（电力电子与电力传动专业论文）基于labview和sopc的智能型函数发生器的研究与设计.pdf

西华大学硕士学位论文 成，具有人机界面友好、系统升级方便、节约硬件成本等诸多优势。同时充分 利用了f p g a 内部大量的逻辑资源，将d d s 模块和微处理器模块集成到一个单 片f p g a 上，改变了传统的系统设计思路。通过对系统仿真和实际测试，结果 表明该智能型函数发生器不仅能产生理想的输出信号，还具有集成度高、稳定 性好和扩展性强等优点。 关键词：智能型函数发生器，虚拟仪器，可编程片上系统，直接数字合成技术， n i o s i i 处理器。 。堕兰奎堂堡主堂垡笙窒 t h e d e s i g no fa r b i t a r yw a v e f o r mg e n e r a t o r u s i n gl a b v i e w a n ds o p c p o w e re l e e t r o n i ea n dp o w e rd r i v e c a n d i d a t e ：m ut a o s u p e r v i s o r ：w e ij i n c h e n g a b s t r a c t a r b i t r a r yw a v e f o r i l lg e n e r a t o ri sak i n do fc o m m o n l yu s e ds i g n a ls o u r c ew i t h 、杭d ea p p l i c a t i o ni nt h ef i e l do fc o m m u n i c a t i o n s ，r a d a r , n a v i g a t i o n ，a n do t h e rm o d e m e l e c t r o n i cf i e l d t h ec o r eo fs i g n a lg e n e r a t e ri sf r e q u e n c ys y n t h e s i s o r , t h em a i n m e t h o d s ，a r e ：d i r e c ta n a l o gf r e q u e n c ys y n t h e s i s ，p l lf r e q u e n c ys y n t h e s i z e r ( p l l ) ， d i r e c td i g i t a l s y n t h e s i s ( d d s ) d d si sa no p e n - l o o ps y s t e mw i t h o u tf e e d b a c k , i t s f r e q u e n c ys y n t h e s i ss p e e da n df r e q u e n c ys t a b i l i t ya r ev e r yh i g h s od d s ( d i r e c t d i g i t a ls y n t h e s i s ) t e c h n o l o g yi so n eo ft h em a i nt e c h n i q u e st og e n e r a t es i g n a l s 、析m r e l a t i v e l yl a r g eb a n d w i d t h , f a s tp h a s ea g i l i t y , f m ep r e c i s i o n a n dc o n t i n u o u s p h a s e t h e s i si n t r o d u c e sa m e t h o dt od e v e l o pa h i g hp r e c i s ed d ss i g n a ls o u r c eb a s e d 0 1 1l a b v i e wa n ds o p c t h e s i si n t r o d u c e st h eb a s i ct h e o r i e so fv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y , i n c l u d i n g t h ec o n c e p t ，c o m p o s i t i o n , c l a s s i f i c a t i o n o nt h eb a s i so ft h i s ，t h et h e s i si n t r o d u c e st h e s o f t w a r es t r u c t u r eo fv i r t u a li n s t r u m e n ts y s t e ma n db r i e f l yi n t r o d u c e st h er e l e v a n t t e c h n o l o g y , s u c ha si n s t r u m e n td r i v e r , v i s a ，e t c s o p ct e c h n o l o