本實用新型屬于電子設(shè)備領(lǐng)域，尤其涉及一種多功能智能儀器。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有儀器儀表多為分體設(shè)計，如波形信號源、示波器、頻譜分析儀等，功能不能集成，功能單一，攜帶不方便。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的在于提供一種多功能智能儀器，旨在解決現(xiàn)有儀器儀表多為分體設(shè)計，功能不能集成，功能單一，攜帶不方便的問題。

本實用新型是這樣實現(xiàn)的，一種多功能智能儀器，所述多功能智能儀器由ARM處理器、可配置輸入/輸出濾波網(wǎng)絡(luò)、8-65536點實時FFT、硬件系統(tǒng)控制器、采集控制器、輸出/輸入波形存儲器、0-400MHz正弦波發(fā)生器、高速ADC/DAC、多路選擇器、輸入/輸出功率放大器、輸入/輸出設(shè)備、遠程訪問控制器組成。

所述ARM處理器與輸入/輸出設(shè)備、輸入/輸出波形存儲器、遠程訪問控制器、硬件系統(tǒng)控制器連接；所述硬件系統(tǒng)控制器與可配置輸入/輸出濾波器網(wǎng)絡(luò)、8-65536點實時FFT、采集控制器、多路選擇器、0-400MHz正弦波發(fā)生器連接。所述可配置輸出濾波器網(wǎng)絡(luò)與所述輸出波形存儲器連接；所述采集控制器與所述8-65536點實時FFT和所述可配置輸入濾波器網(wǎng)絡(luò)連接；所述可配置輸入濾波器網(wǎng)絡(luò)與所述輸入波形存儲器和高速ADC連接；所述高速ADC與輸入功率放大器連接；所述8-65536點實時FFT與輸入波形存儲器連接；所述可配置輸出濾波器網(wǎng)絡(luò)與所述輸出波形存儲器和高速DAC連接；所述多路選擇器與高速DAC、0-400MHz正弦波發(fā)生器、輸出功率放大器連接；。

其中ARM處理器采用Altera公司的Cyclone V系列SoC芯片5CSXF6D6F31(集成了ARM處理器和豐富的可編程邏輯資源)；可配置輸入/輸出濾波網(wǎng)絡(luò)、8-65536點實時FFT、硬件系統(tǒng)控制器、采集控制器、輸出/輸入波形存儲器均集成在SoC芯片上，并采用SoC芯片中的FPGA數(shù)字電路(這些模塊也可選用市面上已有的芯片，但這樣做會增加系統(tǒng)成本，而且還會導(dǎo)致ARM處理器和這些模塊之間的數(shù)據(jù)通信帶寬受限)；AD轉(zhuǎn)換芯片選用AD9254(提供兩路精度為14bit最高采樣率250MSPS的AD轉(zhuǎn)換通道)、DA轉(zhuǎn)換芯片選用DAC5672(提供了兩路采樣率250MSPS精度14bit的DA轉(zhuǎn)換通道)、獨立的0-400MHz正弦波發(fā)生器基于DDS芯片AD9954(1Gbps采樣率)實現(xiàn)；輸入/輸出波形存儲器均選用DDR芯片。

本實用新型的多功能智能儀器，集任意波形信號源、示波器、頻譜分析儀于一體，并能夠?qū)崟r完成模擬信號采集、處理、輸出，用戶通過互聯(lián)網(wǎng)即可實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)采集和處理，功能全面、采樣率高、處理速度快、成本較低、體積較小、攜帶方便。

附圖說明

圖1是本實用新型實施例提供的多功能智能儀器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本實用新型實施例提供的高頻正弦波配置過程；

圖3是本實用新型實施例提供的任意波形發(fā)生器原理框圖；

圖4是本實用新型實施例提供的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原理框圖；

圖5是本實用新型實施例提供的頻譜分析系統(tǒng)原理框圖。

圖中：1、ARM處理器；2、硬件系統(tǒng)控制器；3、8-65536點實時FFT變換器；4、采集控制器；5、可配置輸入濾波網(wǎng)絡(luò)；6、高速ADC；7、輸入功率放大器；8、輸入波形存儲器；9、輸出波形存儲器；10、可配置輸出濾波網(wǎng)絡(luò)；11、高速DAC；12、0-400MHz正弦波發(fā)生器；13、多路選擇器；14、輸出功率放大器；15、輸入輸出設(shè)備；16、遠程網(wǎng)絡(luò)訪問控制器。

具體實施方式

為了使本實用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合實施例，對本實用新型進行進一步詳細說明。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。

