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閱讀：19發(fā)布時(shí)間：2026-5-27
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的虛擬儀器系統(tǒng)組建方案研析
（本資料由共立、優(yōu)利德 cem、DeltaTRAK區(qū)域總代理—深圳海旭儀器儀表提供）
智能儀器(vi)是計(jì)算機(jī)技術(shù)向測量儀器移植的產(chǎn)物，含有微計(jì)算機(jī)或微處理器的測量儀器。由于它擁有對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、運(yùn)算、邏輯判斷及自動(dòng)化操作等功能，有著智能的作用，因而被稱之為智能儀器。自從“智能儀器”概念產(chǎn)生以來，智能儀器在測量過程自動(dòng)化、測量結(jié)果的數(shù)據(jù)處理及一機(jī)多用（多功能化）等方面已經(jīng)取得了巨大的進(jìn)展，可以說在高準(zhǔn)確度、高性 能、多功能的測量中已經(jīng)很少有不采用智能儀器的了
示波器是電子測量行業(yè)的測量儀數(shù)和波形，在科學(xué)研究、科學(xué)實(shí)驗(yàn)以及現(xiàn)場監(jiān)測等許多領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。隨著科學(xué)研究的不斷深入和各種的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)示波器的諸如波形不穩(wěn)定、測量不準(zhǔn)確等許多缺陷逐漸顯露出來，越來越不能滿足現(xiàn)代應(yīng)用的需要。智能化數(shù)字示波器（亦稱虛擬示波器）不僅可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)示波器的功能，而且具有存儲(chǔ)、再現(xiàn)、分析、處理波形等特點(diǎn)。
本文中，采用了基于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上的虛擬儀器系統(tǒng)組建方案實(shí)現(xiàn)虛擬示波器的功能，使用功能的微型計(jì)算機(jī)來完成信號(hào)的處理和波形的顯示，利用軟件技術(shù)在屏幕上設(shè)計(jì)出方便、逼真的儀器面板，進(jìn)行各種信號(hào)的處理、加工和分析，用各種不同的方式（如數(shù)據(jù)、圖形、圖表等）表示測量結(jié)果，完成各種規(guī)模的測量任務(wù)。（示波器推薦品牌優(yōu)利德）
2、系統(tǒng)設(shè)計(jì)
整個(gè)系統(tǒng)采用高速緩存、局部總線、高速dsp等為主的硬件結(jié)構(gòu)。它包含了一個(gè)完整的數(shù)據(jù)獲取、處理系統(tǒng)，但是它又是具有測試儀器的特色，這主要表現(xiàn)在模擬放大，增益控制和一系列的高速控制電路：局部總線是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心，組成系統(tǒng)的各個(gè)模塊均掛接在局部總線上：高速緩存分為兩路，分別負(fù)責(zé)通信接口和dsp之間的上行和下行通信。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的通信接口可以使用各種方法實(shí)現(xiàn)，如pc計(jì)算機(jī)的i0口、存儲(chǔ)器窗口映射、dma等。在本文中，采用usb接口傳輸技術(shù)，以達(dá)到滿足較高通信速率的目的。在規(guī)定的觸發(fā)條件滿足時(shí)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的高速控制電路啟動(dòng)ad變換器工作，變換后的數(shù)據(jù)在dsp中，dsp根據(jù)pe計(jì)算機(jī)預(yù)先設(shè)置的算法計(jì)算pc計(jì)算機(jī)需要的結(jié)果，存儲(chǔ)于高速緩存中，并通知pe計(jì)算機(jī)來取數(shù)據(jù)，pc計(jì)算機(jī)取出數(shù)據(jù)后，重新啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集，等待觸發(fā)條件的又一次滿足。
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與pe計(jì)算機(jī)的通信協(xié)議為被動(dòng)式協(xié)議。在虛擬儀器系統(tǒng)的硬件模塊中，pc計(jì)算機(jī)完成的功能是提供人機(jī)圖形界面以及控制數(shù)據(jù)采集工作，各種處理算法在dsp中運(yùn)行，pe計(jì)算機(jī)對(duì)采集卡初始化時(shí)除了完成必要的寄存器賦值外，還要為dsp加載運(yùn)行程序。整個(gè)系統(tǒng)使用的主要芯片如下：模／數(shù)轉(zhuǎn)換芯片是ti公司的低價(jià)高速a/d芯片tlc320ad50e：dsp使用ti公司的tms320vc5410定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器：usb芯片是cypress公司的an2131qe；dsp與usb之間的fifo是idt公司的72v02，它有1024個(gè)單元。
2.1模／數(shù)轉(zhuǎn)換部分
tlc320ad50c使用過采樣 (oversampling)的∑△技術(shù)提供從數(shù)字至模擬(d/a)和模擬至數(shù)字(a/d)的高分辨率低速信
