基于PSoC3的高性价比虚拟信号分析仪

基于PSoC3的高性价比虚拟信号分析仪
赵洪亮;徐磊;田莹莹;王亚南
【摘要】This paper introduced a high cost-effective virtual signal analyzer based gn PSoC3. The integrated system was structured by virtual instrument and ancillary PC software which were communicated with each other by USB 2.0. Virtual instrument was responsible for signal acquisition and generation. MCU,ADC,DAC,USB and signal switching modules were completely integrated in one chip. PC software mainly completed real-time signal display,record and playback,spectrum and signal generation,and it was designed by the graphical development environment Lab VIEW. The system makes full use of the advantages of PSoC3 on analog and digital signals mised design.The system is characterized by high performance,low cost,low power consumption,portability,etc.%以PSoC3为基础设计了一种高性价比的虚拟信号分析仪.系统由虚拟仪器卡和配套PC软件2部分组成,两者采用USB 2.0通信.虚拟仪器卡完成信号采集和产生任务,其中微控制器、ADC、DAC、USB、信号切换等核心模块完全在一块PSoC3芯片上实现.配套PC软件完成信号实时显示、记录回放、频谱分析和信号源生成功能,在图形化开发环境LabVIEW下设计.系统充分利用了PSoC3在模拟和数字信号混合设计上的优势,具有高性能、低成本、低功耗、携带方便等特点.
【期刊名称】《仪表技术与传感器》
【年(卷),期】2012(000)006
【总页数】4页(P25-28)
【关键词】PSoC3;虚拟仪器;LabVIEW;性价比
【作者】赵洪亮;徐磊;田莹莹;王亚南
【作者单位】山东科技大学信息与电气工程学院,山东青岛266590;山东科技大学信息与电气工程学院,山东青岛266590;山东科技大学信息与电气工程学院,山东青岛266590;山东科技大学信息与电气工程学院,山东青岛266590
【正文语种】中文
【中图分类】TP391
0 引言
传统基础电子仪器功能较为单一，如信号源通常为函数信号发生器;示波器通常只能实时显示信号波形，没有记录功能。

传统频谱分析仪价格昂贵，应用面较窄［1－2］。

近年来市场上陆续出现了多种虚拟仪器，通常兼有信号源、示波器、记录仪、频谱分析仪等多种功能，但价格较贵，国外公司的相关产品多达数万元，国产的通常也达数千元［3］。

PSoC是可在系统编程的片上系统。

它将MCU内核与可编程数字阵列和模拟阵列集成在一个芯片上，被称为可配置型混合信号阵列［4］。

用户可以通过芯片内部的可编程互联阵列有效地配置芯片上的模拟和数字块资源［5］。

该文以PSoC3可编程混合信号微控制器CY8C3866AXI－040ES3［6］为核心，设计了一种集信号源、示波器、记录仪、频谱分析仪等多种功能于一体的低成本虚拟信号分析仪。

1 系统总体结构
该系统由虚拟仪器卡和配套PC软件2部分组成，两者采用USB 2.0接口进行通
信。

虚拟仪器卡由微控制器、ADC、DAC、USB、信号切换、模拟信号输入/输出以及电源等模块组成。

配套PC软件由信号采集、信号生成、频谱分析、波形保存、波形回放、虚拟仪器卡配置和USB设备连接管理等模块组成。

2 虚拟仪器卡硬件电路设计
2.1 PSoC3最小系统
CY8C3866AXI－040ES3是最新一代PSoC3产品，具有超高集成度，芯片内部包含:1个主频高达67 MHz增强型8051内核;1个分辨率可配置为8～20 bit、采样率达192 KSPS的Delta－ SigmaADC;4个8 bit、1 MSPS的DAC;1个USB2.0全速控制器;高达24个DMA通道;4个通用运放;4个可配置的多功能模拟块;多达24个可编程逻辑数字块等。

用户仅需要在芯片周围添加少量器件，即可使PSoC3正常工作(图1为PSoC3最小系统图)。

图1 PSoC3基本模块电路图
虚拟仪器卡上的微控制器、ADC、DAC、USB、信号切换等核心模块完全在这一
颗PSoC3芯片上实现。

在信号采集通道上，采用集成模拟开关对配置分辨率为
16bit的集成Delta-Sigma ADC进行分时切换来构建;在信号生成通道上，利用4个1MSPS集成DAC来构建;虚拟仪器卡与 PC之间的通信由PSoC3集成USB2.0全速控制器来实现。

2.2 输入通道电路
图2为一路输入通道电路图，其他3路输入通道完全相同。

通过波段开关可进行
增益缩放倍数的选择:第一波段，由3个0.1%精密电阻构成分压电路进行1/100
增益缩小，测量电压幅值范围为－250～+250 V;第二波段，不对输入信号进行任
何增益变换，测量电压幅值范围为－2.5+2.5 V;第三波段，利用仪表放大器
AD620对输入信号增益进行100倍放大，可细致观察幅值范围为－25～+25 mV 微弱电压信号。

