专利名称：虚拟电子测量仪器集成系统之示波器的制作方法
技术领域：
本技术发明是一种虚拟示波器，涉及虚拟仪器和电子测量技术及仪器领域，具体讲是一种以计算机为硬件平台核心，基于虚拟电子测量仪器集成系统总线VIIS-EM(Virtual Instrument Integration System for Electronic Measuring),由系统控制器控制，用软件方法生成的虚拟示波器。
背景技术：
(I)示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器。它能把肉眼看不见的电信号变换成清晰可见的图象，便于人们研究各种电现象的变化过程。利用示波器能观察各种信号幅度随时间变化的波形曲线，还可以测试各种不同的电量，如电压、电流、频率、相位差、调巾畐度等等。
(2)虚拟仪器技术是计算机技术和仪器技术的深层次结合，其以计算机为软硬件基础平台，利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成测试、测量任务。仪器的操作、测量、控制、分析和显示等功能均由软件来实现，通过修改软件即可修改或增减仪器的功能，充分体现了“软件就是仪器”的概念和技术理念。虚拟仪器是一种可实现各种测试仪器和各种仪器测试功能的技术，以其性价比高、灵活性好、速度快等优势成为仪器仪表领域的研究热点。(3) “虚拟电子测量仪器集成系统”是吉林大学虚拟仪器实验室自主研发的一种由计算机操纵的模块化仪器集成系统，系统采用“一个控制器加多个仪器�？椤钡奶逑到峁购蜕杓扑枷耄骼嗤ㄓ玫牡缱硬饬恳瞧髂？榛蹇ɑü远ㄒ遄ㄓ靡瞧髯芟遃IIS-EM集成到一个3U机箱中。(4)VIIS-EM总线和系统控制器是虚拟电子测量仪器集成系统体系结构的基础。VIIS-EM总线是专门为虚拟电子测量仪器集成系统定义的一种总线，系统控制器负责命令的解析与数据的传输，控制各功能�？樾鞴ぷ鳎⑼ü齍SB2. O接口与计算机通信。系统仪器�？榘ㄈ我獠ㄐ�/函数信号发生器、虚拟示波器、虚拟频谱分析仪、虚拟频率计数器、虚拟逻辑分析仪、LCR测试仪、频率特性测试仪、集成电路测试仪等一系列电子测量仪器。
发明内容
I.技术问题与本发明的目的(I)传统的模拟示波器和数字示波器均以硬件结构为核心，结构封闭、灵活性不强、复杂功能实现困难、集成测试能力、数据管理和信号处理与分析能力仍然较差。本项技术发明所介绍的虚拟示波器可解决上述问题，采用以软件为核心的虚拟仪器技术是解决这一问题的优选方案；(2)电子测量工作中，需要时间域、频率域、数字域和信号源等各类电子测量仪器配合协同工作，因此将各类电子测量仪器集成于一个统一的平台之上是电子测量仪器的发展趋势，采用虚拟仪器总线技术实现这一系统集成是最为有效的技术方案。虚拟示波器是“虚拟电子测量仪器集成系统”的�？榛瞧髦弧�2.本发明的具体内容本技术发明是基于虚拟电子测量仪器集成系统总线VIIS-EM和系统控制器而设计的一种示波器，所采取的技术方案由具有虚拟示波器应用程序的PC机和数据采集部分构成。 虚拟示波器硬件结构虚拟示波器硬件结构由信号调理�？�、A/D转换�？�、并行数据处理�？�、触发电路�？�、总线接口通信�？榈任宀糠肿槌伞�(I)信号调理�？榻淙氲哪Ｄ庑藕诺髡紸DC所能识别的合适的电压范围内， 由高阻衰减、阻抗变换、差分变换等部分组成，各部分通过微控制器和FPGA实现实时控制。(2) A/D转换模块两块双通道数模转换器，每块A/D的两个通道采用并行交替采样，做为示波器数据采集通道，是外界模拟信号与可处理的数字信号之间的桥梁，该�？槭钦鍪静ㄆ鞯暮诵�。(3)并行数据处理�？樽缓蟮氖萃ü鼺PGA设计的数据选择器统一存入FPGA内部的FIFO中，FIFO做为一种简单的先入先出型数据缓存器，在不同时钟域之间实现传输。(4)触发电路�？榇シ⒌缏房刂泼看尾杉钠鹗嘉恢茫褂没Ч鄄斓轿榷ǖ牟ㄐ�。通道信号或外触发信号通过一个多路选择器，由微处理器选择一路作为触发信号源，再通过信号整形电路输入给FPGA，进行时序控制。(5)总线接口通信�？