基于虛擬儀器技術(shù)頻率特性測試儀的設(shè)計(jì)_圖文

1、2010年 第10期儀表技術(shù)與傳感器Instru m ent T echni queand Senso r 2010 N o 10基于虛擬儀器技術(shù)頻率特性測試儀的設(shè)計(jì)宗榮芳, 張重雄12(1. 淮海工學(xué)院電子工程學(xué)院, 江蘇連云港 222005; 2. 南京理工大學(xué)電光學(xué)院, 江蘇南京 210094摘要:文中基于 虛擬儀器 的思想提出了虛擬頻率特性測試儀的設(shè)計(jì)方法, 該系統(tǒng)主要包括掃頻信號產(chǎn)生與控制、數(shù)據(jù)采集和頻率特性分析3個(gè)模塊。其中DD S 信號源部分采用FPGA 與M C U 相結(jié)合的方法進(jìn)行設(shè)計(jì), 數(shù)據(jù)采集部分基于PX I 總線的方式進(jìn)行采集, 頻率特性分析部分利用軟件Lab V I

2、E W 的強(qiáng)大分析功能進(jìn)行設(shè)計(jì)。最后, 給出低通RC 網(wǎng)絡(luò)的測試實(shí)例, 從而證明該設(shè)計(jì)的可行性。關(guān)鍵詞:虛擬儀器; 直接數(shù)字頻率合成; PX I ; 數(shù)據(jù)采集; 頻率特性中圖分類號:T P391. 9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號: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 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)基于虛擬儀器技術(shù)的頻率特性儀是以PC 機(jī)為核心, 以L abV IE W 為軟件開發(fā)平臺, 配以硬件接口電路構(gòu)成整個(gè)儀器。頻率特性測試儀結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。D i g ita l F requency Synthes i ze r 。2 DDS 掃頻信號源DDS 掃頻信號源(簡稱頻率源 的實(shí)現(xiàn)主要有3種方案:采用專用DDS 芯片; 采用低頻正弦波DDS 單片電路; 基于FPGA 和單片機(jī)電路設(shè)計(jì)。前2種方

8、案實(shí)現(xiàn)的功能較多, 但控制方式卻是固定的, 而采用自行設(shè)計(jì)方案可利用FPGA 功能, 實(shí)用性強(qiáng)。系統(tǒng)采用的是FPGA 與M CU 相結(jié)合的自行設(shè)計(jì)方案。2 1 DD S 掃頻信號源硬件電路設(shè)計(jì)掃頻源部分硬件電路組成如圖2 所示。圖1 虛擬頻率特性測試儀的組成框圖主要設(shè)計(jì)任務(wù)是DD S 掃頻信號的發(fā)生及以計(jì)算機(jī)為核心的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理的設(shè)計(jì)。掃頻信號源(簡稱頻率源 是掃頻儀的重要部件, 主要用于產(chǎn)生測試用正弦掃頻信號, 其掃頻范圍應(yīng)是可調(diào)的, 掃頻規(guī)律是線性的或?qū)?shù)的, 掃頻信號的幅度應(yīng)是等幅的。頻率源的性能直接影響著掃頻儀的性能好壞。掃頻信號源主要有3種頻率合成的方法:直接合成法、間接合成法

9、(也就是鎖相合成法 和直接數(shù)字頻率合成法(D irec t圖2 掃頻信號源電路框圖其中AT89S52與一些外圍電路組成控制電路部分, 所需信號由V I 的數(shù)字I /O口提供, 如起始頻率、結(jié)束頻率、步長、波形等參數(shù)。FPGA 為DD S 信號生成部分, 根據(jù)M CU 提供的頻率控制字進(jìn)行內(nèi)部處理, 生成波形數(shù)據(jù)。信號經(jīng)DAC0832轉(zhuǎn)換, 后通過兩級運(yùn)放324將其轉(zhuǎn)換為雙極性的輸出電壓, 輸出范圍收稿日期: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 , 最終經(jīng)

