專利名稱：虛擬電子測量儀器集成系統(tǒng)之示波器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本技術(shù)發(fā)明是一種虛擬示波器，涉及虛擬儀器和電子測量技術(shù)及儀器領(lǐng)域，具體講是一種以計算機(jī)為硬件平臺核心，基于虛擬電子測量儀器集成系統(tǒng)總線VIIS-EM(Virtual Instrument Integration System for Electronic Measuring),由系統(tǒng)控制器控制，用軟件方法生成的虛擬示波器。
背景技術(shù)：
(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，便于人們研究各種電現(xiàn)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(diào)巾畐度等等。
(2)虛擬儀器技術(shù)是計算機(jī)技術(shù)和儀器技術(shù)的深層次結(jié)合，其以計算機(jī)為軟硬件基礎(chǔ)平臺，利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件來完成測試、測量任務(wù)。儀器的操作、測量、控制、分析和顯示等功能均由軟件來實現(xiàn)，通過修改軟件即可修改或增減儀器的功能，充分體現(xiàn)了“軟件就是儀器”的概念和技術(shù)理念。虛擬儀器是一種可實現(xiàn)各種測試儀器和各種儀器測試功能的技術(shù)，以其性價比高、靈活性好、速度快等優(yōu)勢成為儀器儀表領(lǐng)域的研究熱點。(3) “虛擬電子測量儀器集成系統(tǒng)”是吉林大學(xué)虛擬儀器實驗室自主研發(fā)的一種由計算機(jī)操縱的模塊化儀器集成系統(tǒng)，系統(tǒng)采用“一個控制器加多個儀器模塊”的體系結(jié)構(gòu)和設(shè)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(jī)箱中。(4)VIIS-EM總線和系統(tǒng)控制器是虛擬電子測量儀器集成系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。VIIS-EM總線是專門為虛擬電子測量儀器集成系統(tǒng)定義的一種總線，系統(tǒng)控制器負(fù)責(zé)命令的解析與數(shù)據(jù)的傳輸，控制各功能模塊協(xié)調(diào)工作，并通過USB2. O接口與計算機(jī)通信。系統(tǒng)儀器模塊包括任意波形/函數(shù)信號發(fā)生器、虛擬示波器、虛擬頻譜分析儀、虛擬頻率計數(shù)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(fā)明內(nèi)容
I.技術(shù)問題與本發(fā)明的目的(I)傳統(tǒng)的模擬示波器和數(shù)字示波器均以硬件結(jié)構(gòu)為核心，結(jié)構(gòu)封閉、靈活性不強(qiáng)、復(fù)雜功能實現(xiàn)困難、集成測試能力、數(shù)據(jù)管理和信號處理與分析能力仍然較差。本項技術(shù)發(fā)明所介紹的虛擬示波器可解決上述問題，采用以軟件為核心的虛擬儀器技術(shù)是解決這一問題的優(yōu)選方案；(2)電子測量工作中，需要時間域、頻率域、數(shù)字域和信號源等各類電子測量儀器配合協(xié)同工作，因此將各類電子測量儀器集成于一個統(tǒng)一的平臺之上是電子測量儀器的發(fā)展趨勢，采用虛擬儀器總線技術(shù)實現(xiàn)這一系統(tǒng)集成是最為有效的技術(shù)方案。虛擬示波器是“虛擬電子測量儀器集成系統(tǒng)”的模塊化儀器之一。2.本發(fā)明的具體內(nèi)容本技術(shù)發(fā)明是基于虛擬電子測量儀器集成系統(tǒng)總線VIIS-EM和系統(tǒng)控制器而設(shè)計的一種示波器，所采取的技術(shù)方案由具有虛擬示波器應(yīng)用程序的PC機(jī)和數(shù)據(jù)采集部分構(gòu)成。 虛擬示波器硬件結(jié)構(gòu)虛擬示波器硬件結(jié)構(gòu)由信號調(diào)理模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、并行數(shù)據(jù)處理模塊、觸發(fā)電路模塊、總線接口通信模塊等五部分組成。(I)信號調(diào)理模塊將輸入的模擬信號調(diào)整到ADC所能識別的合適的電壓范圍內(nèi)， 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(xiàn)實時控制。