槲⒋砥魍ü� RAM实现系统总线接口的通信。微处理器负责系统的初始化(包括向双口 RAM写入配置信息、设置电路初始状态)并分析和处理总线发送过来的命令，控制相应的电路单元。虚拟示波器软件结构虚拟示波器软件主要包括应用程序和驱动程序两个层次。(I)驱动程序是将与仪器有关的I/O操作封装成函数，通过CLF节点调用动态连接库DLL-Dynamic Link Libraries)的方式,本方案中动态链接库采用C++编写生成,运行上位机软件后，系统调用5102. dll，实现虚拟示波卡驱动，在对前面板参数设置好后，Labview调用函数VI5102_USB_WaveInputSet，对波形输入进行设置，做好采集准备。(2)虚拟示波器上层应用软件部分采用图形化虚拟仪器编程语言LabVIEW开发，主要完成信号的数据采集与控制、数据文件存储和读取、信号处理与分析。虚拟示波器程序包括前面板和方框图，前面板用来输入相关参数和显示测试结果，方框图是将前面板的控件按照一定逻辑连接起来，实现仪器的功能。(3)虚拟示波器前面板上有波形显示，通道选择，采样率设置，滤波器选择等控件，测量之前首先对前面板各控件赋值，开始测试时观察“初始化函数状态”显示的参数，若显示操作成功则上位机和下位机可正常通信，否则须检查连接是否正确，直到开始设备连接正常进行测试。(4)方框图总体采用平铺式顺序结构，首先通过调用动态链接库对系统进行设备初始化，只有初始化成功后才能进行后面的操作，在初始化成功后，将开始采集、通道选择等命令发送给下位机，设计中包括对信号进行滤波及采集的数据进行分析，求出相关参数，最后将参数和信号的波形显示于前面板中。3.本发明的有益效果(I)本发明改变了传统、经典示波器的整体设计理念和设计思路，是在“电子测量仪器集成系统”这样一个大的理念之下的一个仪器单元，是整个电子测量仪器集成系统的一个独立�？�。虚拟示波器电子系统的硬件结构是VIIS-EM总线之上的一个板卡。(2)本发明超越了模拟示波器和数字示波器的设计方案，实现了一种以软件为核心和关键的虚拟示波器设计方案，硬件承担的任务是信号输入，技术成本大大降低。(3)软件实现仪器的测试功能和人机交互，具有良好的可重构性和开放性，可根据实际情况进行更新和扩展，在系统硬件不变的情况下，可以通过更改程序流程和数据处理 方法实现示波器不同的测试功能。 (4)利用FPGA编程所实现的硬件功能在本发明中起到了重要而且良好的效果。本发明充分利用了 FPGA的内部资源，将采样率控制、数据存储器、增益控制等逻辑电路都集成在一片FPGA内部，所以可以通过更改程序来改变FPGA部分的硬件功能，实现硬件的可重构，提高了示波器的性能。
图I虚拟示波器硬件结构与功能框2FPGA内部顶层结构3高阻衰减原理4AD9288 接口 电路图5AT89S52单片机接线原理6FPGA内部双口 RAM结构7FPGA内部FIFO设计图8虚拟示波器软硬件层次结构模型图9虚拟示波器软件流程10虚拟示波器数据采集�？槌绦蚩�11虚拟示波器前面板
具体实施例方式本技术发明的具体实施方式
是基于虚拟电子测量仪器集成系统总线Vemis和系统控制器而设计的一种示波器。主要包括数据采集部分和PC机上的虚拟示波器应用程序。虚拟示波器硬件实施方式(I)虚拟示波器硬件由信号调理、A/D转换、并行数据处理、触发电路、总线接口通信等五部分组成。整个示波器板卡采用FPGA+51单片机作为总体控制，其中FPGA完成大规模数据的交换存储以及单元电路控制，51单片机完成总线通信和系统初始化配置。(2)信号调理�？榈娜挝袷峭瓿啥阅Ｄ馐淙胄藕诺牡骼恚源笮藕沤兴ゼ�、小信号直通或进行放大，使其满足AD转换器对输入信号的要求，包括高阻哀减、阻抗变换和差分变换三个部分。不波器对输入信号电压范围有一定要求，本设计要求为50Vpp,而A/D转换电路使用的AD9288芯片输入电压范围为lVpp，因而需要衰减电路。本发明选用补偿式分压器减弱高频寄生电容对电路性能的影响，该分压电路工作频率为IHz 10MHz，满足系统要求。