g yh a st h o r o u g h l y b e e ns t u d i e d s o p ci sar e c o n s t r u c t a b l es y s t e mo na c h i pb a s e do nt h ep r o g r a m m a b l e l o g i cd e v i c e ，a n d i tc o m b i n e st h ea d v a n t a g e so fs o ca n dp l d f p g aa st h e i n t e g r a t e dt e c h n o l o g yo ft h e m i ti n t e g r a t e st h eh a r d w a r eo rs o f t w a r ec p u 、d s p 、 p l l 、s t o r a g e 、i oi n t e r f a c ea n dp r o g r a m m a b l el o g i c ，i tc a ns o l v et h es o cs c h e m e f l e x i b l ya n de f f e c t i v e l y w h a ti sm o r e ，i th a sa s h o r td e s i g nc y c l ea n dl o wc o s t a sa r e s u l ti tf i t st h ea p p l i c a t i o nf i e l d so ft h ed e s i g nv e r ym u c h t h et h e s i sa n a l y s et h e - i i i - 西华大学硕士学位论文 d e s i g ns c h e m ea n dt h ep r i n c i p l eo ft h ed d s t h ed i r e c td i g i t a lf r e q u e n e ys y n t h e s i s ( d d s ) i sak i n do fn e wf r e q u e n c ys y n t h e s i sm e t h o d a n a l y s e st h es p e c t r u m c h a r a c t e r i s t i co fd i r e c td i g i t a lf r e q u e n c ys y n t h e s i z e ro u t p u t i ti so fh i 曲f r e q u e n e y r e s o l u t i o n ，f a s tf r e q u e n c ys w i t c h i n gs p e e d t h ee n t i r es i g n a lg e n e r a t o rs y s t e mi s i n t e g r a t e di n t oa s o p cw i t ho n l yo n ef p g a c h i p t h e s i sd e s i g n sh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h ea r b i t r a r yw a v e f o r mg e n e r a t o r t h et h e s i sf o r m u l a t e st h ew h o l es c h e m eo ft h es y s t e ma n da n a l y s e st h er e a s o no f u s i n gd d st e c h n o l o g y i td e s c r i b e dt h ed e s i g np r o c e s so ft h eh a r d w a r ec i r c u i to f w h o l es y s t e m ，t h es y s t e mo ns o p ca n dt h ep cs o f t w a r et h o r o u g h l y i na d d i t i o n , t h e t h e s i sa n a l y s e st h er e l e v a n tt e c h n o l o g ya n dc o n t r o lm e t h o do fa w gt h es y s t e mi s m a d eu pt w op a r t s ，p cs o f t w a r ea n df i r m w a r eo fa r b i t r a r yw a v e f o r mg e n e r a t o r , c o m m u n i c a t i n gw i t hu a r t t h ed a t a o fa r b i t r a r yw a v e f o r i l l si se d i t e da n d d o w n l o a d e db yp cs o f t w a r e