深圳海旭儀器儀表有限公司
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閱讀：14發(fā)布時間：2026-5-27
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的虛擬儀器系統(tǒng)組建方案研析
（本資料由共立、優(yōu)利德 cem、DeltaTRAK區(qū)域總代理—深圳海旭儀器儀表提供）
智能儀器(vi)是計算機技術(shù)向測量儀器移植的產(chǎn)物，含有微計算機或微處理器的測量儀器。由于它擁有對數(shù)據(jù)的存儲、運算、邏輯判斷及自動化操作等功能，有著智能的作用，因而被稱之為智能儀器。自從“智能儀器”概念產(chǎn)生以來，智能儀器在測量過程自動化、測量結(jié)果的數(shù)據(jù)處理及一機多用（多功能化）等方面已經(jīng)取得了巨大的進展，可以說在高準確度、高性 能、多功能的測量中已經(jīng)很少有不采用智能儀器的了
示波器是電子測量行業(yè)的測量儀數(shù)和波形，在科學研究、科學實驗以及現(xiàn)場監(jiān)測等許多領(lǐng)域被廣泛應用。隨著科學研究的不斷深入和各種的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)示波器的諸如波形不穩(wěn)定、測量不準確等許多缺陷逐漸顯露出來，越來越不能滿足現(xiàn)代應用的需要。智能化數(shù)字示波器（亦稱虛擬示波器）不僅可以實現(xiàn)傳統(tǒng)示波器的功能，而且具有存儲、再現(xiàn)、分析、處理波形等特點。
本文中，采用了基于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上的虛擬儀器系統(tǒng)組建方案實現(xiàn)虛擬示波器的功能，使用功能的微型計算機來完成信號的處理和波形的顯示，利用軟件技術(shù)在屏幕上設計出方便、逼真的儀器面板，進行各種信號的處理、加工和分析，用各種不同的方式（如數(shù)據(jù)、圖形、圖表等）表示測量結(jié)果，完成各種規(guī)模的測量任務。（示波器推薦品牌優(yōu)利德）
2、系統(tǒng)設計
整個系統(tǒng)采用高速緩存、局部總線、高速dsp等為主的硬件結(jié)構(gòu)。它包含了一個完整的數(shù)據(jù)獲取、處理系統(tǒng)，但是它又是具有測試儀器的特色，這主要表現(xiàn)在模擬放大，增益控制和一系列的高速控制電路：局部總線是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心，組成系統(tǒng)的各個模塊均掛接在局部總線上：高速緩存分為兩路，分別負責通信接口和dsp之間的上行和下行通信。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的通信接口可以使用各種方法實現(xiàn)，如pc計算機的i0口、存儲器窗口映射、dma等。在本文中，采用usb接口傳輸技術(shù)，以達到滿足較高通信速率的目的。在規(guī)定的觸發(fā)條件滿足時，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的高速控制電路啟動ad變換器工作，變換后的數(shù)據(jù)在dsp中，dsp根據(jù)pe計算機預先設置的算法計算pc計算機需要的結(jié)果，存儲于高速緩存中，并通知pe計算機來取數(shù)據(jù)，pc計算機取出數(shù)據(jù)后，重新啟動數(shù)據(jù)采集，等待觸發(fā)條件的又一次滿足。
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與pe計算機的通信協(xié)議為被動式協(xié)議。在虛擬儀器系統(tǒng)的硬件模塊中，pc計算機完成的功能是提供人機圖形界面以及控制數(shù)據(jù)采集工作，各種處理算法在dsp中運行，pe計算機對采集卡初始化時除了完成必要的寄存器賦值外，還要為dsp加載運行程序。整個系統(tǒng)使用的主要芯片如下：模／數(shù)轉(zhuǎn)換芯片是ti公司的低價高速a/d芯片tlc320ad50e：dsp使用ti公司的tms320vc5410定點數(shù)字信號處理器：usb芯片是cypress公司的an2131qe；dsp與usb之間的fifo是idt公司的72v02，它有1024個單元。
2.1模／數(shù)轉(zhuǎn)換部分
tlc320ad50c使用過采樣 (oversampling)的∑△技術(shù)提供從數(shù)字至模擬(d/a)和模擬至數(shù)字(a/d)的高分辨率低速信
