張良,葛榮駿，張志釗，馬義德
?。ㄌm州大學(xué) 電路與系統(tǒng)研究所，甘肅蘭州 730000 ）
摘要：介紹了一款以FPGA和NIOS系統(tǒng)為核心設(shè)計(jì)的智能電子測試儀器。該儀器主要圍繞友晶公司的Altera DE270開發(fā)板進(jìn)行開發(fā)，借助直接數(shù)字頻率合成(DDS)技術(shù)與FPGA芯片的可編程、易修改的特性，實(shí)現(xiàn)了正弦波、余弦波、三角波、方波、鋸齒波5種基礎(chǔ)波形與AM、FM、2ASK、2PSK 4種調(diào)制信號的輸出，并且在LCD液晶屏上實(shí)時顯示輸出波形。此外，對于外部反饋信號，系統(tǒng)利用NiosⅡ嵌入式微處理器對信號做進(jìn)一步的處理，例如波形的幅度變換、頻率測量、電壓測量和幅頻特性分析等。該智能電子測試儀器實(shí)現(xiàn)了波形發(fā)生器、數(shù)字示波器、掃頻儀、頻率計(jì)、電壓表等多種儀器在功能上的綜合，是智能儀器儀表設(shè)計(jì)的一次全新的嘗試。
關(guān)鍵詞：FPGA；NiosⅡ；智能儀器；波形發(fā)生器
0引言
隨著社會科技水平的不斷發(fā)展，越來越多的企業(yè)、學(xué)校和個人都參與到電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制作的工作中來，而電子測量儀器是從事電子設(shè)計(jì)工作時必不可少的工具，因此，對電子測量儀的研究也一直是電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域的熱門話題［14］。
目前，國內(nèi)外對于電子測量儀器的研究已經(jīng)非常成熟，以泰克、安捷倫、惠普為首的公司也推出了很多高性能的電子測量儀器。然而，這些儀器雖然性能出眾，但是價格十分昂貴且性能單一，人們從事電子設(shè)計(jì)時往往需要配備多臺儀器，這無疑極大地增加了電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)成本。同時，許多公司在設(shè)計(jì)電子測量儀器時為了追求單一設(shè)計(jì)指標(biāo)的高性能，使用大量價格昂貴、體積龐大的模擬電路，造成許多儀器體積龐大且操作不智能，這也增加了從事電子設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)。
基于以上背景，本文設(shè)計(jì)了一款基于FPGA和NIOS系統(tǒng)的智能電子測試儀器。本儀器綜合了波形發(fā)生器、數(shù)字存儲示波器、掃頻儀、頻率計(jì)、電壓表等多種儀器的功能，在功能上涵蓋了電路設(shè)計(jì)所需的輸入信號激勵和輸出信號處理，能夠獨(dú)立完成一些復(fù)雜實(shí)驗(yàn)，簡化了操作步驟，降低了實(shí)驗(yàn)成本，為智能儀器設(shè)計(jì)提供了一個全新的思路。
1系統(tǒng)的功能描述
本文以友晶公司設(shè)計(jì)的DE2開發(fā)平臺為核心，結(jié)合FPGA內(nèi)嵌NiosⅡ微處理器設(shè)計(jì)了一款智能電子測試儀器。本儀器具備以下功能：
?。?)豐富的波形輸出功能
本系統(tǒng)能夠輸出正弦波、余弦波、三角波、方波、鋸齒波5種基礎(chǔ)波形，以及AM(調(diào)幅信號)、FM(調(diào)頻信號)、2ASK(二進(jìn)制振幅鍵控信號)、2PSK(二進(jìn)制相位鍵控信號)4種調(diào)制波形。同時系統(tǒng)能夠接收外部調(diào)制信號參與調(diào)制。
（2)靈活的掃頻輸出功能
