一种基于FPGA和LabVIEW的信号发射与控制系统的制作方法

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一种基于FPGA和LabVIEW的信号发射与控制系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种基于FPGA和LabVIEW的信号发射与控制系统。
【背景技术】
[0002] 在通信技术和光纤传感领域中,往往需要在信号发射机端发出的信号上叠加或者 加载合适的调制信号来对载波信号做相应的调制处理,以便能够在信号接收端接收到按一 定规律变化且方便处理的电信号从而有利于在信号接收端对接收到的各种不同信号做解 调处理以提取出有用信号。而传统的信号发生设备常常由于其体积大且其价格过于昂贵, 加之其功能单一且使用环境受限等因素从而致使其不易广泛推广使用,尤其难于在小型企 业以及各高校教学实验中普及应用。因此,针对传统信号发生设备的上述问题,在确保信号 发生设备能产生任意中低频信号的同时又能在多种不同场合和环境下使用,还能进行个性 化及可视化界面控制操作,同时实现信号发射设备的系统化并大幅度降低设备成本从而推 动相应设备的市场化和普及化显得意义重大。
[0003] 鉴于近年来蓬勃发展的FPGA器件具有低成本、高度集成化与小型化、灵活的接 口方式和控制方式、高速的运算能力和高性能等优势,以FPGA为硬件平台,借助相应的开 发软件来设计各种硬件电路显得更加方便和灵活。此外,结合近年来被广泛推广使用的 LabVIEW图形化开发软件来设计可视化的上位机操作控制界面从而对硬件电路进行操作控 制也更为个性化,同时由于上位机操作控制界面以图形化和界面化为特点,用户容易操作 和使用此类系统化的设备。因此,利用FPGA器件和LabVIEW图形化开发软件设计系统化的 信号发射与控制系统来替代体积庞大而笨重且价格昂贵的传统仪器设备并实现更多的功 能,同时也大幅缩减了相关产品的研发成本,有利于促进此类设备的广泛应用。 【实用新型内容】
[0004] 本实用新型的目的在于克服传统信号发生设备的功能单一、体积庞大、价格昂贵 且使用环境受限等不足,提供一种基于FPGA和LabVIEW的信号发射与控制系统,它具有可 产生任意中低频信号、能同时输出一种脉冲信号、一种DDS信号和直流信号、并且能实现可 视化界面操作控制的功能和优点。
[0005] 本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的:一种基于FPGA和LabVIEW的 信号发射与控制系统包括晶振电路、PLL倍频电路、直流信号产生电路、脉冲信号产生模块、 DDS信号发生模块、D/A转换器、信号滤波及放大电路、USB双向通信线、USB通信模块和 LabVIEW可视化控制界面上位机,晶振电路输出的50MHz基准时钟信号经过PLL倍频电路做 四倍频后输出200MHz的倍频信号,并将此倍频信号同时作为USB通信模块、直流信号产生 电路、脉冲信号产生模块、DDS信号发生模块和D/A转换器的参考输入时钟,PLL倍频电路、 USB通信模块、直流信号产生电路、脉冲信号产生模块和DDS信号发生模块是基于FPGA设计 的,直流信号产生电路、脉冲信号产生模块和DDS信号发生模块三者之间相互独立,DDS信 号发生模块与D/A转换器相连接,直流信号产生电路、脉冲信号产生模块和D/A转换器后面 各连接一个信号滤波及放大电路;
[0006] 所述的FPGA包括PLL倍频电路、直流信号产生电路、脉冲信号产生模块、DDS信号 发生模块和USB通信模块,所述的USB通信模块通过USB双向通信线将FPGA和上位机相连 接并实现FPGA与上位机之间的双向通信。
[0007] -种基于FPGA和LabVIEW的信号发射与控制系统中,所述的上位机由LabVIEW环 境下设计的可视化控制界面通过USB通信模块向FPGA发出信号波形选择指令和波形参数 调节指令使FPGA控制各信号产生模块输出期望的信号波形。
[0008] 所述的LabVIEW可视化控制界面上位机可发出控制指令来控制FPGA所属的直流 信号产生电路输出或停止输出直流电压信号,同时还可通过可视化控制界面的信号参数输 入窗口来输入波形参数从而选择输出单脉冲信号或者双脉冲信号,并可调节当前输出脉冲 信号的脉冲宽度及重复频率,同时也能选择DDS信号的输出波形并能调节当前输出的DDS 信号的频率、相位和幅值。
