CN101021551A - 智能综合电子测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种智能综合电子测量仪。采用嵌入式微处理器技术、EDA技术、平板显示技术，将电子实验常用的数字存储示波器、数字频率计、任意信号发生器、RLC测试仪，双路稳压电源等集成为一体，并采用彩色液晶屏显示和触摸屏分级菜单式操作，实现智能化检测。具有如下优点：功能集成。将电子实验常用的数字存储示波器、数字频率计、任意信号发生器、RLC测试仪，双路稳压电源等集成为一体；利用可编程逻辑器，实现仪器的软件在线更新，便于产品升级；采用嵌入式微处理器技术，支持TFT高分辨率彩色液晶显示，提供触摸屏控制，使得仪器显示界面高清晰，仪器操作直观简单。

Description

智能综合电子测量仪

技术领域：

本发明涉及电子技术、计算机技术、仪器仪表技术，具体是一种智能综合电子测量仪。

背景技术：

现有的通用电子测量仪器功能单一、体积大、笨重，采用数码管或阴极射线管显示数据或图像，灵活性不好、稳定性差，操作面板旋纽、按键多，不易掌握。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的问题，提供一种智能综合电子测量仪。采用嵌入式微处理器技术、EDA技术、平板显示技术，将电子实验常用的数字存储示波器、数字频率计、任意信号发生器、RLC测试仪，双路稳压电源等集成为一体，并采用彩色液晶屏显示和触摸屏分级菜单式操作，实现智能化检测。

本发明的智能综合电子测量仪包括：

数字式存储示波电路、可编程逻辑器模块、嵌入式微处理器模块、仪器操作系统和触摸屏图形工作界面、基于频率法的RLC测试模块、伪随机码的扫频测试系统、基于直接数字频率合成法的任意信号发生器。

其中数字式存储示波电路中信号由通道一或者通道二输入，经过衰减得到峰峰值为1V的信号电平；A/D转换的主控芯片是转换速率100M的A D9288，模拟信号经过转换，得到有效值为8位的数字信号输出。

可编程逻辑器模块，实现不同的电路及接口功能，基于EDA的单一硬件，多功能测试技术数字存储示波器的高速数据采集存储、数字频率计电路、任意信号发生电路、RLC测试接口电路、扫频仪电路均采用单一的硬件资源：一块可编程逻辑器件。不同功能模块的VHDL程序编译后存放于外部存储器中，在嵌入式微处理器的控制之下，按指令要求调入相应的软件模快，分配不同的I/O接口，实现不同的测试功能。

嵌入式微处理器控制模块采用三星公司的ARM微处理器S3C2410X，采用6层板设计，S3C2410X使用ARM920T核，内部具有灵活的内存处理单元，连接上仿真器，SD卡、U盘、移动硬盘、串口、网卡设备，并有与液晶显示屏模块的接口及触摸屏的I/O接口，设计了与A/D转换板的连接。

仪器操作系统及界面设计模块

仪器操作系统和触摸屏图形工作界面，采用菜单式工作方式，所有参数输入和结果显示在触摸屏上进行，顶层界面包括了本多功能测量仪的主菜单，其中包括“示波”、“信号”、“测量”、“下载”及“帮助”菜单选项。

基于频率法的RLC测试模块，当阻抗值变化时谐振电路的输出频率将随着改变，在系统内建立了频率阻抗对照表数据库，从测得的频率值直接获得元件的阻抗值并显示。利用微处理器功能，对小阻抗元件和大阻抗元件进行自动识别，实现测量档位的自动切换和准确测量。

伪随机码的扫频测试系统采用伪随机码输入测试电子系统的频率特，由微处理器产生伪随机码扫频测试信号，输入电路网络，微处理器产生不同频率和不同码长的伪随机码信号以供测试不同频率特性的电路网络，电路网络的输出再与伪随机码在微处理器内作相关运算和FFT变换，得到被测电路的频率特性曲线输出并显示。

基于直接数字频率合成法的任意信号发生器，将要生成的信号在时间轴上数字化形成函数对照表，该数据库存放于系统ROM中，当要产生该信号时，将对应的数据从ROM中依次取出经D/A转换、信号调理后输出并在液晶屏上显示。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、功能集成。将电子实验常用的数字存储示波器、数字频率计、任意信号发生器、RLC测试仪，双路稳压电源等集成为一体。