t h i sd e s i g ni n t e r g r a t e dt h ed d sm o d u l ea n dt h em c u m o d u l eo na s i n g l ef p g ac h i p s ot h ep e r f o r m a n c es u c ha si n t e g r a t i o n ，s t a b i l i t ya n d e x p a n s i b i l i t yi m p r o v e dm u c h , t e s t i n gb yt h ew a yo fs i m u l a t i o na n dt h er e s u l t ，t h e e x p o r tw a v e f o r mh a sa c h i e v e dt h ei d e a lr e s u l t t h ek e yw o r d s ：a w g ，l a b v i e w , s o p c ，d d s ，n i o si i 西华大学硕士学位论文 申明 本人申明所呈交的学术论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西华大学或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文成 果归西华大学所有，特此申明。 作者签名务哳w 7 年6 月h 导师签名：酬呼月多日 西华大学硕士学位论文 西华大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，一允许论文被查阅和借阿西华大学可以将本论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印 手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 i 、保密口，在年解密后适用本授权书； 2 、不保密口，适用本授权书。 ( 请在以上口内划4 ) 学位论文作者签名： 日期： z 口曰y 6 指导教师签名：豹墨魂乍 日期：力o p 7 多) 疹秀 孓 ，厶冶1 西华大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 函数发生器的发展历史及现状 函数发生器又叫任意波形发生器，是一种常用的信号源。信号源发展到今 天，它的应用领域已经非常的广泛。教学科研、工业控制、通信产品研发等诸 多领域，均需要信号源模块的参与才能实现完善的功能。作为一种为电子测试 和计量工作电信号的设备，它和示波器、电压表、频率计等仪器一样，是最普 通、最基本，也是应用最广泛的电子仪器之一。信号发生器的核心技术是频率 合成技术，主要方法有：直接模拟频率合成、锁相环频率合成( p l l ) ，直接数字 合成技术( d d s ) 。不同的频率合成技术，实现方案也多种多样。如可以利用d s p 芯片进行设计，可以利用可编程逻辑器件( f p g a c p l d ) 进行设计，还可以利用 专用的频率合成芯片来进行产品设计【1 9 1 。 传统的信号发生器一般基于模拟技术。它首先生成一定频率的正弦信号， 然后再对这个正弦信号进行处理，从而输出其他波形信号。这种方法的关键在 于如何生成特定频率的正弦信号。早期的信号发生器大都采用谐振法，后来出 现采用锁相环等频率合成技术的信号发生器。但基于模拟技术的传统信号发生 器能生成的信号类型比较有限，一般只能生成正弦波、方波、三角波等少数的 规则波形信号。如果需要生成较复杂的波形信号，电路的复杂度以及设计难度 都将大大增加。随着待测设备的种类越来越丰富，测试用的激励信号也越来越 复杂，传统信号发生器已经不能满足这些测试需要，例如医学仪器的测试常常 需要的心电信号就无法由它生成。另外在一些军事、航空、交通制造业等领域 中，有些电路运行环境很难估计，在实验设计完成之后，还需要在现实环境作 更进一步的实验，有些实验的成本很高或者风险性很大，人们不可能长期作实 验判断所设计产品的可行性和稳定性。此时就需要信号发生器可以再现当时现 场的激励信号，这也是传统的信号发生器所无法完成的任务。任意波形发生器 f a r b i t r a r yw a v e f o r mg e n e r a t o r ，a w g ) 就是在这种情况下，为满足众多领域对于 复杂的、可由用户自定义波形的测试信号的日益增长的需要而诞生的。随着微 处理器性能的提高，出现了由微处理器、d a 以及相关硬件、软件构成的波形 发生器。它扩展了波形发生器的功能，产生的波形也比以往复杂。实质上它采 西华大学硕士学位论文 用了软件控制，利用微处理器控制d a ，就可以得到各种简单波形。但由于微 处理器的速度限制，这种方式的波形发生器输出频率较低。日前的任意波形发 生器普遍采用d d s ( 直接数字频率合成) 技术。基于d d s 技术的任意波形发生器 ( a w g ) 利用高速存储器作为查找表，通过高速d a 转换器对存储器的波形进行 合成。它不仅可以产生正弦波、方波、三角波和锯齿波等规则波形，而且还可 以通过上位机或下位机编辑，产生真正意义上的任意波形。