基于USB的多通道虚拟频谱分析仪
基于USB总线的虚拟频谱分析仪设计
开发设计基于USB总线的虚拟频谱分析仪设计黄 娟1 于莉娜2 胡金海3 李英伟2 刘兴斌3(1.大庆油田公司采油一厂工程技术大队 黑龙江大庆) (2.燕山大学信息学院 河北秦皇岛)(3.大庆测试技术服务分公司生产测井研究所 黑龙江大庆)摘 要:文章详细介绍了基于USB总线的虚拟频谱分析仪的设计过程。
该仪器使用嵌入式混合处理器MC56F8323来实现动态信号的实时采集、频谱分析和数字滤波等功能。
处理结果由U SB2.0接口芯片CY7C68013上传至PC机,以完成数据显示、存储、绘制图形等功能。
其中,CY7C68013工作于Slave FIFO模式,以实现与MC56F8323间的数据传输。
该系统可同时对两路动态信号进行实时谱分析,每路采样频率高达500kHz。
关键词:频谱分析仪;USB总线;混合控制器;Salve FIFO模式中图法分类号:TN874+.2 文献标识码:B 文章编号:1004-9134(2006)06-0019-030 引 言USB(通用串行总线)是一种应用在计算机领域的新型接口技术[1],与传统串行口相比,具有传输速度快,支持即插即用和热插拔等优点。
MC56F8323被称为 合成处理器 [2、3],其含义是该器件采用了结合DSP与MCU功能的56800内核,它以16位代码密度实现了32位的性能,可以替代传统MC U在32位系统中应用。
本文旨在利用MC56F8323对外部模拟信号进行采集,并采用时域抽取基2FFT算法对其进行频谱分析,最后将运算结果通过USB总线传输给PC机,以完成数据显示、存储、绘制图形等功能。
本系统所使用的USB接口控制器为Cypress公司的EZ-USB FX2系列中的CY7C68013-56PVC芯片,它支持12Mb/s的全速传输和480Mb/s高速传输。
可使用4种USB传输方式,实现控制、中断、块和同步,完全适用于USB2.0,并向下兼容USB1.1。
1 硬件设计频谱分析仪硬件系统包括四个子功能模块:信号预处理模块、A/D采集模块、FFT运算模块、USB传输模块,组成框图如图1所示。
基于USB总线的嵌入式虚拟仪器的设计
计方案。设计的虚拟仪器具有智能化和良好的系统扩展性 ， 是未来虚拟仪器发展的方向。 关键词 ：虚拟仪器 嵌入式系统 通用串行总线
０ 引言
虚拟仪器是以计算 机作为测 试仪 器 的硬件平 台 ，
通过调用不 同的软件 实现特定 的测试 功能 ， 达到仪 器
相对于传统 的仪器 而言 ， 虚拟 仪 器使用户 可 以根 据具
体 的应用需要 ， 设计 自己的仪 器系统 ， 了仪器 的定 实现
制化和多样化 。
但是 ， 基于 Ｐ ＩＩＡ总线 的虚拟仪 器存 在着 明显 Ｃ／Ｓ
维普资讯
基于 ＵＳ Ｂ总线的嵌入式虚拟仪器的设计
吴
莹。 等
基于 Ｕ Ｂ总线 的嵌入式虚拟仪器 的设 计 Ｓ
Ｄｅ ｉｎｏ ｍｂ ｄ ｅ ｉｕ ｌｎ ｔｕ ｎ ａ ｅ ｎ Ｕｎｖ ｒａ Ｓ ｒ ｌ ｕ ｓｇ ｆＥ ｅ ｄ ｄ Ｖｒ ａ Ｉｓｒｍｅ ｔＢ ｓ ｄ ｏ ｉｅｓ ｌ ｅｉ ｓ ｔ ａＢ
பைடு நூலகம்
翼 莹 豢树 ／ 旅 机 、
（ 重庆 大学机械 工 程 学院 ， 重庆 ４Ｏ４ ） ＯＯ４
摘
要 ：针对传统虚拟仪器不具有即插即用、 热插拔等功能， 提出了基于系统和 Ｕ Ｂ总线技术构建嵌入式虚拟仪器的设计方案和具 Ｓ
体实现。同时在分析传统虚拟仪器不足的基础上， 构建了基于 Ｕ Ｂ总线的虚拟仪器体系。该嵌入式技术可以把虚拟仪器的硬件集成 Ｓ
文献标 识码 ：Ａ 中圈分 类号 ：Ｔ３８ Ｖ６
