CN110412325A - 无线虚拟示波器及其功耗动态管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供的一种无线虚拟示波器及其功耗动态管理方法，涉及示波器技术领域，无线虚拟示波器的终端机与ARM微控制器既能够选择信号传输稳定性高的USBOTG接口有线通信模式，也能够选择灵活性高的Wi‑Fi通信模式，当选择Wi‑Fi通信模式时，能够实现虚拟示波器的小型化，而且终端机与虚拟示波器的其它部分完全分开，便于随身携带，易于在较为恶劣的偏远测量环境中使用。该无线虚拟示波器功耗动态管理方法基于硬件功能划分，通过将无线虚拟示波器中暂不使用的功能模块，关闭电源或者进入低功耗模式，使无线虚拟示波器在进行不同功能的使用时，实现了功耗动态管理，更好地满足了其低功耗设计要求。

Description

无线虚拟示波器及其功耗动态管理方法

技术领域

本发明涉及示波器技术领域，具体而言，涉及一种无线虚拟示波器及其功耗动态管理方法。

背景技术

虚拟示波器是利用外置探头或同轴电缆线捕获被测信号，之后送入信号调理通道完成调理变换等操作，再经过A/D采样量化转换成数字信号，然后将数据存储到底层硬件采集系统的缓冲区中。再借由指定的数据通信总线或无线数据传输方式将波形发送到终端设备，随后通过软件程序对数据进行处理并显示，而底层硬件采集系统的控制命令则是由软件界面发送过来的。

现有的虚拟示波器存在以下缺陷：

一方面，现有虚拟示波器受体积结构和供电的制约，实际中往往不能随身携带，在较为恶劣的测量环境无法展开使用；

另一方面，由于虚拟示波器硬件底层电路的复杂性而导致其电源模块不仅需要产生多种不同的供电电压输出，而且各供电模块所需电流较大，这对于无线虚拟示波器系统的低功耗设计是较大的考验；无线虚拟示波器的低功耗设计不仅可以减少电能损失，延长整机工作时间，还能降低电源模块的热噪声干扰，增加器件的使用寿命；现有技术尽管在电源模块设计中选用功耗较低的芯片并实现了电压转换电路的高效率，但这往往还是难以达到系统的低功耗设计需求。

发明内容

本发明在于提供一种无线虚拟示波器及其功耗动态管理方法，其能够缓解上述问题。

为了缓解上述问题，本发明采取的技术方案如下：

第一方面，本发明提供了一种无线虚拟示波器，其包括物理总开关、电源模块、DAC器件、ADC器件、模拟通道、终端机、低通滤波器、FPGA器件以及嵌入式Wi-Fi模块，所述模拟通道包括信号调理通道以及触发通道，所述电源模块设置有锂电池；

所述嵌入式Wi-Fi模块中设置有ARM微控制器，所述ARM微控制器与所述嵌入式Wi-Fi模块的Wi-Fi芯片通信连接，所述ARM微控制器与所述FPGA器件使用GPIO接口，通过自义定的通讯协议进行数据传输；

所述终端机具有Wi-Fi通信功能和USB通信功能，其与所述Wi-Fi芯片无线通信连接，或通过USBOTG接口与所述ARM微控制器有线通信连接。

本技术方案的技术效果是：终端机与ARM微控制器之间可通过USBOTG接口实现通信，保证信号的稳定传输；终端机与ARM微控制器之间也可通过Wi-Fi芯片无线通信，如此便实现了虚拟示波器的小型化，而且终端机与虚拟示波器的其它部分完全分开，便于随身携带，易于在较为恶劣的偏远测量环境中使用。

可选地，所述终端机为PC机或者采用安卓操作系统的手机，用户通过切换点触开关选择所述嵌入式Wi-Fi模块与所述终端机的通信方式为Wi-Fi通信方式或USB通信方式。

本技术方案的技术效果是：用户在终端机上的软件界面上的连接方式选项中，选择使用Wi-Fi通信方式或USB通信方式完成无线虚拟示波器与终端机的数据和控制命令的传输，使得用户可以根据使用场景的不同在灵活的无线Wi-Fi连接方式和稳定可靠的USBOTG有线连接方式中自由选择并切换。

