CN104882053A - 一种多功能教学仪器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多功能教学仪器，其特征在于：所述的教学仪器包括FPGA处理器模块分别连接信号处理模块和液晶显示屏；FPGA处理器模块通过AVALON总线同时连有Flash存储器、SDRAM存储器、VGA接口模块、USB接口模块、操作面板模块、SD卡接口模块。由于采用上述的结构，本发明的优点为高校的数字信号处理与电子线路的教学提供一种辅助工具，将其中经典的傅立叶变化，数字滤波器设计，信号的调制解调等重难点内容通过该辅助工具形象化，具体化，使学生对教学内容更加深刻，帮助教师提升教学效果。本发明设计小巧，使用方便，成本较低，具有很好的市场前景。

Description

一种多功能教学仪器
技术领域
本发明涉及教学仪器的技术改进，特别涉及一种多功能教学仪器。
背景技术
傅立叶变换，数字滤波器设计，信号的调制与解调在电子信息类学科以及相关工程应用中占据重要的地位，同时也是高校相关专业教学的重要内容。
目前教师教授相关内容时主要还是依赖于书本上的插图与公式，擅长编程的教师可能会使用MATLAB等软件工具来实现上述变换的效果图。但是书本上的插图毕竟有限不利于学生理解上述变换的过程，MATLAB等软件虽然功能强大，但每种功能的实现都要修改相应的程序才能执行，操作比较复杂，不利于教学推广。
针对上述问题，提供一种专门的教学仪器，将傅立叶变换，数字滤波器设计以及信号调制与解调的效果进行直观显示。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种多功能教学仪器，以达到将傅立叶变换，数字滤波器设计以及信号调制与解调的效果进行直观显示的目的。
为达到上述目的，本发明的技术方案是，一种多功能教学仪器，其特征在于：所述的教学仪器包括FPGA处理器模块分别连接信号处理模块和液晶显示屏；FPGA处理器模块通过AVALON总线同时连有Flash存储器、SDRAM存储器、VGA接口模块、USB接口模块、操作面板模块、SD卡接口模块。
所述的教学仪器设有系统电源模块为整个系统供电。
所述的教学仪器中各模块的电路设置于仪器盒内，仪器盒上设有两个操作面板区，用于安装操作面板模块的按键与旋钮；同时仪器盒连接有液晶显示屏；仪器盒上连接有信号处理面板，用于安装信号处理模块电路幅度调节的旋钮；同时信号处理面板上连接有信号输出端子和信号输入端子；仪器盒右侧连接有示波器输出端、示波器输入端，其分别连接信号处理模块的信号输出端与输入端。
所述仪器盒正前方连接有SD卡接口与电源开关。
所述仪器盒左侧连接有VGA接口、USB接口。
所述的液晶显示屏与仪器盒为活动连接，在不用时液晶显示屏闭合盖住仪器盒。
所述的FPGA处理器模块中FPGA芯片采用ALTERA公司的Cyclone IV系列芯片EP4CE10F17C8N。
所述的信号处理模块将接收到的信号通过信号输入端口、衰减电路接入高速DA芯片将数字信号转换成模拟信号，信号通过巴特沃斯低通滤波器以及调幅电路处理后由信号输出端口输出最后通过液晶屏显示出来。
一种多功能教学仪器，由于采用上述的结构，本发明的优点为高校的数字信号处理与电子线路的教学提供一种辅助工具，将其中经典的傅立叶变化，数字滤波器设计，信号的调制解调等重难点内容通过该辅助工具形象化，具体化，使学生对教学内容更加深刻，帮助教师提升教学效果。本发明设计小巧，使用方便，成本较低，具有很好的市场前景。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明；
图1为本发明一种多功能教学仪器结构框图；
图2为本发明一种多功能教学仪器结构示意图；
图3为本发明一种多功能教学仪器的侧面结构示意图；
图4为本发明一种多功能教学仪器中信号处理模块的原理图；
在图1-3中，1、FPGA处理器模块；2、液晶显示屏；3、信号处理模块；4、操作面板模块；5、Flash存储器；6、SDRAM存储器；7、系统电源模块；8、VGA接口模块；9、USB接口模块；10、SD卡接口模块；11、仪器盒；12、操作面版区；13、信号处理面板；14、信号输出端子；15、信号输入端子；16、示波器输出端；17、示波器输入端；18、SD卡接口；19、USB接口；20、电源开关；21、VGA接口。
具体实施方式
本发明主要通过VGA接口12连接投影仪显示的方法将傅立叶变换，数字滤波器设计以及信号调制与解调的效果显示在投影仪屏幕上。其最大的特点是实现了上述功能的动态效果图显示，使用者可以很方便地通过外接输入或内置接口输入的方式输入源数据或参数，输出端的效果图或功能会立刻显示出来，这是MATLAB等软件无法实现的。本发明除了可以用于课堂上的教学演示外还有辅助功能，其提供了作信号激励源与示波器的功能，使用者在没有函数信号发生器和示波器的情况下，可以使用该仪器来代替，方便且成本低。