2、利用可编程逻辑器，实现仪器的软件在线更新，便于产品升级。

3、采用嵌入式微处理器技术，支持TFT高分辨率彩色液晶显示，提供触摸屏控制，使得仪器显示界面高清晰，仪器操作直观简单。

附图说明：

图1为本智能综合电子测量仪的各模块连接关系图

图2为本智能综合电子测量仪的面板操作界面图

图3为数字式存储示波电路框图；

图4可编程逻辑器模块框图；

图5为嵌入式微处理器控制模块框图；

图6-1为仪器操作系统和触摸屏图形工作界面图形菜单工作界面顶层界面菜单示意图；

图6-2为仪器操作系统和触摸屏图形工作界面图形菜单工作界面示波界面菜单示意图；

图6-3为仪器操作系统和触摸屏图形工作界面图形菜单工作界面测量界面菜单示意图；

图6-4为仪器操作系统和触摸屏图形工作界面图形菜单工作界面信号发生界面菜单示意图；

图6-5为仪器操作系统和触摸屏图形工作界面图形菜单工作界面下载界面菜单示意图；

图7为基于频率法的RLC测试模块对电阻、电容的测量采用由时基电路555构成的多谐振荡器的电路框图；

图8为基于频率法的RLC测试模块对电感的测量则采用压控振荡器芯片1648构成振荡电路，具体电路框图；

图9为伪随机码的扫频测试系统电路框图；

图10为基于直接数字频率合成法的任意信号发生器的工作原理框图；

具体实施方式：

本发明的智能综合电子测量仪包括：

数字式存储示波电路、可编程逻辑器模块、嵌入式微处理器模块、仪器操作系统和触摸屏图形工作界面、基于频率法的RLC测试模块、采用伪随机码的扫频测试系统和基于直接数字频率合成法的任意信号发生器。其中本智能综合测量仪的面板设计如图2所示，而电子测量仪的各模块连接关系图如图1所示；

其中各英文字母含意如下：

A：模拟信号；B：调理信号；C：输入信号的参数；D：模数转换后的信号；E：FPGA产生的信号；F：D/A转换的启动信号；G：数模转换后的信号；H：模拟信号；I：数据传输；J：互控信号；K：被测频率；L：USB ARM在线更新；M：数据传输；N：互控信号O：被测RLC值；P：并口下载；Q：测频电路下线更新；R：MCU下线更新；S：FPGA下线更新；T：220V交流电入口；U：内部电源输出；V：两路可调电源输出。

1、数字式存储示波电路，用于对测量信号进行双通道数据采集、显示和存储；

数字式存储示波电路框图如图3所示，信号由通道一或者通道二输入，经过衰减得到峰峰值为1V的信号电平；A/D转换的主控芯片是转换速率100M的A D9288，模拟信号经过转换，得到有效值为8位的数字信号输出。

采用数字式存储示波电路可使实时采样速率达到100M，采用等效采样技术使等效采样速率达到1G以上。

2、可编程逻辑器模块，实现不同的电路及接口功能。

可编程逻辑器模块框图如图4所示，基于EDA的单一硬件，多功能测试技术数字存储示波器的高速数据采集存储、数字频率计电路、任意信号发生电路、RLC测试接口电路、扫频仪电路均采用单一的硬件资源：一块可编程逻辑器件。不同功能模块的VHDL程序编译后存放于外部存储器中，在嵌入式微处理器的控制之下，按指令要求调入相应的软件模快，分配不同的I/O接口，实现不同的测试功能。

EDA的主控芯片是ACEX 1K100，RLC测试电路将测得的RLC值转换为频率值后传给FPGA；频率测试电路的作用是测量输入信号的频率；多功能下载电路提供了程序的即时更新，通过下载不同的程序，可编程逻辑实现不同的电路及接口功能。

3、嵌入式微处理器控制模块

嵌入式微处理器控制模块框图如图5所示，本系统采用三星公司的ARM微处理器S3C2410X，采用6层板设计，S3C2410X使用ARM920T核，内部具有灵活的内存处理单元，可以方便地连接上仿真器，SD卡、U盘、移动硬盘、串口、网卡等即插即用设备，并有与液晶显示屏模块的接口及触摸屏的I/O接口，设计了与A/D转换板的连接，可以保证在100M频率下的数据采集和存储。研制了相应的数据采集和存储软件。

说明：本嵌入式系统板集成模块有：USB模块、POWER&JTAG模块、Nand Flash模块、IDE模块、UART模块、Audio模块、EXI-BUS模块、Net模块、LCD模块等模块.