號(hào)轉(zhuǎn)換。該器件包括2個(gè)串行的同步轉(zhuǎn)換通道（用于各自的數(shù)據(jù)方向）：在dac之前有一個(gè)插入濾波器(interpolation filter)和adc之后有一個(gè)抽取濾波器(decimationf'ilter)，其它的高級(jí)功能有片內(nèi)時(shí)序和控制，結(jié)構(gòu)在低系統(tǒng)速度和低價(jià)格下產(chǎn)生高分辨率的模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換。在本設(shè)計(jì)中主要用到的是ad50芯片的a/d功能該器件的選項(xiàng)和電路結(jié)構(gòu)可通過串行接口進(jìn)行編程，其選項(xiàng)包括：復(fù)位、掉電、通信協(xié)議、串行時(shí)鐘率、型號(hào)采樣率、增益控制及測試方式等tlc320ad50c的工作范圍方位從O℃～700C。tlc320ad50c的引腳示意圖及其與dsp的硬件連接ad50與dsp芯片的硬件連接。
(2)模／數(shù)轉(zhuǎn)換部分的程序
在本系統(tǒng)中，模擬量信號(hào)經(jīng)過前端處理轉(zhuǎn)換成差分信號(hào)后進(jìn)入tlc320ad50c芯片，ad50根據(jù)輸入信號(hào)的大小值將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并觸發(fā)vc5410芯片來接收。dsp芯片里的程序流程。ad部分程序流程，2dsp部分tms320vc5410基于一個(gè)高級(jí)的改進(jìn)哈佛結(jié)構(gòu)，有一組程序存儲(chǔ)總線和三組數(shù)據(jù)存儲(chǔ)總線。這個(gè)處理器提供一個(gè)高水準(zhǔn)的并行算術(shù)邏輯單元，專用硬件邏輯，片內(nèi)存儲(chǔ)器以及片內(nèi)外設(shè)。它的特點(diǎn)是：
(1)的多線程結(jié)構(gòu)包括三條獨(dú)立的16-位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)總線和一條程序存儲(chǔ)總線；
(2) 40位的算術(shù)邏輯單元：
(3) 17位的并行乘法器，可用來進(jìn)行非流水單周期mac運(yùn)算：
(4)數(shù)據(jù)總線具有總線保持特性：
(5)支持32位長操作數(shù)指令：
(6)單周期定點(diǎn)指令執(zhí)行時(shí)間lOnS。
2.3 usb總線（通用串行總線）usb技術(shù)的提出是基于采用通用連接技術(shù)實(shí)現(xiàn)外設(shè)的簡單快速連接，達(dá)到方便用戶，降低成本，擴(kuò)展pc機(jī) 連接外設(shè)范圍的目的，使pc的功能擴(kuò)展變得非常簡便，并且能地降低用戶對(duì)計(jì)算機(jī)技術(shù)的需求，使所有的外設(shè)均成為所謂的“傻瓜”式設(shè)備。usb的規(guī)范能針對(duì)不同的性能價(jià)格比要求提供不同的選擇，以滿足不同的系統(tǒng)和部件及相應(yīng)不同的功能，主要有以下優(yōu)點(diǎn)：
(1)終端用戶的易用性：
(2)廣泛的應(yīng)用性；
(3)同步傳輸帶寬：
(4)靈活性．
usb技術(shù)具有開放性，是非贏利性的規(guī)范，得到了廣泛的工業(yè)支持。它在數(shù)字圖像、電話語音合成、交互式多媒體、消費(fèi)電子產(chǎn)品等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。
an2131qe和dsp芯片tms320vc5410之間采用fifo(first in first out sram)連接，不用主機(jī)接口(hpi)方式，這樣可以使usb接口芯片和dsp之間的數(shù)據(jù)交換速度超過usb總線的速度，使之不成為數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i，dsp和主機(jī)間的數(shù)據(jù)傳輸速度只受usb協(xié)議限制。由于an2131qe內(nèi)嵌8位8051處理器，所以用兩片fifo實(shí)現(xiàn)usb接口和dsp之間的雙向通信。
2.4上位機(jī)vb應(yīng)用程序
tlc320ad50將輸入的模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并送到dsp芯片tms320vc5410中去：vc5410將數(shù)據(jù)打包，并寫入fifo，通知usb芯片an2131qc來?。篴n2131qe從fifo中讀出數(shù)據(jù)，再送到上位機(jī)，上位機(jī)應(yīng)用程序就是要將這些數(shù)據(jù)接收并通過還原顯示出來。該程序的框圖如圖5所示。該應(yīng)用程序?qū)?yīng)的dsp程序從fif02中讀數(shù)，一旦讀到“a”的acsii碼61h，就將從adc通道接收到的采樣數(shù)據(jù)打包，寫到fifol中，同時(shí)向usb發(fā)出中斷信號(hào)，通知usb到fifol中將數(shù)據(jù)包讀出。這樣就實(shí)現(xiàn)了usb和dsp之間的數(shù)據(jù)交換。
本文現(xiàn)在介紹了基于usb接口的虛擬示波器的設(shè)計(jì)的一部分，這部分并不僅僅局限于虛擬示波器中，它也可以通用于一般的高速數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)中。本系統(tǒng)作為一個(gè)通用平臺(tái)，具有廣闊的應(yīng)用前景。
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