本實(shí)用新型屬于電子設(shè)備領(lǐng)域，尤其涉及一種多功能智能儀器。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有儀器儀表多為分體設(shè)計(jì)，如波形信號(hào)源、示波器、頻譜分析儀等，功能不能集成，功能單一，攜帶不方便。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的在于提供一種多功能智能儀器，旨在解決現(xiàn)有儀器儀表多為分體設(shè)計(jì)，功能不能集成，功能單一，攜帶不方便的問題。

本實(shí)用新型是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種多功能智能儀器，所述多功能智能儀器由ARM處理器、可配置輸入/輸出濾波網(wǎng)絡(luò)、8-65536點(diǎn)實(shí)時(shí)FFT、硬件系統(tǒng)控制器、采集控制器、輸出/輸入波形存儲(chǔ)器、0-400MHz正弦波發(fā)生器、高速ADC/DAC、多路選擇器、輸入/輸出功率放大器、輸入/輸出設(shè)備、遠(yuǎn)程訪問控制器組成。

所述ARM處理器與輸入/輸出設(shè)備、輸入/輸出波形存儲(chǔ)器、遠(yuǎn)程訪問控制器、硬件系統(tǒng)控制器連接；所述硬件系統(tǒng)控制器與可配置輸入/輸出濾波器網(wǎng)絡(luò)、8-65536點(diǎn)實(shí)時(shí)FFT、采集控制器、多路選擇器、0-400MHz正弦波發(fā)生器連接。所述可配置輸出濾波器網(wǎng)絡(luò)與所述輸出波形存儲(chǔ)器連接；所述采集控制器與所述8-65536點(diǎn)實(shí)時(shí)FFT和所述可配置輸入濾波器網(wǎng)絡(luò)連接；所述可配置輸入濾波器網(wǎng)絡(luò)與所述輸入波形存儲(chǔ)器和高速ADC連接；所述高速ADC與輸入功率放大器連接；所述8-65536點(diǎn)實(shí)時(shí)FFT與輸入波形存儲(chǔ)器連接；所述可配置輸出濾波器網(wǎng)絡(luò)與所述輸出波形存儲(chǔ)器和高速DAC連接；所述多路選擇器與高速DAC、0-400MHz正弦波發(fā)生器、輸出功率放大器連接；。

其中ARM處理器采用Altera公司的Cyclone V系列SoC芯片5CSXF6D6F31(集成了ARM處理器和豐富的可編程邏輯資源)；可配置輸入/輸出濾波網(wǎng)絡(luò)、8-65536點(diǎn)實(shí)時(shí)FFT、硬件系統(tǒng)控制器、采集控制器、輸出/輸入波形存儲(chǔ)器均集成在SoC芯片上，并采用SoC芯片中的FPGA數(shù)字電路(這些模塊也可選用市面上已有的芯片，但這樣做會(huì)增加系統(tǒng)成本，而且還會(huì)導(dǎo)致ARM處理器和這些模塊之間的數(shù)據(jù)通信帶寬受限)；AD轉(zhuǎn)換芯片選用AD9254(提供兩路精度為14bit最高采樣率250MSPS的AD轉(zhuǎn)換通道)、DA轉(zhuǎn)換芯片選用DAC5672(提供了兩路采樣率250MSPS精度14bit的DA轉(zhuǎn)換通道)、獨(dú)立的0-400MHz正弦波發(fā)生器基于DDS芯片AD9954(1Gbps采樣率)實(shí)現(xiàn)；輸入/輸出波形存儲(chǔ)器均選用DDR芯片。

本實(shí)用新型的多功能智能儀器，集任意波形信號(hào)源、示波器、頻譜分析儀于一體，并能夠?qū)崟r(shí)完成模擬信號(hào)采集、處理、輸出，用戶通過互聯(lián)網(wǎng)即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和處理，功能全面、采樣率高、處理速度快、成本較低、體積較小、攜帶方便。

附圖說明

圖1是本實(shí)用新型實(shí)施例提供的多功能智能儀器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本實(shí)用新型實(shí)施例提供的高頻正弦波配置過程；

圖3是本實(shí)用新型實(shí)施例提供的任意波形發(fā)生器原理框圖；

圖4是本實(shí)用新型實(shí)施例提供的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原理框圖；

圖5是本實(shí)用新型實(shí)施例提供的頻譜分析系統(tǒng)原理框圖。

圖中：1、ARM處理器；2、硬件系統(tǒng)控制器；3、8-65536點(diǎn)實(shí)時(shí)FFT變換器；4、采集控制器；5、可配置輸入濾波網(wǎng)絡(luò)；6、高速ADC；7、輸入功率放大器；8、輸入波形存儲(chǔ)器；9、輸出波形存儲(chǔ)器；10、可配置輸出濾波網(wǎng)絡(luò)；11、高速DAC；12、0-400MHz正弦波發(fā)生器；13、多路選擇器；14、輸出功率放大器；15、輸入輸出設(shè)備；16、遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)訪問控制器。

