基于虚拟仪器技术频率特性测试仪的设计_图文

1、2010年 第10期仪表技术与传感器Instru m ent T echni queand Senso r 2010 N o 10基于虚拟仪器技术频率特性测试仪的设计宗荣芳, 张重雄12(1. 淮海工学院电子工程学院, 江苏连云港 222005; 2. 南京理工大学电光学院, 江苏南京 210094摘要:文中基于 虚拟仪器 的思想提出了虚拟频率特性测试仪的设计方法, 该系统主要包括扫频信号产生与控制、数据采集和频率特性分析3个模块。其中DD S 信号源部分采用FPGA 与M C U 相结合的方法进行设计, 数据采集部分基于PX I 总线的方式进行采集, 频率特性分析部分利用软件Lab V I

2、E W 的强大分析功能进行设计。最后, 给出低通RC 网络的测试实例, 从而证明该设计的可行性。关键词:虚拟仪器; 直接数字频率合成; PX I ; 数据采集; 频率特性中图分类号:T P391. 9 文献标识码:A 文章编号:1002-1841(2010 10-0037-02D esign of Frequency Characteristic testingInstru m ent Based on VI T echno l ogyZONG R ong fang 1, ZHANG Chong x i ong 2(1. D epart m en t of E l ec tr i c Engi

3、 n eeri n g , H uaihai In stitute of T echno l ogy , L i anyun gang 222005, Ch ina ; 2School of E lec tron ic Eng i neering and Op toelectron ic Techniques , Nan ji ng Un iversity of S cien ce &T echnology , Nan ji n 210094, Ch inaAb stract :V irt ua l Instrument(V I i s one o f the newest deve l op

4、 m ent or i entati on of instru m ent . It beco m es t he i m po rtant field of infor m ati on techno l ogy . T h i s pape r presented f o r w ard a me t hod to des i gn v irtual frequency cha racter istic testi ng m eter based on V irtua l Instrum ent idea . It discusses t he des i gn o f the frequ

5、ency charac teristi c test me ter fro m so ft w are and hard w are aspects i n de tai. l T he syste m i ncl uded t he three m odu l es such as DDS si gna l produced and contro ll ed , data acquisiti on and frequency charac te ristic ana l ys i s . There i nto DD S w as realized by the m ethod o f co

6、mb i n i ng FPGA w it h M C U. T hen it i ntroduced the data acqu isiti on based on PX I bus and frequency character i sti c analysis by so ft ware L ab V I E W. F i na ll y th i s paper prov i ded the examp l e of testi ng the l ow pass RC c ircu it ; constantl y it proves th i s design is feasi b

7、ili ty . K ey w ords :V I ; DDS ; PX I ; data acquisiti on ; frequency characteristi c 1 系统总体结构基于虚拟仪器技术的频率特性仪是以PC 机为核心, 以L abV IE W 为软件开发平台, 配以硬件接口电路构成整个仪器。频率特性测试仪结构框图如图1 所示。D i g ita l F requency Synthes i ze r 。2 DDS 扫频信号源DDS 扫频信号源(简称频率源 的实现主要有3种方案:采用专用DDS 芯片; 采用低频正弦波DDS 单片电路; 基于FPGA 和单片机电路设计。前2种方

8、案实现的功能较多, 但控制方式却是固定的, 而采用自行设计方案可利用FPGA 功能, 实用性强。系统采用的是FPGA 与M CU 相结合的自行设计方案。2 1 DD S 扫频信号源硬件电路设计扫频源部分硬件电路组成如图2 所示。图1 虚拟频率特性测试仪的组成框图主要设计任务是DD S 扫频信号的发生及以计算机为核心的数据采集和数据处理的设计。扫频信号源(简称频率源 是扫频仪的重要部件, 主要用于产生测试用正弦扫频信号, 其扫频范围应是可调的, 扫频规律是线性的或对数的, 扫频信号的幅度应是等幅的。频率源的性能直接影响着扫频仪的性能好坏。扫频信号源主要有3种频率合成的方法:直接合成法、间接合成法

9、(也就是锁相合成法 和直接数字频率合成法(D irec t图2 扫频信号源电路框图其中AT89S52与一些外围电路组成控制电路部分, 所需信号由V I 的数字I /O口提供, 如起始频率、结束频率、步长、波形等参数。FPGA 为DD S 信号生成部分, 根据M CU 提供的频率控制字进行内部处理, 生成波形数据。信号经DAC0832转换, 后通过两级运放324将其转换为双极性的输出电压, 输出范围收稿日期:2010-03-10 收修改稿日期:2010-05-3138Instru m ent T echnique and Senso rO c t 2010是-V RE F V REF , 最终经

10、2阶巴特沃斯低通滤波器输出DDS 扫频信号。2 2 DD S 扫频信号源软件电路设计软件设计主要包括FPGA 和单片机2部分。FPGA 主要完成相位累加的运算及存储、存储si n 波形等功能, 程序框图如图3所示。其中CmdC tr1模块主要实现对输入相位信号的控制; m a i nctr1模块主要实现相位的累加及寄存; phasero m 1主要实现相位-幅度的转换, 通过查询ROM 表输出相应的数据, 设计过程调用了模型l pm _rom _component , 加载文件为pr . m i, f 最后输出波形数据da_out7. 0 。图5 单片机设计主要流程图数据采集卡、配件TB -2