例如，它能模拟编 码雷达信号、潜水艇特征信号、磁盘数据信号、机械振动瞬变过程、电视信号 以及神经脉冲之类的波形，也能重演由数字示波器( d s o ) 捕获的波形。 从发展状况来看，国外任意波形发生器的研制及生产技术较为成熟，已有 多种产品投放市场，目前a g i l e n t 和t e k t r o n i x 两大公司在此领域进行了卓有成 效的研究和开发，其代表产品无论在技术先进性还是市场占有率方面都在全世 界享有卓越的声誉，但其价格也是相当的昂贵。在国内，近年来也有一批本土 厂商奋起直追，并取得了可喜的成果，例如北京普源精电科技有限公司出品的 d s 3 0 0 0 系列任意波形发生器，在性能上已经大略相当于国外低端产品。但总的 来说，国内这方面的报道以及相关的技术研究仍然较少，相应的研制成本也比 较高，而从已有的产品上来看无论从种类、性能还是生成规模上均与国外同类 产品存在较大的差距。 这几年可编程逻辑芯片的发展，特别是高速f p g a 的推出，给d d s 的开发 和应用提供了一个非常合适的契机。利用f p g a ，普通用户也可以根据需要开 发自己的d d s 芯片。f p g a 一般使用h d l ( h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 语言 进行开发。h d l 语言软件式的硬件设计方法可以给d d s 芯片的设计带来高度 的灵活性，可以根据需要方便的实现所需的功能( 例如可以增加调制模块来增强 功能，增加随机扰乱模块提高正弦信号的输出性能) 。同时，f p g a 的速度也越 来越快，现在的f p g a 已经可以轻松的工作在上百m h z 的时钟频率之下，这样 就可以给实现高速d d s 芯片提供了有利条件。 虚拟仪器的出现代表着仪器发展的最新方向和潮流，是信息技术的一个重 要领域，对科学技术的发展和工业生产将产生不可估量的影响。从2 0 世纪8 0 年代n i 公司提出虚拟仪器的概念至今只有短短的十余年时间，但虚拟仪器产品 己经占有了世界仪表仪器市场1 0 左右的份额。毋庸置疑，虚拟仪器不仅是2 1 西华大学硕士学位论文 世纪仪器发展的方向，而且必将逐步取代传统的硬件化电子仪器，使成千上万 种传统仪器都融入计算机体系中。 这两项技术未来有着光辉的发展前景。将这两项技术应用于函数发生器的 研究中，必将给函数发生器的发展带来一个新的飞跃。 1 2 智能函数发生器的技术动态 1 2 1 智能函数发生器特点及方案 智能函数信号发生器同传统的模拟函数信号发生器相比，具有以下几个明 显特点： ( 1 ) 利用微机控制键盘和显示。键盘和显示是智能信号发生器区别于传统信 号发生器在面板设计上最突出的特点。由于采用美观方便的按键操作代替了传 统的开关或旋钮，避免了手动控制带来的人为误差。由于采用具有显示信息量 大优点的液晶显示器l c d ，大大增强了操作者和微处理器之间的对话能力。 ( 2 ) 强的输出能力。由于采用了由仪器内微处理器控制而生成所需新波形的 技术，即直接数字合成技术( d i r e c td i g i t a lf r e q u e n c ys y n t h e s i z e r ) ，导致普通的 智能信号发生器能产生多种函数的周期性波形，大大拓展了仪器的输出能力。 ( 3 ) 自检、自诊断功能。这是智能信号发生器区别于传统信号发生器的重要 特征之一。能够及时和准确地确知仪器故障发生的部位和特征，不仅大大方便 了维修，而且保证了输出的可靠性。 ( 4 ) 自校和自修正。对于智能化仪器来说，这也许是最重要的作用，它意味 着在相同或更低性能的硬件条件下，仪器指标能够达到更高的水平，即实现了 高的性能价格比。另一方面，微处理器的加入使以前由硬件电路很难或根本办 不到的事成为可能。 ( 5 ) 远地输入输出能力。仪器配有标准接口，可纳入自动测试系统中工作。 智能函数发生器的实现方案主要有以下几种： ( 1 ) 利用锁相环产生高稳定的信号 利用p l l 技术实现的高稳定高频正弦波信号发生器，与其它信号发生器相 比，具有电路简单、可扩展、成本低等优点，尤其在频率稳定度和输出频率范 西华大学硕士学位论文 围等方面比较有优势，具有很大的实用价值。输出正弦波形无失真、幅值稳定， 频率稳定度可以达到1 0 击级，输出频率可扩展到几百兆赫兹。p l l 多采用模拟 技术实现，因此实现难度和成本较数字电路稍高。 ( 2 ) 利用专用信号产生芯片加微处理器进行信号合成 用于信号合成的专用集成电路芯片有a d 9 8 5 4 ，a d 9 8 5 8 等。它们是由美国 a d 公司推出的高集成度频率合成芯片。以a d 9 8 5 4 为例，它内部集成了正余弦 波形表，1 2 位双通道d a 转换器和超高速内置比较器，a d 9 8 5 4 能完成频率调 制、相位调制、幅度调制以及i q 正交调制等多种功能。由微处理器完成人机操 作控制。优点是可做成便携仪器，体积小，波形精度与稳定度高。缺点是波形 有限，对波形的修改、编辑不方便，而且升级不方便。 ( 3 ) 采用虚拟仪器技术l a b v i e w 的函数发生器 利用计算机的强大功能，把传统仪器的设计、编辑都放到计算机上完成， 并通过通讯接口向外传输数据，输出波形。