基于USB接口和FPGA控制的虛擬儀器設(shè)計
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隨著目前科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電子技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣。電子測試測量儀器作為電子技術(shù)的基礎(chǔ)，其應(yīng)用范圍也越來越廣。在許多領(lǐng)域?qū)@些儀器提出了很高的要求，不僅要有高的測量、傳輸速度，高的精確度、穩(wěn)定性、可靠性等，有的甚至要有一定的智能化，能夠?qū)崿F(xiàn)自動測量、自動控制，還要能夠快速完成一些復(fù)雜的數(shù)學(xué)運算與處理，能夠根據(jù)實際應(yīng)用的情況，快速開發(fā)出新的功能。傳統(tǒng)的測試測量儀器由于設(shè)計理念落后、發(fā)展緩慢、功能單一，開發(fā)新功能或新產(chǎn)品的難度大，已經(jīng)無法適應(yīng)各種新的測量情況。而且其價格昂貴、體積大、不易操作，已經(jīng)無法滿足人們的要求。
虛擬儀器作為傳統(tǒng)測試測量儀器的可能的替代品，從1986年美國國家儀器公司(NI)首先提出其概念至今不過短短二十幾年，但其發(fā)展卻十分迅速。目前已生產(chǎn)數(shù)百個型號的虛擬儀器產(chǎn)品，其應(yīng)用涉及到電子測量、過程控制、電信、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。我國虛擬儀器研究的起步較晚，最早的研究也是從引進消化NI的產(chǎn)品開始，但其發(fā)展也是十分迅速的。我國國民經(jīng)濟的持續(xù)快速發(fā)展，加快了企業(yè)的技術(shù)升級步伐，對先進儀器設(shè)備的需求更加強勁，虛擬儀器賴以生存的個人計算機最近幾年以極高的速度在中國發(fā)展，這些都為虛擬儀器在我國的普及奠定了良好的基礎(chǔ)。隨著我國個人計算機的普及以及性能的不斷提高，這種基于計算機的虛擬儀器在我國將會被更加廣泛的應(yīng)用。在我國由于電子技術(shù)水平相對落后，許多高精度、高性能的電子儀器都要進口，價格昂貴，難以被廣泛使用，因而研制這種成本低的高性能的虛擬儀器，是很有必要的，而虛擬儀器也將成為今后電子器件發(fā)展的主流。
1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)概述
本設(shè)計主要是研制一個基于USB以及FPGA的虛擬數(shù)字存儲示波器，該系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。系統(tǒng)主要由基于FPGA的數(shù)據(jù)采集電路、基于USB接口總線傳輸控制電路和計算機應(yīng)用程序三個主要部分組成。其中信號預(yù)處理電路還包括峰值檢測電路、信號觸發(fā)電路。USB接口傳輸電路主要是能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，既要使數(shù)據(jù)采集電路采集到的數(shù)據(jù)能夠傳到計算機，也要使計算機的控制信息能夠傳到硬件電路，控制數(shù)據(jù)采集工作。計算機的應(yīng)用程序要能夠?qū)Σ杉降臄?shù)據(jù)進行處理、顯示，能夠控制硬件進行數(shù)據(jù)采集等工作。
系統(tǒng)的基本工作原理如下：計算機首先通知FPGA開始采集數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA等到信號觸發(fā)時刻到來時就開始從A／D轉(zhuǎn)換器中讀取500個數(shù)據(jù)存儲到FPGA的存儲器中；然后計算機就控制從FPGA讀取數(shù)據(jù)，單片機接到命令后就從FPGA中讀取數(shù)據(jù)和信號的放大衰減倍數(shù)通過USB接口傳送到計算機。計算機軟件讀取了采集數(shù)據(jù)和信號的放大衰減倍數(shù)就能夠顯示出來了，并且通過控制虛擬界面就能夠?qū)崿F(xiàn)各種各樣的功能。而FPGA通過定時讀取信號的峰值幅度范圍再決定控制信號的放大衰減倍數(shù)。定時去重復(fù)以上過程就能夠看到信號的實時波形。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