Ａｂ ｔａ ｔ ｎ ｔｅ ｌ ｈ ｆｔ ｄｔ ｎ ｌｖｒ ａ ｉｓ ｕ ｎＳｎ ｏ ｓ ｓｉｇ ｔｅ ｆｎ ｔ ｎ ｆ ｌ ｇａ ｄ ｐａ ｎ ｌｇ ａ ｄ ｐ ｌ ｏ ｔ ｈ ｅ ｉ ｔ ｔｇ ｓｒ ｃ ：Ｉ ｉ ｔ ａ ｉｏ ａ ｉｕ ｎ ｔ ｍｅ ｔ ｏ ｐ ｓｅ ｓ ｕ ｃ ｏ ｓｏ ｕ － ｎ － ｌｙ ａ ｄ ｐｕ － － ｕｌ ｕ 。ｔｅ ｄ ｓｇ ｓ ａｅ ｙ ｈ ｇ ｏ ｒ ｉ ｔｌ ｒ ｎ ｈ ｉ ｐ ｎ － ｎ ｒ ａ ｄ ｐ ａ ｔ ａ ｉ ｌｍｅ ｔｔ ｎ ｏ ｓ ｂｉｈｎ ｍｂ ｄ ｅ ｉ ｕ ｓ ｕ ｎ ａ ｅ ｎ ｅ ｅ ｄ ｄ ｓ ｓ ｍ ｄ ＵＳ ｅ ｈ ｏｏ ｉｓ ｒ ｍｐ ｅ ．Ｏ ｎ ｒ ｃｉ ｌ ｍｐ ｅ ｎａｉ ｆ ｔ ｌ ｉｇａ ｅ ｅ ｄ ｄｖｒ ａ ｉ ｔ ｍｅ ｔ ｓ ｄ ｏ ｍｂ ｄ ｅ ｙ ｔ ａ Ｂ ｔｃ ｎ ｌｇｅ ｅｐ ｎ ｄ ｎ ｃ ｏ ｅａ ｓ ｎ ｔｌ ｎ ｒ ｂ ｅ ｎ ａ ｓ ｈ ａ ｉ ｏ ａｙ ｉｇｔ ｅｅ ｔ ｏ ａ ｉｏ ａ ｖｒ ａ ｉ ｔ ｍｅ ｔ 。 ｒ ｈｔ ｔｒ ｆ ｒ ａ ｉ ｔ ｍｅ ｔｂ ｓｄ ｏ Ｂ ｗ ８ ｃｅ ｔｄ ｔｅ ｂ ｓ ｆ ｎ ｌｚｎ ｅ ｄ ｆｃ ｆ ｒｄ ｔ ｎ ｉ ｕ ｓ ｕ ｎ ｓ ｔ ｅ ａｃ ｉ ｃｕ ｅｏ ｉ ｕ ｓ ｕ ｎ ａ ｅ ｎ ＵＳ ８ ｒ ａｅ ．Ｕ ｉｇ ｔｉ ｓ ａ ｈ Ｓ ｔ ｉ ｌ ｔｌ ｎ ｒ ｈ ｅ ｖ ｔｌ ｎ ｒ ｓ ｓ ｎ ｈ ｅ ｅ ｄ ｄ ｔｃ ｎ ｌｇ 。ｔｅ ｈ ｒｗ ｒ ｆ ｅ ｖｒ ａ ｓ ｕ ｎｓｃ ｅ ｉｔ ｇａｅ ｎｏ ｔｅ ｅ ｅ ｄ ｅ ｉ ｕｔ ａ ｅ －ｔｅ ｓ ｆ ｒ ａ ｅ ｓｌ ｉｅ ｍｂ ｄ ｅ ｈ ｏｏ ｙ ｈ ａｄ ａ ｅｏ ｉ ｕ ｉ ｔ ｍｅ ｔ ａ ｂ ｎｅ ｒｔｄ ｉｔ ｍｂ ｄ ｄ ｃｒ ｉ ｐ ｌ ｈ ｏｔ ｅ ｃ ｂ ｏｉ ｆ ｄ ｅ ｈ ｔ ｔｌ ｎ ｒ ｎ ｈ ｃ ｎ ｗａ ｎ ｄｉ ｉｔ ｅＦ ａ ｈ ｍｅ ｒ ｏ ｎ ｔ ｎ ｕ ｈ ａ ／ ｏ ｖ ｒｉｎ。Ｄ Ａ ｃ ｎ ｅ ｉｎ，ｄ ｇ ａ ｌ ｒ ａ ｄ ｄｇｔｌｓ ， ｐ ｏ ｅ ｓ ｇ ｃ ｓ ｕ・ ｎｏ ｔ ｌｓ ｍｏｙ－８ｍｅ ｆ ｃｉ ｓｓ ｃ Ａ Ｄ ｃ ｎ ｅｓ ｈ ｕ ｏ ｓ ｏ ／ ｏ ｖ ｒｏ ｓ ｉｉ ｌｆ ｔ ｎ ｉｉ ｉ ￣ ｒｃ ｓｉ ａ ａ ｏ ｂ ｆ ｌ ｔ ｉｅ ａ ｓ ｎ ｎ ｌ ｅ ｉｄ ｆ ｅ ．Ｍｅ ｗ ｉ ，ｔｅｄ ｓ ｎ ｓ ａｅ ｉｓ ｆ ａ ｄ ａ ｅａ ｄ ｓｆ ｒ ｉ ｉｅ ．Ｔ ｉ ｅ ｅ ｄ ｅ ｉ ｕ ｌ ｎｔｕ ｎ ａｕ ｅ ｔｌｇ ｎ ｅａ ｄ ｅ ｃ ｌ ｎ ｌ ｎ ａ ｈｌ ｈ ｅ ｉ ｔ ｔｇｅ ｒｗ ｒ ｔ ｅ８＇ ｇｖ ｎ ｈｓ ｍｂ ｄ ｖｒ ａ ｓ ｒ ｍｅ ｔｅ ｔｒ ｓｉ ｅ ｉｅ ｃ ｘ ｅ ｅ ｔ ｅ ｇ ｒ ｏｈ ｎ ｏ ｗａ ｅ ｄ ｔ ｉ ｆ ｎ ｎ
基于USB的多通道同步动态信号分析仪
硕士学位论文基于USB的多通道同步动态信号分析仪论文作者：杨雪凯学位类别：工程硕士领域名称：电子与通信工程校内指导教师：胡辉教授校外指导教师：常寿兵高级工程师2021年04月09日北华航天工业学院硕士学位论文摘要随着现代测试技术的发展，在信号分析、地质勘探、故障检测等领域，动态信号分析仪的应用场景变得越来越多。
动态信号分析仪集信号产生、数据采集、数据分析和处理于一身，在时域、频域和幅值域上分析出被测物理量。
在动态信号分析设备出现之前，振动的微弱信号、声音信号等模拟信号的检测是非常困难的。
动态信号分析仪的出现让测试这些物理量的过程变得越来越简便。
论文通过介绍动态信号分析的研究背景和国内外的研究现状提出了本论文的研究目标。
根据研究内容介绍了总体设计方案。
信号采集与处理系统的软硬件设计，信号生成部分的软硬件设计，与上位机进行USB2.0通信部分的软硬件设计都是在以FPGA为主要的控制单元为核心，数据的计算和分析是在以STM32为主要的控制单元为核心。
论文首先介绍了整体的设计方案和两个大模块的设计方案，然后重点介绍了在这两个模块中所用到的核心技术和软件设计方案。
并通过测试完成了对系统功能与性能测试。
数据采集电路包含交直流耦合选择电路、信号调理电路、ADC数据采集电路。
