山西电子技术 2007年第3期 应用实践 基于DSP和CPLD的虚拟数字示波器的设计 詹振球 (南京工业大学信息科学与工程学院，江苏南京210009) 摘要：虚拟数字示波器是由计算机、数据采集卡及相应的控制软件组成的，它可以根据需要只要改变软件就 可以改变仪器的功能，具有高速、实时、多功能、便携等显著特点。本文介绍了一种以DsP与CPLD为核心的虚拟 数字示波器的设计，它由信号调理与～仍变换电路、逻辑控制电路、数据处理电路组成，通过咖．0总线与主机 相连接。该系统可实现的最高采样率为100M地，并且该系统可通过添加软件来增加数字信号处理功能。 关键词：DsP；CPLD；虚拟数字示波器；USB；LabWin曲髑／CvI 中图分类号：砷圆35．3 文献标识码：A O引言 道，采样率等。 虚拟数字示波器是虚拟仪器的一种，它是在以通用计算 2系统的硬件设计 机为核心的硬件平台上，将计算机和数据采集系统结合在一 起，由用户自己定义，具有虚拟面板，由测试软件实现测试功 能的一种计算机系统。虚拟示波器不仅体积小、耗电少，而 且能充分利用现有的计算机资源，实现如数据存储、数据分 析等在传统示波器上很难实现的特殊功能。本文讲述的高 速数字存储示波器以PC为工作平台，配备了专门设计的示 波板卡，并用计算机屏幕模拟实际示波器的显示屏和控制面 板，形象、直观。 本文设计的高速数据采集板卡是以D：sP与CPLD为核 心，并将采集数据通过cyp姻公司的U蹬接口芯片 CY7C68013传入主机进行显示分析。该系统的PC端软件 采用N1公司的IabWindo哪／CⅣI，该软件专门为虚拟仪器 开发而设计，具有良好的工作界面以及强大的控制功能。 1系统的总体结构 基于D：sP和CPLD的高速虚拟数字存储示波器的组成 框图如图1所示： 图1虚拟数字示波器组成框图 前端模拟电路对输入的模拟信号进行调理，使其达到 AD允许的输入范围。在CPLD的控制下，AD对输入信号 进行模数转换并将数据实时地保存到大容量的S融蝴l中， 随后D印与CPLD相配合从S砘蛐n中取出数据，通过UsB 接口传送到主机。主机端应用程序通过驱动程序读取USB 总线传送的数据并进行处理和显示。工作过程中，主机可随 时通过U踞接口发送命令给采集板卡上的DsP，如改变通 收稿日期：2007一Ol一28作者詹振球男34岁硕士 万方数据 整个虚拟示波器的硬件由3个部分组成：信号调理及 A巾转换模块，CPLD控制模块，联、P模块(带USB接口)。 2．1信号调理及A仍转换模块设计 数字示波器的模拟前端要完成对输入信号的调理，通过 调理电路后转换成满足系统A／D要求的电压信号范围。信 号调理主要由衰减／放大电路组成，由于输入信号的峰值不 一定符合AD输入的范围，因此必须对输入的大信号进行衰 减，而小信号进行放大。 √帅转换芯片采用的是AD9288，AD9283是一款双通 道，采样精度为8位，最高100MSPs的模数转换芯片。其输 入信号电压范围是1№p，特点是低价格，低功耗，体积小且 使用方便。在其工作电压范围下有良好的动态性能。它工 作在100MsPS转换率时同样具有出色的动态性能，并且两 个通道可以完全独立工作。工作需要单3．0v电压和时钟 信号，在多数场合下元需提供外部参考电压和驱动芯片，其 数据输出为rrL憾们S方式。 2．2 CPLD控制模块设计 该模块是整个示波板卡的采集控制核心，根据系统要求 使用的CPLD芯片型号为～tera公司的MAx7000系列芯片 EPM7128s1℃100，该系列是典型的可通过Jn、G在线编程 的CPLD器件。 在本系统中，cPLD实现的功能逻辑有： 接受开始采样信号，实现对ADC的控制，提供分频采样 信号，开始AD转换；为ADC同步提供R气M地址计数器和写 信号，把每次AD转换结果存入踩AMl，并自动增加地址；当 数据采集到达指定的深度后(如4k的样本量)，㈣发出 RAM F【)IL中断信号给四，表示RAM已满。D∈妒则控制 CPID从蹋A^Ⅱ中取出数据，通过U：岛送入PC机，完成一次 数据存取。C辑D内部的逻辑除了完成采样存取外，还必须根 

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基于DSP和CPLD的虚拟数字示波器的设计 作者： 詹振球， Zhan Zhen-qiu 作者单位： 刊名： 南京工业大学信息科学与工程学院,江苏,南京,210009 山西电子技术 英文刊名： SHANXI ELECTRONIC TECHNOLOGY 年，卷(期)： 2007，""(3) 0次 被引用次数： 参考文献(5条) 1.Cypress Semiconductor Corporation EZ-USB(r) FX2 GPIF Primer 2003 2.TMS320VC5409A Fixed-PointDigital Signal Processor Data Manual[SPRS140D,Dallas:Texas Instruments] 2002 3.MAX 7000 Programmable LogicDevice Family data sheet[DS-MAX7000-6.5,SanJose:Altera Corporation] 2002 4.