基于PXI總線的虛擬數(shù)字存儲示波器軟件設(shè)計

基于微型計算機的虛擬儀器是現(xiàn)代電子測量儀器發(fā)展的重要方向， 其中虛擬數(shù)字存儲示波器是一種應(yīng)用十分廣泛的虛擬儀器。虛擬示波器能充分發(fā)揮和利用計算機的軟硬件資源， 使之成為儀器功能的組成部分， 比如： 利用計算機的圖形界面完成對虛擬控制和顯示面板的定義; 利用計算機的存儲及文件功能完成對信號的記憶、存儲和回顯; 利用計算機的數(shù)據(jù)處理及控制能力完成對數(shù)據(jù)的采集、傳送、分析處理和顯示等。PXI 總線是最新一代的測試總線技術(shù)， 是PCI 總線在測試領(lǐng)域的擴展，于1997 年被美國NI 公司首次提出， 并于次年被采用為工業(yè)標準。PXI 總線可簡單地認為是Micorosoft Windows、Compact PCI（CPCI） 和VXI 技術(shù)的綜合： 機械規(guī)范方面采用CPCI 的核心技術(shù)， 即歐式插卡機械機構(gòu)和氣密式針孔接頭， 特別適用于惡劣的工業(yè)環(huán)境; 電氣規(guī)范方面在保持了PCI/CPCI 總線所有優(yōu)點的前提下增加了專門的系統(tǒng)參考時鐘、觸發(fā)總線、星形觸發(fā)總線和模塊間的局部總線， 以此來滿足高精度的定時、同步與數(shù)據(jù)通信要求?；诖耍?本文采用PXI總線， 利用現(xiàn)有的PXI 工控機及高速數(shù)據(jù)采集板，設(shè)計了基于PXI 總線的虛擬數(shù)字存儲示波器軟件。

1 硬件結(jié)構(gòu)

虛擬示波器的結(jié)構(gòu)組成如圖1 所示， 它由預(yù)處理電路、AD 轉(zhuǎn)換電路、SDRAM、高頻時鐘及時序產(chǎn)生電路、觸發(fā)電路和FPGA［3］芯片、及邏輯控制器組成。待測信號經(jīng)測試探頭輸入預(yù)處理電路， 實際被測信號的幅值變化范圍可能從數(shù)毫伏到上百伏， 預(yù)處理電路的作用就是對其進行放大或衰減調(diào)理， 使之適應(yīng)A/D 轉(zhuǎn)換器的輸入需求。A/D 轉(zhuǎn)換電路負責將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量， 在數(shù)據(jù)采集模式下， 轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量在SDRAM 控制器的控制下， 被依次寫入128MB SDRAM。在示波模式下， 數(shù)字量通過FPGA內(nèi)部的FIFO 通過PXI 總線被CPU 讀入、處理、顯示。本示波器的兩路輸入信號共用同一A/D 轉(zhuǎn)換電路， 因此在A/D 轉(zhuǎn)換前加了高速雙路選擇器， 通過快速切換完成兩路信號的數(shù)據(jù)采集。這里的PXI 總線可以實現(xiàn)示波器與PC 機主板間的數(shù)據(jù)傳輸。整個板卡是在高度穩(wěn)定的時鐘控制下， 進行有序地工作， 這一時鐘是高頻時鐘發(fā)生器產(chǎn)生的。