在软件的实现上通过应用Verilog HDL硬件描述语言编写了数字滤波逻辑模块，数据缓存与处理逻辑模块。
实现对宽动态范围内信号的调理、采集、缓存和传输。
信号生成电路主要包含了高精度DAC模块。
在软件的实现上通过应用Verilog HDL硬件描述语言，数字旋转坐标计算机和伪随机序列生成原理实际高精度信号源的软硬件设计，实现了正弦、高斯白噪声等信号的波形输出。
电源系统则是根据动态信号分析仪对电源的低噪声、低功耗的要求，应用了DC-DC+LDO的技术方案，完成了对动态信号分析仪的供电。
通过设计实验，完成了对各模块和系统整体的测试，数据采集部分和信号生成部分均满足设计指标。
基于USB的虚拟多道脉冲幅度分析系统的设计
非常适合现代智能仪器的通信接 口。
进行 ＵＳ Ｂ系统 的设计一般有两种方案 ： 一
语言 有 一 个 显 著 不 同之 处 ： 、 Ａ Ｉ 、 Ｃ Ｂ ＳＣ Ｆ Ｒ Ｒ Ｎ 等语言是基于文字编程 的语言， Ｏ Ｔ Ａ 而
Ｌ ｂ Ｆ 语 言是一种基 于图形编程 的语言 。 ａⅥ 它的所有编程过程都是通过图形标记和它们之
程十分简单 。Ｌ ｂ Ｅ 语 言同时有和其他语 ａＶＩＷ 言如 Ｃ语言的接 口， 这使得它能调用其他语 言
的库函数 ， 能完成更多的编程任务 。Ｌ ｂ Ｉ Ｗ ａＶ Ｅ
峰 值检 输 脉 信
实际仪器控制面板类似 的图形组件 ， 这使得界 面编程极其简单 ， 并且在计算机上操作这些 图
析处理 ， 可称为 虚拟多道 脉冲 幅度分 析系统。
种是采用 片内集成了 Ｕ Ｂ接 口电路的单片机， Ｓ
例如 Ｅ － Ｂ系列 的 Ｃ １ 片机 、 ｔｒｌ 的 ＺＵＳ ５单 Ｍｏｏｏａ
ＭＣ ８ ９ ８Ｂ 芯片等； ６ ＨＣ ０Ｊ ８ 另一种则是采用通用
单 片 机 外 加 ＵＳ Ｂ接 口芯 片， ｈ ｉｓ 司 的 Ｐ ｉｐ 公 ｌ Ｐ Ｉ Ｂ１ Ｄ ＵＳ Ｄ ２是典 型的 Ｕ Ｂ接 口芯 片。本 设 Ｓ 计 即采用 Ｍｏｏｏ 的 ＭＣ ８ ９８ Ｐ ２下文 ｔ ｌ ｒａ ６ ＨＣ ０Ｇ ３ （ 称 Ｇ ３） Ｐ ２ 单片机 外加 Ｐ ｉｐ 公司 的 Ｐ Ｉ － ｈｌ ｓ ｉ Ｄ ＵＳ
基 于 ＵＳ Ｂ的 虚 拟 多道 脉 冲 幅 度 分 析 系统 的设 计
夏文 明， 贾铭 椿 ， 军 军 龚
（ 海军工程 大学船舶与动力工程学 院 ， 湖北武汉 ４ ０ ３ ） ３ ０ ３
摘要 ： Ｂ接 口已经成 为一种流行的计算机外设 接 口， ａＶＩ Ｗ 是一种 图形化 编程语言 。对 ＵＳ ＵＳ Ｌｂ Ｅ Ｂ 接 口和 Ｌ ｂ Ｅ 语言应用于 多道 脉冲幅度 分析 系统 的可行 性进 行 了分析 ， ａ ＶＩ Ｗ 并重 点介绍 了它 的设计 方
虚拟示波器 频谱分析仪F-24U结构及原理简介
虚拟示波器频谱分析仪F-24U 结构及原理简介本期中介绍的USB 接口的数字存储示波器／频谱分析仪F-24U 是一种新型、微型化、便携式的虚拟仪器，集数字存储示波器(DSO)、频谱分析仪(SA)于一身，包含视频、音频信号范围，配备了强大的数字信号处理软件，可以用来测量各种类型电信号、PAL 视频信号、NTSC 视频信号、计算机数字信号、单片机时序、声音、脉博、地震波、心电、脑电、电话等，也可以应用于电脑、电视机、VCD／CD 机、音响等维修及各种工业测量场合。
F-24U 除常用的信号测量和频谱分析功能以外，还可以借用现成的工具处理数据的高级应用，如捕捉测量中感兴趣的数据、启动EXCEL 电子表格软件、导入包含通道数据的文本文件、生成图表等功能。
下面我们来探究一下F-24U 的内部结构和原理。
硬件设计FlashDSO XP USB 硬件原理框图如图1 所示，主要包括信号调理器、信号采集器、数据传输模块、时钟发生器、中央处理器模块、USB 通讯控制器等模块，本文重点介绍信号调理器、信号采集器和数据传输模块。