具体如图1所示，本发明包括FPGA处理器模块1，液晶显示屏2，信号处理模块3，电源模块7，所述FPGA处理器模块1通过AVALON总线连有Flash存储器5、SDRAM存储器6、VGA接口模块8、USB接口模块9、操作面板模块4、SD卡接口模块10，所述电源模块7用来给整个系统供电，所述液晶显示屏2与FPGA处理器模块1连接，用来作为系统的显示面板，所述信号处理模块3与FPGA处理器模块1连接用来实现信号的数模、模数转换。
本发明的结构示意图如图2-3所示，仪器盒11用于放置FPGA核心板以及上述各模块的电路，其外壳采用屏蔽材料制成，可以对干扰噪声起屏蔽作用；所述仪器盒11上留有两个操作面板区12，用于安装操作面板模块4的按键与旋钮；所述仪器盒11连接有液晶显示屏2，所述液晶显示屏2可以像笔记本电脑显示屏一样可以打开与闭合；所述仪器盒11上连接有信号处理面板13，用于安装信号处理模块3中电路幅度调节的旋钮；信号处理面板13上连接有信号输出端子14，信号输入端子15，用于信号输出与输入的外拓接口；所述仪器盒11右侧连接有示波器输出端16，示波器输入端17，连接信号处理模块3的信号输出端与输入端，目的在于与示波器接口相匹配；所述仪器盒11正前方连接有SD卡接口18与电源开关20，SD卡接口18用于安装SD卡，电源开关20控制整个系统的开启与关闭；所述仪器盒11左侧连接有VGA接口21、USB接口19，VGA接口21用以驱动投影仪将想要显示的内容在投影仪屏幕上显示出来，USB接口19用以连接电脑键盘作为外扩输入操作命令的接口。
本发明主要有演示傅立叶变换、数字滤波器功能、信号调制与解调过程的三种功能，用途主要为课堂教学演示。
作教学演示用途时：通过操作面板模块选择教学演示显示模式，此时液晶显示屏为操作命令与参数设置显示屏，只显示当前系统所处的状态与输入数据；操作面板上设有实现上述三种功能模式对应的按钮，系统只选中最近选中的一种功能模式进行工作，进入功能模式后，显示屏显示出系统能提供的相应功能的子功能，比如选择傅立叶变换功能后，显示屏会显示出DFT(离散傅立叶变换)与FFT(快速傅立叶变换)的子功能，以此类比；然后进入源数据或参数输入的设置，系统提供两种外部数据或参数输入方式，一种内置数据或参数输入的方式，可以通过操作面板来选择三种输入模式之一；外部数据或参数输入的两种方式的为通过USB外接键盘输入和通过SD卡接口18从SD卡内置数据中读入，键盘按照系统的命令格式将数据输入到FPGA内部RAM中缓存，FPGA再从RAM中读取数据做处理，用户在使用SD卡作为输入方式时同样也要按照一定的文件编写格式编写数据，然后数据缓存至RAM再送给FPGA处理；内置数据或参数输入的方式即由操作面板来选择预先存放在系统中的数据或参数；源数据选择好或参数设置好过后，FPGA将数据处理后的结果通过VGA驱动投影仪显示出来，比如，对于傅立叶变换能显示出源数据变换后的结果并通过坐标图的方式显示出来，对于数字滤波器而言能将信号通过它的波形显示出来，因为FPGA是通过硬件的方式实现滤波器设计的，其区别于软件设计的结果是一个实际的滤波器，同样对于信号的调制与解调而言能将选定调制的信号按照输入的参数将调制后的信号显示出来；为了实现动态显示效果，使用者可以通过操作面板实时对源数据或参数的数值进行修改，FPGA接收到修改命令后立即对数据进行重新处理，然后再显示出来，由于FPGA的处理速度相当快，所以延时效应可以忽略，比如在进行信号的调制时可以对输入信号的幅度与频率进行调整以观察调制后的效果。另外，本发明还提供信号激励源与示波器的辅助功能，有需要时可以用其作为实验器材使用。
作辅助供能时：此时应通过操作面板关闭教学演示模式，打开辅助功能模式，此时VGA显示被关闭，液晶屏用来显示所测信号的波形与参数以及系统命令的当前状态，而且此时只能通过操作面板来输入命令与参数；作为信号激励源时能提供主要的三角波、方波、正弦波信号，频率设置可以通过操作面板来实现，FPGA接收到操作面板传入的参数后驱动信号处理模块进行处理输出相应的波形；作为示波器时，信号经过信号处理模块进行模数转换后输入到FPGA中，FPGA对数据进行处理驱动液晶屏显示出来。
本发明中各个模块的组成与原理如下：
1、系统电源模块7:系统电源模块7由可充电电池与分压电路构成，可充电电池采用12V额定电压可充电电池，分压电路将12V电源电压通过ASM1117-3.3稳压芯片分压为3.3V电压给各个模块供电。
2、FPGA处理器模块1：FPGA芯片采用ALTERA公司的Cyclone IV系列芯片EP4CE10F17C8N，其速度等级为8，内部RAM为423936bits。FPGA处理器模块是整个系统的控制核心，通过在FPGA中内嵌NiosII处理器作为顶层，verilog hdl硬件描述语言作为底层的方法来达到系统设计的要求。系统中Flash存储器、SDRAM存储器、VGA接口模块、USB接口模块、操作面板模块、SD卡接口模块通过挂在AVALON总线上的形式与FPGA进行通信，同时可以利用FPGA内嵌的DSP模块来完成数字信号的快速处理以及利用现有的各种傅立叶变换与数字滤波器设计的IP核大大降低代码的编写难度与加快产品投入市场的时间。
