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基于DSP技术的多功能电子测量仪的设计与实现
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在传统的电子测量中，往往使用万用表、示波器、频谱分析仪、逻辑分析仪等测量等仪器。在综合电子测量中，往往要使用到多种不同精度和不同功能的仪器、仪表，而且测量后的测量数据不能得到很好的处理，需要测试者进一步的计算和处理，给测量者带来了诸多的不便。
本文针对这些问题，介绍应用DSP技术和虚拟仪器技术，设计研制多功能的电子测量仪的主要技术。
1 基本原理
电子测量一般主要测量电压、电流、频率、相位等基本参量，同时将这些参量进行分析和处理，以数据图表或图形的方式显示出来。测最仪器一般可由测量信号采集、测量信号处理、测量数据分析、人机交互、显示等几个部分构成。其基本结构如图1所示。
测量信号采集部分主要采集电压或电流信号；测量信号处理部分主要完成信号的滤波、比对、转换等工作；分析部分主要完成信号处理后的分析工作；人机交互部分主要完成需求的设置、量程的调整等工作；显示部分将测量和分析结果以数据、图形等形式显示出来。 近年来由于DSP技术的飞速发展和虚拟仪器技术的广泛应用，促使电子测量仪表技术得到快速的发展。高速A／D技术和DSP技术的应用简化了测量信号的采集电路、处理电路；虚拟仪器技术的应用简化了对测量数据的计算和分析，使人机交互变得灵活和容易。
1.1 耦合
耦合电路主要完成被测信号的输入。一般，被测信号不能够直接进行A／D转换，必须将信号变换到A／D的范同内。耦合后，输入信号为：
其中：k为压缩因子，k≥1时，对被测信号线性放大，k≤1时，对被测信号线性缩小。f(t)为变换时产生非线性畸变和噪声，应在软件计算时削弱。 1.2 A／D及D／A电路
A／D电路是将经耦合电路变换的被测信号离散化。
变换后的信号为：
其中，n∈Z，Ts=1／fs，fs为A／D抽样频率。式(2)可表示为：
通过DSP软件处理，削弱式(3)中f(n)δ(t-nTs)。 D／A电路的作用主要产生一个校验信号。DSP产生的数字校验信号，经过D／A电路变换成模拟校验信号，对系统进行校验。通过校验调整，量程和产生削弱参数。
1.3 数字信号处理DSP电路
数字信号处理DSP电路是整个系统的核心，通过DSP系统，对输入的被测信号进行滤波处理、谱分析。滤波器采用FIR滤波器，采用雷米兹(Remez)算法，谱分析算法采用Gabor变换方法，窗函数采用高斯窗函数。处理后的数据放在专门开辟的数据缓冲区内，供显示部分和计算机访问。
校验数字信号由DSP部分产生，校验数字信号可通过键盘部分或计算机设置，可设置为正弦波、方波、脉冲、随机信号。
1.4 键盘及显示
考虑到测量仪器可能不和计算机配合使用，而是单独使用，将键盘和显示设计到系统中。
键盘和显示是人机交互的界面。通过键盘可设置、调整测量仪器的参数。显示部分显示参数的设置和测量数据，测量曲线。
1.5 计算机
DSP通过接口和计算机互连，计算机通过虚拟仪器软件访问、操作测量仪系统。
计算机访问DSP处理的数据，将这些数据进一步处理后，以图形或数据的形式显示在计算机界面上，或存人数据库。
2 硬件设计
根据图1的基本原理，以总线式设计整个硬件电路。信号采样电路，通过数据、控制、选通、状态信号总线和DSP核心电路连接。其硬件结构如图2所示。
2.1 A／D及D／A总线
为了能使硬件系统具有可扩展性和具有一定的开放性，对A／D信号采样部分和D／A模拟信号输出部分采用总线方式设计。主要包括数据总线、控制总线、选通总线和状态总线。
(1) 数据总线
数据总线主要是A／D和D／A电路数据的输入输出总线。在控制总线、选通总线的控制下，A／D电路将采样后的数字信号输入到DSP中。同样，通过数据总线将校验数字信号输出到D／A电路中。
(2) 控制总线
控制总线主要控制A／D和D／A的工作。对于每个A／D或D／A电路，只有在控制信号有效的情况下，该电路才能工作。控制总线需要和选通信号有效的情况下，控制才有效。
(3) 选通总线
选通总线主要配合控制总线使某个A／D或D／A电路工作。选通总线通过A／D或D／A电路上的译码电路产生的选通信号触发电路工作。 [p]
(4) 状态总线
状态总线主要将A／D或D／A电路的工作状态通知给DSP，DSP通过检测状态总线的数据，得到A／D或D／A的工作状态。状态信号通过状态编码电路，在选通信号的配合下输入到DSP。
2.2 A／D及D／A电路
