采用USB的虚拟示波器研制.doc

采用usb的虚拟示波器研制research of virtual oscilloscope by usb 摘要：针对中低端用户对示波器的需求是操作方便，易于携带以及性价比高等，设计了一款采用usb接口的虚拟示波器。系统由模拟信号处理放大，ad转换，fpga控制器，usb2.0和上位机组成。上位机通过控制加载固件的方式节省了配置芯片，而且采用wpf技术编写出独特的全坐标。最后通过实际测试的效果证明了方案的优越性和可行性。关键词：usb；示波器；fpga abstract: the demands for low-end users to oscillograph are convenient to operate,easy to carry and cost-effective.so this paper designed a virtual oscilloscope by usb.the system consists of analog signal processing amplifier ,ad converter , fpga controller , usb 2.0 , and pc .pc saved chip by controlling loaded firmware and used wpf technology to produce a unique coordinates.finally, the actual test results proved the superiority and feasibility of the program.key words:usb;oscilloscope;fpga10引言示波器作为电子测量仪器中最常用的一种。在现场检测及科学研究等许多领域被广泛应用，主要用于测量并显示被测信号的波形和参数。20世纪80年代提出了虚拟仪器技术，并且迅速发展起来，逐渐改变着现有技术。虚拟仪器是以计算机为核心，功能完全由用户自己定义、设计。实际上是将传统仪器与计算机软件结合起来，以实现并扩展了传统仪器的功能。它在性价比、处理能力、智能化等方面都比传统仪器有优势1。采用usb接口的虚拟示波器是虚拟仪器的一种，其利用普通的微型计算机通过usb接口和采集卡通信，相对传统示波器省掉很多器件，如信号处理，人机接口等2。可以很好的控制成本，符合市场需求。1 系统设计 系统的总体设计方框图如图1所示。图1 系统方框图该虚拟示波器系统主要包括模拟信号处理放大，ad转换，fpga控制器，usb2.0和计算机。其基本原理是：模拟信号通过模拟信号处理传到ad转换器，ad转换器在控制器的控制下，把信号存储到存储器进行缓存，而且通过usb接口传到计算机，通过计算机进行信号的处理、计算以及显示。2 硬件设计2.1 usb接口模块虽然fpga可以模拟出usb接口，但是i/o口速率不够高，达不到480mbitps，所以必须增加专用的usb芯片。本方案选择赛普拉斯（cypress）的cy7c68013a。它有以下优点：驱动程序开发简单；自带增强版8051微控制器；自带4kb fifo；支持 slave fifo模式，方便与fpga通信。cy7c68013a具有slave fifo功能即从机先进先出存储器，片外控制器可以通过相应的fifo接口对fifo进行读写，芯片自动把数据打包送到usb端点3。slave fifo传输示意图如图2。图2 slave fifo传输示意图2.2 模拟电路信号处理、放大电路是整个示波器关键电路之一，因为它直接影响了仪器的精度。信号输入及放大原理与如图3、4。图3 模拟信号输入 预分压原理图图4 模拟信号输入 放大部分原理图示波器的输入信号一般都比较弱,因此必须选择一级前端放大器。交流耦合采用1uf的电容。电容过大对信号的衰减较大，过小容易受到电路板寄生电容的影响，而且会使放大器处于饱和的危险。在进入前级运放之前的阻容分压电路是为了提高输入电压的范围。通过继电器选通控制预降压，范围在1/20倍和1倍之间。然后通过ad9631降低信号的阻抗，即前级放大器的作用。在此作为正相放大器用，因为正相放大电路具有较高的输入阻抗，而且需要的电阻少，阻值低相应的热噪声就低很多。ad8138作为单端转差分的运放，主要是要处理好差分输出的共模电压。ad8138作为单端转差分必然要有个共模电压，本芯片提供了设置共模电压的引脚，可以根据后级芯片的要求进行设置。由于ad8370有个共模电压输出引脚，其电压为(vvcco vocom)/2)。在此采用5v电源，即2.5v输出。经过分压可以用来提供ad8138的共模电压设置。2.3 ad转换电路图5 ad9288 原理图ad9288电路图如图5。它使用简单，主要做好相应的信号完整性处理。由于最高100m的时钟线路很容易引起信号完整性问题。本方案时钟线选用负载端处理，而数据线选用源端串电阻方法。特别注意ad9288的模拟输入范围，超过或者过低都造成不正常工作。