信号调理器信号调理器模块将外部信号转换成信号采集器的输入信号，原理图如图2 所示，包含耦合方式、程控衰减、阻抗变换、信号单极性变换等功能，程控衰减部分采用微型继电器控制，具有耐高压、无电阻及噪音干扰等优点。
图2 中OP1 高频放大器作为射极跟随器，提高输入阻抗，对ADC 模数转换器提供信号缓冲作用，OP2、OP3 组成加法器和反向器，输入Vout1 变换为Vout2 输出，Vout2=Vout1+Vref，当Vref=2.5V，-2.5V 信号采集器信号采集器将信号调理器输出的模拟信号通过ADC 高速模数转换器，转换成数字信号，同时将信号存入高速静态存储器中，原理图如图3 所示，U1 模数转换器将输。
基于USB总线的虚拟仪器设计
基于USB总线的虚拟仪器设计洛桑旺堆（西北民族大学数学与计算机科学学院，兰州730000）：本文对虚拟仪器的概念和基本分类进行了论述，对基于USB总线的虚拟仪器设计进行了探讨，并从硬件系统设计及软件系统设计两个方面进行了详细分析。
关键词：USB总线；虚拟仪器；设计中图分类号：TP333.96文献标识码：A文章编号：1007-9599(2010)05-0000-01ofagainstUSBLuosangWangdui(NorthwestUniversityforNationalities,MathematicsandComputerScienceCollege,Lanzhou730000,China)Abstract:Thepaperelaboratedontheconceptionandtypeofinstrument,andprobedintotheofbasedonU SB,andgivenadetaildiscussionontheconstructionofthehardwareandtechniquesofthesoftware.Keywords:USB;Virtual;Instrument;Design一、虚拟仪器概述虚拟仪器是基于计算机的信号测量技术，最早由美国国家仪器公司提出。
1986年，NI公司提出“软件即仪器”的口号，打破了传统仪器的设计思想[1]。
与传统仪器相比，虚拟仪器在各个方面都具有明显的技术优势。
根据采用的总线标准，虚拟仪器可分为PCI总线式虚拟仪器、VXI总线式虚拟仪器、PXI总线式虚拟仪器等。
自USB2.0总线协议推出后，USB2.0总线就以其便携、快速、即插即用等优点得到了迅速的推广应用，将USB总线技术与虚拟仪器的设计相结合得到了众多仪器开发商的广泛关注。
二、USB总线式虚拟仪器系统的主要设计概述USB就是通用串行总线，以其方便、快捷、传输速率高等优势受到广大计算机用户的青睐，并得到迅速的推广应用。
基于USB-6251数据采集卡的虚拟频谱分析仪设计
在 满 足采样 定理 的条 件下 ， 连续 时 间信 号变 为 离散 将
处理函数、 数据运算函数 、 文件 ｉｏ函数到高级分析库， ／ 包
０ 引 言
虚拟仪 器是 一种概 念仪 器 ， 是采用 计算 机 开放 体 系 就 结构取 代传 统 的测量 仪器 ， 各种 各样 的数据 进 行计 算 机 对 处理 、 显示 和存 储 。虚 拟 仪 器将 计 算 机 资 源 与 仪器 硬 件 、 数字信 号处 理技 术结 合 ， 把厂 家定 义仪 器功 能 的方式 转 变
１ 示。 所
集 卡 ， 备 具有 高性 能 Ｍ 系列 产 品 的所 有特 性 ， 且 增 该设 并 加 了 Ｕ Ｂ即差 即用 的简单 易用 性 。 Ｓ 利用 Ｌ ｂ ｎｏ ｓＣ 可 实 现数 据 采 集 、 器 控制 、 ａＷｉ ｗ ／ ＶＩ ｄ 仪 过 程监 控 和 自动 测试 等 实验 室 研 究 和 工 业 自动化 领 域 的 实际任 务 。Ｌ ｂ ｎ ｏ ／ Ⅵ 从 基本 的数 学 函数 、 ａ Ｗｉｄ ｗｓＣ 字符 串
