CN110060555A - 一种电信号合成实验仪 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种电信号合成实验仪，包括参数设置节点、参数信号产生模块和信号合成模块，参数设置节点包括第一微处理器和分别与第一微处理器相连的人机交互单元、第一通信单元，参数信号产生模块包括第二微处理器和分别与第二微处理器相连的第二通信单元、信号转换单元，其中，第一通信单元与第二通信单元进行通信连接，信号转换单元与信号合成模块相连。本发明的电信号合成实验仪具有硬件电路结构简单、通信稳定、信息化程度高、可操作性强、便于演示、易于携带等优点。

Description

一种电信号合成实验仪
技术领域
本发明涉及信号模拟仿真技术领域，具体涉及一种电信号合成实验仪。
背景技术
在本科的大学物理实验课程中，涉及到相关信号的合成实验，比如大学物理实验中的李萨如信号合成实验。在本科大学物理课程学习中，李萨如信号也常常出现在其他知识点的穿插学习中，比如声速的测量中需要用到李萨如信号的相关参数来判别相位差，其他的实验或者实际生活中也都会涉及到其他信号的合成。
目前的信号演示或是信号合成演示的方式主要是通过调整函数信号发生器来产生需要进行演示的信号，并通过连接线将产生的信号接入示波器中进行显示，如果涉及到信号的合成，同样需要将几路产生信号接入到示波器，合成的信号图形显示在示波器上。这种演示方式在演示过程中有着如下的不足之处：
1.由不同的设备联合进行演示，统一性不强；
2.函数信号发生器和示波器体形都比较大，携带不便；
3.设备供电需要提前准备，受场地限制；
4.操作复杂，使用人员需熟悉函数发生器和示波器的使用方法；
5.资源浪费，函数发生器和示波器仅仅用在演示李萨如信号合成时显得大材小用；
6.利用率低，一组演示装置同时只允许一种实验进行操作演示。
发明内容
本发明为解决目前的信号合成演示方式存在上述诸多不足，有待改进的技术问题，提供了一种电信号合成实验仪。
本发明采用的技术方案如下：
一种电信号合成实验仪，包括参数设置节点、参数信号产生模块和信号合成模块，所述参数设置节点包括第一微处理器和分别与所述第一微处理器相连的人机交互单元、第一通信单元，所述参数信号产生模块包括第二微处理器和分别与所述第二微处理器相连的第二通信单元、信号转换单元，其中，所述第一通信单元与所述第二通信单元进行通信连接，所述信号转换单元与所述信号合成模块相连，所述参数设置节点通过所述人机交互单元获取用户设置的两路发生信号的振幅、频率和相位，并通过所述通信连接发送至所述参数信号产生模块，所述参数信号产生模块的第二微处理器通过对比产生两路相应的模拟信号，所述信号合成模块根据所述两路相应的模拟信号合成一路数字形式的合成信号，所述参数信号产生模块通过所述通信连接将所述合成信号发送至所述参数设置节点，所述参数设置节点通过所述人机交互单元显示所述合成信号的参数信息和图形，其中，所述信号转换单元用于进行数字信号与模拟信号的相互转换。
所述参数设置节点为一个或多个。
所述参数信号产生模块为一个或多个。
所述参数设置节点还包括用于供电的第一电源单元，所述参数信号产生模块还包括用于供电的第二电源单元。
所述人机交互单元为TFT(Thin Film Transistor，薄膜晶体管)触摸显示屏。
所述第一通信单元和所述第二通信单元均为Lora扩频SX1278无线模块。
所述第一微处理器包括STM32系列单片机。
所述第二微处理器包括AX7010芯片，采用FPGA(Field-Programmable GateArray，现场可编程门阵列)进行程序设计。
所述参数信号产生模块和所述信号合成模块设计集成在一块电路板上。
本发明的有益效果：
本发明的电信号合成实验仪，通过包括第一微处理器和人机交互单元的参数设置节点进行两路发生信号参数的设置，通过包括第二微处理器和信号转换单元的参数信号产生模块根据参数产生信号，通过信号合成模块进行信号的合成，通过参数设置节点与参数信号产生模块之间的通信传输参数及合成后的信号，以及通过参数设置节点进行合成信号的参数、图形的显示，由此，用到的模块少，操作简单，操作人员和学习人员可以很快入门操作，节省了函数发生器和示波器资源；学生通过多个参数设置节点可以相对远程操作并得到结果显示在显示屏上，在具体课堂教学中利于师生之间的互动交流，改变了只有老师演示学生观看的不足，学生可利用参数设置节点同步进行操作，提高学生的学习积极性和参与感。
总体而言，本发明的电信号合成实验仪具有硬件电路结构简单、通信稳定、信息化程度高、可操作性强、便于演示、易于携带等优点。
