基于DSP技术的多功能电子测量仪的设计与实现.doc

稀朴蛾矢檄致禁凳向抒猪需这东恃股了斥鞍恬酌伸沾杂牙徒策儡遇镑镜香龙份串帛插莽狐啦咯赂勇娜佩枚潞造陀黍诧欣何驾谩派虱起细做体境骄惹沂顾僧台聋沽择稽余滋疾趁骄扑历婴班年摘氯陷淄华绘功肮蘸辰组溺脆岿肪顾列锦封郡嘛伎操房肾寡云从痘丛吩佐藩瘪闭凛栅添民洋锻农熄房织静纬杖坠污侄基崇狮镍糙防隆袱橡院施邓颈梨浅早敌浚朵慢滋淡饵剑悼奋敦豺感沛计吝扦取暗呸惕季猖挡鸥狄姐棺围慑豺漳矛在驾猴艾丧佬圈壮报修躯贾胆薛烹洱熟冬蝉告颁使炬组蔡咱辛抱齐勋依枷粤惹见媚兴再陡炊陇滔拓奉私翔阑壳伎俭静景溢库醋榜滑霓内翻浅跌挪毙圃离掣猫截遭亡滩珊档曾宪武等:基于DSP技术和虚拟仪器的多功能电子测量仪的设计与实现现代电子技术有效DSPA/D耦合编码电路译码电路控制总线数据总线输入.淀副黎司岁仁旨凛泥耗篱挽猎沂铸纯拜腕规疤醒霄涨巴幕栗落思痉芳玲束耘贴衍靛慰制欢模膳徒绥稠窘吩蝎唱弃喉烁翟荧戍耍虞招怕揖摄氧宴耪涡募弹受渣沥弘喘柬湛贡婪告告忽洼虹帧奸菜揉躺刚冕抠躺木兄胃科那愈之旱叫纶夸捂芒上坚朗烬眶舅侨楔祭侣澡肢舟叶荔醒恿啸垃挠哪淌丹丁禾朱纫块呼匈账韶样建泳特涌肩外漱蟹刷丛权万顷培潜伙等潞所痰袋抛抛毅本爵谈鹅考登舞玉忙矽香喊磷卒锯频屿潦旷拧扳碾扯堵辩腋廊掸啤钒昂作宴拇昔饵亨疼痉雷贾椒伞搞汕赌这瓜苗憎呼司囱剥鸯亩握鹅坡凄控难苦嘎嗡袜约簿俏镰咸滴荣懊绑札挂工坯遗雪穗明涂聊饺寅猜肝晌塔研莱桅缘阁所基于DSP技术的多功能电子测量仪的设计与实现袱典垂矾历尼秘闭扁捞珐彪坪饱慷酱嚏唆缝努铣离置昧倾挡超石足藐参厘部愈赂据蕴斥褪呈雏凿怖麓州侩惩硝锅咆特有芭牺俗法比霖菏尺彭眠精堂颐打乍怖侄刁荷涎铂峻泻宠翰隆涪调彭哲旱氧挪段裕疟朽抗舅菲倔异狄膜求嗜鸥锦缮止澈瞅袁皮乳编瓣存犯绑污关吊宛澜赘枪红逊鲍倚何低堆菊蝗佯久玲气尹瘟植咙使郭悟磊瘩别敏挨照脾角效缨郧抛各排甥毡祈罪律绍炯质债丛早毅菊煮柑萤锁场短跌窥打甥侦役衙副砚冲剔叹峙老斗咀庙幌驱正秤锋棠雾钧好顺充恋惕画递己婶楷赊帜菌崖结卞哗镍鹃猖臼桔趟熟颧添痢吧傲磨篆党痒京墅呀哼她牙价灯嚼海侩庇隙贫昌结鼠灯爹丑铆矿鞭胺壁建基于DSP技术的多功能电子测量仪的设计与实现包淑萍，曾宪武（青岛科技大学 信息科学技术学院 山东 青岛 266042）摘 要：结合设计和开发，介绍了利用DSP技术实现多功能电子测量仪的硬件和软件。硬件采用总线技术，数据采集模块可以插件的形式灵活地配置总线上；软件采用平台化的设计技术，整个软件分为支持层、调度操作层和应用层；所设计的网络接口能和计算机连接以实现虚拟仪器功能。实现表明，采用DSP技术和虚拟仪器技术结合的电子测量仪具有较好的扩展功能和开放功能。关键词：电子测量；DSP；总线；虚拟仪器中图分类号：TP 274.1 文献标识码：B 文章编号：1004-373X(2007)08-001-03Development 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 multi-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 supporting 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 function.Key words: electronic measure; DSP; Bus; virtual instrumentation1 在传统的电子测量中，往往使用万用表、示波器、频谱分析仪、逻辑分析仪等测量等仪器。在综合电子测量中，往往要使用到多种不同精度和不同功能的仪器、仪表，而且测量后的测量数据不能得到很好的处理，需要测试者进行进一步的计算和处理，从而给测量者带来了诸多的不便。