阻抗变换电路选用TI公司宽带高速放大器0PA657实现，通过电压跟随，增大系统输入阻抗，满足系统对输入阻抗的要求。差分变换选用ADI公司低失真差分ADC驱动放大器AD8138ARZ,实现单端信号输入,双端差分信号输出，作为AD的输入信号,对共模干扰和电磁干扰具有很好的抑制能力，增加系统稳定性和准确性。(3) A/D转换�？椴捎盟ǖ啦⑿胁裳际醮锏交竦盟恫裳实哪康�。本发明选用两块ADI公司的AD9288BST-100作为板卡的核心转换芯片，每片AD9288有两个通道，分别获得与采样时钟频率等量的数据，两个通道的时钟相差180度，将两个通道的数据统一存储，实现两倍于采样时钟频率的数据采集。AD9288的最高采样速率为I00MSPS，通过并行采样可以实现最高为200MSPS的采样率。采样率控制由FPGA内部实现，2分频器和5分频器结合可以实现4分频及10分频，共设计出20种可选频率。(4)总线接口通信�？槭荘C机与�？榛瞧鹘换恍畔⒌慕涌冢痉⒚鞯氖静ㄆ骺ㄖ饕怯險SB控制卡交换信息，包括传送分析指令和初始化操作，由单片机部分和FPGA两部分实现。单片机选用Atmel公司的AT89S52，完成指令的传送解析以及初始状态配置，同时对交直流耦合继电器进行控制。FPGA选用Altera公司的Cyclone II系列EP2C5Q208C8，主要有IDT7130和MCU译码器两部分实现通信功能。IDT7130是双口 RAM，具有中断仲裁电路和2个中断输出引脚，实现FPGA与单片机通信，获取指令和信息；MCU译码器是单片机和FPGA的接，将指令编码通过地址总线和数据总线发送到FPGA，通过MCU译码器，将指令翻译为FPGA可以识别的命令，以控制相应单元电路工作。(5)并行数据处理�？榘‵IFO、数据选择器及平滑滤波器三个部分内容。FIFO是一种先入先出型数据缓存器，用于不同时钟域之间的数据传输。并行采样技术单位时间采到的数据是单通道时的两倍，数据要统一放入FIFO。数据选择器时钟频率为采样时钟频率的两倍，对时钟频率上升沿进行计数，奇数时存储A通道数据，偶数时存储B通道数据，从而实现数据的统一存储。两个通道的数据统一存入FIFO中时，增加一个同步时钟，在时钟上升沿统一存储，以减小误码率。平滑滤波器对系统数据进行必要的滤波，解决数据传送存储过程中可能会出现错码和乱码，同时降低系统噪声的影响，以使最终的波形能够更加平滑。滤波器将传送进来的4组数据求和后，输出平均值作为最终数据输出。减小异常数据对结果的影响，实现使波形更加平滑的效果。
(6)触发电路控制每次采集的起始位置，使用户观察到稳定的波形。通道信号或外触发信号通过一个多路选择器，由微处理器选择一路作为触发信号源，再通过信号整形电路输入给FPGA，进行时序控制。虚拟示波器软件实施方式�？榛槟獾缱硬饬恳瞧魅碛布愦谓峁鼓Ｐ腿缤�8，虚拟示波器软件流程图如图9，虚拟示波器数据采集模块程序框图如图10，LabVIEW前面板如图11所示。(I)系统通过动态链接库将与仪器有关的1/0操作都封装成函数形式提供给应用程序。(2)系统应用软件采用LabVIEW图形化编程语言，运用模块化设计思想编写，每个功能由一个�？橥瓿桑饕úㄐ蜗允静糠�、数据处理部分、触发控制部分、幅值控制部分、时基控制部分、加窗滤波控制部分。(3)波形显示部分在波形显示部分设计了一个波形显示控件，控件中X轴代表数据的时间，Y轴代表测量数据点的数值大小。通过波形显示控件自带的控制模板，不但可以快捷的调准控件的外观，还可以在程序运行中实现波形动态调准，如放大缩小或移动显示的波形。同时具有自动设置功能，点击自动设置可以方便的显示信号的幅值、频率。(4)数据处理部分在该部分可对测量信号进行频谱分析和参数测量，可测得电压、周期、频率等多个参数。一个通道选择按钮，用于选择对哪个通道波形进行显示。(5)触发控制部分该部分包括一个触发源控制按钮，触发源主要有通道A、通道B。触发模式有软件触发、硬件触发。(6)幅值控制部分该部分用于控制输入波形的幅值，用户可以通过旋转控件的按钮选择不同的信号幅值，有如下几种情况Iv/div、2v/div、5v/div.