11、705等。系统采用传统N I-DAQ, 选择P roperties . . 弹出配置对话框, Syste m 对话框中将设备编号De v i ce 设为4; 模拟输入A I 对话框中P olar ity 属性值为-10 0+10 0, M ode 属性值为D ifferential(差分输入; 模拟输出AO 属性值设为B i po l ar (双极性; 附件A ccessory 属性值设为TB -2705 。图3 FPG A 程序设计设计中, 11位相位值, 取高8位做ROM 的地址, 由C m dCtr1完成单片机与FPGA 的通信, DC 、M h 为控制信号, PCS 为边沿时钟, DC

12、 为1且M h 为0时, P 0的值送给相位值的低8位, DC 为1且M h 为1时, P0的低3位送给相位值的高3位, P0的高5位送给步进一次的时间间隔值D iv . 时序仿真结果如图4所示, DC=1、M h=0时, M data 7. 0=(34 H , DC =1, M h =1时M da ta7. . 0=(3E H , P HA SE 10. . 0=11000110100, D I V 4. . 0=00111, 输出波形数据da_out7. . 0=(198 D, 此数据输出期间对应cl k 时钟的数目为14 个。图6 产生的DDS 信号3 2 数据采集及分析处理模块数据采集

13、部分主要设置控制面板, 通过D i g ita l I /OP ort . v i 端口将中断信号和频率有关参数送至单片机相应端口, 表1给出按键与数字I/O输出值之间的对应关系。其中D I O 0-D I O 3与单片机P2. 0-P2. 3口相连, D IO4与P3. 2相连, 当D I O 4=1时开中断, D I O 0-D I O 3键值送至单片机。数据采集控制程序框图如图7所示。表1 按键与数字I /O输出值关系对应表按键01234567D igit al I/O00000001001000110100010101100111按键89正弦波复位设置扫频模式对数线性D i g it

14、al I/O10001001101010111100110111101111图4 FPGA 设计仿真结果单片机软件设计模块主要完成控制命令分析和菜单信息显示控制等功能。单片机首先从V I 数字I /O口获取相关参数, 如起始频率、结束频率、步长、扫频方式等, 程序运行, 设置频率控制字的转换及传送频率的步进值, 同时驱动LCD 显示初始界面, 然后进行分析和菜单信息显示控制, 将要生成波形的参数数据送入FPGA 芯片, 启动FPGA 芯片。其主要设计流程如图5所示。在虚拟仪器界面中依次按键进行频率设置, 当程序中断信号I NT0开中断, 程序运行输出波形, 图6为系统运行时通过示波器观察到的D

15、D S 信号波形。3 数据采集及分析3 1 数据采集系统配置该部分选择基于PX I 总线的方式进行设计, 主要包括N I PX I-1042机箱、N I PX I-8330控制器、N I PX I-6070E 多功 能数据采集卡的一个通道采集待测网络的响应信号, 同时另一通道采集待测网络的激励信号。两通道数据经Index A rray V I 把它分离为2个单独的w ave for m 后, 利用Amp litude Spec tru m and Phase Spectrum V I 分别求出幅值和相位, 再求出幅值之比和相位之差; 最后做进一步处理, 以保证其在主值区间内。(下转第41页第1

16、0期陈婷等:工业控制W SN 汇聚节点可靠性设计41图5 汇聚节点工作流程空航天大学出版社, 2002.3 胡大可. M SP430系列单片机C 语言程序设计与开发. 北京:北京航空航天大学出版社, 2005.4 孙亭, 杨永田, 李立宏. 无线传感器网络技术发展现状. 电子技术应用, 2006(6:1-5.5 尹勇, 龙毅宏. 嵌入式无线传感器网络节点设计. 武汉理工大学学报:自然科学版, 2006, 28(3:107-109.6 汪华章. 基于M SP430的无线数据传输模块设计. 西南民族大学学报:自然科学版, 2009, 35(4:817-820.作者简介:陈婷(1985! , 硕士研

17、究生, 主要从事网络可靠性研究。E ma i :l c h enti ng4466yahoo . co m. cn(上接第38页 图7 数据采集控制程序框图实验测试过程中, 设起始频率为10H z , 结束频率为5000H z , 步长为100H z , 信号幅值为5V. 图8为低通滤波电路频率特性测试结果, 其中被测网络的参数是R =15k , C =10nF , 截止频率大小为1061 6H z . 仔细观察图8, 符合低通RC 网络的频率特性, 测试结果基本达到设计要求。4 结束语文中基于高速PX I 总线, 通过硬件和软件的有机结合, 实现虚拟频率特性测试仪的设计, 最后通过对实际RC 低通网络电路的测试验证该系统设计的可行性。系统设计的创新点在于将DDS 软件化, 使波形、频率和相位等控制更加容易; 其次, 在于测试频率特性的虚拟化, 充分利用L ab V I E W 直观简便的编程方式, 硬件电路大大简化。该仪器不仅能在显示器上显示幅频特性和相频特性, 而且还可通过打印机打印出响应曲线和数据, 形象直观, 操作简单, 可靠性高, 为仪器仪表的设计提 供参考文献:1 侯国屏, 王坤, 叶齐鑫. LabV I EW 7. 1编程与虚拟仪器设计. 北京