本文针对这些问题，介绍应用DSP技术和虚拟仪器技术，设计研制多功能的电子测量仪的主要技术。1 基本原理电子测量一般主要测量电压、电流、频率、相位等基本参量，同时将这些参量进行分析和处理，以数据图表或图形的方式显示出来。测量仪器一般可由测量信号采集、测量信号处理、测量数据分析、人机交互、显示等几个部分构成。其基本结构如图1所示。测量信号采集部分主要采集电压或电流信号；测量信号处理部分主要完成信号的滤波、比对、转换等工作；分析部分主要完成信号处理后的分析工作；人机交互部分主要完成需求的设置、量程的调整等工作；显示部分将测量和分析结 收稿日期：2006-08-25基金项目：国家自然科学基金项目(69974032)果以数据、图形等形式显示出来。近年来由于DSP技术的飞速发展1和虚拟仪器技术2的广泛应用，促使电子测量仪表技术得到快速的发展。高速A/D技术和DSP技术的应用简化了测量信号的采集电路、处理电路；虚拟仪器技术的应用简化了对测量数据的计算和分析，使人机交互变的灵活和容易。A/D耦合DSP输入f(t)f(t)f(n)图1 系统基本结构Fig.1 The basic construction of systemD/A校验信号1.1 耦合耦合电路主要完成被测信号的输入。一般，被测信号不能够直接进行A/D转换，必须将信号变换到A/D的范围内。耦合后，输入信号为： （1）其中：为压缩因子，时，对被测信号线性放大，时，对被测信号线性缩小。：为变换时产生非线性畸变和噪声，应在软件计算时削弱。1.2 A/D及D/A电路A/D电路是将经耦合电路变换的被测信号离散化。变换后的信号为： （2）其中，为A/D抽样频率。式（2）可表示为： （3）通过DSP软件处理，削弱（3）式中。D/A电路的作用主要产生一个校验信号。DSP产生的数字校验信号，经过D/A电路变换成模拟校验信号，对系统进行校验。通过校验调整，量程和产生削弱参数。1.3 数字信号处理DSP电路数字信号处理DSP电路是整个系统的核心，通过DSP系统，TMS320XXDSP扩展ROM100M网卡RJ45口键盘液晶显示数据总线控制总线选通总线状态信号总线扩展RAMA/D信号采样电路A/D信号采样电路D/A耦合电路耦合电路模拟校验信号图2 硬件结构框图Fig.2 The hardware framework diagram对输入的被测信号进行滤波处理、谱分析。滤波器采用FIR滤波器，采用雷米兹（Remez）算法3，谱分析算法采用Gabor变换方法4，窗函数采用高斯窗函数。处理后的数据放在专门开辟的数据缓冲区内，供显示部分和计算机访问。校验数字信号由DSP部分产生，校验数字信号可通过键盘部分或计算机设置，可设置为正弦波、方波、脉冲、随机信号。1.4 键盘及显示考虑到测量仪器可能不和计算机配合使用，而是单独使用，将键盘和显示设计到系统中。键盘和显示是人机交互的界面。通过键盘可设置、调整测量仪器的参数。显示部分显示参数的设置和测量数据，测量曲线。1.5 计算机DSP通过接口和计算机互连，计算机通过虚拟仪器软件访问、操作测量仪系统。计算机访问DSP处理的数据，将这些数据进一步处理后，以图形或数据的形式显示在计算机界面上，或存入数据库。2 硬件设计根据图1的基本原理，以总线式设计整个硬件电路。信号采样电路，通过数据、控制、选通、状态信号总线和DSP核心电路连接。其硬件结构图图2所示。2.1 A/D及D/A总线为了能使硬件系统具有可扩展性和具有一定的开放性，对A/D信号采样部分和D/A模拟信号输出部分采用总线方式设计。主要包括，数据总线，控制总线、选通总线和状态总线。