优点是人机界面友好，波形的修改 和编辑都很方便，并能在计算机上观察波形。缺点是不方便携带，而且采用m 公司的数据采集卡，价格昂贵【l 7 1 。 目前智能函数发生器所采用的各种方法，都不同程度的存在着不足，迫切 需要我们找到一种更好的解决方案。 1 2 2s o p c 技术在智能函数发生器的应用 s o p c ( s y s t e mo np r o g r a m m a b lc h i p ) 技术是美国a l t e r a 公司于2 0 0 0 年最早 提出的，并同时推出了相应的开发软件。s o p c 是基于f p g a 解决方案的s o c ， 与a s i c 的s o c 解决方案相比，s o p c 系统及其开发技术具有更多的特色。它 将处理器、存储器、i o 口等系统设计，以及需要的功能模块集成到一个p l d 器件上，构建成一个可编程的片上系统。它是可编程系统，具有灵活的设计方 式，可裁减、可扩充、可升级，并具备软硬件的在系统可编程的功能。可编程 器件内，还具有小容量高速r a m 资源。由于市场上有丰富的i pc o r e 资源可供 灵活选择，用户可以构成各种不同的系统，如单处理器、多处理器系统。有些 可编程器件内还可以包含部分可编程模拟电路。除了系统使用的资源外，可编 程器件内还具有足够的可编程逻辑资源，用于实现其它的附加逻辑。从应用角 西华大学硕士学位论文 度看，s o p c 与s o c 相比有自己的优点，因为它是基于p l d f p g a ( f i e l d p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 实现的，可以十分方便随时下载以验证其功能及性能， 灵活性高，对产品的设计修改，只要对芯片中电路布局进行改动或者增减功能 即可，可以i s p 方式重新下载，便于优化设计和缩短设计周期。所以说s o p c 不是定制的，是属于可编程技术范畴。从目前技术发展来看，s o p c 芯片在很多 方面都有替代s o c 芯片的趋势【4 】。 ， 随着e d a 技术的发展以及大规模可编程器件性能的不断提高，s o p c 技术 己经被广泛应用于许多领域。首先，s o p c 在极大提高了许多电子系统性价比的 同时，开辟了许多新的应用领域，如高端的数字信号处理、通信系统、软件无 线电系统的设计、微处理器及大型计算机处理器的设计等等。同时，由于s o p c 具有基于e d a 技术标准的设计语言与系统测试手段，具备规范的设计流程与多 层次的仿真功能，以及使用高效率的软硬件开发与实现技术，使得s o p c 及其 实现技术已成为现代电子技术最具有时代特征的典型代表。与基于a s i c 的s o c 相比，s o p c 具有更多的特点与吸引力，如开发软件成本低，硬件实现风险低， 产品上市效率高，系统结构可重构及硬件可升级等，同时还具有设计者易学易 用、高附加值、产品设计成本低等优势。 综合以上特点。将s o p c 技术应用于函数发生器的研究中，必将极大地提 升系统的性能，给系统设计带来更大的灵活性。 1 2 3 虚拟仪器技术在智能函数发生器的应用 l a b v l e w 是美国n i 公司推出的基于图形编程的虚拟仪器软件，它不仅是 一种开发语言，更是一个具有扩展性和通用性的软件开发平台。l a b v i e w 自 1 9 8 6 年推出到现在不到2 0 年的时间内，已经从最初单一图形化编程功能、单一 运行平台发展到目前以最新版本l a b v i e w 8 2 0 为核心，包括控制与仿真、高级 数字信号处理、统计过程控制和模糊控制等众多附件软件包，运行于各种平台 的工业标准软件开发环境。从简单的仪器控制、数据采集到尖端的测试和工业 自动化，从大学实验室到工厂，都可以发现应用l a b v i e w 的成果和开发产品。 l a b v l e w 已成为测试测量领域的工业标准，通过g p i b ，v x i 、p l c ，串行设备 和插卡式数据采集板可以构成实际的数据采集系统。它提供了工业界最大的仪 西华大学硕士学位论文 器驱动程序库，同时还支持通过i n t e m e t ，a c t i v e x ，d d e 和s q l 等交互式通信 方式实现数据共享，它提供的众多开发工具使复杂的测试与测量任务变得简单 易行。此外，l a b v i e w 强大的硬件驱动、图形显示能力和便捷的快速程序设计， 为过程控制和工业自动化应用提供了优秀的解决方案。同时，l a b v i e w 为科学 家和工程师提供了功能强大的高级数学分析库，包括统计、估计、回归分析、 线型代数、信号生成算法、时域和频域算法众多科学领域，可满足各种计算和 分析需要。即使在联合时域分析、小波和数字滤波器设计等高级或特殊分析场 合，l a b v i e w 也为此提供了专门的附加软件包。虚拟仪器与传统仪器的比较见 表1 1 ，我们可以看出，虚拟仪器在许多方面大有取代传统仪器的趋势【8 l 。 