双运放LF353D构建的电压缓冲器和极性变换电路，用来提高输
入阻抗和将输入的双极性信号变为单极性信号(与2.5V基准电压相加)，以满足PSoC3芯片I/O输入电压范围的要求。

2个高速运算放大器OP37G构建了一个截止频率为20 kHz、四阶有源抗混叠滤波器，用来完成输入通道的滤波。

图2 一路输入通道电路图
2.3 输出通道电路
图3为一路输出通道电路图，其他3路输出通道完全相同。

PSoC3片内DAC产生的波形经过由LF353D构成的缓冲电路后，再经由2个高速运算放大器OP37G 构建的5倍增益放大、截止频率为200 kHz的四阶平滑滤波器。

滤波器的5倍增益放大是为将输出电压范围由0～1 V放大到0～5 V，以满足该仪器输出电压范围的需要。

随后进入LF353D构建的极性变换电路，将PSoC3芯片I/O输出的单极性信号转换为双极性信号(与2.5 V基准电压相减)。

图3 一路输出通道电路图
2.4 电源电路
该仪器采用USB总线供电，同时配有外接电源输入端口，以防在USB供电功率不足等情况下使用，两种供电方式可通过仪器面板上的电源开关进行切换(图4为电源电路图)。

－5 V电源采用输出电流高达200 mA的电荷泵反转器芯片
MAX889TESA提供。

用于输入/输出通道极性变换的2.5 V电压基准由超精度低噪声电压基准芯片ADR421提供。

图4 电源电路图
3 软件设计
3.1 PSoC3固件设计
PSoC3固件流程图如图5所示。

3.1.1 信号采集流程
图5 PSoC3固件流程图
虚拟仪器卡经过初始化和启动USB后，等待PC发出的配置信息和控制命令。

虚
拟仪器卡接收到PC发出的采集命令后，对相应的 AMUX、ADC等进行设置并启动，然后 DMA将ADC转换后的波形数据直接存入USB数据缓冲区。

USB缓冲
区存放满后，将数据打包传送到PC，之后判断PC有无发出停止采集命令。

若有
则虚拟仪器卡停止采集后重新等待PC命令;若无则DMA继续将ADC转换后的波形数据存入USB数据缓冲区上传PC，如此循环。

3.1.2 信号生成流程
虚拟仪器卡接收到PC发出的配置信息和生成命令后，对相应的DAC进行设置并
启动。

然后MCU通过USB接收PC软件依据用户设定的波形参数计算出的数字
化波形数据，并存入USB缓冲区。

DMA将这些数据按字节依次送入DAC产生信号。

随后判断缓冲区数据是否发送完毕，若无则继续发送;若完毕则判断PC有无
发出停止生成命令。

若有则虚拟仪器卡停止生成信号并重新等待PC命令;若无则MCU继续接收波形数据，DMA随后将其送入DAC，如此循环。

3.2 PC软件设计
配套PC软件在LabVIEW环境下利用NI－VISA［7］工具开发，避开了以往开发USB驱动程序的复杂性。

同时多线程［8］编程技术的运用，加快了软件执行效率。

配套PC软件流程如图6所示。

3.2.1 信号采集、波形保存以及频谱分析流程
软件启动后检测存在哪些USB设备，并提示用户选择设备，然后等待用户操作。

如果用户请求信号采集，则PC软件通过USB输入端点读取虚拟仪器卡传送来的
波形数据，实时显示波形数据并作频谱分析，显示完毕后判断有无停止采集操作。

若有则询问用户对当前波形数据是否进行保存，完成这些操作后PC软件继续监视用户操作;若无则PC软件继续读取数据并显示，如此循环。

3.2.2 信号生成流程
图6 PC软件流程图
如果用户请求信号生成，则PC软件根据用户设定的信号频率、幅值、直流偏置等参数计算出数字化波形数据，并通过USB输出端点发送到虚拟仪器卡完成信号生成，发送完毕后则判断用户有无停止生成操作。

若有则PC软件停止发送并继续监视用户操作;若无停止生成操作则继续发送波形数据，如此循环。

3.2.3 信号回放功能
若用户请求波形回放，则询问用户波形文件存放位置，随后读取波形文件数据并显示。

完毕后PC软件继续监视用户操作。

4 主要功能指标
该虚拟信号分析仪将信号源、示波器、记录仪、频谱分析仪等多种功能集于一体，具有4路模拟信号输入和4路模拟信号输出。

ADC分辨率为16 bit，采样率为48 KSPS，可测量幅值范围为－250～+250 V的大电压信号和－25～+25 mV的微弱电压信号;DAC分辨率为8 bit，采样率为1 MSPS，可产生幅值范围为－2.5～+2.5 V的多种类型信号。

图7、图8分别给出了该仪器实时采集的信号时域波形和频谱。

其中输入信号为500 Hz正弦信号。

图7 信号时域波形
5 结束语
该虚拟信号分析仪充分发挥了PSoC3集微控制器、数字电路、模拟电路、数模混合电路为一体的高集成度优势，具有功能强大、价格低廉等显著优点，有助于推动虚拟仪器在科研、生产、教学等实际工作中获得广泛应用。

图8 信号频谱
参考文献:
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