2 電路設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 預(yù)處理電路

數(shù)據(jù)采集電路的核心是A/D 轉(zhuǎn)換器， 而高速A/D芯片允許的輸入信號范圍一般是固定的（ 如- 0.5～0.5V） 。預(yù)處理電路結(jié)構(gòu)如圖2 所示， 其作用是對小信號進行放大， 對大信號進行衰減， 以保證足夠的動態(tài)范圍。同時， 為了不給被測信號帶來影響， 它還具有較高的輸入阻抗。預(yù)處理電路由衰減網(wǎng)絡(luò)、阻抗變換、主放大、偏置調(diào)節(jié)、驅(qū)動放大等組成。這里衰減網(wǎng)絡(luò)由繼電器控制， 完成10 倍、100 倍衰減。主放大器選用寬頻帶運算放大器AD8056， 該芯片的主要特性是： 300MHz 帶寬（ - 3dBBandwidth， G=+1） 。采用負反饋放大方式， 與繼電器相配合完成1、2、5 倍放大。實際阻抗變換電路中也包含一片AD8056， 主要用作跟隨器， 起隔離作用。驅(qū)動放大電路采用AD 公司的AD8138， 該放大器具有較寬的模擬帶寬（ 320MHz， - 3dB， G=+1） ， 而且可以實現(xiàn)將單端輸入信號變成差分輸出的功能。這一變換在高速的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路中非常有用， 因為幾乎所有的高速AD 芯片的模擬輸入端都為差分信號， 雖然部分芯片的手冊中提到也可使用單端信號， 但這樣會使AD 轉(zhuǎn)換結(jié)果的二次諧波增大， 降低系統(tǒng)的信噪比（ SNR） 。AD8138 很好地解決了這個問題， 可以非常容易地將用戶端的單端信號轉(zhuǎn)換成差分輸出而不必使用變壓器耦合， 大大精簡了電路結(jié)構(gòu)。偏置調(diào)節(jié)電平由DAC 輸出， 并由計算機程控調(diào)節(jié)。

2.2 AD 轉(zhuǎn)換電路

該模塊采用了AD 公司的高速、低功耗、同步采樣模/數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7677， 它采用+5V 工作電壓，AD7677 采用具有94dB 共模抑制能力的差分輸入通道， 將其Ref 引腳與IN- 引腳接到一起， 為差分電路提供2.5V 的參考電壓。這里模擬量采用單端輸入， 將IN- 端接共模電壓2.5V， IN+端接前端信號調(diào)理模塊的輸出。AD7677 的時鐘信號由外部提供， 最高采樣頻率可達1M/S。將COVST 引腳置低電平， 時鐘信號下降沿觸發(fā)， A/D 開始轉(zhuǎn)換， 轉(zhuǎn)換完成后產(chǎn)生轉(zhuǎn)換結(jié)束信號EOC。將AD7677 的COVST 引腳接高電平， 使轉(zhuǎn)換結(jié)果以16 位的方式輸出。輸出至FPGA， 存入同步動態(tài)存儲器。AD7677 轉(zhuǎn)換電路如圖3 所示。

2.3 實時時鐘

DS1302 是一種高性能， 低功耗， 帶RAM的實時時鐘芯片， 它可以對年、月、日、周日、時、分、秒進行計時， 且具有閏年補償功能， 工作電壓寬達2.5～5.5V， 采用三線接口與CPU 進行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個字節(jié)的時鐘信

號或RAM數(shù)據(jù)。在一個采樣周期內(nèi)， 當輸入數(shù)據(jù)全部采樣完畢后， FPGA 讀取DS1302 中的時間值， 并進行存儲DS1302 的SCLK、RST、I/O 口分別與MEGA64 的I/O 相連進行串行通訊， 實現(xiàn)對采樣時間的記錄。

2.4 SDRAM

SDRAM的特點是存儲容量大、速度快， 被廣泛應(yīng)用于計算機內(nèi)存條上。本示波器選用四片32MB同步動態(tài)存儲器HY57V56820T 作為在線存儲器。SDRAM控制器的作用是以100MHz 的速率將A/D芯片輸出的數(shù)據(jù)正確寫入四片HY57V56820T 中，同時負責將其中已存好的數(shù)據(jù)正確讀出， 通過PXI總線再送到計算機內(nèi)存。另外還負責SDRAM刷新。在數(shù)據(jù)采集模式下， 示波器能以100Mb/s 的速度將AD 轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)據(jù)實時存入SDRAM， 數(shù)據(jù)采集過程是先由模塊上的SDRAM實時接收數(shù)據(jù)， 再由PXI 總線傳遞到計算機內(nèi)存。實際電路中SDRAM控制器是在FPGA 芯片上用VHDL 編程實現(xiàn)的。圖4 為其讀寫狀態(tài)機。