ＵＳ ６ ５ ｒ ｄ ｃ ｄ ｂ ｏ ． Ｂ－ ２ ｐ ｏ ｕ ｅ ｙ ＮＩｃ ｒ ，Ｔｈ ｒｎ ｉｌ ｎ ｅ ｉｎ ｍ ｅｈ ｄ ｆｓ ｅ ｔｕ ａ ａｙ ｅ ｒ ｅ ｃ ｉｅ ｎ ｈ ｔｕ ｔ ｒ １ ｎ ｅｐ ｉｃｐ ｅａ ｄ ｄ ｓｇ ｔ ｏ ｓｏ ｐ ｃｒ ｍ ｎ ｌｚ ｒａ ｅｄ ｓ ｒｂ ｄ ａ ｄ ｔ ｅ ｓｒ ｃｕ ｅ ａ ｄ ｔ ｅ ｐ ｎ ｌａ ｅａｓ ｉｅ ．Ｔｅ ｔ ｇ ｒ ｓ ｌ ｒ ｖ ｓ ｔ ａ ｈ ｉｔ ａ ｎｓｒ ｍ ｅ ｔｃ ｎ ｒ ａｉｅｇ ｎ ｒ ｌｆ ｎ ｔｏ ｓｏ ｐ ｃｒ ｍ ｎ ｈ ａ ｅ ｒ ｌｏ ｇｖ ｎ ｓｉ ｅ ｕ ｔｐ ｏ ｅ ｈ ｔｔ ｅｖ ｒｕ ｌｉ ｔｕ ｎ ａ ｅ ｌ ｅ ｅ ａ ｕ ｃ ｉｎ ｆｓ ｅ ｔｕ ｎ ｚ ａ ａｙ ｅ ｎ ａ ｗｈｌ ｅａ ｌ ｏ ｐ ｒｏ ｍ ａ ａ ｐ ｏ ｅ ｓｎ ｎ ａ ｄｔｏ ． ｎ ｌ ｚ ｒａ ｄ ｍｅ ｎ ｉ ｂ ｂｅ ｔ ｅｆ ｒ ｄ ｔ ｒ ｃ ｓ ｉｇ ｉ ｄ ｉｉｎ ｅ Ｋｅ ｗｏ ｄ ：ｖｒｕ ｌ ｎ ｔｕ ｎ ； Ｓ ６ ５ ； ｐ ｃｒ ｍ ｎ ｌｚ ｒ ｄ ｔ ｃ ｕｓｔｏ ｙ ｒ ｓ ｉｔ ａ ｓｒ ｍｅ ｔ Ｕ Ｂ－ ２ １ ｓ ｅ ｔｕ ａ ａｙ ｅ ； ａａ ａ ｑ ｉｉｉｎ ｉ
基于USB总线的虚拟仪器设计
文献标议码 ：Ａ
文章编号：１０— ５９ （００） ０ — ０７ ０ ０７ ９９ ２１ ５ ０６— １
．
Ｄｅ ｉ ｎ ｏ ｒｕａ ｎｓｒ ｓｇ ｆＶｉｔ ｌ Ｉ ｔ ｕｍ ｅ ｇ ｉ ｔＵＳ ｎｔａ ａｎｓ Ｂ
Ｌ ｓ ｕｏ ａｎｇ ａｎ Ｗ ｇｄｕｉ
（ ｒ ｗｅ ｔ ｉｅｓｔ ｒ ｔ ｎ ｌｉｓＭａ ｈ ｍａｉｓａ ｄ Ｎｏｔ ｓ ｖ ｒｉ ｆ ｉ ａｉｅ 。 ｔｅ ｔ ｎ ｈ Ｕｎ ｙ ｏ Ｎａ ｏ ｔ ｃ Ｃｏ ｕｅ ｃｅ ｃ ｏｌｇ ，ａ ｚ ｏ ７ ０ ０ ， ｉａ） ｍｐ ｔ ｒ ｉｎ ｅＣ ｌ ｅＬ ｎ ｈ ｕ ３ ０ ０Ｃｈｎ Ｓ ｅ
虚 拟仪 器概述 是 软件 系统 的平 台；ＵＢ 接 口模块是 与计 算机进 行数据 通信 的核 Ｓ Ｓ 虚拟仪 器是基 于计 算机 的信号 测量技 术 ，最 早 由美 国国家仪 心 ，负责 ＵＢ协 议的转 换 ，将 接收 到的数 据及控 制信 息传送给 后 Ｓ 器公 司提 出。１８ 年 ，Ｎ 公司提 出 “ ９６ Ｉ 软件 即仪器 ”的口号 ，打破 面 的单片机 模块 ；干扰 抑制模 块用 来抑制 ＵＢ数据 总线 上 的电气 了传 统仪器 的设 计思想 。与 传统 仪器相 比，虚拟 仪器在 各个 方 噪声 ，保 证数据 的可 靠性传 输 ：单片机 模块 是测控 的核 心 ，通 过 面都 具有 明显的技术 优 势。根据 采用 的总线 标准 ，虚拟 仪器 可分 编写 固件程 序来 完成 系统 的功 能设计要 求 ；被测单 元模 块是虚 拟 为 ＰＩ Ｃ 总线式虚 拟仪 器 、 Ｘ 总 线式虚 拟仪器 、 Ｘ 总线 式虚拟 仪 仪器技 术应 用的平 台 。 Ｖｌ ＰＩ （ ）Ｕ Ｂ 线式虚 拟仪 器系统 的软件 系统 设计 三 Ｓ总 器等 。 自 Ｕ Ｂ ． Ｓ ２ ０总线 协议推 出后 ，Ｕ Ｂ ． Ｓ ２ ０总线就 以其 便携 、快 驱 动程序 是 开发计 算机外 围设 备软 件 的关 键部 分 ，只 有通过 速、 即插 即用等 优点得 到 了迅 速 的推广应 用 ，将 ＵＢ总线 技术 与 Ｓ 驱动程 序 ，计算机 才能 识别接 入 的外 围设备 。ＵＢ驱 动程 序 由总 Ｓ 虚 拟仪器 的设计 相结合 得到 了众多 仪器开 发商 的广 泛 关注 。 线 驱动 程序和 功 能驱动 程序组 成 。可 以采 用微 软的 驱动程 序模型 二 、Ｕ Ｂ Ｓ 总线 式虚 拟仪器 系统 的主要设 计 ＷＭ Ｄ 来开 发驱 动程序 。 Ｗ Ｍ 动模 型 中， Ｓ 在 Ｄ驱 ＵＢ总线驱 动程序 由操 （ ）Ｕ Ｂ总线概述 一 Ｓ 作 系统提 供 ，负责 与硬件 打交 道 ，Ｕ Ｂ设 备开发 者只 需编 写功能 Ｓ Ｕ Ｂ就 是通 用串行 总线 ， 以其 方便 、快捷 、传输 速率 高等优 Ｓ 驱 动程序 。