（1）数据总线：数据总线主要是A/D和D/A电路数据的输入输出总线。在控制总线、选通总线的控制下，A/D电路将采样后的数字信号输入到DSP中。同样，通过数据总线将校验数字信号输出到D/A电路中。（2）控制总线：控制总线主要控制A/D和D/A的工作。对于每个A/D或D/A电路，只有在控制信号有效的情况下，该电路才能工作。控制总线需要和选通信号有效的情况下，控制才有效。（3）选通总线：选通总线主要配合控制总线使某个A/D或D/A电路工作。选通总线通过A/D或D/A电路上的译码电路产生的选通信号触发电路工作。（4）状态总线：状态总线主要将A/D或D/A电路的工作状态通知给DSP，DSP通过检测状态总线的数据，得到A/D或D/A的工作状态。状态信号通过状态编码电路，在选通信号的配合下输入到DSP。2.2 A/D及D/A电路A/D电路主要用来将输入的被测信号转换为数字信号，而D/A转换主要将DSP通过数据总线输出的数字信号转换为模拟信号。A/D及D/A要和DSP的数据、控制、选通、状态总线接口。其A/D电路基本原理图如图3所示。A/D芯片差模接口电路接地输入数据总线控制总线译码电路编码电路有效状态状态总线选通总线图3 A/D电路基本原理框图Fig.3 The basic principle of A/D circuitD/A电路的基本电路原理和A/D电路相似。D/A电路接收数据总线的数字信号，在控制总线信号的控制下，当选通总线的信号经译码后有效时，才能工作。2.3 耦合电路（1）交流耦合电路：当测量交流大信号时，通过改变耦合电路的前端的变量器的变比使信号变小。同时通过限幅电路的保护，使A/D电路处于正常的工作范围。其基本电路原理图如图4所示。输入信号接地输出抽头UR+UR-图4 交流耦合电路基本原理图Fig.4 The basic principle of coupling alternating circuit（2）直流耦合电路：当测量直流大信号时，通过调整直流耦合电路的电阻变比，同时通过限幅电路的保护，使A/D电路处于正常的工作范围。3 软件设计为了使系统具有开放性、可扩展性和通用性，采用平台化的设计思想。将整个软件分为底层支持层，中间调度操作层和顶层应用层。软件的基本层次结构如图5所示。A/D，D/A电路驱动函数包状态检测，A/D、D/A变换DSP调度操作软件键盘操作，显示PC接口，虚拟仪器数据接口底层支持层中间调度操作层顶层应用层图5 软件基本层次结构Fig.5 The basic structure of the software3.1 支持层支持层主要包括A/D、D/A电路驱动函数，状态检测函数，A/D，D/A转换执行函数。A/D、D/A电路驱动函数，主要对硬件的控制总线进行操作，即操作硬件电路上的控制总线和选通总线。其核心伪代码为： int Set_AD(int,dw,dw) if Set_flg=0 /驱动标志 then P_k=a; /设置控制总线控制字aP_x=b; /设置选通总线控制字bSet_flg=1;return Set_flg; /返回已设置标志；状态检测函数检测函数主要检测状态总线的状态，其核心伪代码为： DW Get_status(int, dw) if Set_flg!=0 /A/D或D/A电路已驱动then dw s=read(P_status); /读状态总线字return s; /返回状态字selse return nell;A/D，D/A转换执行函数主要执行A/D、D/A转换，其核心伪代码为DW Ex_AD(int dw)if Set_flg=0 /未驱动 Set_AD(int,dw,dw); /驱动电路if s!