基于USB接口和FPGA控制的虛擬儀器設計
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隨著目前科學技術的發(fā)展，電子技術的應用領域越來越廣。電子測試測量儀器作為電子技術的基礎，其應用范圍也越來越廣。在許多領域對這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，能夠實現自動測量、自動控制，還要能夠快速完成一些復雜的數學運算與處理，能夠根據實際應用的情況，快速開發(fā)出新的功能。傳統(tǒng)的測試測量儀器由于設計理念落后、發(fā)展緩慢、功能單一，開發(fā)新功能或新產品的難度大，已經無法適應各種新的測量情況。而且其價格昂貴、體積大、不易操作，已經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。目前已生產數百個型號的虛擬儀器產品，其應用涉及到電子測量、過程控制、電信、醫(yī)學等領域。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的產品開始，但其發(fā)展也是十分迅速的。我國國民經濟的持續(xù)快速發(fā)展，加快了企業(yè)的技術升級步伐，對先進儀器設備的需求更加強勁，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。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用。在我國由于電子技術水平相對落后，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)整體結構概述
本設計主要是研制一個基于USB以及FPGA的虛擬數字存儲示波器，該系統(tǒng)的整體結構框圖如圖1所示。系統(tǒng)主要由基于FPGA的數據采集電路、基于USB接口總線傳輸控制電路和計算機應用程序三個主要部分組成。其中信號預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數據的雙向傳輸，既要使數據采集電路采集到的數據能夠傳到計算機，也要使計算機的控制信息能夠傳到硬件電路，控制數據采集工作。計算機的應用程序要能夠對采集到的數據進行處理、顯示，能夠控制硬件進行數據采集等工作。
系統(tǒng)的基本工作原理如下：計算機首先通知FPGA開始采集數據，FPGA等到信號觸發(fā)時刻到來時就開始從A／D轉換器中讀取500個數據存儲到FPGA的存儲器中；然后計算機就控制從FPGA讀取數據，單片機接到命令后就從FPGA中讀取數據和信號的放大衰減倍數通過USB接口傳送到計算機。計算機軟件讀取了采集數據和信號的放大衰減倍數就能夠顯示出來了，并且通過控制虛擬界面就能夠實現各種各樣的功能。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。定時去重復以上過程就能夠看到信號的實時波形。
2 系統(tǒng)硬件設計
2．1 數據采集電路設計
數據采集部分的功能就是采集被測信號波形數據并把它存人到FPGA中。首先把信號進行預處理，再經過A／D轉換器轉換成數字信號，最后存入FPGA中。數據采集部分可以分為以下幾個模塊：信號調理、A／D轉換、觸發(fā)電路、峰值檢測以及FPGA的設計。數據采集電路結構框圖如圖2所示。
由于被測信號的種類多種多樣，相應的采樣方式也千差萬別。基本采樣方式可分為兩大類：實時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，盡量以較低的速率實現采樣，從而減少數據量，降低對傳輸、變換系統(tǒng)的要求，提高數據處理的效率。因此選擇實時采樣方式。對于實時采樣，當數字化一開始，信號波形的第一個采樣點就被采樣并數字化，經過一個采樣間隔，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，重復的或不重復的，單次的或連續(xù)的。所有的采樣點都是以時間為順序，因而易于實現波形顯示功能。本設計采用高的采樣頻率來實現對比較高的頻率信號進行實時采樣，采用的A／D轉換器是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，用A／D轉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開始讀取數據觸發(fā)信號。具體實現方法如下：采樣信號接比較器的同向輸入端，可變電阻的調整端接反向輸入端，而可調電阻的另外兩端分別接電源的正負極，這樣就可以通過調節(jié)可變電阻調節(jié)觸發(fā)電平。
被測信號調理電路的作用就是使輸入信號滿足A／D轉換器的幅度要求，同時也擴大了輸入信號的幅度范圍。比如大信號必須經過適當的衰減，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的放大，否則采集恢復后的信號幅度太小，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成。
為了使FPGA能夠準確地控制程控放大器的模擬開關，使程控放大器放大或衰減后的信號幅度在±1 V之內，又能夠充分利用A／D轉換器的量程。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，實時跟蹤信號的幅度。峰值檢測電路原理圖如圖4所示。
控制數據采集和從存儲器讀數據模塊的功能就是控制從A／D轉換器的輸出端中讀取數據，然后存儲到FPGA中的存儲器。當計算機需要讀數據時，就控制把存儲器中的數據依次送出去，再通過USB接口傳送到計算機?？刂茢祿杉K和讀存儲器數據的電路示意圖如圖5所示。FPGA采用Altera公司生產的FPGA芯片EP1C3T144主芯片。
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