功 能驱 动程序 通过 向总线 驱动 程序 发送 ＩＰ Ｒ ，来 实现 势 受到广大 计算机 用户 的青 睐，并 得到迅 速 的推广应 用 。ＵＢ 通 Ｓ 对 ＵＢ Ｓ 设备 信 息的发送 和接 收 。 Ｓ Ｕ Ｂ驱动程序 通 常 由即插 即用 Ｐ Ｐ ｎ 过 四芯 电缆 来传输 信号 ，Ｖ Ｕ 、Ｇ Ｄ提供 了＋５ ＢＳ Ｎ Ｖ电源 ，Ｄ ＋、Ｄ 一 模块 、初始 化模块 、ｉ０ 块和 电源 管 理模块等 组成 。 ／模 是一对 差模信 号线 ，如 图 １ 所示 。 固件程 序辅 助控制 芯 片及单 片机 完成通 信及 数据处 理任 务， 以实现 系统 的预 期功 能 。编 写 固件 所 要完成 的工 作有 以下几 点： （） １ 初始 化工作 ， 包括 设置一 些特殊 功能 寄存器 初始值 以实现所 需 的设 备属 性或者 功能 。（ ） ２ 辅助 硬件 完成 设备 的重新列 举过程 ， — ＝＝ — ＝兰 — 产一 包 括监 测设 备 的断开与 连接 ，对接 收到 的设置 包进 行分析 判 断， 从而对 主机 的设备 请求 做 出适 当 的响应 ，完成 主机对 设备 的配置 图 １ Ｕ Ｂ电缆 Ｓ ３ ４ ５ ＵＢ总线有 四种传 输方式 ，分 别为控制传输 、中断传输 、同步 任 务 。 （ ）对 中断 的处理 。 （ ）数据 的接 收与发送 。 （ ）外 围 Ｓ
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ＩＯ ＣＳ １０ ＲＤ
Ｉ接收配置采集频率信息
ｌ
设定采集频率
ＢＵＳＹ
Ｉｏ
ＢＵＳＹ
ｌ
采集数据
图３
ＡＩｙ７６５６与ＦＩ’ＧＡ硬件连接示意图
ｌ
传送数据至Ｐｃ
ｃＹ７ｃ６８０１３集ｕｓＢ通信控制引擎和改进的８０５１内核于一体， 方便资源扩展，而且该芯片集成了较大的数据缓存区，利于数 据快速传输。系统中ｕｓＢ设备的供电方式采用自供电和外供 电两种方式，一种是主机的电源线＋５ Ｖ电源，一种是外接的
表技术与传感器，２００９（３）：４９—５１． ［２］ 于雪磊，赵世平，蔡萌基于ｕｓＢ和ｃＨＤ的高速数据采集系统
仪表技术与传感器，２∞８（３）：４９—５４
［３］谭安菊，龚彬ｕｓＢ２ ｏ控制器ｃ”ｃ６８０１３与ＦＰＧＡ接口的ｖ口丑ｏｇ ＨＤＬ实现．电子工程师，２００７．３３（７）：５２—５５ ［４］ｎ１０ＭＡｓ
ｃａｎ
Ｂｅｓｊｄｅｓ，岫ｓ
ｓｐｅｃｔｒｕｍ ａｕｌａｌｙｚｅｒ ｓｕｐｐｏｎｓ ｍｕｌｔｉ—ｃｈａｎｎｅｌ ｓｊｇｎａｌ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ，ｉｔ
ｃａｎ
ｓｉｘ
ｓｉｇｎａｌ，ａｎｄ
ｃｏｍｐｌｅｔｅ ｔｈｒｅｅ—ｐｈａｓｅ ＶｏＩｔａｇｅｓ，ｐｏｗｅｒ ｓｐｅｃｔｍｍ ｉｎ ｍｕｌ“一ｃｈａｎｎｅｌ ｓｉｇｎａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｐｅｃｔｒａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ．
—５Ｖ
３．１系统程序总体流程 系统程序总体流程如图５所示。，系统启动后，设置系统采
图２前端放大电路
ＡＤ７６５６ ｈ ＤＯ～Ｄ１５ ｙ ＣＯＮＶＳＴ Ａ，Ｂ，Ｃ ＣＳ ＲＤ １０ ＣＯＮＶＳＴ＾仍，Ｃ １０ Ｄ０一Ｄ１５ ＦＰＧＡ
集频率信息，按照设定的采集频率采集数据并将数据传送给计 算机，在ＬａｂＶＩＥｗ平台卜完成信号的处理Ｉ：作。
ＦＰＧＡ ＩＩＳＢ
为主控芯片设计的数据采集卡，如图】所示。数据采集卡的精 度和速度直接决定ｒ频谱分析仪的性能。 ２．１前置放大电路设计 前置放大电路用于将信号放大到Ａ／Ｄ转换器要求的电压 范围。为保证前端放大电路的性能指标，设计采用高频宽带运 放ＡＤ８ｌｌ芯片为核心设计。ＡＤ８１１ ３ｄＢ带宽高达１４０ ＭＨｚ，并 且具有２
Ｖ，ＦＩ－
