基于DSP技術(shù)的多功能電子測量?jì)x的設計與實(shí)現

發(fā)布時(shí)間:2010-7-7 13:51    發(fā)布者:zealot
關(guān)鍵詞: dsp , 電子測量?jì)x
在傳統的電子測量中,往往使用萬(wàn)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據不能得到很好的處理,需要測試者進(jìn)一步的計算和處理,給測量者帶來(lái)了諸多的不便。

本文針對這些問(wèn)題,介紹應用DSP技術(shù)和虛擬儀器技術(shù),設計研制多功能的電子測量?jì)x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(shí)將這些參量進(jìn)行分析和處理,以數據圖表或圖形的方式顯示出來(lái)。測最儀器一般可由測量信號采集、測量信號處理、測量數據分析、人機交互、顯示等幾個(gè)部分構成。其基本結構如圖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置、量程的調整等工作;顯示部分將測量和分析結果以數據、圖形等形式顯示出來(lái)。 近年來(lái)由于DSP技術(shù)的飛速發(fā)展和虛擬儀器技術(shù)的廣泛應用,促使電子測量?jì)x表技術(shù)得到快速的發(fā)展。高速A/D技術(shù)和DSP技術(shù)的應用簡(jiǎn)化了測量信號的采集電路、處理電路;虛擬儀器技術(shù)的應用簡(jiǎn)化了對測量數據的計算和分析,使人機交互變得靈活和容易。

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(jìn)行A/D轉換,必須將信號變換到A/D的范同內。耦合后,輸入信號為:



其中:k為壓縮因子,k≥1時(shí),對被測信號線(xiàn)性放大,k≤1時(shí),對被測信號線(xiàn)性縮小。f(t)為變換時(shí)產(chǎn)生非線(xiàn)性畸變和噪聲,應在軟件計算時(shí)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。

變換后的信號為:



其中,n∈Z,Ts=1/fs,fs為A/D抽樣頻率。式(2)可表示為:



通過(guò)DSP軟件處理,削弱式(3)中f(n)δ(t-nTs)。 D/A電路的作用主要產(chǎn)生一個(gè)校驗信號。DSP產(chǎn)生的數字校驗信號,經(jīng)過(guò)D/A電路變換成模擬校驗信號,對系統進(jìn)行校驗。通過(guò)校驗調整,量程和產(chǎn)生削弱參數。

1.3 數字信號處理DSP電路

數字信號處理DSP電路是整個(gè)系統的核心,通過(guò)DSP系統,對輸入的被測信號進(jìn)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,譜分析算法采用Gabor變換方法,窗函數采用高斯窗函數。處理后的數據放在專(zhuān)門(mén)開(kāi)辟的數據緩沖區內,供顯示部分和計算機訪(fǎng)問(wèn)。

校驗數字信號由DSP部分產(chǎn)生,校驗數字信號可通過(guò)鍵盤(pán)部分或計算機設置,可設置為正弦波、方波、脈沖、隨機信號。

1.4 鍵盤(pán)及顯示

考慮到測量?jì)x器可能不和計算機配合使用,而是單獨使用,將鍵盤(pán)和顯示設計到系統中。

鍵盤(pán)和顯示是人機交互的界面。通過(guò)鍵盤(pán)可設置、調整測量?jì)x器的參數。顯示部分顯示參數的設置和測量數據,測量曲線(xiàn)。

1.5 計算機

DSP通過(guò)接口和計算機互連,計算機通過(guò)虛擬儀器軟件訪(fǎng)問(wèn)、操作測量?jì)x系統。

計算機訪(fǎng)問(wèn)DSP處理的數據,將這些數據進(jìn)一步處理后,以圖形或數據的形式顯示在計算機界面上,或存人數據庫。

2 硬件設計

根據圖1的基本原理,以總線(xiàn)式設計整個(gè)硬件電路。信號采樣電路,通過(guò)數據、控制、選通、狀態(tài)信號總線(xiàn)和DSP核心電路連接。其硬件結構如圖2所示。

2.1 A/D及D/A總線(xiàn)

為了能使硬件系統具有可擴展性和具有一定的開(kāi)放性,對A/D信號采樣部分和D/A模擬信號輸出部分采用總線(xiàn)方式設計。主要包括數據總線(xiàn)、控制總線(xiàn)、選通總線(xiàn)和狀態(tài)總線(xiàn)。

