专利名称：Ieee1394/usb高速虚拟仪器的制作方法
技术领域：
本实用新型属于虚拟仪器领域，涉及IEEE1394/USB高速虚拟仪器及其构成数字存储示波器与逻辑分析仪。
背景技术：
虚拟仪器是基于计算机的软硬件测量测试仪器平台，通过这个平台把各种测量传感器测量的参数传给计算机处理，用计算机软件替代传统的测量仪器，通过配置不同的测量传感器探头和应用软件能自由构建各种专用的功能仪器，如数字存储示波器、逻辑分析仪、频谱分析仪、高速数据记录仪、B超仪、心电图等，广泛应用于生产、教学、科研等领域，虚拟仪器的核心是测量参数转换与传输控制电路，因而现有的虚拟仪器都是按此分类，有四种类型第一类PC内置总线插卡型，它包括ISA、PCI两种，其不足是只能固定在特定的台式计算机内使用，不能用于便携式计算机上，不便于携带到野外作业；容易受机箱内的噪声干扰；电子线路复杂，价格比较昂贵。
第二类专用仪器总线型，它包括GPIB、VXI、PXI三种，这种总线主要是在PC内置总线的基础上对精度、速度、抗干扰方面作了改进，但仍不便于携带，电子线路更加复杂，价格更加昂贵。
第三类外置并口总线型，这种总线虽然能克服前两类的一些缺陷，但受计算机并口传输速度限制，只能达到8Mbyte/s，不能满足高速虚拟仪器传输高速测量数据的要求。
第四类串行总线USB型，这种类型大多数是将第二类、第三类加一个USB转换装置而来，它不是真正意义上的串行总线USB型虚拟仪器，目前也有研制成功的USB型虚拟仪器，但这种USB型虚拟仪器只支持USB1.1全速模式接口，不能支持USB2.0高速接口，最大传输速率只能达到12Mbps，也不能满足高速虚拟仪器传输高速测量数据的要求。
以上是现有的四种类型虚拟仪器各自存在的一些缺陷，它们共有的缺陷是采样速度不高，最大只能达到500Mb/s，与现有的台式仪器数Gbps存在较大差距，尤其用在超高速数字存储示波器与逻辑分析仪中，远不能满足其速度要求。
实用新型内容本实用新型的目为克服了现有虚拟仪器存在的不足，本实用新型提供IEEE1394/USB高速虚拟仪器，能用于所有带高速串行总线USB或IEEE1394接口的计算机，由于采用外置高速串行总线，因而不受计算机机箱内的噪声干扰能，电子线路简单，价格低廉，传输速率高，USB最大传输速率达480Mbps，IEEE1394B通讯速率达3.2Gbps；采用专用分解器，使虚拟仪器采样速度达到现有的台式仪器的数Gbps，虚拟数字存储示波器最大实时采样速度达到4Gbps，虚拟逻辑分析仪最大实时采样速度达到5Gbps。
本实用新型实现上述目的技术方案是提供IEEE1394/USB高速虚拟仪器，包括仪器传感器接口电路、虚拟仪器电路以及与计算机通讯的接口电路，通过配置不同的测量传感器和应用软件能自由构建各种专用的功能仪器，其特征在于，所述的虚拟仪器是采用串行USB接口或IEEE1394接口与计算机通讯，采用高速仪器接口与仪器传感器接口，并配置有高速大容量FIFO存储器作采样数据缓存。有两种实施方案一种实施方案是用USB或IEEE1394专用单片机作控制与传输，另一种实施方案是用IEEE1394/USB收发器和现场可编程阵列FPGA作控制与传输，IEEE1394/USB传输协议和控制功能由FPGA编程完成。
提供用所述的IEEE1394/USB高速虚拟仪器所构成的虚拟数字存储示波器，具特征在于，它由所述的虚拟仪器和超高速A/D转换电路、示波器探头组成。
提供用所述的IEEE1394/USB高速虚拟仪器所构成的虚拟逻辑分析仪，其特征在于，它由所述的虚拟仪器和逻辑信号转换电路、逻辑分析仪探头组成。