可选地，所述USBOTG接口的下级侧同时与所述电源模块的充电侧以及所述ARM微控制器电源连接。

本技术方案的技术效果是：USBOTG接口的上级侧与终端机分开，并连接外部电源后，能够完成电源模块的锂电池充电以及初始供电。

第二方面，本发明根据上述无线虚拟示波器，提供了一种无线虚拟示波器的功耗动态管理方法，包括：

当所述DAC器件不使用时，切断其电源输入；

当所述信号调理通道不使用时，切断其电源输入；

当所述触发通道不使用时，切断其电源输入；

当所述ADC器件进入无效采样过程时，控制其停止采样，进入待机模式；

将所述无线虚拟示波器的时基档位划分为慢时基档位和快时基档位，当所述无线虚拟示波器的时基档位处于慢时基档位时，控制所述ADC器件的实时采样频率保持在100MSPS，当所述无线虚拟示波器的时基档位处于快时基档位时，控制所述ADC器件的实时采样频率保持在200MSPS；

在所述FPGA器件内部，利用门控时钟方法，停止向暂不使用的模块输入时钟源。

本技术方案的技术效果是：通过将无线虚拟示波器中暂不使用的功能模块，关闭电源或者进入低功耗模式，使其在进行不同功能的使用时，实现了功耗动态管理，更好地满足了其低功耗设计要求。

可选地，当所述物理总开关打开后，所述ARM微控制器立即获得供电；当确定所述终端机与所述ARM微控制器之间的连接方式后，所述FPGA器件获得供电。

本技术方案的技术效果是：该设计能够进一步的减少不必要的电路损耗。

可选地，所述慢时基档位为5us/div～10s/div，所述快时基档位为5ns/div～2us/div。

本技术方案的技术效果是：通过该范围的快、慢时基档位的划分，对ADC输入不同的采样时钟，既能达到减少系统功耗的目的，也不影响波形显示的效果。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举本发明实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是实施例1中所述无线虚拟示波器的结构示意框图；

图2是实施例4中无线虚拟示波器的系统启动和功耗管理流程图；

图3是实施例4中FPGA器件与ARM微控制器的引脚连接图；

图4是实施例4中门控时钟管理电路的原理图；

图5是实施例4中晶体管控制电路的原理图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

实施例1

请参考图1，本实施例提供了一种无线虚拟示波器，其包括物理总开关、电源模块、DAC器件、ADC器件、模拟通道、终端机、低通滤波器、FPGA器件以及嵌入式Wi-Fi模块，模拟通道包括信号调理通道以及触发通道，电源模块设置有锂电池；

嵌入式Wi-Fi模块中设置有ARM微控制器，ARM微控制器与嵌入式Wi-Fi模块的Wi-Fi芯片通信连接，ARM微控制器与FPGA器件使用GPIO接口，通过自义定的通讯协议进行数据传输；

终端机具有Wi-Fi通信功能和USB通信功能，其与Wi-Fi芯片无线通信连接，或通过USBOTG接口与ARM微控制器有线通信连接。

在本实施例中，终端机与ARM微控制器之间可通过USBOTG接口实现通信，保证信号的稳定传输；终端机与ARM微控制器之间也可通过Wi-Fi芯片无线通信，如此便实现了虚拟示波器的小型化，而且终端机与虚拟示波器的其它部分开，便于携带。

在本实施例中，所使用到的器件或芯片都是比较容易采购获得的，成本低廉，以下对系统使用到的核心器件进行简要说明：

ADC器件的型号为MXT2088，MXT2088内部自带基准参考电路，实际应用时相对简单，该芯片拥有两个通道，每个通道都可以独立的工作，单通道最高采样率是100MSPS，使用者可通过相关引脚控制工作模式、数据输出类型以及采样时序；

DAC器件是本发明中任意波形发生器模块的核心器件，从FPGA器件输出的数字信号需经过DAC器件转化成模拟信号，才能实现模拟波形的合成产生，设计中选用AD5721R作为本系统的DAC器件来完成波形信号的数模转换，AD5721R是12位分辨率的单通道、电压输出型数模转换器，输出是多种可编程配置范围，它内部集成输出放大器、基准电压源缓冲器以及内部低漂移2.5V基准电压源；

FPGA器件不仅需要对ADC器件传来的采样数据进行处理和缓存，还要控制通道的正常运行以及完成触发等工作，因此在综合考虑FPGA器件内部资源、运行速率、封装、I/O数量以及芯片成本等因素后，本发明最终选用型号为XC6SLX9-TQG144的FPGA器件作为逻辑控制芯片；