3 軟件結(jié)構(gòu)

虛擬儀器作為21 世紀的儀器， 具有編程靈活、可自定義、數(shù)據(jù)處理和分析功能強大、開發(fā)周期短等優(yōu)點， 推動著測控技術(shù)的革命， 在遠程控制方面有廣闊的應(yīng)用前景。LabWindows/CVI是美國NI 公司利用虛擬儀器技術(shù) 開發(fā)的32位面向計算機測控領(lǐng)域虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺， 代表著當今虛擬測控的發(fā)展趨勢， 它最大的特色是提供了功能強大的庫函數(shù)［5］， 其中包括：用戶界面庫函數(shù)， 高級數(shù)據(jù)分析庫函數(shù)， 數(shù)據(jù)采集，DDE， ActiveX 及TCP/IP 庫函數(shù)等， 可以實現(xiàn)滿意的控制效果和仿真結(jié)果。本設(shè)計采用LabWindows/CVI， 充分運用高級數(shù)據(jù)分析庫函數(shù)等高級編程技術(shù)對軟件進行模塊化設(shè)計［6］。虛擬示波器軟件結(jié)構(gòu)如圖5 所示。系統(tǒng)自檢與初始化模塊主要完成系統(tǒng)硬件故障診斷、端口初始化等操作。時基控制主要控制采集卡掃描率、通道掃描次數(shù)（ 取樣數(shù)） ; 觸發(fā)控制包括觸發(fā)電平控制、觸發(fā)模式、觸發(fā)斜坡等; 通道控制主要控制單通道或雙通道測量; 數(shù)據(jù)采集模塊主要完成數(shù)據(jù)采集的控制， 包括觸發(fā)控制、通道控制、時基控制等。其中， 參數(shù)測量模塊包括電壓參數(shù)和頻率、周期等時間參數(shù)的測量， 并顯示測量結(jié)果。頻譜分析模塊采用FFT 算法， 完成頻域信號分析。

4 軟件設(shè)計

示波器主面板如圖6 所示。當面板上“電源開關(guān)”鍵打開后， 調(diào)用驅(qū)動程序開始數(shù)據(jù)采集過程， 首先要根據(jù)觸發(fā)通道的不同和觸發(fā)方式的不同， 選取不同的數(shù)據(jù)采集方式， 同時根據(jù)用戶設(shè)置的觸發(fā)電平和觸發(fā)位置的不同也應(yīng)該選擇采集不同時間段的被測數(shù)據(jù)。得到的數(shù)據(jù)在送顯示之前， 采集回來的波形數(shù)據(jù)根據(jù)需要可能還要經(jīng)過一定的處理， 如平滑、插值、防抖等。由于示波器的數(shù)字存儲功能、實時采樣特點， 以及其單次觸發(fā)、滾動顯示、自動時基量程、波形停留、自動光標測量等特點， 決定了此部分程序模塊時序復(fù)雜、分支頗多， 是設(shè)計和調(diào)試的重點。

5 結(jié)語

本文所述虛擬數(shù)字存儲示波器技術(shù)已運用在某自動測試系統(tǒng)中， 其實現(xiàn)的示波器可雙通道同時工作于100MHz 采樣頻率， 檢測輸入范圍在10mV～100V 的信號（ 靈敏度為10mV） 。該自動測試系統(tǒng)基于測試領(lǐng)域最先進的PXI 總線技術(shù)， 體積小巧、使用方便、抗干擾能力強， 能滿足軍用研究所、基地維修中心等需要。