[0009] 所述的FPGA可同时输出一种脉冲信号、一种DDS信号及直流信号;所述的 LabVIEW可视化控制界面上位机含有三栏波形显示窗和三栏信号参数输入窗,且三栏波形 显示窗均可实时显示当前输出信号的示意波形,上方栏波形显示窗实时显示直流信号波 形,中间栏波形显示窗实时显示脉冲信号示意波形,下方栏波形显示窗实时显示DDS信号 示意波形,上方栏信号参数输入窗用于选择直流信号的通断状态和电压档位参数,中间栏 信号参数输入窗用于选择脉冲信号的类型并输入脉冲信号的脉宽及重复频率参数,下方栏 信号参数输入窗用于选择DDS信号波形并输入DDS信号波形的输出频率、相位和幅值参数。 [0010] 所述的直流信号产生电路输出端所连接的信号滤波及放大电路可将直流信号产 生电路输出的直流信号的电压幅值从0V到16V进行连续调节。
[0011] 本实用新型的有益效果是:(1)可以产生任意的中低频信号,并且可以同时输出 直流电压信号和一种脉冲信号以及一种DDS信号,且三种信号之间相互独立互不影响,用 户可以根据实际需要灵活地选择满足使用要求的信号输出;(2)通过USB双向通信线和USB 通信模块将FPGA和LabVIEW可视化控制界面上位机相连接,从而实现上位机与FPGA之间 的双向通信,上位机可以通过USB双向通信线和USB通信模块向FPGA发出控制指令从而切 换各输出信号的波形并调节各输出信号波形的参数,同时FPGA也能借助USB通信模块和 USB双向通信线向上位机传送信号的波形类型信息,从而使得LabVIEW上位机控制界面的 波形显示窗中能适时地显示当前输出信号的示意波形;(3)对直流信号的通断、脉冲信号 和DDS信号的波形切换及相应信号的波形参数的调节均通过LabVIEW可视化控制界面操作 来实现,一定程度上实现了信号发射与控制设备的系统化;(4)有效缩减相应仪器设备的 体积和成本从而有利于推动此类仪器设备实现普及化应用。
【附图说明】
[0012] 图1为本实用新型系统结构方框图。
[0013] 图2为脉冲信号产生模块结构方框图。
[0014] 图3为DDS信号发生模块结构方框图。
[0015] 在图1至图3中,1、晶振电路2、FPGA3、PLL倍频电路4、USB通信模块5、直流 信号产生电路6、脉冲信号产生模块7、DDS信号发生模块8、D/A转换器9、直流信号滤波 及放大电路10、脉冲信号滤波及放大电路11、DDS信号滤波及放大电路12、USB双向通信 线13、LabVIEW可视化控制界面上位机14、分频电路15、脉冲类型选择电路16、脉宽及重 复频率调节电路17、32位的相位累加器18、32位加法器19、32位寄存器20、16位的相位 调整器21、DDS信号波形选择器22、ROM波形存储表23、DDS信号波形幅度控制器;F为 PLL倍频电路输出的200MHz倍频时钟信号、C1为LabVIEW可视化控制界面上位机通过USB 通信模块传送到脉冲类型选择电路的控制信号、C2为LabVIEW可视化控制界面上位机通过 USB通信模块传送到脉宽及重复频率调节电路的控制信号、Μ为LabVIEW可视化控制界面上 位机通过USB通信模块传到32位相位累加器的频率控制字、P为LabVIEW可视化控制界面 上位机通过USB通信模块传到16位相位调整器的相位调整字、W为LabVIEW可视化控制界 面上位机通过USB通信模块传到DDS信号波形选择器的波形选择控制字、A为LabVIEW可 视化控制界面上位机通过USB通信模块传到DDS信号波形幅度控制器的幅度控制字。
【具体实施方式】
[0016] 如图1所示,晶振电路1输出的50MHz基准时钟信号作为FPGA2中的PLL倍频电 路3的输入时钟信号,在QUARTUSII软件开发环境下采用VHDL硬件描述语言编写程序设计 出晶振时钟信号的倍频电路模块,并通过调用名为PLL的宏功能模块设置倍频模块所属参 数,经过PLL倍频电路做四倍频处理后输出200MHz的倍频时钟信号,将此倍频时钟信号做 时序约束后再同时作为USB通信模块4、直流信号产生电路5、脉冲信号产生模块6、DDS信 号发生模块7和D/A转换器8的输入参考时钟信号,在此输入参考时钟信号作用下,直流信 号产生电路5在LabVIEW可视化控制界面上位机允许直流电压信号导通输出的状态下连续 不间断地输出3.
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