號轉(zhuǎn)換。該器件包括2個串行的同步轉(zhuǎn)換通道（用于各自的數(shù)據(jù)方向）：在dac之前有一個插入濾波器(interpolation filter)和adc之后有一個抽取濾波器(decimationf'ilter)，其它的高級功能有片內(nèi)時序和控制，結(jié)構(gòu)在低系統(tǒng)速度和低價格下產(chǎn)生高分辨率的模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換。在本設計中主要用到的是ad50芯片的a/d功能該器件的選項和電路結(jié)構(gòu)可通過串行接口進行編程，其選項包括：復位、掉電、通信協(xié)議、串行時鐘率、型號采樣率、增益控制及測試方式等tlc320ad50c的工作范圍方位從O℃～700C。tlc320ad50c的引腳示意圖及其與dsp的硬件連接ad50與dsp芯片的硬件連接。
(2)模／數(shù)轉(zhuǎn)換部分的程序
在本系統(tǒng)中，模擬量信號經(jīng)過前端處理轉(zhuǎn)換成差分信號后進入tlc320ad50c芯片，ad50根據(jù)輸入信號的大小值將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并觸發(fā)vc5410芯片來接收。dsp芯片里的程序流程。ad部分程序流程，2dsp部分tms320vc5410基于一個高級的改進哈佛結(jié)構(gòu)，有一組程序存儲總線和三組數(shù)據(jù)存儲總線。這個處理器提供一個高水準的并行算術(shù)邏輯單元，專用硬件邏輯，片內(nèi)存儲器以及片內(nèi)外設。它的特點是：
(1)的多線程結(jié)構(gòu)包括三條獨立的16-位數(shù)據(jù)存儲總線和一條程序存儲總線；
(2) 40位的算術(shù)邏輯單元：
(3) 17位的并行乘法器，可用來進行非流水單周期mac運算：
(4)數(shù)據(jù)總線具有總線保持特性：
(5)支持32位長操作數(shù)指令：
(6)單周期定點指令執(zhí)行時間lOnS。
2.3 usb總線（通用串行總線）usb技術(shù)的提出是基于采用通用連接技術(shù)實現(xiàn)外設的簡單快速連接，達到方便用戶，降低成本，擴展pc機 連接外設范圍的目的，使pc的功能擴展變得非常簡便，并且能地降低用戶對計算機技術(shù)的需求，使所有的外設均成為所謂的“傻瓜”式設備。usb的規(guī)范能針對不同的性能價格比要求提供不同的選擇，以滿足不同的系統(tǒng)和部件及相應不同的功能，主要有以下優(yōu)點：
(1)終端用戶的易用性：
(2)廣泛的應用性；
(3)同步傳輸帶寬：
(4)靈活性．
usb技術(shù)具有開放性，是非贏利性的規(guī)范，得到了廣泛的工業(yè)支持。它在數(shù)字圖像、電話語音合成、交互式多媒體、消費電子產(chǎn)品等領(lǐng)域得到了廣泛的應用。
an2131qe和dsp芯片tms320vc5410之間采用fifo(first in first out sram)連接，不用主機接口(hpi)方式，這樣可以使usb接口芯片和dsp之間的數(shù)據(jù)交換速度超過usb總線的速度，使之不成為數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i，dsp和主機間的數(shù)據(jù)傳輸速度只受usb協(xié)議限制。由于an2131qe內(nèi)嵌8位8051處理器，所以用兩片fifo實現(xiàn)usb接口和dsp之間的雙向通信。
2.4上位機vb應用程序
tlc320ad50將輸入的模擬量信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并送到dsp芯片tms320vc5410中去：vc5410將數(shù)據(jù)打包，并寫入fifo，通知usb芯片an2131qc來?。篴n2131qe從fifo中讀出數(shù)據(jù)，再送到上位機，上位機應用程序就是要將這些數(shù)據(jù)接收并通過還原顯示出來。該程序的框圖如圖5所示。該應用程序?qū)膁sp程序從fif02中讀數(shù)，一旦讀到“a”的acsii碼61h，就將從adc通道接收到的采樣數(shù)據(jù)打包，寫到fifol中，同時向usb發(fā)出中斷信號，通知usb到fifol中將數(shù)據(jù)包讀出。這樣就實現(xiàn)了usb和dsp之間的數(shù)據(jù)交換。
本文現(xiàn)在介紹了基于usb接口的虛擬示波器的設計的一部分，這部分并不僅僅局限于虛擬示波器中，它也可以通用于一般的高速數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)中。本系統(tǒng)作為一個通用平臺，具有廣闊的應用前景。
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