借助NiosⅡ微處理器強(qiáng)大的控制能力，本系統(tǒng)能夠在 10 Hz~10 MHz頻率范圍內(nèi)連續(xù)輸出正弦掃頻信號，借助系統(tǒng)的信息處理能力，能夠?qū)ν獠勘粶y網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行幅頻特性分析。其中掃頻信號的起始頻率、終止頻率、頻率間隔等參數(shù)可預(yù)置。
（3)精準(zhǔn)的電壓和頻率測量功能
本系統(tǒng)能夠測量1 Hz~10 MHz的頻率范圍內(nèi)的周期波形的頻率值和電壓值。頻率測量采用全同步等精度測量技術(shù)［67］，具有較高的測量精度(優(yōu)于10-6)。電壓測量采用數(shù)字峰值檢波技術(shù)［8］，具有較高的測量穩(wěn)定性，避免了復(fù)雜的模擬電路帶來的不穩(wěn)定性和飄移帶來的測量精度不高的影響。
（4)智能的輸入波形輸出波形顯示功能
本系統(tǒng)不僅能夠在LCD液晶屏上實(shí)時顯示輸出信號的波形、頻率等信息，借助信號反饋網(wǎng)絡(luò)，同時能夠顯示被測信號的波形、頻率、幅度等信息。這樣的設(shè)計(jì)方便人們在從事電子設(shè)計(jì)時能夠同時觀察輸入端和輸出端的波形、頻率、幅度等參數(shù)的變化。
根據(jù)以上對儀器功能的分析，本儀器的系統(tǒng)整體功能框圖如圖1所示。
2系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
通過對智能電子測試儀器的具體功能進(jìn)行分析，將整個系統(tǒng)劃分成3個子系統(tǒng)，分別為信號激勵子系統(tǒng)、反饋處理子系統(tǒng)和嵌入式微控制子系統(tǒng)。
2.1信號激勵子系統(tǒng)
信號激勵子系統(tǒng)的工作流程如圖2所示。首先，子系統(tǒng)接收來自微控制子系統(tǒng)的頻率控制字，借助直接數(shù)字頻率合成技術(shù)(DDS技術(shù))［1］在FPGA內(nèi)部通過Verilog硬件邏輯語言產(chǎn)生正弦波、余弦波、三角波、方波、鋸齒波5種基礎(chǔ)波形［7］。然后以余弦波為載波，以正弦波為調(diào)制信號或通過調(diào)制信號產(chǎn)生模塊接收外部輸入的調(diào)制信號，借助相關(guān)算法產(chǎn)生AM和FM兩種調(diào)制波形。同時以方波為基帶信號或通過基帶信號產(chǎn)生模塊接收外部輸入的基帶信號，借助相關(guān)算法產(chǎn)生ASK和FSK兩種編碼信號。最后通過輸出波形選擇模塊來輸出這些激勵信號［8］。
2.2反饋處理子系統(tǒng)
反饋處理子系統(tǒng)的工作流程如圖3所示。在嵌入式微控制子系統(tǒng)的控制下，采樣時鐘模塊首先產(chǎn)生一個預(yù)置的采樣時鐘，控制AD采樣電路的采樣速率。然后系統(tǒng)將反饋信號的波形數(shù)據(jù)通過FIFO緩存讀取到FPGA中，再分別對其進(jìn)行數(shù)字峰值檢波和波形存儲，將處理結(jié)果發(fā)送到NiosⅡ微處理器中，實(shí)現(xiàn)波形的存儲顯示和電壓測量功能。
波形變換電路首先將具有周期性質(zhì)的反饋信號變換成同頻率的方波信號并將其輸入到頻率變換模塊，通過控制采樣時鐘產(chǎn)生模塊，使其產(chǎn)生的采樣信號為被測信號的整數(shù)倍，這樣使得不同頻率的信號在液晶上可以顯示相同的周期數(shù)。最后，采用全同步的等精度測頻法對變換后的方波信號進(jìn)行測頻。此外，采用一個標(biāo)準(zhǔn)時鐘信號進(jìn)行頻率校準(zhǔn)，最終實(shí)現(xiàn)頻率測量功能。
2.3嵌入式微控制子系統(tǒng)
嵌入式微控制子系統(tǒng)的工作流程圖如圖4所示。子系統(tǒng)的主要功能是通過矩陣鍵盤輸入人機(jī)交互信息，再通過數(shù)據(jù)輸入和輸出總線控制其他子系統(tǒng)，最終在7英寸LCD液晶上進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示。