各信号接口定义如表1所示：

表1：

信号总	类型	描述
			OM[1:0]	I	启动方式选择。可用来选择S3C2410的启动方式：OM[1:0]＝01时处理器从16位宽的ROM启动，OM[1:0]＝10时处理器从32位宽的ROM启动，OM[1:0]＝11时处理器为TEST模式
ADDR[26:0]	O	地址总线。输出对应存储器组的地址
			DATA[31:0]	IO	数据总线。存储器读周期内用来输入数据，存储器写周期用来输出数据。总线宽度可编程为8位、16位、32位
nGS[7:0]	O	通用芯片选择。存储器地址在每组范围内时有效，访问周期和存储器大小均可编程
			nWE	O	写有效信号。当前总线周期处开写周期时有效
nOE	O	读有效信号。当前总线周期处于读周期时有效
			nXBREQ	I	总线请求保持。允许另一个总线主控端请求控制本地总线，BACK有效时表示总线请求已被接受
nXBACK	O	总线响应保持。有效时表示S3C2410X已允许其它主控端来控制本地总线
			nWAIT	I	等待延迟信号。用来请求延长当前总线周期。低电平时当前总线周期尚未完成。设计系统时不使用该信号，需接上拉电阻
SDRAM/SRAM接口信号
			nSRAS	O	行地址选通端
nSCAS	O	列地址选通端
			nSCS	O	片选通
DQM[3:0]	O	数据掩码
			SCLK	O	时钟
SCKE	O	时钟使能
			nBE[3:0]	O	使用16位SRAM时，用做高字节/低字节使能信号
NWBE[3:0]	O	写字节使能端
			NAND Flash接口信号
CLE	O	命令锁存信号

ALE	O	地址锁存信号
			nFCE	O	芯片使能信号
nFRE	O	读有效信号
			NFWE	O	写有效信号
NCON	I	配置端口。如果不使用NAND Flash控制，该端口必须接上来电阻
			LCD控制接口
VD[23:0]	O	LCD数据总线
			LCD_PWREN	O	LCD面板电源使能控制信号
VCLK	O	LCD时钟信号
			VFRAME	O	LCD帧扫描信号
VLINE	O	LCD行扫描信号
			VM	O	VM信号用来选择行和列的电压极性
VSYNC	O	垂直同步信号
			HSYNC	O	水平同步信号
VDEN	O	数据使能信号
			LEND	O	行截止信号
STV	O	三星TFTLCD面板控制信号
			CPV	O	三星TFTLCD面板控制信号
LCD_HCLK	O	三星TFTLCD面板控制信号
			TP	O	三星TFTLCD面板控制信号
STH	O	三星TFTLCD面板控制信号
			LCDVF[2:0]	O	时序控制信号
中断控制接口
			EINT[23:0]	I	外部中断请求
DMA接口信号
			nXDREQ[1:0]	I	外部DMA请求信号
nXDACK[1:0]	O	外部DMA应答信号
			串行接口
RXD[2:0]	I	接收串行输入数据
			TXD[2:0]	O	发送串行输出数据
nCTS[1:0]	I	传送清除
			nRTS[1:0]	O	发送请求输出信号
UEXTCLK	I	时钟信号
			ADC接口
AIN[7:0]	AI	A/D转换输入，不使用时需接地
			Vref	AI	参考电压
IIC-BUS接口
			IICSDA	IO	IIC串行数据
IICSCL	IO	IIC串行时钟
			IIS-BUS接口
IISLRCK	IO	通道选择时钟
			IISSDO	IO	串行数据输出
IISSDI	I	串行数据输入
			IISSCLK	IO	串行时钟