3、液晶显示屏2：液晶屏采用驱动器为ILI9341的彩屏，ILI9341是一种基于SPI接口的驱动器，操作简单方便。
4、信号处理模块3：信号处理模块3的原理图如图4所示，其主要用来完成数模、模数转换。高速DA芯片采用DA9708，FPGA通过驱动DA9708将数字信号转换成模拟信号，信号通过巴特沃斯低通滤波器经调幅电路处理后由信号输出端口输出；高速AD芯片采用AD9208，外部模拟信号由信号输入端口采集经衰减电路后被高速AD芯片接收，FPGA驱动AD9208不断采集外部信号完成信号的模数转换，并对采集的数据进行处理通过液晶屏显示出来。
5、SDRAM存储器6：SDRAM采用H57V2562GTR芯片，SDRAM存储器用来解决FPGA芯片存储空间不足的问题，由于本设计用到NiosII处理器内核，为减少FPGA的逻辑资源使用，使用外接SDRAM存储器的方式，同时SDRAM也可以作为缓存器，采集的数据可以先存放在SDRAM中再通过FPGA从SDRAM中读取数据。
6、Flash存储器5：Flash存储器采用NorFlash S29GL128P芯片，其存储可达128M Bit，Flash主要用来存储程序以及系统初始化所需的数据，这样可以防止系统掉电数据丢失现象的发生。
7、操作面板模块4：操作面板模块主要由各种按键与旋钮组成，操作面板上的按键与旋钮的操作会被FPGA处理器模块检测到，FPGA从而对此做出相应的处理。
8、SD卡接口模块10：SD接口模块采用最常用的TF卡座，接口采用SPI接口模式。
9、USB接口模块9：USB接口模块采用USB2.0接口芯片CY7C68013A，USB接口主要用于外接键盘进行数据的输入。
10、VGA接口模块8：VGA驱动芯片采用ADV7123芯片，ADV7123是美国AD公司生产的一种三路高速、10位输入的视频AD转换器，具有330MHz的最大采样速率，能与多种高精度的显示器兼容。VGA需要连接到投影仪或其它VGA接口显示器上才能将要演示的内容显示出来。
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明技术方案进行的各种改进，或未经改进直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种多功能教学仪器，其特征在于：所述的教学仪器包括FPGA处理器模块(1)分别连接信号处理模块(3)和液晶显示屏(2)；FPGA处理器模块(1)通过AVALON总线同时连有Flash存储器(5)、SDRAM存储器(6)、VGA接口模块(8)、USB接口模块(9)、操作面板模块(4)、SD卡接口模块(10)。
2.根据权利要求1所述的一种多功能教学仪器，其特征在于：所述的教学仪器设有系统电源模块(7)为整个系统供电。
3.根据权利要求1所述的一种多功能教学仪器，其特征在于：所述的教学仪器中各模块的电路设置与仪器盒(11)内，仪器盒(11)上设有两个操作面板区(12)，用于安装操作面板模块(4)的按键与旋钮；同时仪器盒(11)连接有液晶显示屏(2)；仪器盒(11)上连接有信号处理面板(13)，用于安装信号处理模块(3)的电路幅度调节旋钮；同时信号处理面板(13)上连接有信号输出端子(14)和信号输入端子(15)；仪器盒(11)右侧连接有示波器输出端(16)、示波器输入端(17)分别连接信号处理模块(3)的信号输出端与输入端。
4.根据权利要求3所述的一种多功能教学仪器，其特征在于：所述仪器盒(11)正前方连接有SD卡接口(18)与电源开关(20)。
5.根据权利要求3所述的一种多功能教学仪器，其特征在于：所述仪器盒(11)左侧连接有VGA接口(21)、USB接口(19)。
6.根据权利要求3所述的一种多功能教学仪器，其特征在于：所述的液晶显示屏(2)与仪器盒(11)为活动连接，在不用时液晶显示屏(2)闭合盖住仪器盒(11)。
7.根据权利要求1所述的一种多功能教学仪器，其特征在于：所述的FPGA 处理器模块(1)中FPGA芯片采用ALTERA公司的Cyclone IV系列芯片EP4CE10F17C8N。
8.根据权利要求1所述的一种多功能教学仪器，其特征在于：所述的信号处理模块(3)将接收到的信号通过信号输入端口、衰减电路接入高速DA芯片将数字信号转换成模拟信号，信号通过巴特沃斯低通滤波器以及调幅电路处理后由信号输出端口输出最后通过液晶屏(2)显示出来。
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