形。通道信號或外觸發信號通過一個多路選擇器，由微處理器選擇一路作為觸發信號源，再通過信號整形電路輸入給FPGA，進行時序控制。虛擬示波器軟體實施方式模塊化虛擬電子測量儀器軟硬體層次結構模型如圖8，虛擬示波器軟體流程圖如圖9，虛擬示波器數據採集模塊程序框圖如圖10，LabVIEW前面板如圖11所示。(I)系統通過動態連結庫將與儀器有關的1/0操作都封裝成函數形式提供給應用程式。(2)系統應用軟體採用LabVIEW圖形化程式語言，運用模塊化設計思想編寫，每個功能由一個模塊完成，主要包括波形顯示部分、數據處理部分、觸發控制部分、幅值控制部分、時基控制部分、加窗濾波控制部分。(3)波形顯示部分在波形顯示部分設計了一個波形顯示控制項，控制項中X軸代表數據的時間，Y軸代表測量數據點的數值大小。通過波形顯示控制項自帶的控制模板，不但可以快捷的調準控制項的外觀，還可以在程序運行中實現波形動態調準，如放大縮小或移動顯示的波形。同時具有自動設置功能，點擊自動設置可以方便的顯示信號的幅值、頻率。(4)數據處理部分在該部分可對測量信號進行頻譜分析和參數測量，可測得電壓、周期、頻率等多個參數。一個通道選擇按鈕，用於選擇對哪個通道波形進行顯示。(5)觸發控制部分該部分包括一個觸發源控制按鈕，觸發源主要有通道A、通道B。觸發模式有軟體觸發、硬體觸發。(6)幅值控制部分該部分用於控制輸入波形的幅值，用戶可以通過旋轉控制項的按鈕選擇不同的信號幅值，有如下幾種情況Iv/div、2v/div、5v/div.
(7)時基控制部分該部分用於控制輸入波形的掃描率，用戶可通過旋轉按鈕的控制項來選擇不同的掃描率，有如下幾種可選的掃描率5ms/div、IOms/div、20ms/div.(8)加窗濾波控制部分該部分顯示了對需要進行加窗、濾波的波形分析，可以通過單擊控制項的按鈕選擇窗函數和濾波函數。窗函數包括None、Hanning、Hamming、Blackman-Harris 等，濾波函數包括 Bessel、Chebyshev、Butterworth 等。(9) LabVIEW 提供 CLF(Call Library Function,調用庫函數)結點和 CIN(CodeInterface Nod，代碼接口)結點實現和總線器件的接口程序通信。首先運行PC機上的LabVIEff平臺，在對各控制項賦值後調用動態連結庫實現和USB控制器的通信，控制示波器板卡，開始採集數據，直到判斷採集是否停止，調用各子模塊對信號進行顯示和數據處理，在完成上述處理後對採集方式復位，為下次採集做準備。(10)虛擬示波器前面板用於設置輸入數值和觀察輸出量，主窗體主要分為顯示區和控制區，在顯示區設計了一個顯示控制項，可以顯示2個信號波形，在控制項中X軸代表數據的時間，Y軸表示測量的數據的值的大小，在控制區中的信號幅值控制部分和時基控制部分，用戶可通過旋轉旋鈕方便的對輸入信號波形的幅度和掃描率進行調整，在頻譜分析控制部分可以對測量的信號進行頻譜分析，在加窗濾波控制部分，用戶可以單擊按鈕來選擇窗函數和濾波函數，窗函數包括None、Hanning、Hamming、Blackman-Harris等。
權利要求
1.本技術發明的體系結構是一種以計算機為基礎平臺，基於「虛擬電子測量儀器集成系統」總線VIIS-EM，由系統控制器控制，用軟體方法生成的虛擬示波器，是「虛擬電子測量儀器集成系統」的模塊化儀器之一，其電子系統硬體結構是VIIS-EM總線之上的板卡。
2.本發明以虛擬儀器技術作為示波器的設計思想和技術解決方案，改變了傳統硬體化示波器的整體設計思路，實現了是一種完全意義上的以軟體為核心的電子測量儀器。由軟體來實現儀器的測試功能，在系統硬體不變的情況下，可以通過更改程序流程的方法實現示波器不同的測試功能，實現軟體的可重構，技術成本大大降低。
3.本發明通過FPGA編程實現示波器模塊的硬體功能，充分利用了FPGA的內部資源，將雙口 RAM、採樣率控制、數據存儲器、增益控制等邏輯電路都集成在一片FPGA內部，可以通過更改程序來改變FPGA部分的硬體功能，實現虛擬示波器硬體的可重構，提高示波器的性倉泛。
4.採樣率為示波器最關心的指標之一，本發明通過並行採樣技術，將輸入信號同時送入2個通道，兩塊A/D轉換器按照各自的採樣時鐘工作，整個系統的採樣率為2片A/D採樣率的總和，達到了雙倍採樣率的目的，最高採樣率達到200MSPS。
5.本發明驅動程序是通過動態連結庫將與儀器有關的I/O操作都封裝成函數形式提供給應用程式，將信號源參數傳遞給USB控制器，實現和硬體的通信。
6.本發明應用軟體部分採用圖形化虛擬儀器軟體LabVIEW開發，主要完成信號的數據採集與控制、數據文件存儲和讀取、信號處理與分析。採用模塊化設計思想編寫，每個功能由一個模塊完成，包括波形顯示、數據處理、觸發控制、幅值控制、時基控制、頻譜分析控制、加窗濾波控制等。
全文摘要
本發明是以虛擬儀器技術作為解決方案，基於虛擬電子測量儀器集成系統總線VIIS-EM和系統控制器而設計的一種示波器。硬體結構是VIIS-EM總線之上的一個板卡，承擔信號採集任務，包括信號調理、AD轉換、並行數據處理、觸發電路、總線接口通信等模塊，充分利用了FPGA內部資源，技術成本降低，儀器性能提高。軟體包括儀器驅動程序和上層應用軟體，驅動程序實現計算機對物理設備的控制，應用程式包括波形顯示、數據處理、觸發控制、幅值控制、時基控制、加窗濾波等模塊，實現示波器的測試功能。本發明改變了傳統硬體化示波器的整體設計思路，是在虛擬電子測量儀器集成系統這樣一個人的理念之下的一個獨立儀器單元，軟體是儀器的核心，並具有良好的可重構性和開放性。
文檔編號G01R13/02GK102879622SQ20121036549
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月28日 優先權日2012年9月28日
發明者張秉仁, 林君, 韋建榮, 李冶, 趙吉祥, 宋延轍, 錢述進 申請人:吉林大學