一种多功能智能仪器的制作方法

本实用新型属于电子设备领域，尤其涉及一种多功能智能仪器。

背景技术：

现有仪器仪表多为分体设计，如波形信号源、示波器、频谱分析仪等，功能不能集成，功能单一，携带不方便。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种多功能智能仪器，旨在解决现有仪器仪表多为分体设计，功能不能集成，功能单一，携带不方便的问题。

本实用新型是这样实现的，一种多功能智能仪器，所述多功能智能仪器由ARM处理器、可配置输入/输出滤波网络、8-65536点实时FFT、硬件系统控制器、采集控制器、输出/输入波形存储器、0-400MHz正弦波发生器、高速ADC/DAC、多路选择器、输入/输出功率放大器、输入/输出设备、远程访问控制器组成。

所述ARM处理器与输入/输出设备、输入/输出波形存储器、远程访问控制器、硬件系统控制器连接；所述硬件系统控制器与可配置输入/输出滤波器网络、8-65536点实时FFT、采集控制器、多路选择器、0-400MHz正弦波发生器连接。所述可配置输出滤波器网络与所述输出波形存储器连接；所述采集控制器与所述8-65536点实时FFT和所述可配置输入滤波器网络连接；所述可配置输入滤波器网络与所述输入波形存储器和高速ADC连接；所述高速ADC与输入功率放大器连接；所述8-65536点实时FFT与输入波形存储器连接；所述可配置输出滤波器网络与所述输出波形存储器和高速DAC连接；所述多路选择器与高速DAC、0-400MHz正弦波发生器、输出功率放大器连接；。

其中ARM处理器采用Altera公司的Cyclone V系列SoC芯片5CSXF6D6F31(集成了ARM处理器和丰富的可编程逻辑资源)；可配置输入/输出滤波网络、8-65536点实时FFT、硬件系统控制器、采集控制器、输出/输入波形存储器均集成在SoC芯片上，并采用SoC芯片中的FPGA数字电路(这些模块也可选用市面上已有的芯片，但这样做会增加系统成本，而且还会导致ARM处理器和这些模块之间的数据通信带宽受限)；AD转换芯片选用AD9254(提供两路精度为14bit最高采样率250MSPS的AD转换通道)、DA转换芯片选用DAC5672(提供了两路采样率250MSPS精度14bit的DA转换通道)、独立的0-400MHz正弦波发生器基于DDS芯片AD9954(1Gbps采样率)实现；输入/输出波形存储器均选用DDR芯片。

本实用新型的多功能智能仪器，集任意波形信号源、示波器、频谱分析仪于一体，并能够实时完成模拟信号采集、处理、输出，用户通过互联网即可实现远程数据采集和处理，功能全面、采样率高、处理速度快、成本较低、体积较小、携带方便。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的多功能智能仪器的结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的高频正弦波配置过程；

图3是本实用新型实施例提供的任意波形发生器原理框图；

图4是本实用新型实施例提供的数据采集系统原理框图；

图5是本实用新型实施例提供的频谱分析系统原理框图。

图中：1、ARM处理器；2、硬件系统控制器；3、8-65536点实时FFT变换器；4、采集控制器；5、可配置输入滤波网络；6、高速ADC；7、输入功率放大器；8、输入波形存储器；9、输出波形存储器；10、可配置输出滤波网络；11、高速DAC；12、0-400MHz正弦波发生器；13、多路选择器；14、输出功率放大器；15、输入输出设备；16、远程网络访问控制器。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

下面结合附图及具体实施例对本实用新型的结构作详细描述。

请参阅图1：

本实用新型实施例提供的多功能智能仪器，采用SoC架构(ARM处理器+FPGA)实现信号源、示波器、频谱分析仪、虚拟实验室等多种仪器的功能，包括输入通道、输出通道、控制系统三个部分。

所述输出通道由输出波形存储器9、可配置输出滤波网络10、高速DAC11、0-400MHz正弦波发生器12、多路选择器13、输出功率放大器14组成。在控制系统的控制下，输出通道既可以输出0-400MHz的正弦波，也可以输出ARM处理器1在波形存储器9中存储的任意波形。控制系统可以对输出波形的采样率和功率以及输出滤波器的频率响应函数进行动态配置。

所述输入通道由输入功率放大器7、高速ADC6、可配置输入滤波网络5、采集控制器4、8-65536点实时FFT3、输出波形存储器8组成。在控制系统的控制下，输入通道对输入模拟信号进行功率放大、模数转换、滤波、FFT等操作，并将数字采样信号及其频谱写入输出波形存储器供ARM处理器读取。控制系统可以动态配置输入滤波器的频率响应函数、功率放大倍数、信号采集触发条件和采集时长等参数。

所述控制系统由ARM处理器1和硬件系统控制器2构成，可以对输入通道的信号采集处理过程、输出通道的处理过程及相关参数进行动态配置，从而实现示波器、信号源等多种仪器的功能。此外控制系统通过输入和输出通道的联动，可以将输如信号处理和变换后产生新的输出信号，从而可以实现虚拟实验室的功能。