10、2階巴特沃斯低通濾波器輸出DDS 掃頻信號。2 2 DD S 掃頻信號源軟件電路設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)主要包括FPGA 和單片機(jī)2部分。FPGA 主要完成相位累加的運(yùn)算及存儲、存儲si n 波形等功能, 程序框圖如圖3所示。其中CmdC tr1模塊主要實(shí)現(xiàn)對輸入相位信號的控制; m a i nctr1模塊主要實(shí)現(xiàn)相位的累加及寄存; phasero m 1主要實(shí)現(xiàn)相位-幅度的轉(zhuǎn)換, 通過查詢ROM 表輸出相應(yīng)的數(shù)據(jù), 設(shè)計(jì)過程調(diào)用了模型l pm _rom _component , 加載文件為pr . m i, f 最后輸出波形數(shù)據(jù)da_out7. 0 。圖5 單片機(jī)設(shè)計(jì)主要流程圖數(shù)據(jù)采集卡、配件TB -2

11、705等。系統(tǒng)采用傳統(tǒng)N I-DAQ, 選擇P roperties . . 彈出配置對話框, Syste m 對話框中將設(shè)備編號De v i ce 設(shè)為4; 模擬輸入A I 對話框中P olar ity 屬性值為-10 0+10 0, M ode 屬性值為D ifferential(差分輸入; 模擬輸出AO 屬性值設(shè)為B i po l ar (雙極性; 附件A ccessory 屬性值設(shè)為TB -2705 。圖3 FPG A 程序設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)中, 11位相位值, 取高8位做ROM 的地址, 由C m dCtr1完成單片機(jī)與FPGA 的通信, DC 、M h 為控制信號, PCS 為邊沿時(shí)鐘, DC

12、 為1且M h 為0時(shí), P 0的值送給相位值的低8位, DC 為1且M h 為1時(shí), P0的低3位送給相位值的高3位, P0的高5位送給步進(jìn)一次的時(shí)間間隔值D iv . 時(shí)序仿真結(jié)果如圖4所示, DC=1、M h=0時(shí), M data 7. 0=(34 H , DC =1, M h =1時(shí)M da ta7. . 0=(3E H , P HA SE 10. . 0=11000110100, D I V 4. . 0=00111, 輸出波形數(shù)據(jù)da_out7. . 0=(198 D, 此數(shù)據(jù)輸出期間對應(yīng)cl k 時(shí)鐘的數(shù)目為14 個(gè)。圖6 產(chǎn)生的DDS 信號3 2 數(shù)據(jù)采集及分析處理模塊數(shù)據(jù)采集

13、部分主要設(shè)置控制面板, 通過D i g ita l I /OP ort . v i 端口將中斷信號和頻率有關(guān)參數(shù)送至單片機(jī)相應(yīng)端口, 表1給出按鍵與數(shù)字I/O輸出值之間的對應(yīng)關(guān)系。其中D I O 0-D I O 3與單片機(jī)P2. 0-P2. 3口相連, D IO4與P3. 2相連, 當(dāng)D I O 4=1時(shí)開中斷, D I O 0-D I O 3鍵值送至單片機(jī)。數(shù)據(jù)采集控制程序框圖如圖7所示。表1 按鍵與數(shù)字I /O輸出值關(guān)系對應(yīng)表按鍵01234567D igit al I/O00000001001000110100010101100111按鍵89正弦波復(fù)位設(shè)置掃頻模式對數(shù)線性D i g it