下面結(jié)合附圖及具體實施例對本實用新型的結(jié)構(gòu)作詳細描述。

請參閱圖1：

本實用新型實施例提供的多功能智能儀器，采用SoC架構(gòu)(ARM處理器+FPGA)實現(xiàn)信號源、示波器、頻譜分析儀、虛擬實驗室等多種儀器的功能，包括輸入通道、輸出通道、控制系統(tǒng)三個部分。

所述輸出通道由輸出波形存儲器9、可配置輸出濾波網(wǎng)絡(luò)10、高速DAC11、0-400MHz正弦波發(fā)生器12、多路選擇器13、輸出功率放大器14組成。在控制系統(tǒng)的控制下，輸出通道既可以輸出0-400MHz的正弦波，也可以輸出ARM處理器1在波形存儲器9中存儲的任意波形?？刂葡到y(tǒng)可以對輸出波形的采樣率和功率以及輸出濾波器的頻率響應(yīng)函數(shù)進行動態(tài)配置。

所述輸入通道由輸入功率放大器7、高速ADC6、可配置輸入濾波網(wǎng)絡(luò)5、采集控制器4、8-65536點實時FFT3、輸出波形存儲器8組成。在控制系統(tǒng)的控制下，輸入通道對輸入模擬信號進行功率放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換、濾波、FFT等操作，并將數(shù)字采樣信號及其頻譜寫入輸出波形存儲器供ARM處理器讀取?？刂葡到y(tǒng)可以動態(tài)配置輸入濾波器的頻率響應(yīng)函數(shù)、功率放大倍數(shù)、信號采集觸發(fā)條件和采集時長等參數(shù)。

所述控制系統(tǒng)由ARM處理器1和硬件系統(tǒng)控制器2構(gòu)成，可以對輸入通道的信號采集處理過程、輸出通道的處理過程及相關(guān)參數(shù)進行動態(tài)配置，從而實現(xiàn)示波器、信號源等多種儀器的功能。此外控制系統(tǒng)通過輸入和輸出通道的聯(lián)動，可以將輸如信號處理和變換后產(chǎn)生新的輸出信號，從而可以實現(xiàn)虛擬實驗室的功能。

為了實現(xiàn)信號源功能，本實用新型實施例采用DDS頻率合成器和數(shù)字邏輯電路相結(jié)合的方式。本實用新型實施例采用專用DDS頻率合成器芯片來產(chǎn)生高頻正弦波，其采樣率可達到1GSPS，能夠產(chǎn)生頻率高達400MHz的正弦波信號。控制系統(tǒng)可通過接口對該頻率合成器進行控制，進而改變輸出正弦波的頻率、幅度和相位，配置過程如圖2所示。

DDS芯片只能產(chǎn)生正弦波信號，而無法實現(xiàn)任意波形信號的輸出。為此，本實用新型實施例采用ARM處理器和硬件邏輯電路相結(jié)合的方式來實現(xiàn)此功能，如圖3所示。

(1)用戶通過ARM處理器產(chǎn)生需要輸出的波形信號數(shù)據(jù)，并將其保存在輸出波形存儲器中。然后ARM處理器將輸出波形存儲器中上述波形數(shù)據(jù)的信息告知輸出通道，并控制后者將其從輸出波形存儲器中輸出。

(2)輸出通道的數(shù)字邏輯電路首先按照ARM處理器的要求將待輸出數(shù)據(jù)從存儲器中順序讀出，并通過DAC將其轉(zhuǎn)換成模擬信號輸出。輸出信號的采樣率最高可達200MSPS，用戶可通過ARM處理器對其進行動態(tài)配置；

(3)在將輸出波形轉(zhuǎn)換成模擬信號之前，用戶可以采用輸出濾波器網(wǎng)絡(luò)對其進行濾波處理。由于FIR濾波器計算量較大(尤其是當濾波器階數(shù)較高時)，本儀器基于FPGA采用硬件邏輯電路來實現(xiàn)，其階數(shù)和系數(shù)皆動態(tài)配置，最高階數(shù)可達256階，系數(shù)精度可達24bit。

(4)ARM處理器連續(xù)不斷地循環(huán)寫入波形數(shù)據(jù)，輸出通道則不斷地讀出數(shù)據(jù)將其輸出，從而可以實現(xiàn)無限長任意波形的輸出。