为了实现信号源功能，本实用新型实施例采用DDS频率合成器和数字逻辑电路相结合的方式。本实用新型实施例采用专用DDS频率合成器芯片来产生高频正弦波，其采样率可达到1GSPS，能够产生频率高达400MHz的正弦波信号。控制系统可通过接口对该频率合成器进行控制，进而改变输出正弦波的频率、幅度和相位，配置过程如图2所示。

DDS芯片只能产生正弦波信号，而无法实现任意波形信号的输出。为此，本实用新型实施例采用ARM处理器和硬件逻辑电路相结合的方式来实现此功能，如图3所示。

(1)用户通过ARM处理器产生需要输出的波形信号数据，并将其保存在输出波形存储器中。然后ARM处理器将输出波形存储器中上述波形数据的信息告知输出通道，并控制后者将其从输出波形存储器中输出。

(2)输出通道的数字逻辑电路首先按照ARM处理器的要求将待输出数据从存储器中顺序读出，并通过DAC将其转换成模拟信号输出。输出信号的采样率最高可达200MSPS，用户可通过ARM处理器对其进行动态配置；

(3)在将输出波形转换成模拟信号之前，用户可以采用输出滤波器网络对其进行滤波处理。由于FIR滤波器计算量较大(尤其是当滤波器阶数较高时)，本仪器基于FPGA采用硬件逻辑电路来实现，其阶数和系数皆动态配置，最高阶数可达256阶，系数精度可达24bit。

(4)ARM处理器连续不断地循环写入波形数据，输出通道则不断地读出数据将其输出，从而可以实现无限长任意波形的输出。

为了实现示波器、频谱分析仪等功能，本实用新型实施例提供了对输入模拟信号进行采集、模数转换、FFT变换以及波形存储等功能模块，这些功能是通过ARM、数字逻辑电路、模拟信号处理芯片协同完成。ARM处理器负责采集过程的发起和控制，基于FPGA的数字逻辑电路在ARM处理器的控制下完成AD转换、信号滤波和FFT变换、并根据ARM处理器设定的采集触发条件并将相关波形和频谱数据写入输入波形存储器以供ARM处理器读取。模拟信号采集系统的原理框图如图4所示。

(1)用户可通过ARM处理器调用硬件系统控制器来配置高速DAC的相关参数(如采样率)和过程(启动/停止等)；

(2)ARM处理器能够控制输入滤波器网络对原始采样序列进行预滤波处理，输入滤波器网络的阶数和系数均可通过ARM处理器动态配置。

(3)ARM处理器将待采集信号在输入波形存储的地址空间和长度告知输入通道，后者将采集到的数据写入输入波形存储器以供ARM处理器读取。

(4)ARM处理器可对开始数据采集过程的触发条件(如当波形幅度值大于给定的门限等)进行配置，只有当触发条件满足时系统才开始将采集到的数据写入波形存储器。

为了能够实现实时的高精度频谱分析，本实用新型实施例设计了8-65536点FFT处理器，频谱分析过程的原理框图如图5所示。

(1)ARM处理器可通过硬件系统控制器控制整个输入通道。

(2)ARM处理器能够通过硬件系统控制器设置FFT处理器的变换长度。

(3)FFT处理器的最大变换长度达65536点，在100MHz采样率条件下，频率分辨率可达1500Hz左右。

本实用新型采用基于Linux的操作系统，该操作系统内部集成多种常用网络通信协议(如TCP/IP协议等)，因此具备了网络接入的能力。基于此，本实用新型实现了下属功能：

(1)远程访问控制功能：远程用户通过远程登录该仪器实现远程控制，进而实现远程数据采集和处理

(2)在线更新功能：基于ARM处理器的软件程序和基于FPGA的数字逻辑电路均能够重新配置，用户可通过网络在线更新软件和数字逻辑电路。

本实用新型通过ARM处理器和硬件逻辑电路相结合的方式来实现，由于数据采样率较高，ARM处理器器和数字逻辑电路之间应该具备较大的数据交换带宽。考虑到上述需求，采用Altera公司的Cyclone V系列SoC芯片5CSXF6D6F31来实现。该SoC芯片在同一芯片上继承了双核ARM9处理器和110K的可配置逻辑单元，同时具备51405140Kbit的片内存储器和充足的数字信号处理单元(乘法器等)，为本实用新型的实现提供了充足的资源。数模和模数转换方面，本实用新型的最高输入信号采样率为100MHz，为此选取了型号为AD9254的ADC芯片，该芯片提供了两路精度为14bit最高采样率250MSPS的AD转换通道，很好的满足了本实用新型的设计目标。DAC芯片，本实用新型选择了DAC5672芯片，该芯片提供了两路采样率250MSPS精度14bit的DA转换通道，能够很好地满足本仪器的设计需求。

本实用新型的多功能智能仪器，集任意波形信号源、示波器、频谱分析仪于一体，并能够通过脚本语言编程实现虚拟实验室的功能实时完成模拟信号采集、处理、输出，还提供了网络传输功能，用户通过互联网即可实现远程数据采集和处理，功能全面、采样率高、处理速度快、成本较低、体积较小、携带方便。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。