(1) 數據總線(xiàn)

數據總線(xiàn)主要是A/D和D/A電路數據的輸入輸出總線(xiàn)。在控制總線(xiàn)、選通總線(xiàn)的控制下,A/D電路將采樣后的數字信號輸入到DSP中。同樣,通過(guò)數據總線(xiàn)將校驗數字信號輸出到D/A電路中。

(2) 控制總線(xiàn)

控制總線(xiàn)主要控制A/D和D/A的工作。對于每個(gè)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(xiàn)需要和選通信號有效的情況下,控制才有效。


(3) 選通總線(xiàn)

選通總線(xiàn)主要配合控制總線(xiàn)使某個(gè)A/D或D/A電路工作。選通總線(xiàn)通過(guò)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(xiàn)

狀態(tài)總線(xiàn)主要將A/D或D/A電路的工作狀態(tài)通知給DSP,DSP通過(guò)檢測狀態(tài)總線(xiàn)的數據,得到A/D或D/A的工作狀態(tài)。狀態(tài)信號通過(guò)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(lái)將輸入的被測信號轉換為數字信號,而D/A轉換主要將DSP通過(guò)數據總線(xiàn)輸出的數字信號轉換為模擬信號。A/D及D/A要和DSP的數據、控制、選通、狀態(tài)總線(xiàn)接口。其A/D電路基本原理如圖3所示。


D/A電路的基本電路原理和A/D電路相似。D/A電路接收數據總線(xiàn)的數字信號,在控制總線(xiàn)信號的控制下,當選通總線(xiàn)的信號經(jīng)譯碼后有效時(shí),才能工作。

2.3 耦合電路

(1) 交流耦合電路

當測量交流大信號時(shí),通過(guò)改變耦合電路前端變量器的變比使信號變小。同時(shí)通過(guò)限幅電路的保護,使A/D電路處于正常的工作范圍。其基本電路原理如圖4所示。


(2) 直流耦合電路 當測量直流大信號時(shí),通過(guò)調整直流耦合電路的電阻變比,同時(shí)通過(guò)限幅電路的保護,使A/D電路處于正常的工作范圍。

3 軟件設計

為了使系統具有開(kāi)放性、可擴展性和通用性,采用平臺化的設計思想。將整個(gè)軟件分為底層支持層,中間調度操作層和頂層應用層。軟件的基本層次結構如圖5所示。


3.1 支持層

支持層主要包括A/D,D/A電路驅動(dòng)函數,狀態(tài)檢測函數,A/D,D/A轉換執行函數。

A/D,D/A電路驅動(dòng)函數,主要對硬件的控制總線(xiàn)進(jìn)行操作,即操作硬件電路上的控制總線(xiàn)和選通總線(xiàn)。其核心偽代碼為:



狀態(tài)檢測函數檢測函數主要檢測狀態(tài)總線(xiàn)的狀態(tài),其核心偽代碼為:



A/D,D/A轉換執行函數主要執行A/D,D/A轉換,其核心偽代碼為:




3.2 調度操作層

調度操作層主要的任務(wù)是,定時(shí)檢測鍵盤(pán)或計算機虛擬儀器的命令,執行鍵盤(pán)操作、顯示、多路A/D數據采集或執行D/A輸出。A/D或D/A轉換的核心偽代碼為:



3.3 應用層

應用層主要完成鍵盤(pán)操作,顯示,PC接口,虛擬儀器數據接口等功能。主要技術(shù)是操作命令緩沖區,數據緩沖區。鍵盤(pán)操作程序的核心偽代碼:



PC和虛擬儀器的接口是通過(guò)網(wǎng)卡進(jìn)行接口的,計算機通過(guò)網(wǎng)卡以TCP/IP的方式訪(fǎng)問(wèn)DSP的數據緩沖區、命令緩沖區。其核心偽代碼:



4 結 語(yǔ)

本文所設計的多功能電工測量?jì)x已在實(shí)驗室實(shí)現,通過(guò)測試,達到了預期的設計目標。多功能電工測量?jì)x能測量和顯示多個(gè)直流信號的電壓、電流,多個(gè)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(guò)與虛擬儀器系統LabVIEW 5.1的接口,能充分發(fā)揮該儀器的功能。該儀器在電工實(shí)驗和電子測量中能代替傳統的測量?jì)x器,具有一定的實(shí)際意義。
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