CDCLK	O	编解码系统时钟
			触摸屏接口
nXPON	O	加X轴开关控制信号
			XMON	O	减X轴开关控制信号
nYPON	O	加Y轴开关控制信号
			YMON	O	减Y轴开关控控制信号
USB主机接口
			DN[1:0]	IO	SUB主机的DATA(-)
DP[1:0]	IO	USB主机的DATA(+)
			USB设备接口
PDN0	IO	USB设备的DATA(-)
			PDP0	IO	USB设备的DATA(+)
SPI接口
			SPIMISO[1:0]	IO	SPI为主时输入数据，为从时输出数据
SPIMOSI[1:0]	IO	SPI为主时输出数据，为从时输入数数
			SPICLK[1:0]	IO	时钟信号
Nss[1:0]	I	在SPI为从时充当芯片选择信号
			SD接口
SDDAT[3:0]	IO	接收/发送数据
			SDCMD	IO	接收响应/发送命令
SDCLK	O	时钟信号
			通用IO口
GPn[116:0]	IO	通用输入输出IO口，有的只能充当输出口
			TIMMER/PWM
TOUT[3:0]	O	计数器输出端
			TCLK[1:0]	I	计数器外部输入
JTAG接口
			nTRST	I	TAP控制器复位信号。如果使用调试器，应连接10K上拉电阻；不使用调试器通常接到nRESET管脚
TMS	I	TAP控制器测试模式选择。该信号控制TAP控制器的模式。该引脚接10K拉电阻
			TCK	I	TAP控制器数据输入。该信号串行输入数据和指令，接10K上拉电阻
TDI	I	TAP控制器数据输入。该信号串行输入数据和指令，接10K上拉电阻
			TDO	O	TAP控制器数据输出。该信号串行输出数据和指令，接10K上拉电阻
复位、时钟和电源

nRESET	ST	复位信号。在处理器工作电源稳定后必须保持低电平4个FCLK周期
			nRSTOUT	O	复位输出。给外部器件提供复位信号
PWREN	O	2.0内核电源开关信号
			nBATT-FLT	I	电池检测。低电压状态时不唤醒断电模式。如果未使用应接到3。3V
OM[3:2]	I	时钟控制
			EXTCLK	I	外部时钟源
XTIpll	AI	晶体提供给内部振荡电路的输入
			XTOpll	AO	晶体提供给内部振荡电路的输出
MPLLCAP	AI	主时钟回路电容
			UPLLCAP	AI	USB时钟回路电容
XTIrtc	AI	32.768KHz晶体提供给RTC的输入。如果未使用需接1.8V
			XTOrtc	AO	32.768KHz晶体提供给RTC的输出。如果未使用需空接
CLKOUT[1:0]	O	时钟输出信号。有寄存器CLKSEL和MISCCR控制

4、仪器操作系统和触摸屏图形工作界面

图形菜单工作界面顶层菜单如图6-1所示，各分层菜单如6-2至6-5所示。设计了仪器操作系统和触摸屏图形工作界面，采用菜单式工作方式，提示清楚，明确，所有参数输入和结果显示在触摸屏上进行，操作简便、直观，取消了传统电子测量仪上的大部分按键、旋纽。使仪器的使用更为简便，易学、易于掌握。

说明顶层界面图6-1，包括了本多功能测量仪的主菜单，其中包括“示波”、“信号”、“测量”、“下载”及“帮助”菜单选项。

5、基于频率法的RLC测试模块

R、L、C作为谐振电路中的一个元件，当阻抗值变化时谐振电路的输出率将随着改变，在系统内建立了频率阻抗对照表数据库，从测得的频率值直接获得元件的阻抗值并显示。利用本系统强大的微处理器功能，对小阻抗元件和大阻抗元件进行自动识别，实现测量档位的自动切换和准确测量。与传统的伏安法、电桥法比较测量快速、准确、方便。

1)对电阻、电容的测量采用由时基电路555构成的多谐振荡器，具体电路框图如图7：

被测电阻R或被测电容C作为由555构成的R、C振荡电路的元件，根据阻值范围或电容范围自动选择匹配电容或电阻产生稳定的振荡频率，微处理器按事先存放的频率阻抗对照表数据库确定元件的电阻或电容值并输出显示。

2)对电感的测量则采用压控振荡器芯片1648构成振荡电路，具体电路框图如图7：

被测电感L作为由1648构成的L，C振荡电路的元件，根据电感L的大小自动选择不同的匹配电容，产生稳定的振荡频率，事先测试并在微处理器中建立了电感频率对照表数据库，按测得的振荡频率确定元件的电感值并输出显示。

