CN111752202A

CN111752202A - 一种基于fpga和arm的多功能信号处理平台

Info

Publication number: CN111752202A
Application number: CN202010677329.7A
Authority: CN
Inventors: 宋梦欣; 瞿祝; 刘一清
Original assignee: East China Normal University
Current assignee: East China Normal University
Priority date: 2020-07-14
Filing date: 2020-07-14
Publication date: 2020-10-09

Abstract

本发明公开了一种基于FPGA和ARM的多功能信号处理平台，包括以FPGA和单片机为构架的核心板、通信实验模块、信号采集与处理模块、用电器检测模块为可插拔的外设模块，可实现通信、放大器、电源类科创实验。本发明采用以FPGA和单片机为构架的核心板，可灵活配置外设，实现对模拟电路、FPGA和单片机的训练，满足电子信息类大学生科创训练的基本需求。本发明采用电容触摸屏作为本地交互界面，也可通过WIFI与PC端连接，实现显示和按键控制。本发明采用多个可插拔实验模块，善用继电器实现硬件上的可调设计，灵活性高、体积灵巧、发挥实验者的创造性。

Description

一种基于FPGA和ARM的多功能信号处理平台

技术领域

本发明涉及电子技术，用于电子信息类专业的FPGA、ARM和硬件课程实验。

背景技术

在某种情形下，电子信息专业这类学生无法进入实验室，对于电子信息等专业的大学生来说，没有实验室各类仪器如示波器、信号源、学生电源和硬件平台的支持，科创训练和电子实验课程无法正常进行。一方面，由于实验室常用仪器具有价格昂贵、体积笨重、不可颠簸的缺点，学校不可能为每位学生配备齐全的实验设备，使得大学生的科创训练受到了很大的阻碍；另一方面，即使在仪器完备的情况下，缺少合适的硬件实验平台，也会大大限制学生们训练的全面性。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于FPGA和ARM的多功能信号处理平台，将通信类实验、信号处理类实验和电源类实验进行整合，让电子类专业学生摆脱实验器械和实验课程的限制，进行全面的科创基础训练。

实现本发明目的的具体技术方案是：

一种基于FPGA和ARM的多功能信号处理平台，特点是该平台包括：核心板、信号采集模块、信号处理模块、通信实验模块、DDS模块、用电器检测实验模块及电源模块；所述核心板分别与信号采集模块、DDS模块和用电器检测实验模块连接；

所述信号采集模块分别与核心板及信号处理模块连接；

所述信号处理模块分别与信号采集模块及通信实验模块连接；

所述通信实验模块分别与信号处理模块及DDS模块连接；

所述DDS模块分别与核心板及通信实验模块连接；

所述用电器检测实验模块与核心板连接；

所述电源模块分别连接核心板、信号采集模块、信号处理模块、通信实验模块、DDS模块及用电器检测实验模块。

所述核心板由可编程器件FPGA、ARM单片机、DDR3模块、WIFI模块和LCD显示屏构成，可编程器件FPGA分别与ARM单片机、DDR3模块和LCD显示屏相连；ARM单片机分别与可编程器件FPGA、WIFI模块和LCD显示屏相连；DDR3模块与可编程器件FPGA相连；WIFI模块与ARM单片机相连；LCD显示屏分别与可编程器件和ARM单片机相连。

所述信号采集模块由模数转换电路和数模转换电路构成，模数转换电路与信号处理模块相连，数模转换电路与核心板相连。

所述信号处理模块由挡位切换增益控制电路、输入隔直阻抗匹配电路及补偿放大输出匹配电路构成，挡位切换增益控制电路与输入隔直阻抗匹配电路相连，输入隔直阻抗匹配电路与补偿放大输出匹配电路相连。

所述通信实验模块由低噪声放大电路、自动增益控制电路、混频器电路、中频段放大电路以及峰值包络检波电路构成，低噪声放大电路与自动增益控制电路相连，自动增益控制电路与混频器电路相连，混频器电路与中频段放大电路相连，中频段放大电路与峰值包络检波电路相连。

所述用电器检测实验模块由电压电流感应电路和高压接口构成，电压电流感应电路与核心板相连。

本发明的有益效果

脱离复杂的各类实验仪器，仅使用该实验平台能完成包括电源，信号发生器，示波器这几类仪器的功能，使得使用者不需要进入实验室就能随时随地进行实验。采用插拔式设计，灵活便利，通过插入配套的模块可以完成包括用电器检测，信号处理以及通信实验这三类电子类基础实验，实验模块设置有多个测试口，使用者可以跟踪实验信号，对实验有全面完整的掌握。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为核心板结构示意图；

图3为信号处理模块结构示意图；

图4 为通信实验模块结构示意图；

图5 为本发明各模块连接示意图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作详细描述。

参阅图1、图5，本发明由核心板1、信号采集模块2，信号处理模块3，通信实验模块4，DDS模块5，用电器检测实验模块6连接而成。所述用电器检测实验模块6与DDS模块5与核心板1中的ARM单片机12连接；所述信号采集模块2与核心板1中的可编程器件 FPGA 11连接；所述ARM单片机12采用STM32F767单片机；所述可编程器件 FPGA 11采用ARTIX-7 FPGA。