通過對智能電子測試儀器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，明確了整個系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)目標(biāo)。其中信號激勵子系統(tǒng)的波形發(fā)生模塊、反饋處理子系統(tǒng)的信號處理模塊和嵌入式微控制子系統(tǒng)的控制轉(zhuǎn)換模塊均采用基于Verilog的FPGA硬件邏輯語言實(shí)現(xiàn)。最終FPGA硬件設(shè)計(jì)的RTL視圖如圖5所示。
3系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
嵌入式微控制子系統(tǒng)的核心是來自FPGA內(nèi)部的NiosⅡ微控制處理器。整個NiosⅡ微控制處理器的軟件工作流程如圖6所示。
首先，NiosⅡ接收來自矩陣鍵盤的輸入控制信息，這些控制信息包括：系統(tǒng)的波形輸出模式、正弦波掃頻的掃描頻率間隔及中斷控制、基礎(chǔ)波形輸出的波形類型和輸出頻率、調(diào)制信號的產(chǎn)生方式和調(diào)制度、基帶信號的產(chǎn)生方式、AD采樣時鐘頻率和LCD液晶顯示界面的的波形顯示模式等信息。然后，NiosⅡ?qū)⑦@些控制信息通過輸出數(shù)據(jù)總線發(fā)送到各個模塊，使各模塊正常工作。同時，NiosⅡ也通過輸入數(shù)據(jù)總線接收各個模塊的反饋信息，這些信息包括：輸出端的波形信息、采樣時鐘的頻率、輸入信號的波形、電壓最大值和最小值和頻率信息。最終，NiosⅡ微控制處理器將這些信息顯示在外接的7英寸LCD液晶顯示器上。
4系統(tǒng)的測試與分析
本文設(shè)計(jì)的基于FPGA和Nios系統(tǒng)設(shè)計(jì)的智能電子測試儀器的實(shí)際工作效果如圖7所示。
為了檢測智能電子測試儀器系統(tǒng)波形輸出功能的穩(wěn)定性和測量功能的準(zhǔn)確性，借助一臺由泰克公司生產(chǎn)的數(shù)字示波器（型號：Tektronix TDS 2022B）來對其進(jìn)行測試。
表1是以正弦波為代表，借助示波器檢測本儀器輸出信號的頻率和幅度的穩(wěn)定性與輸入信號頻率和幅度測量的準(zhǔn)確性的部分測量結(jié)果。
測量結(jié)果表明，本儀器采用全同步的等精度頻率測量技術(shù)，頻率的有效測量范圍與測量精度相較于傳統(tǒng)儀器有較大的提高。波形輸出的3 dB帶寬為1 Hz~22 MHz，波形在100 Hz~10 MHz
的輸出頻率范圍內(nèi)，具有良好的幅度穩(wěn)定性。相較于傳統(tǒng)的二極管峰值檢波幅度測量方式，本儀器采用數(shù)字峰值檢波的幅度測量方式，具有較高的測量精度與穩(wěn)定性。
5結(jié)論
本系統(tǒng)外圍電路簡單、體積小巧、操作方便，各種功能采用模塊化思路集成在一起，可以根據(jù)用戶需求隨意增減功能模塊，也能根據(jù)不同設(shè)計(jì)需求改變各功能模塊的技術(shù)指標(biāo)，與傳統(tǒng)電子儀器相比更加智能和靈活。
系統(tǒng)注重多種功能的綜合，減少了實(shí)驗(yàn)所需的儀器數(shù)量，降低了實(shí)驗(yàn)成本，非常適合于沒有足夠成本建立大型實(shí)驗(yàn)室且對于性能指標(biāo)沒有極高追求的中小型企業(yè)和個人，以及剛剛接觸電子設(shè)計(jì)的高校學(xué)生。圖6NIOS微控制子處理器軟件工作流程圖圖7智能電子測試儀器實(shí)驗(yàn)效果圖
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