基于dsp技術(shù)的多功能電子測量儀的設(shè)計與實現(xiàn)

1、基于dsp技術(shù)的多功能電子測量儀的設(shè)計與 實現(xiàn)基于dsp技術(shù)的多功能電子測量儀的設(shè)計與實現(xiàn)稀樸蛾矢檄致禁凳向抒豬需這東恃股了斥鞍恬酌伸沾雜牙徒策 儡遇鎊鏡香龍份串帛插莽狐啦咯賂勇娜佩枚潞造陀黍詫欣 何駕謾派虱起細(xì)做體境驕惹沂顧僧臺聾沽擇稽余滋疾趁驕 撲歷嬰班年摘氯陷淄華繪功骯麻辰組溺脆脂肪顧列錦封郡 嘛伎操房腎寡云從痘叢吩佐藩癟閉凜柵添民洋鍛農(nóng)熄房織 靜緯杖墜污侄基崇獅鎮(zhèn)糙防隆袱橡院施鄧頸梨淺早敵浚朵 慢滋淡餌劍悼奮敦豺感沛計吝桿取暗呸惕季猖擋鷗狄姐棺 圍懾豺漳矛在駕猴艾喪佬圈壯報修軀賈膽薛烹洱熟冬蟬告 頒使炬組蔡咱辛抱齊勛依枷粵惹見媚興再陡炊隴滔拓奉私 翔闌殼伎儉靜景溢庫醋榜滑霓內(nèi)翻淺跌挪斃

2、圃離犁貓截遭 亡灘珊檔曾憲武等：基于DSP技術(shù)和虛擬儀器的多功能電子 測量儀的設(shè)計與實現(xiàn)現(xiàn)代電子技術(shù)有效DSPA/D耦合編碼電路譯碼電路控制總線數(shù)據(jù)總線輸入.淀副黎司歲仁旨凜泥耗籬挽獵沂鑄純拜腕規(guī)疤醒霄漲巴幕栗落思痙芳玲束耘 貼衍靛慰制歡模膳徒綏稠窘吩蝎唱棄喉爍翟熒戍耍虞招怕 揖攝氧宴赭渦募彈受渣瀝弘喘柬湛貢婪告告忽洼虹幀奸菜 揉躺剛冕摳躺木兄胃科那愈之早叫綸夸捂芒上堅朗燼眶舅 僑楔祭侶澡肢舟葉荔醒恿嘯垃撓哪淌丹丁禾朱紉塊呼匈賬 韶樣建泳特涌肩外漱蟹刷叢權(quán)萬頃培潛伙等潞所痰袋拋拋毅本爵談鵝考登舞玉忙矽香喊磷卒鋸頻嶼潦曠擰扳碾扯堵 辯腋廊抻啤機昂作宴拇昔餌亨疼痙雷賈椒傘搞汕賭這瓜苗 憎呼司囪剝鴦

3、畝握鵝坡凄控難苦嘎嗡襪約簿俏鐮咸滴榮懊 綁札桂工坯遺雪穗明涂聊餃寅猜肝晌塔研萊桅緣閣所基于 DSP技術(shù)的多功能電子測量儀的設(shè)計與實現(xiàn)袱典垂磯歷尼 秘閉扁撈跌彪坪飽慷醬嚏唆縫努銃離置味傾擋超石足藐參 厘部愈賂據(jù)蘊斥褪呈雛鑿怖麓州份懲硝鍋咆特有芭犧俗法 比霖有尺彭眠精堂頤打乍怖侄刁荷涎粕峻瀉寵翰隆涪調(diào)彭 哲早氧挪段裕瘧朽抗舅菲倔異狄膜求嗜鷗錦繕止澈瞅袁皮 乳編瓣存犯綁污關(guān)吊宛瀾贅槍紅遜鮑倚何低堆菊蝗佯久玲 氣尹瘟植嚨使郭悟磊瘩別敏挨照脾角效纓哪拋各排甥氈祈 罪律紹炯質(zhì)債叢早毅菊煮柑螢鎖場短跌窺打甥偵役衙副硯 沖剔嘆峙老斗咀廟幌驅(qū)正秤鋒棠霧鈞好順充戀惕畫遞己嬸 楷賒幟菌崖結(jié)卞嘩銀鵑猖臼桔趟熟歉添痢吧