2.4 fpga控制与缓存本方案选用的ep2c5t144c8采用tqfp 144脚封装，内置26个4kram块。内部操作速度达到350m次每秒，内置两个频率锁相环电路（pll），可以实现倍频。i/o电平支持3.3v-lvttl，符合cy7c68013以及ad、ram的电平标准。针对本课题要求接口多，种类复杂，fpga的硬件电路可定制性很好地适应了这一点。fpga设计的要点就是把这些其他的功能电路联系起来，起到枢纽的作用。2.5 电源开关电源控制芯片有很多，本方案的开关电源控制芯片选用mc34063。mc34063的功能框图如图6所示。图6 mc34063功能框图工作原理是：5脚检测输出电源的电压，与内部基准比较来控制开关管的占空比。开关管的最大电流为1.5a，可以计算出相应电路的最大输出电流。2.6 硬件触发、偏置电压2.6.1边沿触发电路图7 边沿触发电路边沿触发电路如图7。硬件触发是通过采用运放对比差分信号的正负端，当大小改变时运放的输出产生一个电压变化沿而实现的。这个运放要求极高的带宽，极快的转换速率和极短的建立时间，这里选用tlv3502，它的建立时间是4.5ns符合系统要求。其运放信号输入串电阻是为了保护运放和消除运放的偏置。2.6.2偏置电压电路偏置电压是为了给信号直流偏置，一般采用dac或pwm输出再滤波产生直流电压，相对来说dac的精度更高。这里采用tlv5638。原理图见图8.图8 dac原理图 tlv5638是双通道12位dac，采用sop 8脚封装，采用串行数字控制。除了三根数字接口，其他的就是电源和ab输出。至于电压基准部分，内部自带了1.024v或者2.048v的电压基准源，也可外部接电压基准源。3 系统软件设计整个系统的软件设计包括fpga软件的开发、usb固件、usb驱动程序和上位机软件。3.1 fpgafpga程序开发主要设计与各个器件的接口时序，以及各个接口、模块的顶层方块图。3.1.1 接口编写需要编写的有分频模块、fifo操作接口、双口ram接口、ad9288接口、ad8370和tlv5638的串行控制接口。其中分频模块和串行口比较独立其他的模块之间的关系比较紧密，因此写成一个文件。3.1.2 接口时序分析为了确保程序的正确性，减少开发周期，避免造成损失，应该先把编写的程序仿真通过之后再写到芯片里面去运行。仿真软件采用modelsim se6.5。仿真首先要编写仿真激励程序，以及初始化寄存器。时钟的激励程序可以实现了对clkin100m的100分频产生1mhz的时钟clkin1m。同理可以模拟input端口，来产生相应的输入实现仿真。仿真结果如图9。图9 串行口的仿真结果3.1.3 顶层方块图顶层方块图是把各个定义好的模块联系起来，把i/o按照原理图设计分配。由于fpga的灵活性，只要位数相同的输入与输出口就可以连接，编译器会自动综合。顶层方块图的结构如图10示意。图10 顶层方块图示意图3.2 usb驱动程序及固件选择赛普拉斯的cy7c68013a是因为有官方的良好支持，比如自带驱动程序，只需修改配置文件（inf）；固件只需修改初始化函数td_init()和循环函数td_poll()。3.3 上位机软件上位机采用.net技术，其强大的控件很容易开发出视图界面，再利用丰富的类和事件管理，处理操作响应，就可快速开发程序。利用cy7c68013a支持usb加载固件，因此把编译好的固件文件放进visual studio工程目录，再写相关的加载程序即可实现usb加载固件。图11为上位机工作流程图。图11 工作流程图本方案的界面美观、功能强和操作方式人性化、易用。设计的界面如图12。图12 上位机界面为了更方便的使用示波器，整个绘图控件采用了统一坐标，而每个波形又有独立坐标。因此改变波形的显示效果只需改变独立的坐标。如要放大波形只需减小独立坐标的单位，移动波形可以通过改变独立坐标的原点位置实现。因此显示的波形可以用鼠标很容易的实现拖动、缩放、拉伸操作，左键用来拖动，中间用来放大缩小，右键用来拉伸，下面的坐标会自动显示当前的数字。4 实验测试与性能指标通过usb blaster给fpga下载程序，连接usb线缆，计算机出现新硬件再安装驱动程序。对虚拟示波器输入1khz的方波，在计算机上清晰显示波形如图13。同样输入90mhz的方波波形依然清晰。测试结果说明该系统在频宽范围内具有很好的信号检测性能。示波器具体性能指标见表1。图13 1khz方波显示 表1 示波器性能指标指标名称具体参数频带100mhz输入通道数2adc采样位数8位输入电压范围200v藕合类型ac/dc缓冲区大小最大8m字节/通道输入阻抗1 mw，13 pf上升时间10ns接口usb电源dc6.5v功耗最大3w5 结论本文设计的usb虚拟示波器操作方便，被测信号可直接通过usb接口在计算机显示；体积小便于携带；界面采用wpf编写，美观且通俗易懂；由于采用fpga内部高速fifo功能并且直接对use芯片传输控制4，从而大大节省了硬件成本，所以价格实惠合理。系统经过测试能基本满足中低端客户的应用需求。因此，在中低端市场应