6、伪随机码的扫频测试系统

伪随机码的扫频测试系统电路框图如图9所示，传统扫频仪采用频率自低至高变化的扫频信号，扫频信号发生电路复杂、扫频范围窄，难以获得准确的系统频率特性曲线。本系统采用伪随机码输入测试电子系统的频率特性。

由微处理器产生伪随机码扫频测试信号，输入电路网络，微处理器可以产生不同频率和不同码长的伪随机码信号以供测试不同频率特性的电路网络，电路网络的输出再与伪随机码在微处理器内作相关运算和FFT变换，得到被测电路的频率特性曲线输出并显示。

7、基于直接数字频率合成法的任意信号发生器

此任意信号发生器的工作原理框图如图10所示，首先将要生成的信号在时间轴上数字化形成函数对照表，该数据库存放于系统ROM中，当要产生该信号时，将对应的数据从ROM中依次取出经D/A转换、信号调理后输出并在液晶屏上显不。

由触摸屏的软键盘输入频率值，确定相应的K值，从FPGA中建立的ROM数据库中调出数据进行D/A转换，再通过低通滤波器输出。

数字信号经FPGA内部产生后，经通道选择传给DA转换，得到的模拟信号经调理可输出。D/A转换主芯片是AD5428，转换速度是20M。

以上所述实施例仅为本发明的较佳实施例，并不因此而限制本发明的保护范围，故凡依本发明之形状、构造及原理所作的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围内。

Claims (1)

1、智能综合电子测量仪，其特征在于：其包括数字式存储示波电路、可编程逻辑器模块、嵌入式微处理器模块、仪器操作系统和触摸屏图形工作界面、基于频率法的RLC测试模块、伪随机码的扫频测试系统、基于直接数字频率合成法的任意信号发生器：

其中数字式存储示波电路中信号由通道一或者通道二输入，经过衰减得到峰峰值为1V的信号电平，A/D转换的主控芯片是转换速率100M的A D9288，模拟信号经过转换，得到有效值为8位的数字信号输出；

可编程逻辑器模块，实现不同的电路及接口功能，基于EDA的单一硬件，多功能测试技术数字存储示波器的高速数据采集存储、数字频率计电路、任意信号发生电路、RLC测试接口电路、扫频仪电路均采用单一的硬件资源：一块可编程逻辑器件，不同功能模块的VHDL程序编译后存放于外部存储器中，在嵌入式微处理器的控制之下，按指令要求调入相应的软件模快，分配不同的I/O接口，实现不同的测试功能，

嵌入式微处理器控制模块采用三星公司的ARM微处理器S3C2410X，采用6层板设计，S3C2410X使用ARM920T核，内部具有灵活的内存处理单元，连接上仿真器，SD卡、U盘、移动硬盘、串口、网卡设备，并有与液晶显示屏模块的接口及触摸屏的I/O接口，设计了与A/D转换板的连接；

仪器操作系统和触摸屏图形工作界面，采用菜单式工作方式，所有参数输入和结果显示在触摸屏上进行，顶层界面包括了本多功能测量仪的主菜单，其中包括“示波”、“信号”、“测量”、“下载”及“帮助”菜单选项；

基于频率法的RLC测试模块，当阻抗值变化时谐振电路的输出频率将随着改变，在系统内建立了频率阻抗对照表数据库，从测得的频率值直接获得元件的阻抗值并显示，利用微处理器功能，对小阻抗元件和大阻抗元件进行自动识别，实现测量档位的自动切换和准确测量；

伪随机码的扫频测试系统采用伪随机码输入测试电子系统的频率特，由微处理器产生伪随机码扫频测试信号，输入电路网络，微处理器产生不同频率和不同码长的伪随机码信号以供测试不同频率特性的电路网络，电路网络的输出再与伪随机码在微处理器内作相关运算和FFT变换，得到被测电路的频率特性曲线输出并显示；

基于直接数字频率合成法的任意信号发生器，将要生成的信号在时间轴上数字化形成函数对照表，该数据库存放于系统ROM中，当要产生该信号时，将对应的数据从ROM中依次取出经D/A转换、信号调理后输出并在液晶屏上显示。

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