统识别ｕＳＢ设备，并建立起主机端和没备端之间的通汛。 ＶＩＳＡ（ＶｉｎｕａｌＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔ
Ｓｏｆｔｗａｒｅ
Ａｒｃｈｉｌｅｃｔｕｒｅ）是用来与各
种仪器总线进行通信的高级应用程序编程接口（ＡＰｌ）。它不受 平台、总线和环境的限制，可用束对ｕｓＢ、ＧＰＩＢ、串口、ＶｘＩ、Ｐｘｌ 及以太网等进行配置、编程和调试。ＶｌｓＡ从３．０版开始支持 ｕｓＢ通信，因此系统利用ＬａｂＶＩＥｗ的ＶＩＳＡ来对ｕｓＢ的底层驱 动经行开发。 由于系统中的ｕｓＢ设备属于ｕｓＢ—ＲＡｗ类设备，因此需 要在ＮＩ—ＶｌｓＡ中创建驱动程序，具体步骤如下： （１）使用Ｄｒｉｖｅｒ 创建ＩＮＦ文档； ‘（２）安装ｌＮＦ文档，并安装使用ＩＮＦ文档的ｕｓＢ设备； （３）使用ＮＩ—ＶＩｓＡ 工具）对设备进行测试。
Ｃ１０ｓｅ，Ｖ１ｓＡ
学研究提供了极大的方便。该虚拟频谱分析仪中主要是由检 查开关程序、频谱分析程序、通道切换程序、波形展示程序和数 据存储等程序组成。其中数据处理模块程序及波形显示程序 如图６及图７所示。
ｗ矗ｔｅ和ＶＩｓＡ Ｒｅａｄ ４个节点即可实现和ｕｓＢ设备的双向通信。
与ｕｓＢ设备的通信过程分为４个步骤”ｏ： （１）由ＶＩｓＡ Ｏｐｅｎ函数打开ＶＩｓＡ 的ｕｓＢ设备；
ＦＦｒ变换最基本物理意义在于将时域信号变换为频域信号，在 实际数据采集中，数据往往以时域的形式显示出来，经过Ｆｒｒ 变换后，可蛆十分直观地观察信号所包含的频率信息，这为科
图６数据处理程序
圜囡
圈７波形显示程序
４设计仿真 联机进行仿真．得ｆ｛｛粝谱相付如罔８所示，
５结束语 以ＦＰｃＡ为主控芯片的采集系统可实现多路实时稳定的 数据采集和预处理，『『｜ｉ采用ｕｓＢ传输数据可以保证较高的带宽 和高速稳定的传输速率以及ｕｓＢ本身的便携性，再加上Ｌ曲一
１９
ｌＮＴｌ
—
ＳＬｏＥ ＳＩ．ＷＲ
ｎ竹Ａ芯片
ＥＰ２（：３５６７２Ｃ６
ｎＡ（；Ａ
ＦＬＡ【；Ｂ
ＥＺ—ＩｉＳＢ ＦＸ２
ＣＹ７ｃ６８０１３—５６脚
ＦＬ丸ＧＣ Ｆ１山Ａ（ｊＤ ＩＦｒ：ＬＫ
●
圈４
ＦＰＧＡ与ｕＳＢ硬件连接示意图
硬件描述语言采用适合复杂数字逻辑电路和系统仿真和 综合的Ｖｅ“ｌｏｇ ＨＩ）Ｌ，以ＱｕａＪｔｕｓ ＩＩ为开发平台进行设计。ＦＰＧＡ 程序被编译综合及适配后，将生成的配置文件下载到ＦＰＧＡ中 实现采集系统控制功能。程序采用自上而下的模块化没计方 法，包括Ｆｌａｓｈ模块、Ａ／Ｄ模块和ｕｓＢ模块，模块之间互相关联 并被顶层模块调用。ｕｓＢ模块负责ＦＰＧＡ与ｕｓＢ的通信以及 ｕＳＢ模块和Ｆｌａｓｈ卡模块之间的数据连接Ｈ１。 ３系统软件设计
Ｄ Ｆ．ＭｏＯＲＢＹ Ｐ
由信号频谱图可以直接观察到采集信号的频谱分析，还可 以对采集信号在指定频段提取幅值最大的成分频率信号，可输 出抽取出的信号波形、频率及相位等，对信号进行谐波分析、计 算信号的功率谱、功率谱密度和互功率谱等。由结果图可以看 出，设计完成了ｈｂＶｌＥｗ编程环境下的虚拟频谱分析仪的实 现。
图ｌ系统整体设计框图
依次读取６个通道上的数据，将数据通过１０一Ｄｏ—１０一Ｄ１５读人 ＦＰＧＡ的ＦＩＦＯ缓存器口Ｊ。
２．３
ＵＳＢ接口 ｕｓＢ接口芯片选用Ｅｚ—ｕｓＢ Ｆｘ２芯片ＣＹ７Ｃ６８０１３。
收稿日期：２０１１一０３一ｌｌ收修改稿日期：２０１１一０９—０ｌ
万方数据
第１２期
张俊涛等：基于ｕｓＢ的多通道虚拟频谱分析仪
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍｕｌｔｉ—ｃｈａｎｎｅｌ；ｓｐｅｃｔｒａｌ ａｎａｌｙｚｅ；ＬａｂＶＩＥＷ；●、ＰＧＡ；ＵＳＢ
０引言
２系统硬件设计 系统硬件电路的核心是以ｃｙｃｌｏｎｅⅡ系列ＦＰＧＡ
ＥＰ２Ｃ３５