具體實(shí)施方式

為了使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本實(shí)用新型，并不用于限定本實(shí)用新型。

下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)作詳細(xì)描述。

請(qǐng)參閱圖1：

本實(shí)用新型實(shí)施例提供的多功能智能儀器，采用SoC架構(gòu)(ARM處理器+FPGA)實(shí)現(xiàn)信號(hào)源、示波器、頻譜分析儀、虛擬實(shí)驗(yàn)室等多種儀器的功能，包括輸入通道、輸出通道、控制系統(tǒng)三個(gè)部分。

所述輸出通道由輸出波形存儲(chǔ)器9、可配置輸出濾波網(wǎng)絡(luò)10、高速DAC11、0-400MHz正弦波發(fā)生器12、多路選擇器13、輸出功率放大器14組成。在控制系統(tǒng)的控制下，輸出通道既可以輸出0-400MHz的正弦波，也可以輸出ARM處理器1在波形存儲(chǔ)器9中存儲(chǔ)的任意波形。控制系統(tǒng)可以對(duì)輸出波形的采樣率和功率以及輸出濾波器的頻率響應(yīng)函數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)配置。

所述輸入通道由輸入功率放大器7、高速ADC6、可配置輸入濾波網(wǎng)絡(luò)5、采集控制器4、8-65536點(diǎn)實(shí)時(shí)FFT3、輸出波形存儲(chǔ)器8組成。在控制系統(tǒng)的控制下，輸入通道對(duì)輸入模擬信號(hào)進(jìn)行功率放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換、濾波、FFT等操作，并將數(shù)字采樣信號(hào)及其頻譜寫入輸出波形存儲(chǔ)器供ARM處理器讀取?？刂葡到y(tǒng)可以動(dòng)態(tài)配置輸入濾波器的頻率響應(yīng)函數(shù)、功率放大倍數(shù)、信號(hào)采集觸發(fā)條件和采集時(shí)長等參數(shù)。

所述控制系統(tǒng)由ARM處理器1和硬件系統(tǒng)控制器2構(gòu)成，可以對(duì)輸入通道的信號(hào)采集處理過程、輸出通道的處理過程及相關(guān)參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)配置，從而實(shí)現(xiàn)示波器、信號(hào)源等多種儀器的功能。此外控制系統(tǒng)通過輸入和輸出通道的聯(lián)動(dòng)，可以將輸如信號(hào)處理和變換后產(chǎn)生新的輸出信號(hào)，從而可以實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)室的功能。

為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)源功能，本實(shí)用新型實(shí)施例采用DDS頻率合成器和數(shù)字邏輯電路相結(jié)合的方式。本實(shí)用新型實(shí)施例采用專用DDS頻率合成器芯片來產(chǎn)生高頻正弦波，其采樣率可達(dá)到1GSPS，能夠產(chǎn)生頻率高達(dá)400MHz的正弦波信號(hào)?？刂葡到y(tǒng)可通過接口對(duì)該頻率合成器進(jìn)行控制，進(jìn)而改變輸出正弦波的頻率、幅度和相位，配置過程如圖2所示。

DDS芯片只能產(chǎn)生正弦波信號(hào)，而無法實(shí)現(xiàn)任意波形信號(hào)的輸出。為此，本實(shí)用新型實(shí)施例采用ARM處理器和硬件邏輯電路相結(jié)合的方式來實(shí)現(xiàn)此功能，如圖3所示。

(1)用戶通過ARM處理器產(chǎn)生需要輸出的波形信號(hào)數(shù)據(jù)，并將其保存在輸出波形存儲(chǔ)器中。然后ARM處理器將輸出波形存儲(chǔ)器中上述波形數(shù)據(jù)的信息告知輸出通道，并控制后者將其從輸出波形存儲(chǔ)器中輸出。

(2)輸出通道的數(shù)字邏輯電路首先按照ARM處理器的要求將待輸出數(shù)據(jù)從存儲(chǔ)器中順序讀出，并通過DAC將其轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)輸出。輸出信號(hào)的采樣率最高可達(dá)200MSPS，用戶可通過ARM處理器對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)配置；

(3)在將輸出波形轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)之前，用戶可以采用輸出濾波器網(wǎng)絡(luò)對(duì)其進(jìn)行濾波處理。由于FIR濾波器計(jì)算量較大(尤其是當(dāng)濾波器階數(shù)較高時(shí))，本儀器基于FPGA采用硬件邏輯電路來實(shí)現(xiàn)，其階數(shù)和系數(shù)皆動(dòng)態(tài)配置，最高階數(shù)可達(dá)256階，系數(shù)精度可達(dá)24bit。

(4)ARM處理器連續(xù)不斷地循環(huán)寫入波形數(shù)據(jù)，輸出通道則不斷地讀出數(shù)據(jù)將其輸出，從而可以實(shí)現(xiàn)無限長任意波形的輸出。