根据本实用新型提供的IEEE1394/USB高速虚拟仪器，其特征在于，所述的IEEE1394/USB高速虚拟仪器主控制器是带USB或IEEE1394接口的单片机，其外围电路包含有采样数据缓存用的大容量超高速同步FIFO存储器，产生采样时钟的可编程时钟电路，用作采样触发的CPLD触发控制电路，存储设备ID和控制器程序的存储器，提供电路各部分工作电压的电源电压调整电路，其中USB单片机是具有USB2.0高速模式接口并向下兼容USB1.1全速模式接口的单片机，型号为CY7C68013。
根据本实用新型提供的IEEE1394/USB高速虚拟仪器，其特征在于，所述的IEEE1394/USB高速虚拟仪器主控制器是现场可编程阵列FPGA，USB或IEEE1394接口控制由USB收发器或IEEE1394收发器和现场可编程阵列FPGA共同完成，采样用时钟电路，触发控制电路，FIFO存储器均由FPGA内置功能模块编程完成，其外围电路还包含电源电压调整电路、Flash存储器和大容量超高速DDR SDRAM存储器，其中USB收发器型号为ISP1501或CY7C68000，IEEE1394收发器型号为TI的TSB系列，现场可编程阵列FPGA为Cyclone系列或Cyclone II系列，它们是带软核处理器的可编程单芯片系统级FPGA。
根据本实用新型提供的IEEE1394/USB高速虚拟仪器，其特征在于，使用一片及以上IDT公司IDT72T系列或TI公司的SN74V系列的同步高速大容量FIFO存储器用作采样数据缓存。
根据本实用新型提供的虚拟数字存储示波器，其特征在于，使用本实用新型提供的IEEE1394/USB高速虚拟仪器平台加上一片及以上的超高速A/D转换芯片构成一通道及以上的虚拟数字示波器，A/D转换芯片型号为SPT7721、SPT7722，TS83102GOB、AT84AD001四种型号。
根据本实用新型提供的虚拟数字存储示波器，其特征在于，使用一片及以上的复用分解器，用来分解超高速A/D转换后的高速数据流，复用分解器型号为TS81102、MC10EL445、MC100EL445三种型号。
根据本实用新型提供的虚拟逻辑分析仪，其特征在于，使用本实用新型提供的IEEE1394/USB高速虚拟仪器平台加上一片及以上的逻辑信号转换芯片构成一通道及以上的中、高速虚拟逻辑分析仪，逻辑信号转换芯片型号为SN65LVDS352、SN65LVDT352二种型号。
根据本实用新型提供的虚拟逻辑分析仪，其特征在于，使用一片及以上的高速串/并行转换器构成一通道及以上的超高速虚拟逻辑分析仪，高速串/并行转换器型号为TS81102、MC10EL445、MC100EL445三种型号。
本实用新型的有益效果是利用本实用新型提供的IEEE1394/USB高速虚拟仪器，用于模拟信号和数字信号的测量平台，通过配置不同的测量传感器探头和应用软件能自由构建各种专用的功能仪器，如数字示波器、逻辑分析仪、频谱分析仪、高速数据记录仪、B超仪、心电图等，用较少的资金、较少的开发费用、较少的时间开发出功能多样、性能更加可靠的专用功能仪器，硬件重复利用率高，传输速率高，USB最大传输速率达480Mbps，IEEE1394B通讯速率达3.2Gbps，硬件结构简单，制造维护费用低，能充分利用计算机资源，既实现了传统仪器的全部功能和高速度，如虚拟数字存储示波器最大实时采样速度达到4GSPS、虚拟逻辑分析仪最大实时采样速度达到5GSPS，又实现了现有传统仪器无法实现的功能。
以下结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
图1是本实用新型组成部分结构框图；图2是本实用新型实施例(一)结构框图；图3是本实用新型实施例(一)电路结构原理图；图4是本实用新型实施例(二)结构框图；图5是本实用新型实施例(二)电路结构原理图；图6是本实用新型实施例通用数字存储示波器接口电路结构原理图；图7是本实用新型实施例超高速数字存储示波器接口电路结构原理图；图8是本实用新型实施例通用虚拟逻辑分析仪接口电路结构原理图；图9是本实用新型实施例超高速虚拟逻辑分析仪接口电路结构原理图；具体实施例