2．1 數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計
數(shù)據(jù)采集部分的功能就是采集被測信號波形數(shù)據(jù)并把它存人到FPGA中。首先把信號進行預(yù)處理，再經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，最后存入FPGA中。數(shù)據(jù)采集部分可以分為以下幾個模塊：信號調(diào)理、A／D轉(zhuǎn)換、觸發(fā)電路、峰值檢測以及FPGA的設(shè)計。數(shù)據(jù)采集電路結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
由于被測信號的種類多種多樣，相應(yīng)的采樣方式也千差萬別?；静蓸臃绞娇煞譃閮纱箢悾簩崟r采樣和等效時間采樣?？紤]到采樣方式的基本原則是：以保證采樣精度為前提，以被測信號的具體特性為依據(jù)，盡量以較低的速率實現(xiàn)采樣，從而減少數(shù)據(jù)量，降低對傳輸、變換系統(tǒng)的要求，提高數(shù)據(jù)處理的效率。因此選擇實時采樣方式。對于實時采樣，當(dāng)數(shù)字化一開始，信號波形的第一個采樣點就被采樣并數(shù)字化，經(jīng)過一個采樣間隔，再采入第二個子樣，這樣一直將整個信號波形數(shù)字化后存入波形示波器。實時采樣的優(yōu)點在于信號波形一到就采入，因此適用于任何形式的信號，重復(fù)的或不重復(fù)的，單次的或連續(xù)的。所有的采樣點都是以時間為順序，因而易于實現(xiàn)波形顯示功能。本設(shè)計采用高的采樣頻率來實現(xiàn)對比較高的頻率信號進行實時采樣，采用的A／D轉(zhuǎn)換器是TLC5510，采樣頻率最高可以達到20 MHz。
對于觸發(fā)電路采用比較器電路來實現(xiàn)，用A／D轉(zhuǎn)換之前的模擬信號與一個固定的電壓進行比較，比較器的輸出為一個與采樣信號同頻率的矩形波作為FPGA開始讀取數(shù)據(jù)觸發(fā)信號。具體實現(xiàn)方法如下：采樣信號接比較器的同向輸入端，可變電阻的調(diào)整端接反向輸入端，而可調(diào)電阻的另外兩端分別接電源的正負極，這樣就可以通過調(diào)節(jié)可變電阻調(diào)節(jié)觸發(fā)電平。
被測信號調(diào)理電路的作用就是使輸入信號滿足A／D轉(zhuǎn)換器的幅度要求，同時也擴大了輸入信號的幅度范圍。比如大信號必須經(jīng)過適當(dāng)?shù)乃p，以免因為幅度過大而損壞電路中的元器件或是引起信號失真。而小信號又需要適當(dāng)?shù)姆糯?，否則采集恢復(fù)后的信號幅度太小，以至于無法正確地觀測信號。模擬信號調(diào)理主要包括：高阻衰減電路、程控放大器和加法器。被測信號調(diào)理電路原理圖如圖3所示。該電路主要采用多級運算放大器電路構(gòu)成。
為了使FPGA能夠準確地控制程控放大器的模擬開關(guān)，使程控放大器放大或衰減后的信號幅度在±1 V之內(nèi)，又能夠充分利用A／D轉(zhuǎn)換器的量程。所以FPGA必須要先知道信號的峰值電壓，這就需要采用峰值檢測電路來檢測信號的峰值電壓。采樣信號先經(jīng)過電壓跟隨器來隔離輸入信號和峰值檢測電路，再用運算放大器、二極管和電容組成檢測信號峰值。用三極管可以對電容上的電荷進行放電。最后經(jīng)過比較器就可知道信號的峰值范圍。FPGA通過定時檢測峰值，從而去控制模擬開關(guān)，實時跟蹤信號的幅度。峰值檢測電路原理圖如圖4所示。
控制數(shù)據(jù)采集和從存儲器讀數(shù)據(jù)模塊的功能就是控制從A／D轉(zhuǎn)換器的輸出端中讀取數(shù)據(jù)，然后存儲到FPGA中的存儲器。當(dāng)計算機需要讀數(shù)據(jù)時，就控制把存儲器中的數(shù)據(jù)依次送出去，再通過USB接口傳送到計算機?？刂茢?shù)據(jù)采集模塊和讀存儲器數(shù)據(jù)的電路示意圖如圖5所示。FPGA采用Altera公司生產(chǎn)的FPGA芯片EP1C3T144主芯片。
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