A／D电路主要用来将输入的被测信号转换为数字信号，而D／A转换主要将DSP通过数据总线输出的数字信号转换为模拟信号。A／D及D／A要和DSP的数据、控制、选通、状态总线接口。其A／D电路基本原理如图3所示。
D／A电路的基本电路原理和A／D电路相似。D／A电路接收数据总线的数字信号，在控制总线信号的控制下，当选通总线的信号经译码后有效时，才能工作。
2.3 耦合电路
(1) 交流耦合电路
当测量交流大信号时，通过改变耦合电路前端变量器的变比使信号变小。同时通过限幅电路的保护，使A／D电路处于正常的工作范围。其基本电路原理如图4所示。
(2) 直流耦合电路 当测量直流大信号时，通过调整直流耦合电路的电阻变比，同时通过限幅电路的保护，使A／D电路处于正常的工作范围。
3 软件设计
为了使系统具有开放性、可扩展性和通用性，采用平台化的设计思想。将整个软件分为底层支持层，中间调度操作层和顶层应用层。软件的基本层次结构如图5所示。
3.1 支持层
支持层主要包括A／D，D／A电路驱动函数，状态检测函数，A／D，D／A转换执行函数。 [p]
A／D，D／A电路驱动函数，主要对硬件的控制总线进行操作，即操作硬件电路上的控制总线和选通总线。其核心伪代码为：
状态检测函数检测函数主要检测状态总线的状态，其核心伪代码为：
A／D，D／A转换执行函数主要执行A／D，D／A转换，其核心伪代码为：
3.2 调度操作层
调度操作层主要的任务是，定时检测键盘或计算机虚拟仪器的命令，执行键盘操作、显示、多路A／D数据采集或执行D／A输出。A／D或D／A转换的核心伪代码为：
3.3 应用层
应用层主要完成键盘操作，显示，PC接口，虚拟仪器数据接口等功能。主要技术是操作命令缓冲区，数据缓冲区。键盘操作程序的核心伪代码：
PC和虚拟仪器的接口是通过网卡进行接口的，计算机通过网卡以TCP／IP的方式访问DSP的数据缓冲区、命令缓冲区。其核心伪代码：
4 结 语
本文所设计的多功能电工测量仪已在实验室实现，通过测试，达到了预期的设计目标。多功能电工测量仪能测量和显示多个直流信号的电压、电流，多个交流信号的幅度、相位、频率。并且能配置不同的A／D采样电路。通过与虚拟仪器系统LabVIEW5.1的接口，能充分发挥该仪器的功能。该仪器在电工实验和电子测量中能代替传统的测量仪器，具有一定的实际意义。
本文针对这些问题，介绍应用DSP技术和虚拟仪器技术，设计研制多功能的电子测量仪的主要技术。
1 基本原理
电子测量一般主要测量电压、电流、频率、相位等基本参量，同时将这些参量进行分析和处理，以数据图表或图形的方式显示出来。测最仪器一般可由测量信号采集、测量信号处理、测量数据分析、人机交互、显示等几个部分构成。其基本结构如图1所示。
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测量信号采集部分主要采集电压或电流信号；测量信号处理部分主要完成信号的滤波、比对、转换等工作；分析部分主要完成信号处理后的分析工作；人机交互部分主要完成需求的设置、量程的调整等工作；显示部分将测量和分析结果以数据、图形等形式显示出来。 近年来由于DSP技术的飞速发展和虚拟仪器技术的广泛应用，促使电子测量仪表技术得到快速的发展。高速A／D技术和DSP技术的应用简化了测量信号的采集电路、处理电路；虚拟仪器技术的应用简化了对测量数据的计算和分析，使人机交互变得灵活和容易。
1.1 耦合
耦合电路主要完成被测信号的输入。一般，被测信号不能够直接进行A／D转换，必须将信号变换到A／D的范同内。耦合后，输入信号为：
其中：k为压缩因子，k≥1时，对被测信号线性放大，k≤1时，对被测信号线性缩小。f(t)为变换时产生非线性畸变和噪声，应在软件计算时削弱。 1.2 A／D及D／A电路
A／D电路是将经耦合电路变换的被测信号离散化。
变换后的信号为：
其中，n∈Z，Ts=1／fs，fs为A／D抽样频率。式(2)可表示为：
通过DSP软件处理，削弱式(3)中f(n)δ(t-nTs)。 D／A电路的作用主要产生一个校验信号。DSP产生的数字校验信号，经过D／A电路变换成模拟校验信号，对系统进行校验。通过校验调整，量程和产生削弱参数。
1.3 数字信号处理DSP电路
数字信号处理DSP电路是整个系统的核心，通过DSP系统，对输入的被测信号进行滤波处理、谱分析。滤波器采用FIR滤波器，采用雷米兹(Remez)算法，谱分析算法采用Gabor变换方法，窗函数采用高斯窗函数。处理后的数据放在专门开辟的数据缓冲区内，供显示部分和计算机访问。
校验数字信号由DSP部分产生，校验数字信号可通过键盘部分或计算机设置，可设置为正弦波、方波、脉冲、随机信号。
1.4 键盘及显示
考虑到测量仪器可能不和计算机配合使用，而是单独使用，将键盘和显示设计到系统中。