以下结合附图和实施例对本实用新型进一步详细描述。
为了便于理解，在描述具体实施例之前，先对本实用新型的原理作个简单介绍。参见
图1，本实用新型包括计算机1和在其上运行的操作系统软件(WINDOWS98/2000/XP或LINUX)、虚拟仪器软件、USB和IEEE1394接口设备驱动程序，连接计算机与虚拟仪器的USB和IEEE1394通讯接口电缆2，虚拟仪器平台3，仪器传感器与转换电路4；通过在虚拟仪器平台3的仪器传感器接口上配置不同的仪器传感器与转换电路4、在计算机1上运行对应的虚拟仪器应用软件，能对不同的参数进行测量，因而构成各种不同的专用功能仪器，如数字示波器、逻辑分析仪、频谱分析仪、高速数据记录仪、B超仪、心电图等，为适应各种不同参数测量，在虚拟仪器平台3上配有可编程采样时钟电路，用来控制采样速率；还配有高速大容量同步FIFO存储器，用作采样数据缓存，这种同步FIFO存储器特点是速度高，容量大，单周期存储的长度达1M点，无须地址线，简化电路结构，其读、写端口可以用不同的速率进行，便于与各种速率仪器传感器接口；在虚拟仪器平台3上还配有高速串行总线USB或IEEE1394接口，通过高速串行总线USB或IEEE1394接口电缆2与计算机1通讯，将存储在虚拟仪器平台3的FIFO存储器中的采样数据传输给计算机1处理，在计算机1上运行对应的虚拟仪器应用软件，它除了能将虚拟仪器平台3传来的数据进行运算处理外，还能够通过高速串行总线USB或IEEE1394接口对虚拟仪器平台3发送控制指令。
本实用新型的工作原理是虚拟仪器平台3通过高速串行总线USB或IEEE1394接口2接入装有虚拟仪器驱动程序的计算机1时，计算机1通过USB或IEEE1394接口2读取虚拟仪器平台3存储的产品ID和厂商ID，并装入对应的驱动程序，与虚拟仪器平台3建立连接，此时虚拟仪器平台3就能接收和处理计算机1送来的配置数据和控制指令，虚拟仪器平台3收到控制指令后，由其内部控制电路控制虚拟仪器平台3的采样速率和采样触发方式对仪器传感器4参数进行采样，并把采样结果数据存入同步FIFO存储器中，然后通过虚拟仪器平台3中的内部控制电路和高速串行总线USB或IEEE1394接口2把存放在虚拟仪器平台3 FIFO存储器中的采样数据传输给计算机1处理。
实施例(一)用USB收发器或IEEE1394收发器和现场可编程阵列FPGA作高速串行总线传输控制方案图2是本实用新型实施例(一)结构框图，USB或IEEE1394接口控制由USB收发器或IEEE1394收发器和现场可编程阵列FPGA完成，其中USB收发器或IEEE1394收发器用作USB或IEEE1394的模拟前端，作为FPGA的USB或IEEE1394传输协议引擎，FPGA(见图2中虚线部分)是一种带软核处理器的可编程单芯片系统级FPGA，USB或IEEE1394传输协议、虚拟仪器控制功能、高频时钟电路、触发控制电路、FIFO存储器均由FPGA内置功能模块编程完成，其外围电路还包含电源电压调整电路、Flash存储器和大容量超高速DDR SDRAM存储器，DDR SDRAM存储器用作采样数据的扩充存储器，电压调整电路提供电路各部分工作电压。
图3是本实用新型实施例(一)具体电路结构图，图中USB收发器采用Philips公司的ISP1501芯片，也可用Cypress公司的CY7C68000芯片，该类芯片是一种低功耗USB2.0传输协议的收发器，最大传输速率达480Mbps；IEEE1394收发器采用TI公司的TSB81BA3芯片，该芯片是一款低功耗IEEE1394B传输协议的收发器，最大传输速率达800Mbps；FPGA采用Altera公司的Cyclone系列和CycloneII系列芯片，该芯片是一种低功耗可编程单芯片系统级FPGA，借助SOPC Builder呈现的直观GUI，能让用户快速方便地定义和连接复杂的系统，实现用户定义的系统；FPGA配置器件采用Altera公司的EPCS4，该芯片是4M位的串行配置器件，在上电的时候利用该芯片将FPGA配置文件写入FPGA，生成Nios处理器和虚拟仪器所需的各种功能模块。Nios处理器还可修改自身的配置文档到flash内，在下次上电的时候重新掉入新的配置文档达到不同的仪器功能目的。