(2) A/D轉(zhuǎn)換模塊兩塊雙通道數(shù)模轉(zhuǎn)換器，每塊A/D的兩個通道采用并行交替采樣，做為示波器數(shù)據(jù)采集通道，是外界模擬信號與可處理的數(shù)字信號之間的橋梁，該模塊是整個示波器的核心。(3)并行數(shù)據(jù)處理模塊轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過FPGA設(shè)計的數(shù)據(jù)選擇器統(tǒng)一存入FPGA內(nèi)部的FIFO中，F(xiàn)IFO做為一種簡單的先入先出型數(shù)據(jù)緩存器，在不同時鐘域之間實現(xiàn)傳輸。(4)觸發(fā)電路模塊觸發(fā)電路控制每次采集的起始位置，使用戶觀察到穩(wěn)定的波形。通道信號或外觸發(fā)信號通過一個多路選擇器，由微處理器選擇一路作為觸發(fā)信號源，再通過信號整形電路輸入給FPGA，進(jìn)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(xiàn)系統(tǒng)總線接口的通信。微處理器負(fù)責(zé)系統(tǒng)的初始化(包括向雙口 RAM寫入配置信息、設(shè)置電路初始狀態(tài))并分析和處理總線發(fā)送過來的命令，控制相應(yīng)的電路單元。虛擬示波器軟件結(jié)構(gòu)虛擬示波器軟件主要包括應(yīng)用程序和驅(qū)動程序兩個層次。(I)驅(qū)動程序是將與儀器有關(guān)的I/O操作封裝成函數(shù)，通過CLF節(jié)點調(diào)用動態(tài)連接庫DLL-Dynamic Link Libraries)的方式,本方案中動態(tài)鏈接庫采用C++編寫生成,運(yùn)行上位機(jī)軟件后，系統(tǒng)調(diào)用5102. dll，實現(xiàn)虛擬示波卡驅(qū)動，在對前面板參數(shù)設(shè)置好后，Labview調(diào)用函數(shù)VI5102_USB_WaveInputSet，對波形輸入進(jìn)行設(shè)置，做好采集準(zhǔn)備。(2)虛擬示波器上層應(yīng)用軟件部分采用圖形化虛擬儀器編程語言LabVIEW開發(fā)，主要完成信號的數(shù)據(jù)采集與控制、數(shù)據(jù)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(guān)參數(shù)和顯示測試結(jié)果，方框圖是將前面板的控件按照一定邏輯連接起來，實現(xiàn)儀器的功能。(3)虛擬示波器前面板上有波形顯示，通道選擇，采樣率設(shè)置，濾波器選擇等控件，測量之前首先對前面板各控件賦值，開始測試時觀察“初始化函數(shù)狀態(tài)”顯示的參數(shù)，若顯示操作成功則上位機(jī)和下位機(jī)可正常通信，否則須檢查連接是否正確，直到開始設(shè)備連接正常進(jìn)行測試。(4)方框圖總體采用平鋪式順序結(jié)構(gòu)，首先通過調(diào)用動態(tài)鏈接庫對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)備初始化，只有初始化成功后才能進(jìn)行后面的操作，在初始化成功后，將開始采集、通道選擇等命令發(fā)送給下位機(jī)，設(shè)計中包括對信號進(jìn)行濾波及采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，求出相關(guān)參數(shù)，最后將參數(shù)和信號的波形顯示于前面板中。3.本發(fā)明的有益效果(I)本發(fā)明改變了傳統(tǒng)、經(jīng)典示波器的整體設(shè)計理念和設(shè)計思路，是在“電子測量儀器集成系統(tǒng)”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(tǒng)的一個獨(dú)立模塊。虛擬示波器電子系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)是VIIS-EM總線之上的一個板卡。(2)本發(fā)明超越了模擬示波器和數(shù)字示波器的設(shè)計方案，實現(xiàn)了一種以軟件為核心和關(guān)鍵的虛擬示波器設(shè)計方案，硬件承擔(dān)的任務(wù)是信號輸入，技術(shù)成本大大降低。(3)軟件實現(xiàn)儀器的測試功能和人機(jī)交互，具有良好的可重構(gòu)性和開放性，可根據(jù)實際情況進(jìn)行更新和擴(kuò)展，在系統(tǒng)硬件不變的情況下，可以通過更改程序流程和數(shù)據(jù)處理 方法實現(xiàn)示波器不同的測試功能。 (4)利用FPGA編程所實現(xiàn)的硬件功能在本發(fā)明中起到了重要而且良好的效果。本發(fā)明充分利用了 FPGA的內(nèi)部資源，將采樣率控制、數(shù)據(jù)存儲器、增益控制等邏輯電路都集成在一片F(xiàn)PGA內(nèi)部，所以可以通過更改程序來改變FPGA部分的硬件功能，實現(xiàn)硬件的可重構(gòu)，提高了示波器的性能。