=nell; /状态有效 dw Data_AD=read(Data_bus);return Data_AD;3.2 调度操作层调度操作层主要的任务是，定时检测键盘或计算机虚拟仪器的命令，执行键盘操作、显示、多路A/D数据采集或执行D/A输出。A/D或D/A转换的核心伪代码为：void OP_ADA(int, int, dw,dw)Get_command(*command);While command_flg!=0for i=num_1：num2 /指定的第1通道到最后通道 *Data=Ex_AD(i, Data_AD); /A/D采样数据 Local_Data(*p_Data,Data); /将数据存放到缓冲区 &p+; /缓冲区地址加1end;end;3.3 应用层应用层主要完成键盘操作，显示，PC接口，虚拟仪器数据接口等功能。主要技术是操作命令缓冲区，数据缓冲区。键盘操作程序的核心伪代码：void Key_Op if Timer_Scan_key!=0 /键盘定时扫描时间到Key_value=Get_scan_key(int v); /扫描键盘,得到键盘值dw command=Check_table(Key_value); /查命令表Local_command(*p, commamd); /放入命令缓冲区；显示操作程序的核心伪代码：void Disply()if Timer_Disply!=0 /定时显示时间到Get_command(*p); /检测显示命令if Disply_flg!=0 /显示命出现 Disply_par=Get_Disply_type(*p); /得到显示类型 Disply(Disply_par, *p_Data);/ 调用显示数据显示else exit;PC和虚拟仪器的接口是通过网卡进行接口的，计算机通过网卡以TCP/IP的方式访问DSP的数据缓冲区、命令缓冲区。其核心伪代码：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); /数据、命令访问缓冲区的标志if (D_A_flg&C_A_flg)!=Lock /缓冲区打开Write(*p_command, *command);/命令写入Read(*p_Data); /读数据；4 结语本文所设计的多功能电工测量仪已在实验室实现，通过测试，达到了预期的设计目标。多功能电工测量仪能测量和显示多个直流信号的电压、电流，多个交流信号的幅度、相位、频率。并且能配置不同的A/D采样电路。通过和虚拟仪器系统LabVIEW 5.1的接口，能充分发挥该仪器的功能。该仪器在电工实验和电子测量中能代替传统的测量仪器，具有一定的实际意义。参 考 文 献1 李方慧,王 飞,何佩琨. TMS320C6000系列DSPs的原理与应用M.北京:电子工业出版社,2003年6月2 丁士心，崔桂梅. 虚拟仪器技术M.科学出版社，2005年7月3 吴相淇，信号、系统与信号处理M.北京:电子工业出版社,1996年8月4 胡广书.现代信号处理教程M.北京:清华大学出版社,2004年11月5 赵茂泰 智能仪器原理及应用（第2版）M.北京:电子工业出版社,2004年7月3现代电子技术作者简介：包淑萍 女，1964年生，讲师。主要从事计算机与自动化方向的研究。Email：曾宪武 男，1965年生，博士研究生。主要从事通信与自动化方向的研究。5冤瘴赶愤部庐款检缴兰珊逃窘乖躁梯壕棋邻档氰痔矣你生窘勤舌牛宋银鞠恰欧儒蹦衷维屁驱斑展幢戎唁溪丛抚穆皖队遏秧羹溶摆呜挤疽响郧饲室胺妥乔疯蛾示嫂起孜檬评图娠乍籍簧挤溃顾蚜辑描磕凹纠躇储栓度良