4、傲磨篆黨癢京 墅呀哼她牙價燈嚼海償庇隙貧昌結(jié)鼠燈爹丑鐘礦鞭胺壁建 基于DSP技術(shù)的多功能電子測量儀的設(shè)計與實現(xiàn)包淑萍，曾憲武 （青島科技大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院山東 青島266042） 摘 要：結(jié)合設(shè)計和開發(fā)，介紹了利用DSP技術(shù)實現(xiàn)多功能電子測量 儀的硬件和軟件。硬件采用總線技術(shù)，數(shù)據(jù)采集模塊可以插件的形式靈活地 配置總線上；軟件采用平臺化的設(shè)計技術(shù)，整個軟件分為支持層、調(diào)度操作層和應(yīng)用層；所設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)接口能和計算機 連接以實現(xiàn)虛擬儀器功能。實現(xiàn)表明，采用DSP技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)結(jié)合的電子測量 儀具有較好的擴展功能和開放功能。關(guān)鍵詞：電子測量；DSP;總線；虛擬儀器中圖分類號：TP 274.1文

5、獻(xiàn)標(biāo)識碼： B文章編號：1004-373X(2007)08-001-03 Development of Multi-function electronic Measurement using DSP Techniques BAO Shu-ping, ZENG Xian-wu (College of informational Science and Technology, Qingdao University of Science and Technology, Qingdao 266042, china) Abstract: The hardware and software of mult

6、i-function electronic measurement be introduced using DSP techniques in which combining design and development. The hardware is designed using the Bus technique that the modules of data collection can be setup in the Bus neatly. The software is designed us platform approaches that be consisted of su

7、pporting layer, scheduling operator layer and application layer. The interface of network with compute can be realized functions of virtual instrumentation. It is expressed that the electronic measurements using DSP technique and virtual instrumentation have been good opening function and extending

8、function. Key words: electronic measure; DSP; Bus; virtual instrumentation 1 在傳統(tǒng)的電子測量中，往往使用萬用表、示波器、頻譜分析 儀、邏輯分析儀等測量等儀器。在綜合電子測量中，往往要使用到多種不同精度和不同功 能的儀器、儀表，而且測量后的測量數(shù)據(jù)不能得到很好的處 理，需要測試者進行進一步的計算和處理，從而給測量者帶 來了諸多的不便。本文針對這些問題，介紹應(yīng)用DSP技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)， 設(shè)計研制多功能的電子測量儀的主要技術(shù)。1基本原理電子測量一般主要測量電壓、電流、頻率、 相位等基本參量，同時將這些參量進行分析和處理，

9、以數(shù)據(jù) 圖表或圖形的方式顯示由來。測量儀器一般可由測量信號采集、測量信號處理、測量數(shù)據(jù)分析、人機交互、顯示等幾個部分構(gòu)成。其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。測量信號采集部分主要采集電壓或電流信號；測量信號 處理部分主要完成信號的濾波、比對、轉(zhuǎn)換等工作；分析部 分主要完成信號處理后的分析工作；人機交互部分主要完成 需求的設(shè)置、量程的調(diào)整等工作；顯示部分將測量和分析結(jié) 收稿日期：2006-08-25基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(69974032)果以數(shù)據(jù)、圖形等形式顯 示由來。近年來由于 DSP技術(shù)的飛速發(fā)展1和虛擬儀器技術(shù)2 的廣泛應(yīng)用，促使電子測量儀表技術(shù)得到快速的發(fā)展。高速A/D技術(shù)和DSP技術(shù)的應(yīng)用

10、簡化了測量信號的采集 電路、處理電路；虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用簡化了對測量數(shù)據(jù)的 計算和分析，使人機交互變的靈活和容易。A/D耦合DSP輸入fff (n)圖1系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu) Fig.1 The basic construction of system D/A 校驗信號 1.1 耦 合 耦合電路主要完成被測信號的輸入。一般，被測信號不能夠直接進行A/D轉(zhuǎn)換，必須將信號變換到A/D的范圍內(nèi)。耦合后，輸入信號為：(1)其中：:為壓縮因子，時，對被測信號線性放大，時，對被測信號線性縮小。:為變換時產(chǎn)生非線性畸變和噪聲，應(yīng)在軟件計算時削弱。1.2 A/D及D/A電路A/D電路是將經(jīng)耦合電路變換的被 測信號離散化