附图说明
图1为本发明一个实施例的电信号合成实验仪的方框示意图；
图2为本发明一个实施例的STM32系列单片机的管脚图；
图3为本发明一个实施例的TFT芯片的管脚图；
图4为本发明一个实施例的触摸芯片的管脚图；
图5为本发明一个实施例的FPGA电路中BANK1的管脚示意图；
图6为本发明一个实施例的FPGA电路中BANK2的管脚示意图；
图7为本发明一个实施例的FPGA电路中BANK3的管脚示意图；
图8为本发明一个实施例的FPGA电路中BANK4的管脚示意图；
图9为本发明一个实施例的FPGA电路中BANK5的管脚示意图；
图10为本发明一个实施例的FPGA电路中BANK6的管脚示意图；
图11为本发明一个实施例的FPGA电路中BANK7的管脚示意图；
图12为本发明一个实施例的FPGA电路中BANK8的管脚示意图；
图13为本发明另一个实施例的电信号合成实验仪的方框示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明实施例的电信号合成实验仪包括参数设置节点10、参数信号产生模块20和信号合成模块30。所述参数设置节点10包括第一微处理器11和分别与所述第一微处理器11相连的人机交互单元12、第一通信单元13，所述参数信号产生模块20包括第二微处理器21和分别与所述第二微处理器21相连的第二通信单元22、信号转换单元23。其中，所述第一通信单元13与所述第二通信单元22进行通信连接，所述信号转换单元23与所述信号合成模块30相连。所述参数设置节点10通过所述人机交互单元 12获取用户设置的两路发生信号的振幅、频率和相位，并通过所述通信连接发送至所述参数信号产生模块20，所述参数信号产生模块20的第二微处理器21通过对比产生两路相应的模拟信号，所述信号合成模块30根据所述两路相应的模拟信号合成一路数字形式的合成信号，所述参数信号产生模块 20通过所述通信连接将所述合成信号发送至所述参数设置节点，所述参数设置节点10通过所述人机交互单元12显示所述合成信号的参数信息和图形，其中，所述信号转换单元23用于进行数字信号与模拟信号的相互转换。
进一步地，如图1所示，参数设置节点10还包括用于供电的第一电源单元14，所述参数信号产生模块20还包括用于供电的第二电源单元24。
在本发明的一个实施例中，第一微处理器11包括STM32系列单片机，例如型号为STM32F103RCT6的单片机，采用C语言进行程序设计，其管脚图如图2所示。
在本发明的一个实施例中，人机交互单元12为TFT触摸显示屏，其包括图3所示的TFT芯片和图4所示的XPT2046触摸芯片及其外围电路。用户可通过TFT触摸显示屏设置两路发生信号的振幅、频率和相位等，并可通过TFT触摸显示屏查看显示结果。
在本发明的一个实施例中，第二微处理器21包括AX7010芯片，采用 FPGA进行程序设计。其FPGA电路包含图5至图12所示的 BANK1～BANK8。
在本发明的一个实施例中，第一通信单元13和所述第二通信单元22均为Lora扩频SX1278无线模块。也就是说，参数设置节点10和参数信号产生模块20可通过Lora网络进行数据传输。LoRa是一种基于Lorawan协议的低功耗局域网无线标准，它最大特点就是在同样的功耗条件下比其他无线方式传播的距离更远，实现了低功耗和远距离的统一，它在同样的功耗下比传统的无线射频通信距离扩大3到5倍，同时保证信号传输的稳定，在个域网范围内做到隐私与性能的统一，适用于小范围信号传输。
在本发明的一个实施例中，信号转换单元23包括ADC模块和DAC模块，分别能够实现模数转换和数模转换。
在本发明的一个实施例中，参数信号产生模块20和所述信号合成模块 30可设计集成在一块电路板上。也就是说，可将AX7010芯片、ADC模块、 DAC模块、信号合成模块30、Lora扩频SX1278无线模块和电源单元设计集成在一块电路板，形成参数信号产生模块和信号合成模块的集合，两者皆占用面积很小、易于携带、统一性高，不需要外加电源的情况下即能进行演示。
关于电信号的合成，本发明中以李萨如信号合成为例：李萨如信号是由在互相垂直的方向上的两个频率成简单整数比的信号进行简谐振动所合成的规则的、稳定的闭合曲线信号。李萨如信号由以下参数方程定义：
x(θ)＝asinθ
其中，n≥1且n称为曲线信号的参数，是两个正弦振动的频率比。若比例为有理数，则n＝q/p，参数方程可以写作：
x(θ)＝asin(pθ)
0≤θ≤2π