键盘和显示是人机交互的界面。通过键盘可设置、调整测量仪器的参数。显示部分显示参数的设置和测量数据，测量曲线。
1.5 计算机
DSP通过接口和计算机互连，计算机通过虚拟仪器软件访问、操作测量仪系统。
计算机访问DSP处理的数据，将这些数据进一步处理后，以图形或数据的形式显示在计算机界面上，或存人数据库。
2 硬件设计
根据图1的基本原理，以总线式设计整个硬件电路。信号采样电路，通过数据、控制、选通、状态信号总线和DSP核心电路连接。其硬件结构如图2所示。
2.1 A／D及D／A总线
为了能使硬件系统具有可扩展性和具有一定的开放性，对A／D信号采样部分和D／A模拟信号输出部分采用总线方式设计。主要包括数据总线、控制总线、选通总线和状态总线。
(1) 数据总线
数据总线主要是A／D和D／A电路数据的输入输出总线。在控制总线、选通总线的控制下，A／D电路将采样后的数字信号输入到DSP中。同样，通过数据总线将校验数字信号输出到D／A电路中。
(2) 控制总线
控制总线主要控制A／D和D／A的工作。对于每个A／D或D／A电路，只有在控制信号有效的情况下，该电路才能工作。控制总线需要和选通信号有效的情况下，控制才有效。
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(3) 选通总线
选通总线主要配合控制总线使某个A／D或D／A电路工作。选通总线通过A／D或D／A电路上的译码电路产生的选通信号触发电路工作。 [p]
(4) 状态总线
状态总线主要将A／D或D／A电路的工作状态通知给DSP，DSP通过检测状态总线的数据，得到A／D或D／A的工作状态。状态信号通过状态编码电路，在选通信号的配合下输入到DSP。
2.2 A／D及D／A电路
A／D电路主要用来将输入的被测信号转换为数字信号，而D／A转换主要将DSP通过数据总线输出的数字信号转换为模拟信号。A／D及D／A要和DSP的数据、控制、选通、状态总线接口。其A／D电路基本原理如图3所示。
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D／A电路的基本电路原理和A／D电路相似。D／A电路接收数据总线的数字信号，在控制总线信号的控制下，当选通总线的信号经译码后有效时，才能工作。
2.3 耦合电路
(1) 交流耦合电路
当测量交流大信号时，通过改变耦合电路前端变量器的变比使信号变小。同时通过限幅电路的保护，使A／D电路处于正常的工作范围。其基本电路原理如图4所示。
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(2) 直流耦合电路 当测量直流大信号时，通过调整直流耦合电路的电阻变比，同时通过限幅电路的保护，使A／D电路处于正常的工作范围。
3 软件设计
为了使系统具有开放性、可扩展性和通用性，采用平台化的设计思想。将整个软件分为底层支持层，中间调度操作层和顶层应用层。软件的基本层次结构如图5所示。
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3.1 支持层
支持层主要包括A／D，D／A电路驱动函数，状态检测函数，A／D，D／A转换执行函数。 [p]
A／D，D／A电路驱动函数，主要对硬件的控制总线进行操作，即操作硬件电路上的控制总线和选通总线。其核心伪代码为：
状态检测函数检测函数主要检测状态总线的状态，其核心伪代码为：
A／D，D／A转换执行函数主要执行A／D，D／A转换，其核心伪代码为：
3.2 调度操作层
调度操作层主要的任务是，定时检测键盘或计算机虚拟仪器的命令，执行键盘操作、显示、多路A／D数据采集或执行D／A输出。A／D或D／A转换的核心伪代码为：
3.3 应用层
应用层主要完成键盘操作，显示，PC接口，虚拟仪器数据接口等功能。主要技术是操作命令缓冲区，数据缓冲区。键盘操作程序的核心伪代码：
PC和虚拟仪器的接口是通过网卡进行接口的，计算机通过网卡以TCP／IP的方式访问DSP的数据缓冲区、命令缓冲区。其核心伪代码：
4 结 语
本文所设计的多功能电工测量仪已在实验室实现，通过测试，达到了预期的设计目标。多功能电工测量仪能测量和显示多个直流信号的电压、电流，多个交流信号的幅度、相位、频率。并且能配置不同的A／D采样电路。通过与虚拟仪器系统LabVIEW5.1的接口，能充分发挥该仪器的功能。该仪器在电工实验和电子测量中能代替传统的测量仪器，具有一定的实际意义。
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