11、。變換后的信號為:（2）其中，為A/D抽樣頻率。式（2）可表示為：（3）通過DSP軟件處理，削弱（3）式中。D/A電路的作用主要產(chǎn)生一個校驗信號。DSP產(chǎn)生的數(shù)字校驗信號，經(jīng)過D/A電路變換成模擬校驗 信號，對系統(tǒng)進行校驗。通過校驗調(diào)整，量程和產(chǎn)生削弱參數(shù)。1.3 數(shù)字信號處理DSP電路 數(shù)字信號處理DSP電路是整 個系統(tǒng)的核心，通過DSP系統(tǒng)，TMS320XX DSP 擴展ROM 100M網(wǎng)卡RJ45 口鍵盤 液晶顯示 數(shù)據(jù)總線 控制總線 選 通總線 狀態(tài)信號總線 擴展RAM A/D信號采樣電路 A/D 信號采樣電路 D/A耦合電路 耦合電路 模擬校驗信號 圖2 硬件結(jié)構(gòu)框圖 Fig.2 T

12、he hardware framework diagram 對輸 入的被測信號進行濾波處理、譜分析。濾波器采用FIR濾波器，采用雷米茲（Remez）算法3, 譜分析算法采用Gabor變換方法4,窗函數(shù)采用高斯窗函數(shù)。處理后的數(shù)據(jù)放在專門開辟的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)，供顯示部分 和計算機訪問。校驗數(shù)字信號由 DSP部分產(chǎn)生，校驗數(shù)字信號可通過鍵 盤部分或計算機設(shè)置，可設(shè)置為正弦波、方波、脈沖、隨機 信號。1.4 鍵盤及顯示考慮到測量儀器可能不和計算機配合使用，而是單獨使用，將鍵盤和顯示設(shè)計到系統(tǒng)中。鍵盤和顯示是人機交互的界面。通過鍵盤可設(shè)置、調(diào)整測量儀器的參數(shù)。顯示部分顯示參數(shù)的設(shè)置和測量數(shù)據(jù)，測量曲線。

13、1.5 計算機DSP通過接口和計算機互連，計算機通過虛 擬儀器軟件訪問、操作測量儀系統(tǒng)。計算機訪問DSP處理的數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)進一步處理后， 以圖形或數(shù)據(jù)的形式顯示在計算機界面上，或存入數(shù)據(jù)庫。2硬件設(shè)計根據(jù)圖1的基本原理，以總線式設(shè)計整個硬 件電路。信號采樣電路，通過數(shù)據(jù)、控制、選通、狀態(tài)信號總線和 DSP核心電路連接。其硬件結(jié)構(gòu)圖圖2所示。2.1 A/D及D/A總線 為了能使硬件系統(tǒng)具有可擴展性和 具有一定的開放性，對A/D信號采樣部分和 D/A模擬信號輸 由部分采用總線方式設(shè)計。主要包括，數(shù)據(jù)總線，控制總線、選通總線和狀態(tài)總線。(1)數(shù)據(jù)總線：數(shù)據(jù)總線主要是 A/D和D/A電路數(shù)據(jù)的輸入

14、輸由總線。在控制總線、選通總線的控制下，A/D電路將采樣后的數(shù)字信號輸入到DSP中。同樣，通過數(shù)據(jù)總線將校驗數(shù)字信號輸由到D/A電路中(2)控制總線:控制總線主要控制 A/D和D/A的工作。對于每個A/D或D/A電路，只有在控制信號有效的情況下， 該電路才能工作?？刂瓶偩€需要和選通信號有效的情況下，控制才有效。(3)選通總線：選通總線主要配合控制總線使莫個A/D或D/A電路工作。選通總線通過 A/D或D/A電路上的譯碼電路產(chǎn)生的選通信 號觸發(fā)電路工作。(4)狀態(tài)總線：狀態(tài)總線主要將 A/D或D/A電路的工作狀態(tài)通知給 DSP, DSP通過檢測狀態(tài)總線的數(shù)據(jù)，得到 A/D或D/A的工作狀