圖I虛擬示波器硬件結(jié)構(gòu)與功能框2FPGA內(nèi)部頂層結(jié)構(gòu)3高阻衰減原理4AD9288 接口 電路圖5AT89S52單片機(jī)接線原理6FPGA內(nèi)部雙口 RAM結(jié)構(gòu)7FPGA內(nèi)部FIFO設(shè)計圖8虛擬示波器軟硬件層次結(jié)構(gòu)模型圖9虛擬示波器軟件流程10虛擬示波器數(shù)據(jù)采集模塊程序框11虛擬示波器前面板
具體實施例方式本技術(shù)發(fā)明的具體實施方式
是基于虛擬電子測量儀器集成系統(tǒng)總線Vemis和系統(tǒng)控制器而設(shè)計的一種示波器。主要包括數(shù)據(jù)采集部分和PC機(jī)上的虛擬示波器應(yīng)用程序。虛擬示波器硬件實施方式(I)虛擬示波器硬件由信號調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換、并行數(shù)據(jù)處理、觸發(fā)電路、總線接口通信等五部分組成。整個示波器板卡采用FPGA+51單片機(jī)作為總體控制，其中FPGA完成大規(guī)模數(shù)據(jù)的交換存儲以及單元電路控制，51單片機(jī)完成總線通信和系統(tǒng)初始化配置。(2)信號調(diào)理模塊的任務(wù)是完成對模擬輸入信號的調(diào)理，對大信號進(jìn)行衰減、小信號直通或進(jìn)行放大，使其滿足AD轉(zhuǎn)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范圍有一定要求，本設(shè)計要求為50Vpp,而A/D轉(zhuǎn)換電路使用的AD9288芯片輸入電壓范圍為lVpp，因而需要衰減電路。本發(fā)明選用補(bǔ)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(tǒng)要求。阻抗變換電路選用TI公司寬帶高速放大器0PA657實現(xiàn)，通過電壓跟隨，增大系統(tǒng)輸入阻抗，滿足系統(tǒng)對輸入阻抗的要求。差分變換選用ADI公司低失真差分ADC驅(qū)動放大器AD8138ARZ,實現(xiàn)單端信號輸入,雙端差分信號輸出，作為AD的輸入信號,對共模干擾和電磁干擾具有很好的抑制能力，增加系統(tǒng)穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。(3) A/D轉(zhuǎn)換模塊采用雙通道并行采樣技術(shù)達(dá)到獲得雙倍采樣率的目的。本發(fā)明選用兩塊ADI公司的AD9288BST-100作為板卡的核心轉(zhuǎn)換芯片，每片AD9288有兩個通道，分別獲得與采樣時鐘頻率等量的數(shù)據(jù)，兩個通道的時鐘相差180度，將兩個通道的數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲，實現(xiàn)兩倍于采樣時鐘頻率的數(shù)據(jù)采集。AD9288的最高采樣速率為I00MSPS，通過并行采樣可以實現(xiàn)最高為200MSPS的采樣率。采樣率控制由FPGA內(nèi)部實現(xiàn)，2分頻器和5分頻器結(jié)合可以實現(xiàn)4分頻及10分頻，共設(shè)計出20種可選頻率。(4)總線接口通信模塊是PC機(jī)與模塊化儀器交換信息的接口，本發(fā)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(jī)部分和FPGA兩部分實現(xiàn)。單片機(jī)選用Atmel公司的AT89S52，完成指令的傳送解析以及初始狀態(tài)配置，同時對交直流耦合繼電器進(jìn)行控制。FPGA選用Altera公司的Cyclone II系列EP2C5Q208C8，主要有IDT7130和MCU譯碼器兩部分實現(xiàn)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(xiàn)FPGA與單片機(jī)通信，獲取指令和信息；MCU譯碼器是單片機(jī)和FPGA的接，將指令編碼通過地址總線和數(shù)據(jù)總線發(fā)送到FPGA，通過MCU譯碼器，將指令翻譯為FPGA可以識別的命令，以控制相應(yīng)單元電路工作。