基于FPGA 與LabVIEW 的虛擬示波器

湯建鑫 黎小飛 何綺雯 梁火層 甘永進

（玉林師范學院 物理與電信工程學院，廣西 玉林537000）

所謂虛擬儀器，是以通用計算機為核心，根據(jù)用戶對儀器的設計定義，用軟件實現(xiàn)虛擬控制面板設計和測試功能的一種計算機儀器系統(tǒng)[1]。利用這一技術理念，通過使用計算機和儀器的密切結合，是目前儀器研究發(fā)展的又一重要方向。虛擬示波器是虛擬儀器中重要的一類，是一種用途十分廣泛的測試儀器，其優(yōu)越性相較于傳統(tǒng)示波器而言，不僅具有數(shù)字示波器本身的功能，使用操作方便、易掌握，而且有效改善了實驗室建設與管理成本的問題，為一般用戶提供了一種輕量級的數(shù)字示波器。

1 總體設計

本文主要是用高速AD 模塊對數(shù)據(jù)處理、采樣轉(zhuǎn)換和FPGA以及PC 端軟件LabVIEW 構成。其中由高速AD 模塊為主對模擬信號處理，經(jīng)過交直流耦合及放大、衰減、偏置、濾波等處理后，采集轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再通過FPGA 接收高速AD 采樣后的數(shù)據(jù)進行信號調(diào)理，使用串口進行通信，傳輸至PC 機上的的LabVIEW，LabVIEW 軟件的程序主運行界面用于采集的波形顯示、測量信息顯示，同時，對信號進行FFT、頻譜處理并顯示；使用LabVIEW 的TCP 多機通信還可實現(xiàn)在同一區(qū)域網(wǎng)內(nèi)多臺電腦的同時顯示。

2 系統(tǒng)硬件設計

AD 采集模塊：

AD 轉(zhuǎn)換是模數(shù)轉(zhuǎn)換的過程。本文使用的是TI 公司的一款8 位高速AD 轉(zhuǎn)換器ADS830E，它可以在5v 供電條件下，擁有采壓頻率范圍為10kSa/s～60MSa/s，幅度在1.5v～3.5v 左右，該轉(zhuǎn)換速率范圍完全符合要求。所用偏置電路是由TI 公司所研發(fā)的低失真、高速的輸出運放OPA690，提供合適的偏置[2]，有效改善電路性能。其原理圖如圖1 所示。

圖1 ADS830、偏置電路原理圖

3 軟件程序設計

3.1 FPGA 的程序架構

本設計使用的是Altera 公司生產(chǎn)的一款FPGA 開發(fā)板。在設計中，采用FPGA+ARM架構可以有效地實現(xiàn)對信號參數(shù)的修改，大大提高整體的數(shù)據(jù)處理能力。即利用ADS830 將特定頻率信號采集好，再發(fā)送給RAM，運用通用異步收發(fā)器通過全雙工的方式進行傳輸數(shù)據(jù)，寫入CAM中的數(shù)據(jù)會和內(nèi)部的每一個數(shù)據(jù)進行比較，并返回與端口數(shù)據(jù)相同的所有數(shù)據(jù)的地址，從而更好實現(xiàn)數(shù)據(jù)間的對比和傳輸。

3.2 LabVIEW 與FPGA 通信

LabVIEW 具有大量的驅(qū)動和專用工具，幾乎可以同所有的硬件接口相連接，并且提供良好的用戶界面以供使用。串口通信是最常用的通信方式之一，LabVIEW 通過VISA 實現(xiàn)串口通信發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，PC 機接收到的數(shù)據(jù)再由LabVIEW 顯示出來。并用到TCP 通信協(xié)議，即在發(fā)送端和接收端之間，它提供了可靠性較高的通信[4]。利用了一點對多點的TCP 進行多機通信的，即在服務器端添加一個不斷循環(huán)的監(jiān)聽連接，若服務器端接收到客戶端發(fā)送請求連接，便與該客戶端建立連接，并將連接放入隊列中，通過隊列的方式來實現(xiàn)每一個點對點的連接。該服務器端的程序框圖[3]如圖2 所示。

圖2 利用TCP 進行一點對多點通信——服務器端程序框圖

4 系統(tǒng)測試

該虛擬示波器作為一種測試儀器，它的測試性能指標是否完全達到預定的設計要求是個關鍵的問題, 因此對該虛擬示波器性能的測試和驗證是重要的環(huán)節(jié)。本文取的采樣頻率點為150Hz 的信號進行測量，測試電壓幅度范圍為0.2v～2v，誤差范圍始終保持在0.5%內(nèi)，測試誤差在合理范圍內(nèi)。通過測試和驗證, 結果表明示波器完全能達到所要求的性能指標。虛擬示波器顯示結果如圖3 示，傳輸數(shù)據(jù)與實際測試對比如表所示。

圖3 虛擬示波器顯示結果

傳輸數(shù)據(jù)與實際測試對比

5 結論

本文提供了一種基于FPGA 與LabVIEW 的虛擬示波器設計，由于LabVIEW 軟件的強大功能，使得該設計穩(wěn)定、實用性強，提供的用戶界面方便易懂，實現(xiàn)了對信號的采樣以及在同一區(qū)域網(wǎng)內(nèi)多臺電腦的數(shù)據(jù)顯示等功能，通過測試達到了最初的設計功能，本文設計的虛擬示波器還有很多的不足，需要在今后加以完善和彌補。