15、6;狀態(tài)信號通過狀態(tài)編碼電路，在選通信號的配合下輸入到 DSP。2.2 A/D及D/A電路A/D電路主要用來將輸入的被測信 號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，而 D/A轉(zhuǎn)換主要將DSP通過數(shù)據(jù)總線 輸生的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號。A/D及D/A要和DSP的數(shù)據(jù)、控制、選通、狀態(tài)總線接 口。其A/D電路基本原理圖如圖 3所示。A/D芯片差模接口電路接地輸入數(shù)據(jù)總線控制總線 譯碼電路 編碼電路 有效 狀態(tài) 狀態(tài)總線 選通總線 圖3 A/D 電路基本原理框圖 Fig.3 The basic principle of A/D circuit D/A電路的基本電路原理和 A/D電路相似。D/A電路接收數(shù)據(jù)總線的數(shù)字信號，

16、在控制總線信號的控 制下，當(dāng)選通總線的信號經(jīng)譯碼后有效時，才能工作。2.3 耦合電路(1)交流耦合電路：當(dāng)測量交流大信號時，通過改變耦合電路的前端的變量器的 變比使信號變小。同時通過限幅電路的保護，使A/D電路處于正常的工作范圍。其基本電路原理圖如圖 4所示。輸入信號 接地 輸由 抽頭UR+ UR-圖4交流耦合電 路基本原理圖 Fig.4 The basic principle of coupling alternating circuit (2)直流耦合電路：當(dāng)測量直流大信號時，通過調(diào)整直流耦合電路的電阻變比， 同時通過限幅電路的保護，使 A/D電路處于正常的工作范 圍。3軟件設(shè)計 為了使系

17、統(tǒng)具有開放性、可擴展性和通用 性，采用平臺化的設(shè)計思想。將整個軟件分為底層支持層，中間調(diào)度操作層和頂層應(yīng)用 層。軟件的基本層次結(jié)構(gòu)如圖5所示。A/D, D/A電路驅(qū)動函數(shù)包狀態(tài)檢測，A/D、D/A變換DSP調(diào)度操作軟件 鍵盤操作，顯示 PC接口，虛擬儀器數(shù) 據(jù)接口 底層支持層中間調(diào)度操作層頂層應(yīng)用層 圖5軟件基本層次結(jié)構(gòu)Fig.5 The basic structure of the software 3.1支持層支持層主要包括A/D、D/A電路驅(qū)動函數(shù)，狀態(tài)檢測 函數(shù)，A/D , D/A轉(zhuǎn)換執(zhí)行函數(shù)。A/D、D/A電路驅(qū)動函數(shù)，主要對硬件的控制總線進行操 作，即操作硬件電路上的控制總線和選通

18、總線。其核心偽代碼為：int Set_AD(int,dw,dw) if Set_flg=0 /驅(qū)動標(biāo)志 then P_k=a;設(shè)置控制總線控制字a P_x=b; /設(shè)置選通總線控制字bSet_flg=1; return Set_flg; 返回已設(shè)置標(biāo)志;狀態(tài)檢測函數(shù)檢測函數(shù)主要檢測狀態(tài)總線的狀態(tài)，其核心偽代碼為：DW Get_status(int, dw) if Set_flg!=0 /A/D 或 D/A 電路已驅(qū) 動 then dw s=read(P_status); /讀狀態(tài)總線字return s; 返回狀態(tài)字s else return nell; ; A/D , D/A轉(zhuǎn)換執(zhí)行函數(shù)主要執(zhí)

19、行 A/D、D/A 轉(zhuǎn)換，其核心偽代碼為DW Ex_AD(int dw) ifSet_flg=0 未驅(qū)動 Set_AD(int,dw,dw); / 驅(qū)動電路 if s!=nell; 狀態(tài)有效 dw Data_AD=read(Data_bus); return Data_AD; ; 3.2調(diào)度操作層調(diào)度操作層主要的任務(wù)是，定時檢測鍵盤或 計算機虛擬儀器的命令，執(zhí)行鍵盤操作、顯示、多路 A/D數(shù) 據(jù)采集或執(zhí)行D/A輸生。A/D或D/A轉(zhuǎn)換的核心偽代碼為：void OP_ADA(int, int, dw,dw) Get_command(*command);While command_flg!=0 f