(5)并行數(shù)據(jù)處理模塊包括FIFO、數(shù)據(jù)選擇器及平滑濾波器三個部分內(nèi)容。FIFO是一種先入先出型數(shù)據(jù)緩存器，用于不同時鐘域之間的數(shù)據(jù)傳輸。并行采樣技術(shù)單位時間采到的數(shù)據(jù)是單通道時的兩倍，數(shù)據(jù)要統(tǒng)一放入FIFO。數(shù)據(jù)選擇器時鐘頻率為采樣時鐘頻率的兩倍，對時鐘頻率上升沿進(jìn)行計數(shù)，奇數(shù)時存儲A通道數(shù)據(jù)，偶數(shù)時存儲B通道數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲。兩個通道的數(shù)據(jù)統(tǒng)一存入FIFO中時，增加一個同步時鐘，在時鐘上升沿統(tǒng)一存儲，以減小誤碼率。平滑濾波器對系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的濾波，解決數(shù)據(jù)傳送存儲過程中可能會出現(xiàn)錯碼和亂碼，同時降低系統(tǒng)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(jìn)來的4組數(shù)據(jù)求和后，輸出平均值作為最終數(shù)據(jù)輸出。減小異常數(shù)據(jù)對結(jié)果的影響，實現(xiàn)使波形更加平滑的效果。
(6)觸發(fā)電路控制每次采集的起始位置，使用戶觀察到穩(wěn)定的波形。通道信號或外觸發(fā)信號通過一個多路選擇器，由微處理器選擇一路作為觸發(fā)信號源，再通過信號整形電路輸入給FPGA，進(jìn)行時序控制。虛擬示波器軟件實施方式模塊化虛擬電子測量儀器軟硬件層次結(jié)構(gòu)模型如圖8，虛擬示波器軟件流程圖如圖9，虛擬示波器數(shù)據(jù)采集模塊程序框圖如圖10，LabVIEW前面板如圖11所示。(I)系統(tǒng)通過動態(tài)鏈接庫將與儀器有關(guān)的1/0操作都封裝成函數(shù)形式提供給應(yīng)用程序。(2)系統(tǒng)應(yīng)用軟件采用LabVIEW圖形化編程語言，運(yùn)用模塊化設(shè)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(shù)據(jù)處理部分、觸發(fā)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(shè)計了一個波形顯示控件，控件中X軸代表數(shù)據(jù)的時間，Y軸代表測量數(shù)據(jù)點的數(shù)值大小。通過波形顯示控件自帶的控制模板，不但可以快捷的調(diào)準(zhǔn)控件的外觀，還可以在程序運(yùn)行中實現(xiàn)波形動態(tài)調(diào)準(zhǔn)，如放大縮小或移動顯示的波形。同時具有自動設(shè)置功能，點擊自動設(shè)置可以方便的顯示信號的幅值、頻率。(4)數(shù)據(jù)處理部分在該部分可對測量信號進(jìn)行頻譜分析和參數(shù)測量，可測得電壓、周期、頻率等多個參數(shù)。一個通道選擇按鈕，用于選擇對哪個通道波形進(jìn)行顯示。(5)觸發(fā)控制部分該部分包括一個觸發(fā)源控制按鈕，觸發(fā)源主要有通道A、通道B。觸發(fā)模式有軟件觸發(fā)、硬件觸發(fā)。(6)幅值控制部分該部分用于控制輸入波形的幅值，用戶可以通過旋轉(zhuǎn)控件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于控制輸入波形的掃描率，用戶可通過旋轉(zhuǎn)按鈕的控件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(jìn)行加窗、濾波的波形分析，可以通過單擊控件的按鈕選擇窗函數(shù)和濾波函數(shù)。窗函數(shù)包括None、Hanning、Hamming、Blackman-Harris 等，濾波函數(shù)包括 Bessel、Chebyshev、Butterworth 等。(9) LabVIEW 提供 CLF(Call Library Function,調(diào)用庫函數(shù))結(jié)點和 CIN(CodeInterface Nod，代碼接口)結(jié)點實現(xiàn)和總線器件的接口程序通信。首先運(yùn)行PC機(jī)上的LabVIEff平臺，在對各控件賦值后調(diào)用動態(tài)鏈接庫實現(xiàn)和USB控制器的通信，控制示波器板卡，開始采集數(shù)據(jù)，直到判斷采集是否停止，調(diào)用各子模塊對信號進(jìn)行顯示和數(shù)據(jù)處理，在完成上述處理后對采集方式復(fù)位，為下次采集做準(zhǔn)備。