14、al I/O10001001101010111100110111101111圖4 FPGA 設(shè)計(jì)仿真結(jié)果單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)模塊主要完成控制命令分析和菜單信息顯示控制等功能。單片機(jī)首先從V I 數(shù)字I /O口獲取相關(guān)參數(shù), 如起始頻率、結(jié)束頻率、步長、掃頻方式等, 程序運(yùn)行, 設(shè)置頻率控制字的轉(zhuǎn)換及傳送頻率的步進(jìn)值, 同時(shí)驅(qū)動(dòng)LCD 顯示初始界面, 然后進(jìn)行分析和菜單信息顯示控制, 將要生成波形的參數(shù)數(shù)據(jù)送入FPGA 芯片, 啟動(dòng)FPGA 芯片。其主要設(shè)計(jì)流程如圖5所示。在虛擬儀器界面中依次按鍵進(jìn)行頻率設(shè)置, 當(dāng)程序中斷信號I NT0開中斷, 程序運(yùn)行輸出波形, 圖6為系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)通過示波器觀察到的D

15、D S 信號波形。3 數(shù)據(jù)采集及分析3 1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)配置該部分選擇基于PX I 總線的方式進(jìn)行設(shè)計(jì), 主要包括N I PX I-1042機(jī)箱、N I PX I-8330控制器、N I PX I-6070E 多功 能數(shù)據(jù)采集卡的一個(gè)通道采集待測網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)信號, 同時(shí)另一通道采集待測網(wǎng)絡(luò)的激勵(lì)信號。兩通道數(shù)據(jù)經(jīng)Index A rray V I 把它分離為2個(gè)單獨(dú)的w ave for m 后, 利用Amp litude Spec tru m and Phase Spectrum V I 分別求出幅值和相位, 再求出幅值之比和相位之差; 最后做進(jìn)一步處理, 以保證其在主值區(qū)間內(nèi)。(下轉(zhuǎn)第41頁第1

16、0期陳婷等:工業(yè)控制W SN 匯聚節(jié)點(diǎn)可靠性設(shè)計(jì)41圖5 匯聚節(jié)點(diǎn)工作流程空航天大學(xué)出版社, 2002.3 胡大可. M SP430系列單片機(jī)C 語言程序設(shè)計(jì)與開發(fā). 北京:北京航空航天大學(xué)出版社, 2005.4 孫亭, 楊永田, 李立宏. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀. 電子技術(shù)應(yīng)用, 2006(6:1-5.5 尹勇, 龍毅宏. 嵌入式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì). 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版, 2006, 28(3:107-109.6 汪華章. 基于M SP430的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計(jì). 西南民族大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版, 2009, 35(4:817-820.作者簡介:陳婷(1985! , 碩士研

17、究生, 主要從事網(wǎng)絡(luò)可靠性研究。E ma i :l c h enti ng4466yahoo . co m. cn(上接第38頁 圖7 數(shù)據(jù)采集控制程序框圖實(shí)驗(yàn)測試過程中, 設(shè)起始頻率為10H z , 結(jié)束頻率為5000H z , 步長為100H z , 信號幅值為5V. 圖8為低通濾波電路頻率特性測試結(jié)果, 其中被測網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)是R =15k , C =10nF , 截止頻率大小為1061 6H z . 仔細(xì)觀察圖8, 符合低通RC 網(wǎng)絡(luò)的頻率特性, 測試結(jié)果基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。4 結(jié)束語文中基于高速PX I 總線, 通過硬件和軟件的有機(jī)結(jié)合, 實(shí)現(xiàn)虛擬頻率特性測試儀的設(shè)計(jì), 最后通過對實(shí)際RC 低通網(wǎng)絡(luò)電路的測試驗(yàn)證該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)在于將DDS 軟件化, 使波形、頻率和相位等控制更加容易; 其次, 在于測試頻率特性的虛擬化, 充分利用L ab V I E W 直觀簡便的編程方式, 硬件電路大大簡化。該儀器不僅能在顯示器上顯示幅頻特性和相頻特性, 而且還可通過打印機(jī)打印出響應(yīng)曲線和數(shù)據(jù), 形象直觀, 操作簡單, 可靠性高, 為儀器儀表的設(shè)計(jì)提 供參考文獻(xiàn):1 侯國屏, 王坤, 葉齊鑫. LabV I EW 7. 1編程與虛擬儀器設(shè)計(jì). 北京