实施例(二)用带USB或IEEE1394接口的单片机作高速串行总线传输控制方案图4是本实用新型实施例(二)结构框图，图4中虚线部分是由带USB或IEEE1394接口的单片机及其外围电路构成本实用新型虚拟仪器平台，其外围电路包含有大容量超高速同步FIFO存储器用作采样数据缓存，可编程时钟电路产生采样用时钟，CPLD触发控制电路用作采样触发控制，EEPROM存储器用作存储设备ID和控制器程序，电源电压调整电路提供电路各部分工作电压。
图5是本实用新型实施例(二)电路结构原理图，本实施例采用USB2.0高速接口(向下兼容USB1.1全速接口模式)单片机作高速串行总线传输控制，其特点是USB2.0传输速率高，最大传输速率达480Mbps，能满足虚拟仪器快速传输大容量波形数据的要求。图中CY7C68013是Cypress公司的USB2.0接口单片机，它是将USB通信部分和微处理器集成于一体的高速控制器件，它既负责USB事务处理也兼具微处理器的控制功能，可用作USB外部设备的主控芯片，该芯片把USB2.0收发器、串行接口引擎SIE、增强的8051内核、I2C总线接口以及通用可编程接GPIF集成于一体，可通过USB下载程序，它提供了一种独特的架构(量子FIFO处理架构)，使USB接口和应用环境直接共享FIFO，以便于与高速FIFO存储器接口；MPC9239是3.16MHz到900MHz大范围低抖动可编程时钟芯片，给FIFO存储器提供写入时钟，给仪器传感器提供采样用钟，能通过CY7C68013在线更改时钟频率；EMP3064是一种高速CPLD芯片，能配合CY7C68013实现触发控制和产生虚拟仪器控制电路的各种逻辑时序；24LC64是一种8KByte两线I2C串口接口EEPROM芯片，用来存储设备ID和CY7C68013控制器程序，其内容能过USB接口控制芯片CY7C68013在线升级；IDT72TXXX是IDT公司具有32K到250K Byte存储深度10到40位宽500MBPS高速同步FIFO存储器，在一些要求存储量不大、速度不太高的场合，也可改用TI公司的低成本SN74V系列同步FIFO存储器，如SN74V系列是一种16K到128K Byte存储深度9到36位宽166MHz的高速同步FIFO存储器。
本实用新型加上一些辅助电路很容易构建高速模拟信号和数字信号采集系统，用于雷达、激光领域；加上示波器探头和一些辅助电路很容易构建一种低成本的数字示波器；加上逻辑分析仪探头和一些辅助电路很容易构建一种低成本的逻辑分析仪。
见图6在本实用新型虚拟仪器平台的仪器传感器接口上加上示波器探头和A/D接口电路就构建一种低成本通用虚拟数字存储示波器，图中模拟信号先进入缓冲调理电路，然后分两路，一路送触发捕捉，由D/A转换电路设置触发捕捉的电平，当满足触发条件时，虚拟仪器控制电路起动采样，另一路送往低功耗超高速A/D转换电路进行转换，并存入虚拟仪器的同步FIFO存储器中，然后USB或IEEE1394接口控制电路通过IEEE1394/USB接口将采样的模拟波形信号传给计算机，计算机上运行的虚拟数字示波器软件对传来的模拟波形信号进行分析处理和存储，以各种显示方式显示波形信号，并能等效插值显示更高频率波形。A/D转换芯片SPT7721/7722是一种单通道310mW低功耗250MHz实时高速A/D转换芯片，输出为两通道最大125MHz的LVTTL电平信号，很容易与虚拟仪器控制电路接口，当用两片这种芯片组成单通道模式时，能实现500Msps的实时采样虚拟数字示波器，同时由于其极低的功耗，使得其构成的虚拟数字示波器，可以不需要外接电源，由IEEE1394/USB接口供电，使用极其方便。
