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
垌
ｊ＼
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