本发明的上述电信号合成实验仪的工作过程如下：参数设置节点10由用户A持有，参数信号产生模块20及信号合成模块30由用户B持有，用户 A在TFT触摸显示屏界面上设置两路发生信号的振幅、频率和相位，设置确定后通过Lora扩频SX1278无线模块传输至参数信号产生模块20；参数信号产生模块20的AX7010采用FPGA进行程序的设计，两个电源单元给整个演示装置供电；参数信号产生模块20通过Lora扩频SX1278无线模块接收来自参数设置节点10的参数信息，对比参数信息在程序中产生相应的两路模拟信号并通过ADC模块转换成数字信号传输至信号合成模块30的输入端，信号合成模块30输出端输出合成好的一路数字信号，通过DAC模块转换成模拟信号传输至参数信号产生模块20，参数信号产生模块20解析合成信号的相关参数和图像编码数据，再次通过Lora扩频SX1278无线模块传输给参数设置节点10；参数设置节点10根据接收到的返回参数信息和图像编码数据在TFT触摸显示屏上显示合成信号的相关参数信息和信号的图像。
在本发明的一个实施例中，参数设置节点10可为一个或多个，例如图 13中包括n(n为大于1的整数)个参数设置节点10。对应具体实验环境，多个参数设置节点10可由多个实验学生分别持有。
在本发明的一个实施例中，参数信号产生模块20可为一个或多个。对应具体实验环境中的大实验室和小实验室，多个参数信号产生模块20可由实验老师持有。
根据本发明实施例的电信号合成实验仪，通过包括第一微处理器和人机交互单元的参数设置节点进行两路发生信号参数的设置，通过包括第二微处理器和信号转换单元的参数信号产生模块根据参数产生信号，通过信号合成模块进行信号的合成，通过参数设置节点与参数信号产生模块之间的通信传输参数及合成后的信号，以及通过参数设置节点进行合成信号的参数、图形的显示，由此，用到的模块少，操作简单，操作人员和学习人员可以很快入门操作，节省了函数发生器和示波器资源；学生通过多个参数设置节点可以相对远程操作并得到结果显示在显示屏上，在具体课堂教学中利于师生之间的互动交流，改变了只有老师演示学生观看的不足，学生可利用参数设置节点同步进行操作，提高学生的学习积极性和参与感。
总体而言，本发明的电信号合成实验仪具有硬件电路结构简单、通信稳定、信息化程度高、可操作性强、便于演示、易于携带等优点。
在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种电信号合成实验仪，其特征在于，包括参数设置节点、参数信号产生模块和信号合成模块，所述参数设置节点包括第一微处理器和分别与所述第一微处理器相连的人机交互单元、第一通信单元，所述参数信号产生模块包括第二微处理器和分别与所述第二微处理器相连的第二通信单元、信号转换单元，其中，所述第一通信单元与所述第二通信单元进行通信连接，所述信号转换单元与所述信号合成模块相连，所述参数设置节点通过所述人机交互单元获取用户设置的两路发生信号的振幅、频率和相位，并通过所述通信连接发送至所述参数信号产生模块，所述参数信号产生模块的第二微处理器通过对比产生两路相应的模拟信号，所述信号合成模块根据所述两路相应的模拟信号合成一路数字形式的合成信号，所述参数信号产生模块通过所述通信连接将所述合成信号发送至所述参数设置节点，所述参数设置节点通过所述人机交互单元显示所述合成信号的参数信息和图形，其中，所述信号转换单元用于进行数字信号与模拟信号的相互转换。
2.根据权利要求1所述的电信号合成实验仪，其特征在于，所述参数设置节点为一个或多个。
3.根据权利要求1或2所述的电信号合成实验仪，其特征在于，所述参数信号产生模块为一个或多个。
4.根据权利要求3所述的电信号合成实验仪，其特征在于，所述参数设置节点还包括用于供电的第一电源单元，所述参数信号产生模块还包括用于供电的第二电源单元。
5.根据权利要求4所述的电信号合成实验仪，其特征在于，所述人机交互单元为TFT触摸显示屏。
6.根据权利要求5所述的电信号合成实验仪，其特征在于，所述第一通信单元和所述第二通信单元均为Lora扩频SX1278无线模块。
7.根据权利要求6所述的电信号合成实验仪，其特征在于，所述第一微处理器包括STM32系列单片机。
8.根据权利要求6所述的电信号合成实验仪，其特征在于，所述第二微处理器包括AX7010芯片，采用FPGA进行程序设计。
9.根据权利要求8所述的电信号合成实验仪，其特征在于，所述参数信号产生模块和所述信号合成模块设计集成在一块电路板上。
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