图7是本实用新型实施例超高速数字示波器接口电路结构原理图，在本实用新型虚拟仪器平台的仪器传感器接口上加上示波器探头和超高速A/D接口电路构建一种超高速高性能虚拟数字存储示波器，图中模拟信号先进入缓冲调理电路，然后送入超高速A/D转换芯片AT84AD001进行转换，转换后的超高速数据流经TS81102分解成8通道1/8速率的低速数据流供虚拟仪器控制电路进行处理。
TS81102是一种8/10位1∶8复用分解器，由于超高速A/D转换后的超高速数据流很难被其它电路接收处理，必需将其分解为虚拟仪器控制电路能进行处理的低速数据流，在本实用新型中使用TS81102来分解，它实际上是一种2Gsps超高速8/10通道1∶8串行/并行转换芯片，它能将小于2Gsps的高速数据流分解成8通道小于250MHz的低速数据流，供虚拟仪器控制电路进行处理；对于大于2Gsps的高速数据流，可以使用8片单通道超高速1∶8串行/并行转换芯片MC10EL445/MC100EL445来实现相同的功能，MC10EL445/MC100E1445能分解高达5Gsps的高速数据流。
超高速A/D转换芯片AT84AD001是一种8位两通道1.4W低功耗1GHz超高速A/D转换芯片，当其用于单通道模式时，能实现2Gsps的实时采样，在需要更高采样速率时可使用TS83102GOB超高速A/D转换芯片，它是一种10位2GHz超高速A/D转换芯片，当用两片这种芯片组成单通道模式时，能实现4Gsps的实时采样。
图8是本实用新型实施例通用虚拟逻辑分析仪接口电路结构原理图，本实用新型虚拟仪器平台加上逻辑分析仪探头和逻辑信号转换芯片，不需要其它电路便可实现低成本通用逻辑分析仪功能，图中SN65LVDS352、SN65LVDT352是一种4通道560Msps逻辑信号转换芯片，它能将LVDS、LVPECL、LVECL、LVCOM、LVTTL、PECL、ECL、COM等几乎所有逻辑信号转换为统一的LVTTL逻辑信号，并存入虚拟仪器的同步FIFO存储器中，然后USB或IEEE1394接口控制电路通过IEEE1394/USB接口将采样的逻辑信号传给计算机，计算机上运行的虚拟逻辑分析仪软件对传来的逻辑信号进行分析处理和存储，以各种显示方式显示波形信号，实现逻辑分析仪的功能。
图9是本实用新型实施例超高速虚拟逻辑分析仪接口电路结构原理图，本实用新型虚拟仪器平台加上逻辑分析仪探头和超高速逻辑信号分解芯片，不需要其它电路便可实现超高速逻辑分析仪功能，图中MC1OEL445/MC100EL445单通道超高速1∶8串行/并行转换芯片，它能将单通道高达5Gsps的超高速逻辑信号切割为8段，以1/8输入速率的8位并行信号输出给虚拟仪器控制电路进行处理，当需要测量多通道超高速逻辑信号，可使用多片MC10EL445/MC100EL445完成，在逻辑信号小于2Gsps时，也可使用具有10通道串行/并行转换芯片TS81102来实现相同的功能。
权利要求1.一种IEEE1394/USB高速虚拟仪器，包括仪器传感器接口电路、虚拟仪器电路以及与计算机通讯的接口电路，通过配置不同的测量传感器和应用软件能自由构建各种专用的功能仪器，其特征在于，所述的虚拟仪器是采用串行USB接口或IEEE1394接口与计算机通讯，采用高速仪器接口与仪器传感器接口，并配置有高速大容量FIFO存储器作采样数据缓存。