萧世文 USB2.0硬件设计 2002 5.武安河.邰铭.于洪涛 Wondows2000/XP WDM设备驱动程序开发 2003 相似文献(10条) 1.期刊论文 付永领.王利剑.齐海涛.刘和松.FU Yong-ling.WANG Li-jian.QI Hai-tao.LIU He-song 基于DSP和 CPLD的电动静液作动器双余度控制器设计 -测控技术2010,29(1) 以DSP和CPLD为控制核心为电动静液作动器设计了双余度控制器,并且对控制器的总体结构和各子模块进行了详细的介绍.同时设计了系统的控制算法 ,采用位置环、速度环和电流环三环控制来满足系统的性能要求,并通过试验进行了验证. 2.期刊论文 邱望标.李超.徐苏恒 基于DSP+CPLD的数据采集系统研究 -工矿自动化2010,36(3) 为了节约成本和提高DSP的利用率,提出了一种基于DSP+CPLD的数据采集系统的设计方案.该系统以TMS320F2812为DSP核心处理器,结合CPLD器件 EPM3256进行逻辑设计,实现了DSP与A/D器件的高速并行工作.实例应用表明,该系统充分发挥了DSP的信号处理能力及CPLD编程简单的优势,提高了系统的 性价比,具有一定的实用性. 3.期刊论文 林广明.黄义锋.欧阳森.蒋金良.LIN Guang-ming.HUANG Yi-feng.OUYANG Sen.JIANG Jin-liang 基于 DSP和CPLD电能质量监测装置的设计 -电力系统保护与控制2009,37(18) 设计了一种基于DSP+CPLD构架的电能质量监测装置,该装置利用CPLD产生DSP外围器件的控制时序,文中详细介绍了CPLD对DSP外围器件的逻辑接口设 计,通过MAX+PLUSII对CPLD的控制时序进行仿真,仿真结果验证了本设计的可行性,试验测试结果表明该装置实现了多项电能质量指标的实时在线监测. 4.期刊论文 席鹏.李军.於二军.XI Peng.LI Jun.YU Er-jun 基于DSP和CPLD的高精度频率测量系统设计 -航空计算 技术2010,40(2) 介绍了以CPLD(Complex Programmable Logic Device)为核心处理芯片的频率测量系统,整个系统由信号调理电路、CPLD和DSP等构成,在CPLD中设计 等精度测频模块,再由DSP进行数字滤波并将采集值送至双口RAM以供上位机读取.采用CPLD 配合DSP的设计方案,具有速度高、精度高的优点,且易于升级 和扩展采集能力,具有一定的工程应用价值. 5.期刊论文 刘伟.闫玉华.LIU Wei.YAN Yu Hua 基于CPLD译码的DSP二次Bootloader方法 -电子技术应用 2008,34(10) 以实际项目开发为背景,介绍了一种基于CPLD译码的TI TMS320VC55x系列DSP大程序的二次引导方法.阐述了DSP与CPLD以及Flash存储器之间的硬件接 口电路设计及二次Bootloader 方法的实现,给出了CPLD译码的VHDL代码.实验证明,利用CPLD的快速译码实现的DSP二次Bootloader方法,接口简单、编程 方便、有较强的通用性和可靠性. 6.期刊论文 姚龙海.叶庆.邱琳.沈超.YAO Long-hai.YE Qing.QIU Lin.SHEN Chao 基于CPLD和DSP的激光探测技术 -光电技术应用2010,25(2) 在比较3种激光探测技术优缺点的基础上,选择技术相对成熟的光谱识别非成像型激光探测方案.针对其信号处理能力弱的缺点,采用CPLD和DSP作为信 号处理芯片,通过相应的软件算法来提高信号处理能力.采用10路双通道光学系统,可实现1.06μm和1.54μm双波段、360°探测.为满足高探测概率、低虚 警概率的要求,采用了二元相关探测技术. 7.期刊论文 林建文.王书伟.吴玉兰.吴娟.LIN Jian-wen.WANG Shu-wei.WU Yu-lan.WU Juan 基于DSP的CPLD多方案 现场可编程配置设计 -国外电子元器件2005,""(6) 结合继电保护测试装置的研制体会,介绍了基于DSP的CPLD多方案现场可编程配置方法,给出了硬件的配置连接、CPLD配置数据的获取与存储方法,同 时给出了CPLD在DSP控制下的被动串行配置过程.本设计方法无需专用配置PROM,而是由DSP提供配置方案给CPLD来实现同一硬件对不同类型信号的检测与 控制. 8.学位论文 庞辉 基于DSP和CPLD的智能监测系统设计与开发 2004 随着信号检测、信号处理、在系统可编程、计算机网络与通信技术的迅速发展,测控系统仪器正朝着自动化、数字化、智能化、网络化和柔性化方向 