表1 1 虚拟仪器与传统仪器系统的比较 t a b l e l 1t h ed i f f e r e n c eb e t w e e nv i r t u a li n s t r u m e n ta n dt r a d i t i o ni n s t r u m e n t 虚拟仪器传统仪器 关键是软件，系统性能升级方便，通过关键是硬件，升级成本较高，且升 网络下载升级程序既可级必须上门服务 用户定义仪器功能厂商定义功能 软件的应用使得开发和维护费用降低开发和维护费用高 开放、灵活，与计算机技术保持同步封闭、固定，仪器间相互配合较差 与网络及其他周边设备互连方便功能单一，只能连接有限的设备 价格低廉，仪器间资源可重复利用率高价格贵，仪器间一般无法相互利用 技术更新快( 周期1 2 年)技术更新慢( 周期5 1 0 年) 虚拟仪器技术是未来仪器发展的最新方向，我们通过深入的学习和研究， 将虚拟仪器技术跟微处理器相结合，进行仪器的开发，代表了当今仪器技术的 发展的潮流。 1 3 本文技术路线及研究内容 s o p c 技术充分利用了f p g a 可编程配置的优点，使设计的集成度大大提 西华大学硕士学位论文 高，降低了外围电路布局走线的复杂度。在提高系统的抗干扰能力和可靠性的 同时，也降低了开发周期和硬件成本。同时考虑到l a b v i e w 运算功能强大，人 机界面友好、系统升级方便、节约硬件成本等诸多因素，本论文尝试采用基于 虚拟仪器技术结合s o p c 的方案来进行任意波形发生器的设计。采用包含嵌入 式处理器的f p g a 实现完整的信号源设计可以产生多种多样的信号，比如标准 正弦波，方波，一三角波，锯齿波等信号，数字调制信号等等，所需信号的波形 和参数完全可以任意定制。采用了目前比较先进的d d s 波形合成技术。结合了 几种设计方案的长处，扬长避短，具有精度高，操作界面完美，体积小巧，便 于携带，又能更好的控制成本的优点。本设计不仅可以合成标准的方波、正弦 波、三角波、锯齿波等常见波形，还可以通过p c 端软件合成用函数表达式描述 的和手绘的任意波形。同时，波形的频率和幅度均可调节，频率稳定度可以达 到1 0 弓级，输出频率范围为0 1 h z - - - 2 5 m h z ，频率分辨率为0 1 h z ，输出电压范 围为6 6 v 。 本论文主要研究内容如下： 首先介绍了本设计的些相关技术，虚拟仪器技术的基本理论原理以及基 于可编程逻辑器件的可重构片上系统( s o p c 技术) 的发展及应用，论述了基于 d d s 原理的设计方案与性能分析，分析了d d s 的基本理论以及数学综合。接下 来介绍了系统总体设计方案及实现方法。随后详细论述了s o p c 片上系统及硬 件电路的设计及l a b v l e w 上位机软件的设计和实现过程。最后就就系统的调试 与实验结果进行了分析。指出了设计中的一些不足和改进方法。 西华大学硕士学位论文 2 智能函数发生器研究的相关技术 2 1 虚拟仪器技术 2 1 1 虚拟仪器简介 虚拟仪器是以通用计算机作为系统控制器，由软件来实现人机交互和大部 分仪器功能的一种计算机仪器系统。虚拟仪器概念是对传统仪器概念的重大突 破，它的出现使测量仪器与个人计算机的界限模糊了。虚拟仪器一词中的“虚 拟 有以下两个方面的含义： ( 1 ) 虚拟仪器面板 在虚拟仪器中，计算机显示器是唯一的交互界面，物理的开关、按键、旋 钮以及数码管等显示器件均由与事物外观很相似的图形控件来代替，操作人员 通过鼠标或键盘操纵软件界面中这些控件来完成仪器的操控。 ( 2 ) 由软件编程来实现仪器功能 在虚拟仪器系统中，仪器功能是由软件编程来实现的。测量所需的各种激 励信号可由软件产生的数字采样序列控制d a 转换器来产生；系统硬件模块不 能实现的一些数据处理功能，如f f t 分析、小波分析、数字滤波、回归分析、 统计分析等，也可由软件编程来实现；通过不同软件模块的组合，还可以实现 多种自动测试功能。 虚拟仪器与传统仪器的比较与传统仪器相比，虚拟仪器有以下一些特点： ( 1 ) 软件是核心 其中，仪器驱动软件的功能是实现与仪器硬件的接口和通信，应用软件则 完成用户定义的测试和仪器功能，并提供人机交互界面。n i 公司提出的“软件 即仪器”( t h es o f t w a r ei st h ei n s t r u m e n t ) 是这一特点的形象概括。 ( 2 ) 灵活性和可扩展性 仪器用户可以根据自己不断变化的需求，方便灵活的重组系统，系统的扩 展、升级可随时进行，而且系统更新的周期短、见效快，能充分满足用户在不 同场合的应用需求。 西华大学硕士学位论文 ( 3 ) 性价比高 虚拟仪器可以将在传统仪器中由硬件完成的功能转为软件实现，减少了自 动测试系统的硬件环节，降低了系统的开发成本和维护成本。虚拟仪器能同时 对多个参数进行实时高效的测量，信号传输大部分采用数字信号的形式，数据 处理也主要依赖软件来实现，大大降低了环境干扰和系统误差的影响。用户可 以随时根据需要调整虚拟仪器的功能，实现一机多用。因此，使用虚拟仪器比 传统仪器更经济。 ( 4 ) 良好的人机界面 虚拟仪器的操控界面是采用图形化编程技术实现的一种虚拟面板或称为软 面板。可以模拟传统仪器面板的设计风格来设计，也可以由用户根据实际需要 定制设计。测量结果可以通过计算机屏幕以曲线、图形、数据表格等形式显示。 ( 5 ) 与其他设备互联的能力 虚拟仪器通常具备标准化的总线或通信接口，具有与其他设备互联的能力。 