2.根据权利要求1所述的IEEE1394/USB高速虚拟仪器，其特征在于，所述的IEEE1394/USB高速虚拟仪器主控制器是带USB或IEEE1394接口的单片机，其外围电路包含有采样数据缓存用的大容量超高速同步FIFO存储器，产生采样时钟的可编程时钟电路，用作采样触发的CPLD触发控制电路，存储设备ID和控制器程序的存储器，提供电路各部分工作电压的电源电压调整电路，其中USB单片机是具有USB2.0高速模式接口并向下兼容USB1.1全速模式接口的单片机，型号为CY7C68013。
3.根据权利要求1所述的IEEE1394/USB高速虚拟仪器，其特征在于，所述的IEEE1394/USB高速虚拟仪器主控制器是现场可编程阵列FPGA，USB或IEEE1394接口控制由USB收发器或IEEE1394收发器和现场可编程阵列FPGA共同完成，采样用时钟电路，触发控制电路，FIFO存储器均由FPGA内置功能模块编程完成，其外围电路还包含电源电压调整电路、Flash存储器和大容量超高速DDRSDRAM存储器，其中USB收发器型号为ISP1501或CY7C68000，IEEE1394收发器型号为TI的TSB系列，现场可编程阵列FPGA为Cyclone系列或Cyclone II系列。
4.根据权利要求1所述的IEEE1394/USB高速虚拟仪器，其特征在于，使用一片及以上IDT公司IDT72T系列或TI公司的SN74V系列的同步高速大容量FIFO存储器用作采样数据缓存。
5.一种以权利要求1所述的IEEE1394/USB高速虚拟仪器所构成的虚拟数字存储示波器，其特征在于，它由所述的虚拟仪器和超高速A/D转换电路、示波器探头组成。
6.根据权利要求5所述的虚拟数字存储示波器，其特征在于，使用本实用新型提供的IEEE1394/USB高速虚拟仪器平台加上一片及以上的超高速A/D转换芯片构成一通道及以上的虚拟数字示波器，A/D转换芯片型号为SPT7721、SPT7722，TS83102G0B、AT84AD001四种型号。
7.根据权利要求5所述的虚拟数字示波器，其特征在于，使用一片及以上的复用分解器，即超高速串行/并行转换器，用来分解超高速A/D转换后的高速数据流，复用分解器型号为TS81102、MC10EL445、MC100EL445三种型号。
8.一种以权利要求1所述的IEEE1394/USB高速虚拟仪器所构成的虚拟逻辑分析仪，其特征在于，它由所述的虚拟仪器和逻辑信号转换电路、逻辑分析仪探头组成。
9.根据权利要求8所述的虚拟逻辑分析仪，其特征在于，使用本实用新型提供的IEEE1394/USB高速虚拟仪器平台加上一片及以上的逻辑信号转换芯片构成一通道及以上的中、高速虚拟逻辑分析仪，逻辑信号转换芯片型号为SN65LVDS352、SN65LVDT352二种型号。
10.根据权利要求8所述的虚拟逻辑分析仪，其特征在于，使用本实用新型提供的IEEE1394/USB高速虚拟仪器平台加上一片及以上的复用分解器，即超高速串行/并行转换器，构成一通道及以上的超高速虚拟逻辑分析仪，复用分解器型号为TS81102、MC10EL445、MC100EL445三种型号。
专利摘要本实用新型公开了一种IEEE1394/USB高速虚拟仪器及其构成的高速虚拟数字存储示波器与逻辑分析仪，用于模拟信号和数字信号的测量与分析，且通过配置不同的测量传感器探头和应用软件还能自由构建各种专用的功能仪器，如雷达测量仪、激光测量仪、光纤测量仪、频谱分析仪、高速数据记录仪、B超仪等，硬件结构简单、重复利用率高，能充分利用计算机资源，制造维护费用低；传输速率高，USB最大传输速率达480Mbps，IEEE1394B通讯速率达3.2Gbps；实时采样速度高，模拟信号测量与数字存储示波器的最大实时采样速度达到4Gsps，数字信号测量与虚拟逻辑分析仪的最大实时采样速度达到5Gsps。
文档编号G06F13/42GK2747630SQ20032011605
公开日2005年12月21日 申请日期2003年11月28日 优先权日2003年11月28日
发明者邱祯祥 申请人:邱祯祥