為了實現(xiàn)示波器、頻譜分析儀等功能，本實用新型實施例提供了對輸入模擬信號進行采集、模數(shù)轉(zhuǎn)換、FFT變換以及波形存儲等功能模塊，這些功能是通過ARM、數(shù)字邏輯電路、模擬信號處理芯片協(xié)同完成。ARM處理器負責采集過程的發(fā)起和控制，基于FPGA的數(shù)字邏輯電路在ARM處理器的控制下完成AD轉(zhuǎn)換、信號濾波和FFT變換、并根據(jù)ARM處理器設(shè)定的采集觸發(fā)條件并將相關(guān)波形和頻譜數(shù)據(jù)寫入輸入波形存儲器以供ARM處理器讀取。模擬信號采集系統(tǒng)的原理框圖如圖4所示。

(1)用戶可通過ARM處理器調(diào)用硬件系統(tǒng)控制器來配置高速DAC的相關(guān)參數(shù)(如采樣率)和過程(啟動/停止等)；

(2)ARM處理器能夠控制輸入濾波器網(wǎng)絡(luò)對原始采樣序列進行預(yù)濾波處理，輸入濾波器網(wǎng)絡(luò)的階數(shù)和系數(shù)均可通過ARM處理器動態(tài)配置。

(3)ARM處理器將待采集信號在輸入波形存儲的地址空間和長度告知輸入通道，后者將采集到的數(shù)據(jù)寫入輸入波形存儲器以供ARM處理器讀取。

(4)ARM處理器可對開始數(shù)據(jù)采集過程的觸發(fā)條件(如當波形幅度值大于給定的門限等)進行配置，只有當觸發(fā)條件滿足時系統(tǒng)才開始將采集到的數(shù)據(jù)寫入波形存儲器。

為了能夠?qū)崿F(xiàn)實時的高精度頻譜分析，本實用新型實施例設(shè)計了8-65536點FFT處理器，頻譜分析過程的原理框圖如圖5所示。

(1)ARM處理器可通過硬件系統(tǒng)控制器控制整個輸入通道。

(2)ARM處理器能夠通過硬件系統(tǒng)控制器設(shè)置FFT處理器的變換長度。

(3)FFT處理器的最大變換長度達65536點，在100MHz采樣率條件下，頻率分辨率可達1500Hz左右。

本實用新型采用基于Linux的操作系統(tǒng)，該操作系統(tǒng)內(nèi)部集成多種常用網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議(如TCP/IP協(xié)議等)，因此具備了網(wǎng)絡(luò)接入的能力。基于此，本實用新型實現(xiàn)了下屬功能：

(1)遠程訪問控制功能：遠程用戶通過遠程登錄該儀器實現(xiàn)遠程控制，進而實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)采集和處理

(2)在線更新功能：基于ARM處理器的軟件程序和基于FPGA的數(shù)字邏輯電路均能夠重新配置，用戶可通過網(wǎng)絡(luò)在線更新軟件和數(shù)字邏輯電路。

本實用新型通過ARM處理器和硬件邏輯電路相結(jié)合的方式來實現(xiàn)，由于數(shù)據(jù)采樣率較高，ARM處理器器和數(shù)字邏輯電路之間應(yīng)該具備較大的數(shù)據(jù)交換帶寬?？紤]到上述需求，采用Altera公司的Cyclone V系列SoC芯片5CSXF6D6F31來實現(xiàn)。該SoC芯片在同一芯片上繼承了雙核ARM9處理器和110K的可配置邏輯單元，同時具備51405140Kbit的片內(nèi)存儲器和充足的數(shù)字信號處理單元(乘法器等)，為本實用新型的實現(xiàn)提供了充足的資源。數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換方面，本實用新型的最高輸入信號采樣率為100MHz，為此選取了型號為AD9254的ADC芯片，該芯片提供了兩路精度為14bit最高采樣率250MSPS的AD轉(zhuǎn)換通道，很好的滿足了本實用新型的設(shè)計目標。DAC芯片，本實用新型選擇了DAC5672芯片，該芯片提供了兩路采樣率250MSPS精度14bit的DA轉(zhuǎn)換通道，能夠很好地滿足本儀器的設(shè)計需求。

本實用新型的多功能智能儀器，集任意波形信號源、示波器、頻譜分析儀于一體，并能夠通過腳本語言編程實現(xiàn)虛擬實驗室的功能實時完成模擬信號采集、處理、輸出，還提供了網(wǎng)絡(luò)傳輸功能，用戶通過互聯(lián)網(wǎng)即可實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)采集和處理，功能全面、采樣率高、處理速度快、成本較低、體積較小、攜帶方便。

以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。