虚拟仪器能够通过以太网与i n t e r a c t 相连，或者通过现场总线完成对现场设备控 制。这种互联能力使虚拟仪器系统的功能显著增加，应用领域明显扩大【9 】。 t 硬件 i 软件 h |信“, j - 调理h数掇聚艇孓卜 | g p i b 姗ho p i b 接u h 测 _ - l 串行| 二l 仪器l 通 仪 控 用 搡器成 对 _ - l v x i p x i 总线仪器l - 计 作驱用 f 缘 算 系动 软 税 统 软 件 现场总线殴备i - 件 | u s b 总线仪器l - _ - | 其它总线设备 - - f i g 2 1t h ev i r t u a li n s t r u m e n ta r c h i t e c t u r e 图2 1 虚拟仪器系统结构图 - 9 西华大学硕士学位论文 2 1 2 虚拟仪器系统的分类 目前较为常用的虚拟仪器系统有数据采集卡虚拟仪器系统、p x i 总线虚拟 仪器系统、g p i b 总线虚拟仪器系统、v x i 总线虚拟仪器系统和u s b 总线虚拟 仪器系统以及它们之间的任意组合。 ( 1 ) 数据采集卡虚拟仪器系统 这种方式借助于插入计算机内的数据采集卡，它充分利用了计算机的资源， 大大增加了测试系统的灵活性和扩展性。根据需要还可加入信号调理和实时 d s p 等硬件模块。 ( 2 ) g v m 总线虚拟仪器系统 g p i b 总线是国际自动化测量系统委员会于1 9 8 7 年作为i e e e 一4 8 8 标准接受 的通用仪器总线。g p i b 总线是8 位并行传输总线，它专用于微机控制与程控仪 器之间的接口。g p m 是计算机和仪器间的标准通信协议，是日前应用最为广泛 的自动测量系统专用接口总线。g p i b 总线虚拟仪器系统技术易于升级，维护方 便，开发和使用容易。 ( 3 ) v x i 总线虚拟仪器系统 v x i 总线是v m e 总线在仪器领域的扩展由h p 等公司于1 9 8 7 年提出，1 9 9 2 年成为工i e e e 1 1 5 5 标准。由于其标准开放、传输速率高、数据吞吐能力强、 定时和同步精确、模块化设计、结构紧读、使用方便灵活，己越来越受到重视。 它便于组织大规模、集成化系统，是仪器发展的一个方向。 ( 4 ) p x i 总线虚拟仪器系统 p x i 总线是1 9 9 7 年美国n i 公司发布的一种高性能低价位的开放性、模块 化仪器总线，是p c 工业总线在仪器领域的扩展。p x i 继承了p c 工总线适合高 速数据传输的优点，支持3 2 位或6 4 位数据传输，最高数据传输速率可达 1 3 2 m b p s 或5 2 8 m b p s 。p x i 系统体积小、可靠性高，适合于台式、机架式或便 携式等多种场合应用。 ( 5 ) u s b 总线虚拟仪器系统 u s b f o n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 总线协议是由i n t e l ，m i c r o s o f t ，i b m 等七家公 鹾华大学硕士学位论文 司共同制定的串行接口标准。u s b l1 最高传输速度为1 2 m b p s ，u s b 20 最高传 输速为4 8 0 m b p s 。u s b 支持即插即用和热插拔功能，一台主机最多可连接1 2 7 个u s b 设备。u s b 总线虚拟仪器系统速度较高，可扩展性好，使用方便，而目 前成本较低，广泛应用于各种领域。 2 13 v i s a 简介 在虚拟仪器的设计中，不同的通信协议( 如串行通信、通用接口总线g p i b 、 v x i 等) ，它 f j n 其本身固有的特性而互不兼容。工业上设备用到的并不止一种 协议t 因此v i s a ( 虚拟仪器软件结构) 应运而生，这种标准能使使用不同协议 的设备工作在同一个系统中。用户可以在l a b v l e w 中运用v i s a 进行通信， v i s a 可以非常简单地服务于包含多功能的交叉通信协议的程序编制。 虚拟仪器软件结构( v i r t u a li n s t r u m e n ts o f t w a r ea r c h i t e c t u r e ，v i s a ) 是一个 u o 接口软件库及其规范的总称，是在l a b v i e w 程序中驱动程序间相互通信的 底层功能模块。v i s a 可以连接不同标准的1 3 0 设备，如图所示： v | s a 匡| 口 、 g p i bs e s s i o n p x jv x i f i g22 v i s a i s t h e l o w l e v e r d r i v e rp r o g r a r nu s e d t oo o r l t l e e to n e i n s t r u m e n t 图2 2v i s ah j 来连接指定仪器的低屠驱动群序 西华大学硕士学位论文 v i s a 与其他i o 接口软件相比，具有以下特点： 最大限度地使操作容易、简单 维持长时间的兼容性 维持多样化开放式的体系结构 在框架结构中，扩展性和模块性最大化 软件重用性最大化 使软件元件的应用标准化 把仪器驱动作为一个仪器端口对待 调和已经确定的标准 最大化地支持使用者之间的合作 。