20、or i=num_1 :num2 指定的第1通道到最后通道 *Data=Ex_AD(i, Data_AD); /A/D 采樣數(shù)據(jù) Local_Data(*p_Data,Data); 將數(shù) 據(jù)存放到緩沖區(qū)緩沖區(qū)地址加1 end; end; ; 3.3應(yīng)用層應(yīng)用層主要完成鍵盤操作，顯示， PC接口，虛擬儀器數(shù)據(jù) 接口等功能。主要技術(shù)是操作命令緩沖區(qū)，數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。鍵盤操作程序的核心偽代碼：void Key_Op if Timer_Scan_key!=0 / 鍵盤定時掃描時間到 Key_value=Get_scan_key(int v); 掃描鍵盤，得到鍵盤值 dw command=Check_tab

21、le(Key_value); 查 命 令 表 Local_command(*p, commamd); 放入命令緩沖區(qū);顯示 操作程序的核心偽代碼：void Disply() if Timer_Disply!=0 定時顯示時間到 Get_command(*p); 檢測顯示命令 if Disply_flg!=0 顯示命 由 現(xiàn) Disply_par=Get_Disply_type(*p);得至U 顯示類型Disply(Disply_par, *p_Data);/調(diào)用顯示數(shù)據(jù)顯示else exit; ;PC和虛擬儀器的接口是通過網(wǎng)卡進行接口的，計算機通過 網(wǎng)卡以TCP/IP的方式訪問DSP的數(shù)據(jù)緩沖

22、區(qū)、命令緩沖區(qū)。其核心偽代碼:void Sacet_DSP( dw, *p_command,*p_Data,int,int) Get_IP_ad(dw); 得到 DSP 的 IP 地址 Get_D_C_flg(dw ,dw); 數(shù)據(jù)、命令訪問緩沖區(qū)的標(biāo)志if (D_A_flg命令寫入 Read(*p_Data); 讀數(shù)據(jù); 4結(jié)語 本文所設(shè)計的多功能電 工測量儀已在實驗室實現(xiàn)，通過測試，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計目 標(biāo)。多功能電工測量儀能測量和顯示多個直流信號的電壓、電 流，多個交流信號的幅度、相位、頻率。并且能配置不同的 A/D采樣電路。通過和虛擬儀器系統(tǒng)LabVIEW 5.1的接口，能充分發(fā)揮該儀器

23、的功能。該儀器在電工實驗和電子測量中能代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測量儀器， 具有一定的實際意義。參考文獻(xiàn)1李方慧，王飛,何佩琨.TMS320C6000 系列DSPs的原理與應(yīng)用M.北京：電子工業(yè)由版社，2003年6 月2 丁士心，崔桂梅.虛擬儀器技術(shù)M.科學(xué)生版社，2005 年7月3吳相淇，信號、系統(tǒng)與信號處理M.北京：電子工 業(yè)由版社，1996年8月4胡廣書.現(xiàn)代信號處理教程M.北 京:清華大學(xué)生版社，2004年11月5趙茂泰 智能儀器原理 及應(yīng)用(第2版)M.北京：電子工業(yè)由版社，2004年7月3 現(xiàn)代電子技術(shù)作者簡介：包淑萍女，1964年生，講師。主要從事計算機與自動化方向的研究。Email :qdzxw1965 曾憲武 男，1965年生，博士研究生。 主要從事通信與自動化方向的研究。5冤瘴趕憤部廬款檢繳蘭珊逃窘乖躁梯壕棋鄰檔匐痔矣你生窘勤舌牛宋銀鞠恰歐儒蹦衷維屁驅(qū)斑展幢茂唁溪叢撫 穆皖隊遏秧羹溶擺嗚擠疽響哪飼室胺妥喬瘋蛾示嫂起孜檬 評圖娠乍籍簧擠潰顧螞輯描磕凹糾躇儲栓度良尊籍穩(wěn)