嵌入式Wi-Fi模块的型号为EMW3162，其主要集成ARM微控制器STM32F205与Wi-Fi芯片BCM43362，STM32F205是一款低功耗高性能的微控制器芯片，BCM43362是一款专为移动及手持式系统设计Wi-Fi芯片，其可实现常用的802.11b/n/g无线通信总线时序，EMW3162仅需要单独3.3V供电，其具有超低功耗和小型化设计，同时内嵌1M flash及128k RAM存储资源。

实施例2

针对实施例1中的终端机形式，其可以为PC机或者采用安卓操作系统的手机，嵌入式Wi-Fi模块与终端机之间的通信方式，用户可通过切换点触开关选择嵌入式Wi-Fi模块与终端机的通信方式为Wi-Fi通信方式或USB通信方式。

实施例3

针对实施例1中的USBOTG接口，USBOTG接口的下级侧同时与电源模块的充电侧以及ARM微控制器电源连接。

在本实施例中，USBOTG接口不仅可以完成USB数据通信，也可以完成电源模块的锂电池充电以及初始供电。

实施例4

请参考图2，本实施例在实施例1提供的无线虚拟示波器的基础上，提供了一种无线虚拟示波器的功耗动态管理方法。

先阐述本发明所述无线虚拟示波器的启动过程：

首先，示波器系统的核心控制单元是嵌入式Wi-Fi模块的ARM微控制器，当物理总开关打开后先对ARM微控制器上电，即启动ARM微控制器；

接着，选择ARM微控制器与终端机的通信方式为Wi-Fi或USB；

终端机与ARM微控制器连接，连接成功后，软硬件均处于默认状态，若是连接不成功或者通信方式选择不正确，需重新打开物理总开关；

终端机与ARM微控制器连接成功后，ARM微控制器开始配置FPGA器件，与其进行握手通信，即ARM微控制器发送一个8bit数据0x0C至FPGA器件并随后进入到等待反馈握手信号的循环中，当FPGA器件接收数据后立刻反馈数据0x0D，从而使ARM微控制器跳出等待的循环并进入到随后的初始化代码中；

如果ARM微控制器在设定的时间内无法等待到握手信号，则重新使能FPGA器件供电实现FPGA器件的供电重启，之后循环这个过程。

本发明中所述无线虚拟示波器涉及到的软件是借助Microsoft Visual Studio集成开发环境，利用面向对象编程的C#语言设计实现的终端机界面显示，该软件可以实现底层硬件采集系统采集到的数据的处理、显示与分析等功能；同时向底层硬件下发各硬件控制指令以及状态控制，主要控制体现在时基档位选择，通道的开启关闭，任意波的使用与否，采样模式的选择(扫描模式、峰值检测)等。FPGA器件为接收软件控制命令而设置的部分寄存器如下表1。

表1 FPGA器件中部分功耗控制寄存器说明

无线虚拟示波器开启后，可对其部分功能模块进行功耗动态管理，当终端机上软件界面各功能模块的工作状态(电源通/断)改变时，整个系统依次会经过ARM微控制器，FPGA器件完成对底层硬件的开启关闭控制或者改变其工作状态。

本发明所述无线虚拟示波器控制各功能模块(DAC器件、信号调理通道、触发通道、ADC器件、FPGA器件)电源开断的步骤如下：

步骤一：终端机的软件界面更改工作状态，重新生成控制指令；

步骤二：控制指令通过Wi-Fi或USB的通讯方式从终端机传递至嵌入式Wi-Fi模块；

步骤三：嵌入式Wi-Fi模块通过自义定的双向总线，根据控制指令的地址，将每一条指令发送到FPGA器件中对应的寄存器中；

步骤四：各功能模块或器件实时响应FPGA器件对应寄存器中的电平变化，从而实现工作状态的切换。

本发明依据各耗电模块或单元硬件功能的不同，系统中需要使用到功耗动态管理技术的部分有：ADC器件、FPGA器件、信号调理通道和触发通道、DAC器件，其中信号调理通道和触发通道合称为模拟通道。无线虚拟示波器硬件功能划分以及相关低功耗控制操作见下表2所示。