v i s a 本省并不具备编程能力，它是一个高层a p i ( a p p l i c a t i o np r o g r a m m e r i n t e r f a c e ，应用程序接口) ，它通过调用底层驱动程序来实现对仪器的编程。v i s a 可以通过调用它们的驱动程序来控制v x i 、g p i b 、串行通信等。因此当调用 v i s a 问题的时候，一个表面的v i s a 程序问题很有可能是某一个被v i s a 调用 的驱动程序的安装问题。 l a b v i e w 因为具有控制面板的概念，特别适合于创建仪器的驱动程序。软 件的前面板可以模拟仪器面板。软件的框图部分可以传送前面板指定的命令参 数到仪器，以执行相应的操作。当建立了一个仪器的驱动程序后，就不必再记 住仪器的控制命令，而只要从前面板输入简单数据即可。仅仅拥有控制单台仪 器的软件，意义并不大。其真正意义在于可以把仪器驱动程序作为子程序调用。 与其他子程序共同组成一个大控制程序，从而控制整个系统。在l a b v l e w 中， v i s a 是一个用来在g p i b 设备、串行设备、v 设备以及其他基于计算机的设 备之间通信的函数库。例如，某些仪器对接口类型提供了选择，例如l a b v i e w 仪器驱动程序是用f u n c t i o n s - - + i n s t m m e n t i o - - g p i b 板块中的模块编写的，则这 个程序在使用串口通信接口的仪器中就不能使用了，而v i s a 可以对工作在任 意接口下面的函数模块提供一个简单的设置来解决这个问题。 根据v p p ( v x i p l u g & p l a y ) 系统规范的定义，虚拟仪器系统的软件体系结构 应包括三部分：应用软件开发环境，仪器驱动程序，输入输出接口软件。采用 西华大学硕士学位论文 v p p 标准的i o 接口软件就是v i s a 。每个仪器模块均有自己的仪器驱动程序。 仪器驱动程序的实质是为用户提供用于仪器驱动的抽象的操作函数集。对于应 用程序来说，它对仪器的操作是通过仪器驱动程序来实现的。仪器驱动程序对 仪器的操作与管理又是通过输入输出软件所提供的统一基础和格式的函数库 ( v i s a 函数库) 的调用来实现的。对于应用程序设计人员来说，一旦有了仪器驱 动程序，即使在不了解仪器内部操作过程的情况下，也可以进行虚拟仪器系统 的设计工作。仪器驱动程序是连接上层应用软件与底层输入输出软件的纽带和 桥梁。在过去，用户只能见到仪器驱动程序的引出函数原型，仪器供应厂家将 源程序“神秘地 隐藏起来。用户一旦发现供应厂家提供的仪器驱动程序不能 完全符合要求时，也无法对其做出修改，功能是由供应厂家而不是由用户本身 来规定的。而v p p 规范明确地定义了仪器驱动程序的组成结构与实现，明确规 定生产厂家在提供仪器模块的同时，必须提供仪器驱动程序的源程序文件和动 态连接库( d l l ) 文件。并且，仪器驱动程序的源程序也容易理解。这样，用户就 具有修改仪器驱动程序的能力，可以对仪器功能进行扩展，讲仪器驱动程序的 主动权真正的交给了用户。输入输出接口软件存在于仪器( 即i o 设备) 与仪器 驱动之间，还是一个完成对仪器内部寄存器单元进行直接存取数据操作，对v x i 背板总线与器件进行测试与控制，并为仪器与仪器驱动程序提供信息传递的底 层软件层，是实现开放的统一的虚拟仪器的基础和核心。v p p 系统规范中详细 规定了虚拟仪器系统输入输出接口软件的特点、组成、内部结构和实现规范， 并将符合v p p 规范的虚拟仪器系统的输入输出接口软件定义为v i s a 软件。 2 2s o p c ( 可编程系统芯片) 技术简介 s o p c ( 可编程系统芯片) 技术最早是由美国a l t e r a 公司于2 0 0 0 年提出的，是 现代计算机辅助设计技术、电子设计自动化( e l e c t r o n i c sd e s i g na u t o m a t i o n ，e d a ) 技术和大规模集成电路技术高度发展的产物。s o p c 技术的目标是将尽可能大而 完整的电子系统在一块f p g a 中实现，即由单个芯片完成整个系统的主要逻辑 功能，使得所设计的电路在规模、可靠性、体积、功能、性能指标、上市周期、 开发成本、产品维护及其硬件升级等多方面实现最优化。s o p c 的设计以口为 西华大学硕士学位论文 基础，以硬件描述语言为主要设计手段，借助以计算机为平台的e d a 工具，自 动化、智能化地自顶向下地进行，他是一种可编程系统，具有灵活的设计方式， 可裁减、可扩充、可升级，并具备软硬件在系统可编程的功能。a l t e m 公司的 q u a r t u si i 由q u a r t u si i 本身，s o p cb u i l d e r ，n i o si ii d e 三部分构成，而s o p c b u i l d e r 及n i o si ii d e 可看作是q u a r t u si i 的两个构件【1 2 1 。 目前s o p c 的开发类型主要有两种：一种