CN102495317A - 一种针对单一测量仪器实现多功能并行操作的设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种针对单一测量仪器实现多功能并行操作的设备，包括微处理器（MCU）、现场可编程门阵列（FPGA）芯片、LCD显示屏、通信接口，还包括多功能并行操作软件平台：可实现示波器、多用表、任意波形发生器、音频分析器等功能；FPGA芯片负责完成高速处理和实时处理工作；MCU负责没有实时性要求的算法。通过对不同功能中各任务处理工作的合理分配，及强大、合理的硬件选型，保证设备能够全面实现多功能并行操作。
Description
技术领域
本发明提出一种针对单一测量仪器实现多功能并行操作的设备，属于信号测试测量领域。
背景技术
传统的信号测试测量仪器往往只具有单一功能，而实际工作中所遇到的信号繁多复杂，需要的测试测量仪器不止一种，以测试放大器为例，测试放大器时，通常需要三台仪器的联合工作：信号源产生一定的激励信号，如幅度、频率固定的正弦波，送入放大器的输入端，电压表检测放大器的直流工作点，示波器监测放大器的输出以评估放大器的性能；且传统的信号测试测量仪器普遍存在体积大、携带困难、通信不便等问题。本发明提出的单一测量仪器实现多功能并行操作的设备，在保证各项测量测试精度的前提下，具有体积小、功耗低、数据交换方便、人机交互界面友好等特点。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对传统信号测试测量仪器的单一功能，提供一种针对单一测量仪器实现多功能并行操作的设备，功能包括示波器、信号源、万用表、音频分析仪等；多种功能的并行操作将给实际工作带来很大的好处。
为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：
一种针对单一测量仪器实现多功能并行操作的设备，包括微处理器(MCU)、现场可编程门阵列(FPGA)芯片、LCD显示屏、通信接口，其特征在于：还包括多功能并行操作软件平台：可实现示波器、多用表、任意波形发生器、音频分析器等功能；所述的FPGA芯片负责完成高速处理和实时处理工作；所述MCU负责没有实时性要求的算法。
所述针对单一测量仪器实现多功能并行操作的设备选用EP3C40型FPGA芯片；所述设备选用的MCU主频高达400MHz。
所述针对单一测量仪器实现多功能并行操作的设备实现示波器功能时，示波器的采样、成像、波形分析、显示叠加过程由FPGA芯片完成；MCU负责CUI的处理，并设置FPGA芯片的寄存器。
所述针对单一测量仪器实现多功能并行操作的设备实现多用表功能时，MCU完成ADC数据的接入、数据的处理和存储、GUI的处理；FPGA芯片负责产生激励信号。
所述针对单一测量仪器实现多功能并行操作的设备实现任意波形发生器功能时，FPGA芯片内含数字合成器和波形存储器，并产生可变频率的信号输出；MCU负责GUI处理，存放待发生波形，并在需要产生时送往FPGA芯片的波形存储器。
所述针对单一测量仪器实现多功能并行操作的设备实现音频分析器功能时，MCU负责音频信息的采样、记录、时域分析、频域分析、数据存储以及GUI处理。
所述针对单一测量仪器实现多功能并行操作的设备的示波器、多用表、任意波形发生器、音频分析器功能可并行使用，也可单独使用。
本发明与现有技术相比有如下优点：在保证各项测量测试精度的前提下，具有体积小、功耗低、数据交换方便、人机交互界面友好等特点。同时该设备能够包含多台仪器的功能且能实现多功能并行操作。
下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案进行进一步的说明。
附图说明
图1是示波器工作过程；
图2是多用表工作过程；
图3是任意波形发生器工作过程；
图4是音频分析器工作过程。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明为一种针对单一测量仪器实现多功能并行操作的设备，包括微处理器(MCU)、现场可编程门阵列(FPGA)芯片、LCD显示屏、通信接口，其特征在于：还包括多功能并行操作软件平台：可实现示波器、多用表、任意波形发生器、音频分析器等功能；所述的FPGA芯片负责完成高速处理和实时处理工作；所述MCU负责没有实时性要求的算法。
所述针对单一测量仪器实现多功能并行操作的设备选用EP3C40型FPGA芯片；所述设备选用的MCU主频高达400MHz。
所述针对单一测量仪器实现多功能并行操作的设备的示波器、多用表、任意波形发生器、音频分析器功能可并行使用，也可单独使用。