(7)时基控制部分该部分用于控制输入波形的扫描率，用户可通过旋转按钮的控件来选择不同的扫描率，有如下几种可选的扫描率5ms/div、IOms/div、20ms/div.(8)加窗滤波控制部分该部分显示了对需要进行加窗、滤波的波形分析，可以通过单击控件的按钮选择窗函数和滤波函数。窗函数包括None、Hanning、Hamming、Blackman-Harris 等，滤波函数包括 Bessel、Chebyshev、Butterworth 等。(9) LabVIEW 提供 CLF(Call Library Function,调用库函数)结点和 CIN(CodeInterface Nod，代码接口)结点实现和总线器件的接口程序通信。首先运行PC机上的LabVIEff平台，在对各控件赋值后调用动态链接库实现和USB控制器的通信，控制示波器板卡，开始采集数据，直到判断采集是否停止，调用各子�？槎孕藕沤邢允竞褪荽恚谕瓿缮鲜龃砗蠖圆杉绞礁次唬麓尾杉鲎急�。(10)虚拟示波器前面板用于设置输入数值和观察输出量，主窗体主要分为显示区和控制区，在显示区设计了一个显示控件，可以显示2个信号波形，在控件中X轴代表数据的时间，Y轴表示测量的数据的值的大�。诳刂魄械男藕欧悼刂撇糠趾褪被刂撇糠郑没Э赏üシ奖愕亩允淙胄藕挪ㄐ蔚姆群蜕杪式械髡谄灯追治隹刂撇糠挚梢远圆饬康男藕沤衅灯追治觯诩哟奥瞬ǹ刂撇糠郑没Э梢缘セ靼磁ダ囱≡翊昂吐瞬ê昂∟one、Hanning、Hamming、Blackman-Harris等。
权利要求
1.本技术发明的体系结构是一种以计算机为基础平台，基于“虚拟电子测量仪器集成系统”总线VIIS-EM，由系统控制器控制，用软件方法生成的虚拟示波器，是“虚拟电子测量仪器集成系统”的�？榛瞧髦唬涞缱酉低秤布峁故荲IIS-EM总线之上的板卡。
2.本发明以虚拟仪器技术作为示波器的设计思想和技术解决方案，改变了传统硬件化示波器的整体设计思路，实现了是一种完全意义上的以软件为核心的电子测量仪器。由软件来实现仪器的测试功能，在系统硬件不变的情况下，可以通过更改程序流程的方法实现示波器不同的测试功能，实现软件的可重构，技术成本大大降低。
3.本发明通过FPGA编程实现示波器�？榈挠布δ埽浞掷昧薋PGA的内部资源，将双口 RAM、采样率控制、数据存储器、增益控制等逻辑电路都集成在一片FPGA内部，可以通过更改程序来改变FPGA部分的硬件功能，实现虚拟示波器硬件的可重构，提高示波器的性倉泛。
4.采样率为示波器最关心的指标之一，本发明通过并行采样技术，将输入信号同时送入2个通道，两块A/D转换器按照各自的采样时钟工作，整个系统的采样率为2片A/D采样率的总和，达到了双倍采样率的目的，最高采样率达到200MSPS。
5.本发明驱动程序是通过动态链接库将与仪器有关的I/O操作都封装成函数形式提供给应用程序，将信号源参数传递给USB控制器，实现和硬件的通信。
6.本发明应用软件部分采用图形化虚拟仪器软件LabVIEW开发，主要完成信号的数据采集与控制、数据文件存储和读取、信号处理与分析。采用模块化设计思想编写，每个功能由一个模块完成，包括波形显示、数据处理、触发控制、幅值控制、时基控制、频谱分析控制、加窗滤波控制等。
全文摘要
本发明是以虚拟仪器技术作为解决方案，基于虚拟电子测量仪器集成系统总线VIIS-EM和系统控制器而设计的一种示波器。硬件结构是VIIS-EM总线之上的一个板卡，承担信号采集任务，包括信号调理、AD转换、并行数据处理、触发电路、总线接口通信等�？椋浞掷昧薋PGA内部资源，技术成本降低，仪器性能提高。软件包括仪器驱动程序和上层应用软件，驱动程序实现计算机对物理设备的控制，应用程序包括波形显示、数据处理、触发控制、幅值控制、时基控制、加窗滤波等�？椋迪质静ㄆ鞯牟馐怨δ�。本发明改变了传统硬件化示波器的整体设计思路，是在虚拟电子测量仪器集成系统这样一个人的理念之下的一个独立仪器单元，软件是仪器的核心，并具有良好的可重构性和开放性。
文档编号G01R13/02GK102879622SQ20121036549
公开日2013年1月16日 申请日期2012年9月28日 优先权日2012年9月28日
发明者张秉仁, 林君, 韦建荣, 李冶, 赵吉祥, 宋延辙, 钱述进 申请人:吉林大学
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