表2硬件功能划分及相关低功耗控制操作

ADC器件作为底层硬件采集系统的重要组成，其在整机系统功耗中占有较大比例，可从ADC器件的采样频率和工作时间的控制入手来实现ADC的功耗管理。

一般情况下，当FPGA器件中的缓存单元FIFO中的数据存满时，主控单元就会根据满标志有效信号发送读数据命令读走FIFO中的所有数据，而后送到终端机进行处理显示，这即意味着在FIFO存满之后到FIFO写使能再次有效的这段时间ADC器件采样得来的数据都无法存入到FIFO中，只能被丢弃。这表明ADC器件在进行无效采样，该段时间的功率损耗都是无用的。

本发明中FPGA器件中单个缓存单元FIFO所占大小为4k，位宽为8bit，当满标志有效时，主控单元以60MHz的工作时钟频率取走数据，所需时间大约为：(4k*8bit*4)/(60MHz*8bit)≈267us；对于单片ADC器件工作而言，采集到的数据是交替写入到两个4k*8bit的FIFO中，而两片ADC器件工作互不影响，因此数据存满四个FIFO的时间和存满单个FIFO所需时间相同，均为：(4k*8bit)/(100MHz*8bit)＝40us。很显然ADC器件无效工作时间在整个数据采集处理流程中所占比重较大。

系统选用的ADC器件(型号MXT2088)通过配置S1，S2引脚电平可进行工作模式选择，其中待机模式的最大功耗只有11mW，因此采用如下手段减少ADC器件无效工作时长：在单个数据采集周期内，正常采样至数据写满FIFO，当FIFO满标志有效时，使能S1，S2引脚为低电平，让ADC器件进入待机模式，然后当FIFO中的数据被读空时，此时FIFO空标志有效重新配置S1，S2引脚电平使其再次进入正常采样模式。这种减少ADC器件功耗损失的办法是相当可观的。

ADC器件的功耗还与它的采样频率有紧密联系，MXT2088在100MSPS工作条件下，它的功耗仅为90mW，而系统在很多慢时基档位下不需要太高的实时采样率以减少FPGA数据抽点处理量，对此系统针对不同时基档位下采用不同的采样频率。设计中将产生采样时钟的DCM单元添加使能控制，根据时基档位的选择控制输出ADC采样所需的单路或双路采样时钟。具体的执行方案是将ADC的实时采样频率划分成两个档位，慢速档(5us/div～10s/div)设置采样频率为100MSPS，快速档(5ns/div～2us/div)设置为200MSPS采样频率。

FPGA器件的功耗构成可大致分为静态功耗和动态功耗，静态功耗由芯片工艺决定，而动态功耗在XPower功耗分析过程中的估算方法是：

1.计算每个设计单元的功耗；

2.累加各个设计单元的功耗。

电路高低电平的翻转过程会对电容充电，这是动态功耗的主要来源，而其中时钟资源本身就具有很高的翻转率，因此设计中可从时钟资源入手减少FPGA器件动态功耗。

系统结合FPGA器件运行速度和功率损耗的需求，在尽量少使用全局时钟资源的前提下，采用门控时钟方法实现时钟管理，即对于不处于工作状态的模块，停止其时钟输入。

如图4所示为门控时钟管理电路的结构原理图，Clock Mux模块可实现FPGA模块所需的多个时钟源网络之间的切换，Latch模块实现门控时钟电路，这样设计人员可以通过动态地控制指定时钟网络的关断，使得相应模块的逻辑单元停止翻转，从而实现FPGA器件动态功耗降低的目标。

通过无线虚拟示波器的不同工作状态来开启或关闭各功能模块供电，这种做法能够较为明显地延长系统的续航时间。本发明依据工作状态所实现的功耗控制如下：

(1)信号调理通道不使用时迅速断开供电，并且拉低DCM时钟产生使能控制，不让其对应的ADC器件双路采样时钟输出；当两个信号调理通道都不使用时，整个模拟通道都关闭，包括触发通道。

(2)扫描模式下，关闭整个触发通道；扫描模式不同于实时采样，它对于FIFO的数据读写控制是边读边写，因此不需要产生触发，此时关闭触发通道的供电电源是很有必要的。

(3)DAC器件不使用时，关闭其供电电源；软件界面中对此项功能的设计只提供单个选择控件，当用户勾选时，先通过ARM微控制器向FPGA器件发送电源开启信号，再通过任务命令解析向FPGA器件发送初始化和波形合成指令。