发展.生产的发展客观上要求并促进人们对诸如电动机变压器等电力系统设备实时状态监测、故障诊断和智能保护的研究和实践水平不断提高.为实现对 电力系统大型设备智能在线监测,该文以WSM2000 DSP智能电动机保护装置项目为背景,对一种DSP+CPLD新型的智能仪器结构进行了研究和设计.将 CPLD/FPGA和DSP技术的结合起来实现智能监测装置系统的解决方案,解决了以往智能仪器中采用51系列单片机作为底层处理器存在的数据处理能力弱,速 度慢以及实时性不强的问题.可编程逻辑器件CPLD/FPGA在系统中的应用克服了一般DSP系统中综合逻辑控制和统一编址使用分立元件设计复杂,灵活性差 的缺点.该设计充分发挥DSP+CPLD结构灵活,通用性好,利于模块化设计,从而能够提高算法效率,缩短开发周期,系统易于维护和扩展等的优点,非常适用于 测控系统智能仪器设计研究.该文所设计的智能监测系统采用美国TI公司生产的一款高性能浮点DSP器件TMS320C32作为底层主处理器件,实现对A/D采集得 到的数字信号进行处理,充分利用DSP器件速度快、实时性强等优点.EMP7128S系列CPLD芯片的应用使得系统所有逻辑控制电路、地址译码等设计在一片 CPLD芯片中,提高系统设计灵活性和可重构性,系统易于更新升级.液晶显示技术和键盘的使系统具有友好的人机交互和界面,系统功能组态和参数整定可 以通过键盘输入和更改.整个系统集信号采集、信号分析、数据存储、数据显示、智能报警和人机交互与一体.同时,为实现多台装置的组网,系统采用 UART控制器,提供了对外RS485总线标准接口.可以有效地实现对电力系统中诸如电动机、变压器等设备实时状态监测和故障诊断及处理,进行可靠的保护 .整个系统结构简单化、体积小型化、功能多样化.论文对DSP+CPLD系统方案的可行性进行了研究,对系统硬件和软件进行了具体设计.整个系统设计包括 硬件设计和软件设计两大模块,在系统硬件设计中采用模块化设计思想,给出了DSP与其外围各模块的硬件接口方案并进行详细接口设计;在软件设计部分 一方面设计了对应于硬件接口各模块的底层软件,另一方面设计了为使系统最终脱离仿真器运行采用在线编程技术对程序进行烧的写方法以及引导装载等 部分软件. 9.期刊论文 林建文.王叔伟.吴玉兰.吴娟 用DSP实现CPLD多方案现场可编程配置 -单片机与嵌入式系统应用 2005,""(3) 结合继电保护测试装置的研制体会,介绍基于DSP的CPLD多方案现场可编程配置方法,给出硬件的配置连接、CPLD配置数据的获取与存储方法和CPLD在 DSP控制下的被动串行配置过程.设计中,不用专用配置PROM,配置方案由DSP提供给CPLD,实现同一硬件对不同类型信号的检测与控制. 10.学位论文 蒋辉 基于DSP和CPLD的可编程遥测信号采集与编码系统研究 2005 本论文通过对数据采集技术的研究，设计了一套基于DSP和CPLD技术的可编程遥测信号采集与编码系统。本论文首先对PCM系统进行了详细介绍，然 后结合本系统的技术要求，提出了完整的技术方案。本系统由四个模块构成：模拟信号采集模块、数字信号采集模块、CPLD控制模块和DSP核心处理模块 。DSP是整个系统的核心，负责多路模拟信号和数字信号的采集、存储和处理，最后生成标准的PCM数据流。CPLD用来生成系统各模块所需的译码电路和 控制信号。模拟信号采集模块和数字信号采集模块是本系统与外部信号的接口。本系统选用的DSP芯片是TMS320VC5409，其高速处理能力完全能满足系统 要求。文中详细介绍了DSP的两个片上外设——DMA控制器和多通道缓冲串口McBSP。由于片上外设能通过软件进行设置，因此，充分利用这两个外设不仅 能简化编码后的数据输出过程，而且能减小数据采集对CPU造成的负荷。CPLD的高集成性能够降低以前采用分离元件设计电路的复杂程度，简化了系统的 硬件设计，缩短了开发周期，提高了系统可靠性和保密性，它的ISP(在线编程)功能极大的方便了整个开发过程。DSP+CPLD模式使得本系统具有强大的可 编程性，能非常方便的改变系统的工作状态。CPLD能扩展系统与外部信号的接口，提高系统数据采集能力。DSP作为系统核心，使得本系统能直接采集异 步串行数字信号。而且，通过编写专门的DSP应用程序，能够实现对遥测数据特定的处理，为今后的应用搭建好处理平台。测试结果表明，利用DSP和 CPLD所设计的数据采集与编码系统,编码误差完全达到了课题的设计要求，同时也证明了论文所选方案的可行性和实用性。最后，结合整个开发阶段所遇 到的问题，作了经验总结，并且给出了一些建议和改进措施。 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_sxdzjs200703018.aspx 授权使用：武汉理工大学(whlgdx)，授权号：0f2b6732-9d82-4963-b58e-9de9014e37de 下载时间：2010年9月6日