(10)虛擬示波器前面板用于設(shè)置輸入數(shù)值和觀察輸出量，主窗體主要分為顯示區(qū)和控制區(qū)，在顯示區(qū)設(shè)計了一個顯示控件，可以顯示2個信號波形，在控件中X軸代表數(shù)據(jù)的時間，Y軸表示測量的數(shù)據(jù)的值的大小，在控制區(qū)中的信號幅值控制部分和時基控制部分，用戶可通過旋轉(zhuǎn)旋鈕方便的對輸入信號波形的幅度和掃描率進(jìn)行調(diào)整，在頻譜分析控制部分可以對測量的信號進(jìn)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(shù)和濾波函數(shù)，窗函數(shù)包括None、Hanning、Hamming、Blackman-Harris等。
權(quán)利要求
1.本技術(shù)發(fā)明的體系結(jié)構(gòu)是一種以計算機(jī)為基礎(chǔ)平臺，基于“虛擬電子測量儀器集成系統(tǒng)”總線VIIS-EM，由系統(tǒng)控制器控制，用軟件方法生成的虛擬示波器，是“虛擬電子測量儀器集成系統(tǒng)”的模塊化儀器之一，其電子系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)是VIIS-EM總線之上的板卡。
2.本發(fā)明以虛擬儀器技術(shù)作為示波器的設(shè)計思想和技術(shù)解決方案，改變了傳統(tǒng)硬件化示波器的整體設(shè)計思路，實現(xiàn)了是一種完全意義上的以軟件為核心的電子測量儀器。由軟件來實現(xiàn)儀器的測試功能，在系統(tǒng)硬件不變的情況下，可以通過更改程序流程的方法實現(xiàn)示波器不同的測試功能，實現(xiàn)軟件的可重構(gòu)，技術(shù)成本大大降低。
3.本發(fā)明通過FPGA編程實現(xiàn)示波器模塊的硬件功能，充分利用了FPGA的內(nèi)部資源，將雙口 RAM、采樣率控制、數(shù)據(jù)存儲器、增益控制等邏輯電路都集成在一片F(xiàn)PGA內(nèi)部，可以通過更改程序來改變FPGA部分的硬件功能，實現(xiàn)虛擬示波器硬件的可重構(gòu)，提高示波器的性倉泛。
4.采樣率為示波器最關(guān)心的指標(biāo)之一，本發(fā)明通過并行采樣技術(shù)，將輸入信號同時送入2個通道，兩塊A/D轉(zhuǎn)換器按照各自的采樣時鐘工作，整個系統(tǒng)的采樣率為2片A/D采樣率的總和，達(dá)到了雙倍采樣率的目的，最高采樣率達(dá)到200MSPS。
5.本發(fā)明驅(qū)動程序是通過動態(tài)鏈接庫將與儀器有關(guān)的I/O操作都封裝成函數(shù)形式提供給應(yīng)用程序，將信號源參數(shù)傳遞給USB控制器，實現(xiàn)和硬件的通信。
6.本發(fā)明應(yīng)用軟件部分采用圖形化虛擬儀器軟件LabVIEW開發(fā)，主要完成信號的數(shù)據(jù)采集與控制、數(shù)據(jù)文件存儲和讀取、信號處理與分析。采用模塊化設(shè)計思想編寫，每個功能由一個模塊完成，包括波形顯示、數(shù)據(jù)處理、觸發(fā)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(fā)明是以虛擬儀器技術(shù)作為解決方案，基于虛擬電子測量儀器集成系統(tǒng)總線VIIS-EM和系統(tǒng)控制器而設(shè)計的一種示波器。硬件結(jié)構(gòu)是VIIS-EM總線之上的一個板卡，承擔(dān)信號采集任務(wù)，包括信號調(diào)理、AD轉(zhuǎn)換、并行數(shù)據(jù)處理、觸發(fā)電路、總線接口通信等模塊，充分利用了FPGA內(nèi)部資源，技術(shù)成本降低，儀器性能提高。軟件包括儀器驅(qū)動程序和上層應(yīng)用軟件，驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)計算機(jī)對物理設(shè)備的控制，應(yīng)用程序包括波形顯示、數(shù)據(jù)處理、觸發(fā)控制、幅值控制、時基控制、加窗濾波等模塊，實現(xiàn)示波器的測試功能。本發(fā)明改變了傳統(tǒng)硬件化示波器的整體設(shè)計思路，是在虛擬電子測量儀器集成系統(tǒng)這樣一個人的理念之下的一個獨(dú)立儀器單元，軟件是儀器的核心，并具有良好的可重構(gòu)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(yōu)先權(quán)日2012年9月28日
發(fā)明者張秉仁, 林君, 韋建榮, 李冶, 趙吉祥, 宋延轍, 錢述進(jìn) 申請人:吉林大學(xué)