(4)无线虚拟示波器上电工作过程。ARM微控制器在物理总开关打开后，电源模块会立即产生ARM微控制器和通道所需电压，但只有ARM微控制器会立即被供电，以便终端设备可以识别Wi-Fi热点或USB驱动；此时打开终端机上软件交互界面，只有Wi-Fi或USB连接成功后，ARM微控制器才会先使能打开FPGA器件的三路电源，而后发送配置命令。最终根据软件工作状态选择实现整机系统控制；分梯次逐级供电配置可以减少无必要的电路损耗。

本系统设计中，ARM微控制器负责接收终端机的指令并解析下发给FPGA器件，与其共同控制各模块的启动与静默。因此每个模块都有独立的供电使能控制，实现各模块的控制使能方式如表3所示：

表3各模块的控制使能方式

以晶体管控制电路的设计为例，其电路原理图如图5所示。

由图可知，2.5V_S6表示LM26480输出的FPGA辅助电压，若该输出为2.5V，则三极管Q35的V_be>0.7V，9013导通，使得三极管Q34基极为低电位，Q34不满足导通条件，此时3.0V_ADC_EN2输出的电压值在5V左右。由此芯片的LDO电路使能满足高电平有效产生ADC所需的3.0V供电。

本发明中为达到数据高速通信的同时又减少主控单元接口资源使用的目的，还创造了一种独有的通讯传输方式。FPGA和ARM的交互方式定义数据线与地址线进行复用，其中数据/地址总线共用8个GPIO，控制总线使用两个GPIO，ARM读取FIFO满标志使用1个GPIO，共占用主控单元11个GPIO接口，这种交互方式同时也达到了系统板级设计紧凑布局及小型化的需求，如图3为FPGA与ARM控制器引脚连接情况。对FPGA来说，复用的地址/数据总线主要完成地址的输入以及数据的双向传输；控制总线为单向传输，由ARM对FPGA的读写使能控制线组成，它们共同决定了数据传输的方向以及数据内容。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种无线虚拟示波器，其特征在于，包括物理总开关、电源模块、DAC器件、ADC器件、模拟通道、终端机、低通滤波器、FPGA器件以及嵌入式Wi-Fi模块，所述模拟通道包括信号调理通道以及触发通道，所述电源模块设置有锂电池；

所述嵌入式Wi-Fi模块中设置有ARM微控制器，所述ARM微控制器与所述嵌入式Wi-Fi模块的Wi-Fi芯片通信连接，所述ARM微控制器与所述FPGA器件使用GPIO接口，通过自义定的通讯协议进行数据传输；

所述终端机具有Wi-Fi通信功能和USB通信功能，其与所述Wi-Fi芯片无线通信连接，或通过USBOTG接口与所述ARM微控制器有线通信连接。

2.根据权利要求1所述的无线虚拟示波器，其特征在于，所述终端机为PC机或者采用安卓操作系统的手机，用户通过切换点触开关选择所述嵌入式Wi-Fi模块与所述终端机的通信方式为Wi-Fi通信方式或USB通信方式。

3.根据权利要求1所述的无线虚拟示波器功耗动态管理方法，其特征在于，所述USBOTG接口的下级侧同时与所述电源模块的充电侧以及所述ARM微控制器电源连接。

4.一种权利要求1至3任意一项所述无线虚拟示波器的功耗动态管理方法，其特征在于，

当所述DAC器件不使用时，切断其电源输入；

当所述信号调理通道不使用时，切断其电源输入；

当所述触发通道不使用时，切断其电源输入；

当所述ADC器件进入无效采样过程时，控制其停止采样，进入待机模式；

将所述无线虚拟示波器的时基档位划分为慢时基档位和快时基档位，当所述无线虚拟示波器的时基档位处于慢时基档位时，控制所述ADC器件的实时采样频率保持在100MSPS，当所述无线虚拟示波器的时基档位处于快时基档位时，控制所述ADC器件的实时采样频率保持在200MSPS；

在所述FPGA器件内部，利用门控时钟方法，停止向暂不使用的模块输入时钟源。

5.根据权利要求4所述无线虚拟示波器的功耗动态管理方法，其特征在于，当所述物理总开关打开后，所述ARM微控制器立即获得供电；当确定所述终端机与所述ARM微控制器之间的通信连接方式后，所述FPGA器件获得供电。

6.根据权利要求4所述无线虚拟示波器的功耗动态管理方法，其特征在于，所述慢时基档位为5us/div～10s/div，所述快时基档位为5ns/div～2us/div。