针对多功能并行操作的任务，具体处理工作分配为：FPGA在综合测试的过程中负责完成高速数据存储、高速数据合成、波形成像处理、显示叠加和波形分析等功能。实现这些功能所需的FPGA大体资源消耗如下表所示：
本设备所选用的EP3C40型FPGA具有十分丰富的资源，包括39.6K的逻辑单元、126Kb的存储器、126个乘法器、4个锁相环以及20个全局时钟网络，结合上表可看出该FPGA完全满足仪器的需求。
MCU在综合测试的过程中主要完成GUI处理、多用表信号处理、音频信号处理以及数据存储等功能。其中GUI处理运算量很小且仅发生在需人机交互场合，CPU占用率十分低；多用表信号处理没有实时性要求且算法简单，CPU占用率亦很低；音频处理则由于具有一定的数据量和大量的GUI操作(波形绘制等)需要一定的CPU时间和资源占用。但由于音频处理没有实时性要求，且本仪器所选用的MCU的主频高达400MHz，远远高于各种测试的需求。因此保守估计即使所有功能全开，CPU占用率也不会超过10％。
结合以上说明可看出，本设备之所以能够实现全面的并行操作，其主要原因是所有需要高速处理和实时处理的工作甚至包括谱分析和波形显示等工作均由高性能的FPGA来完成，而MCU只需负责没有实时性要求的灵活多变的算法。
如图1所示为该设备作为示波器功能时FPGA和MCU的工作过程。
对示波器功能来说，其处理量最大的极端情况是使用最高采样率连续采样、存储、显示，并同时进行波形插值、谱分析和光标测量。
示波器的实现分为采样、成像、波形分析、显示叠加和GUI处理四个主要部分。其中，采样过程将来自ADC的数据采入波形存储器，成像过程读出波形数据，进行插值后将其映射到成像存储器中，波形分析过程对波形进行适当的变换(如FFT)并测得波形相关参数，显示叠加过程将成像存储器中的快照直接送往LCD。以上三个过程均在FPGA内部并行完成。MCU所负责的仅仅是基本的GUI处理：响应来自键盘、鼠标、调节轮和触摸屏的交互事件，并设置FPGA的相应寄存器。
如图2所示为该设备作为多用表功能时FPGA和MCU的工作过程。
对多用表功能来说，其处理量最大的极端情况是进行参数测量、数据运算和记录。
由于多用表没有实时要求，因此此时的主要工作由MCU完成，包括ADC数据的接入、数据的处理以及数据的存储，同时GUI处理也需由MCU完成。FPGA的工作仅仅是产生适当的激励信号即可。
如图3所示为该设备作为任意波形发生器功能时FPGA和MCU的工作过程。
任意波形发生器功能的实现以FPGA为主导。FPGA内含数字合成器和波形存储器，该组合产生可变频率的信号输出。待发生波形存放在MCU的内存中，需要产生时由MCU传往FPGA中的波形存储器。同时GUI处理也需由MCU完成。
如图4所示为该设备作为音频分析功能时FPGA和MCU的工作过程。
由图4可见，音频测试的全部功能均由MCU实现，包括音频信息的采样、记录、时域分析、频域分析、数据存储以及GUI处理。
Claims (7)
1.一种针对单一测量仪器实现多功能并行操作的设备，包括微处理器（MCU）、现场可编程门阵列（FPGA）芯片、LCD显示屏、通信接口，其特征在于：还包括多功能并行操作软件平台：可实现示波器、多用表、任意波形发生器、音频分析器等功能；所述的FPGA芯片负责完成高速处理和实时处理工作；所述MCU负责没有实时性要求的算法。
2.如权利要求1所述的针对单一测量仪器实现多功能并行操作的设备，其特征在于，所述设备选用EP3C40型FPGA芯片；所述设备选用的MCU主频高达400MHz。
3.如权利要求1所述的针对单一测量仪器实现多功能并行操作的设备，其特征在于，所述设备实现示波器功能时，示波器的采样、成像、波形分析、显示叠加过程由FPGA芯片完成；MCU负责CUI的处理，并设置FPGA芯片的寄存器。
4.如权利要求1所述的针对单一测量仪器实现多功能并行操作的设备，其特征在于，所述设备实现多用表功能时，MCU完成ADC数据的接入、数据的处理和存储、GUI的处理；FPGA芯片负责产生激励信号。
5.如权利要求1所述的针对单一测量仪器实现多功能并行操作的设备，其特征在于，所述设备实现任意波形发生器功能时，FPGA芯片内含数字合成器和波形存储器，并产生可变频率的信号输出；MCU负责GUI处理，存放待发生波形，并在需要产生时送往FPGA芯片的波形存储器。
6.如权利要求1所述的针对单一测量仪器实现多功能并行操作的设备，其特征在于，所述设备实现音频分析器功能时，MCU负责音频信息的采样、记录、时域分析、频域分析、数据存储以及GUI处理。
7.如权利要求1所述的针对单一测量仪器实现多功能并行操作的设备，其特征在于，所述设备的示波器、多用表、任意波形发生器、音频分析器功能可并行使用，也可单独使用。
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