為了實(shí)現(xiàn)示波器、頻譜分析儀等功能，本實(shí)用新型實(shí)施例提供了對(duì)輸入模擬信號(hào)進(jìn)行采集、模數(shù)轉(zhuǎn)換、FFT變換以及波形存儲(chǔ)等功能模塊，這些功能是通過ARM、數(shù)字邏輯電路、模擬信號(hào)處理芯片協(xié)同完成。ARM處理器負(fù)責(zé)采集過程的發(fā)起和控制，基于FPGA的數(shù)字邏輯電路在ARM處理器的控制下完成AD轉(zhuǎn)換、信號(hào)濾波和FFT變換、并根據(jù)ARM處理器設(shè)定的采集觸發(fā)條件并將相關(guān)波形和頻譜數(shù)據(jù)寫入輸入波形存儲(chǔ)器以供ARM處理器讀取。模擬信號(hào)采集系統(tǒng)的原理框圖如圖4所示。

(1)用戶可通過ARM處理器調(diào)用硬件系統(tǒng)控制器來配置高速DAC的相關(guān)參數(shù)(如采樣率)和過程(啟動(dòng)/停止等)；

(2)ARM處理器能夠控制輸入濾波器網(wǎng)絡(luò)對(duì)原始采樣序列進(jìn)行預(yù)濾波處理，輸入濾波器網(wǎng)絡(luò)的階數(shù)和系數(shù)均可通過ARM處理器動(dòng)態(tài)配置。

(3)ARM處理器將待采集信號(hào)在輸入波形存儲(chǔ)的地址空間和長度告知輸入通道，后者將采集到的數(shù)據(jù)寫入輸入波形存儲(chǔ)器以供ARM處理器讀取。

(4)ARM處理器可對(duì)開始數(shù)據(jù)采集過程的觸發(fā)條件(如當(dāng)波形幅度值大于給定的門限等)進(jìn)行配置，只有當(dāng)觸發(fā)條件滿足時(shí)系統(tǒng)才開始將采集到的數(shù)據(jù)寫入波形存儲(chǔ)器。

為了能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)的高精度頻譜分析，本實(shí)用新型實(shí)施例設(shè)計(jì)了8-65536點(diǎn)FFT處理器，頻譜分析過程的原理框圖如圖5所示。

(1)ARM處理器可通過硬件系統(tǒng)控制器控制整個(gè)輸入通道。

(2)ARM處理器能夠通過硬件系統(tǒng)控制器設(shè)置FFT處理器的變換長度。

(3)FFT處理器的最大變換長度達(dá)65536點(diǎn)，在100MHz采樣率條件下，頻率分辨率可達(dá)1500Hz左右。

本實(shí)用新型采用基于Linux的操作系統(tǒng)，該操作系統(tǒng)內(nèi)部集成多種常用網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議(如TCP/IP協(xié)議等)，因此具備了網(wǎng)絡(luò)接入的能力?；诖?，本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)了下屬功能：

(1)遠(yuǎn)程訪問控制功能：遠(yuǎn)程用戶通過遠(yuǎn)程登錄該儀器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和處理

(2)在線更新功能：基于ARM處理器的軟件程序和基于FPGA的數(shù)字邏輯電路均能夠重新配置，用戶可通過網(wǎng)絡(luò)在線更新軟件和數(shù)字邏輯電路。

本實(shí)用新型通過ARM處理器和硬件邏輯電路相結(jié)合的方式來實(shí)現(xiàn)，由于數(shù)據(jù)采樣率較高，ARM處理器器和數(shù)字邏輯電路之間應(yīng)該具備較大的數(shù)據(jù)交換帶寬?？紤]到上述需求，采用Altera公司的Cyclone V系列SoC芯片5CSXF6D6F31來實(shí)現(xiàn)。該SoC芯片在同一芯片上繼承了雙核ARM9處理器和110K的可配置邏輯單元，同時(shí)具備51405140Kbit的片內(nèi)存儲(chǔ)器和充足的數(shù)字信號(hào)處理單元(乘法器等)，為本實(shí)用新型的實(shí)現(xiàn)提供了充足的資源。數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換方面，本實(shí)用新型的最高輸入信號(hào)采樣率為100MHz，為此選取了型號(hào)為AD9254的ADC芯片，該芯片提供了兩路精度為14bit最高采樣率250MSPS的AD轉(zhuǎn)換通道，很好的滿足了本實(shí)用新型的設(shè)計(jì)目標(biāo)。DAC芯片，本實(shí)用新型選擇了DAC5672芯片，該芯片提供了兩路采樣率250MSPS精度14bit的DA轉(zhuǎn)換通道，能夠很好地滿足本儀器的設(shè)計(jì)需求。

本實(shí)用新型的多功能智能儀器，集任意波形信號(hào)源、示波器、頻譜分析儀于一體，并能夠通過腳本語言編程實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)室的功能實(shí)時(shí)完成模擬信號(hào)采集、處理、輸出，還提供了網(wǎng)絡(luò)傳輸功能，用戶通過互聯(lián)網(wǎng)即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和處理，功能全面、采樣率高、處理速度快、成本較低、體積較小、攜帶方便。

以上所述僅為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本實(shí)用新型，凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。