频谱分析仪作为信号分析领域中应用广泛的测试仪器，其 主要功能是测量信号的幅度／频率响应，可以完成频谱分析、失 真测昔、衰减测量、电子组件增益测量等，是从事电子产品研 发、生产、检验的重要工具。目前大部分的频谱分析仪仍以硬 件电路来实现传统意义卜＾的频谱分析，有着自身无法克服的缺 点。为此，设汁了一种利用虚拟仪器技术来实现频谱分析功能 的多通道频谱分析仪。 １系统总体设计 没计采用ＦＰＧＡ为系统的主控制芯片，完成信号采集、数 模转换、数据传输等功能，并在虚拟仪器软件的基础上确定了 一种方便可行的频谱分析仪的设计方法…。 系统总体没计框图如图ｌ所示。模拟信号经过前置放大 器进行放大后进人Ａ／Ｄ转换器，经过转换得到数字量信号，存 入ＦｌＦ０缓存区，数据在ＦＰＧＡ主芯片中进行编排控制，经过 ｕｓＢ接口传送给计算机，最后由ｂｂＶＩＥｗ来完成频谱分析的 功能。
５００
Ｖ／斗ｓ的速度。
前置放大电路如图２所示，其中ＪＡｌＮ为信号输入口，ｕ３和 Ｕ４两个运放设计为反相和同相放大电路，以构成单端输入至 差分平衡输入转换电路，以满足Ａ／Ｄ转换器对信号形式的要 求。 ２．２多通道同步Ａ／Ｄ转换器 系统设计采用ＡＤ７６５６，其内部有６个独立的１６位逐次逼 近型ＡＤＣ，可通过ＣＯＮＶｓＴ Ａ／Ｂ／Ｃ配置成３对ＡＤＣ独立地进 行同步采样和转换或者６通道同步采样和转换。每通道最高
２．４
Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ
ｗｉｚａｒｄ（驱动程序开发向导）
Ｃｏｎｔｒｏｌ（ＮＩ—ＶＩｓＡ互动控制
ｎ＇ＧＡ端的ＵＳＢ模块设计
万方数据
２０
Ｉｎｓｈｕｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｉ口ｕｅ ａｎｄ ＳｅｎＢｏｒ
Ｄｅｃ．２０１１
ｕｓＢ底层配景正确以后，选择ＶＩｓＡ类为ｕｓＢＲａｗ．计算机 会自动刷新选择的ｕｓＢ设备，利用Ｖ１ｓＡｏｐｅｎ，ＶｌｓＡ
２０１１年
仪表技术与传感器
ＩｎｓｈｌＪｍｅｎｔ
２０１ｌ Ｎｏ．１２
第１２期
’ｒｅｃｈｎｉｑｕｅ
ａｎｄ
Ｓｅｎｓｏｒ
基于ＵＳＢ的多通道虚拟频谱分析仪
张俊涛，张弛
（陕西科技大学，陕西西安７ｌ∞２１） 摘要：介绍一种基于ｕＳＢ技术的多通道虚拟频谱分析仪的设计。系统以ＦＰＣＡ为主控芯片，采用多通道Ａ／Ｄ转换器 进行数据采集，ｕｓＢ接口高速传输，ＬａｂＶＩＥｗ编程来实现频谱分析功能。与传统频谱分析仪相比，具有性能稳定、开发成 本低、便于重构等优点。系统支持多通道信号同步采样，可完成三相电压监测，功率谱分析等功能。 关键词：多通道；频谱分析；ＬａｂＶＩＥｗ；ＦＰＧＡ；ｕＳＢ 中图分类号：ＴＭ９３５．２ｌ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２—１８４１（２０１１）１２—００１８—０３
２５０
Ｋｓ／ｓ的采样速率，可以满足高分辨率、多通道、高转换速率
丁赢黔 软核处 理器
ｈ／
Ｎｉｆ，Ｎｆｒ
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１／
ＰＣ主机 Ｌ曲ＶＩＥＷ
和低功耗的要求，如三相电压的测量，电源功率的测量等。 ＦＰｃＡ对ＡＤｃ的控制电路如图３所示。通过程序控制 ＡＤ７６５６的ＣＯＮＶＳＴＡ／Ｂ／Ｃ和ＢｕｓＹ，当ＢｕｓＹ为１时，ＡＤＣ开 始进行数据采集。经过３恤ｓ完成１次数据采集后，ＢｕＳＹ为０，
图８虚拟频谱分析仪仿真结果
◆
ＶＩＥｗ强大的信号处理能力，很好地实现了多路频潜分析仪的 功能。该系统在【ｄｂＶＩＥｗ软件平台上充分结合ＦＰｃＡ和ｕｓＢ 的特点，将ＩＪａｂＶＩＥｗ的图形化编程、ＦＰＧＡ可重构性和ｕｓＢ传 输的高速稳定便捷性充分结合起来。而在ＬａｂＶＩＥｗ环境下采 用ＮＩ—ＶＩｓＡ作为，Ｆ发丁具进行ｕｓＢ驱动程序的开发则较为容 易，不但开发难度较低，而且开发出的系统稳定可靠。 参考文献： ［１］安荣，任勇峰，李圣昆基于即ＧＡ和ｕｓＢ２ ０的数据采集系统仪
ｏｎ
ｍｕｌｔｉ—ｃｈａｎｎｅｌ ｖｉｒｔｕａＩ ｓｐｅｃｔｍｍ ａＩｌａｌｙｚｅｒ ｂａｓｅｄ