参阅图2、图5，所述核心板1由ARTIX-7 FPGA 11、STM32F767ARM单片机12、DDR3模块13、WIFI模块14和LCD显示屏15构成。ARTIX-7 FPGA 11分别与STM32F767单片机12、DDR3模块13、LCD显示屏15和信号采集模块的数模转换电路22相连；STM32F767单片机12分别与ARTIX-7 FPGA 11、WIFI模块14、LCD显示屏15、DDS模块5与用电器检测实验模块6中的电压电流感应电路61相连；DDR3模块13与ARTIX-7 FPGA 11相连；WIFI模块14与STM32F767单片机12相连；LCD显示屏15分别与ARTIX-7 FPGA 11及STM32F767单片机12相连。

参阅图3、图5，所述信号处理模块3主要由挡位切换增益控制电路31、输入隔直阻抗匹配电路32及补偿放大输出匹配电路33组成。所述挡位切换增益控制电路31与输入隔直阻抗匹配电路32相连，输入隔直阻抗匹配电路32与补偿放大输出匹配电路33相连，补偿放大输出匹配电路33与信号采集模块2中的模数转换电路21、通信实验模块4的低噪声放大器41相连。

参阅图4、图5，所述通信实验模块4由低噪声放大电路41，自动增益控制电路42，混频器电路43，中频段放大电路44以及峰值包络检波电路45构成。所述低噪声放大电路41与自动增益控制电路42相连。所述自动增益控制电路42分别与低噪声放大电路41和混频器电路43相连。所述混频器电路43分别与DDS模块5、自动增益控制电路42和中频段放大电路44相连。所述中频段放大电路44与峰值检波电路45相连。

参阅图5，所述用电器检测实验模块6由电压电流感应电路61与高压接口62组成。所述电压电流感应电路61与核心板1中的STM32F767单片机12相连。

本发明是这样工作的，采用STM32F767 单片机12进行用电器检测模块6的控制，以实现电源类实验，采用ARTIX-7 FPGA 11控制数模转换电路模块22进行信号的输出，经过信号处理类模块3进行输出信号的调理，调理完毕后可接入模数转换电路21中采样进行信号以及其各项参数的显示，以实现示波器功能，同时可以控制数模转换电路模块22通过调理信号使其满足通信类模块4的输入要求，以作为该实验的输入信号源，实现信号发生器的功能，并且以STM32F767单片机12对DDS模块5进行控制以输出通信类模块4中混频器电路43所需的下变频信号。本发明不使用任何一台实验仪器，但可以同时完成电源，信号发生器，示波器的功能。同时通过通信实验部分完成AM调制解调实验，可以使得使用者了解AM通信的流程以及各时刻信号的波形与参数。

实施例1

本实施例以通信类实验为例，使用核心板1，通信实验模块4以及DDS模块，采用插板的方式插入设计的系统中，核心板1中的STM32F767单片机12对DDS模块5进行控制以输出通信类模块4中混频器电路43所需的下变频信号，所需测量的AM调制信号输入低噪声放大器41进行信号放大，放大增益为两级26dB共52dB的增益，放大处理完后送入自动增益控制电路42进行可控制的幅度调整，幅度调整完的信号送入混频器电路43中，通过与DDS模块5产生的下变频信号互相混频获得下变频信号，下变频信号通过中频段放大器44进行信号放大，放大后的信号输入峰值检波电路45，检波电路通过使用检波二级管与RC电路进行峰值包络检波进行AM解调以获得所需的解调信号，最后输出解调信号。

实施例2

本实施例以信号处理类实验为例，使用核心板1，信号采集模块2，信号处理模块3，采用插拔的方式插入设计的系统中，核心板1中的ARTIX-7 FPGA 11控制数模转换电路模块22进行信号的输出，经过信号处理类模块3进行输出信号的调理，调理过程为经过挡位切换增益控制电路31控制输入衰减为1或者0.1倍，衰减后的信号输入隔直阻抗匹配电路32将带有交直流混合的输入信号进行信号交直流分离，对两者进行不同的处理，同时在输入端进行阻抗匹配。阻抗匹配完的信号输入补偿放大输出匹配电路33调整输入信号的幅值以满足后续模数转换电路（ADC）21采样的幅度限制、进行滤波以消除各类噪声对于信号的干扰以及与后续电路进行阻抗匹配。调理完毕后可接入模数转换电路21中采样进行信号以及其各项参数的显示，最终实现信号处理类实验从信号的产生，信号的处理调整到最终信号的接收显示这一整个流程。

实施例3

本实施例以用电器检测实验为例，使用核心板1，用电器检测实验模块6，采用插拔的方式插入设计的系统中。高压接口62连接外部用电器构成负载网络，电压电流感应电路61采用的是 CS5460 电能计量芯片，该芯片能够计算得到当前待测负载网络上的瞬时电压、瞬时电流、有效电压、有效电流、有功功率等电学参数，核心板1中的STM32F767单片机12可通过 SPI 通信协议读取这些参数并进行处理，完成用电器检测实验。

Claims

1.一种基于FPGA和ARM的多功能信号处理平台，其特征在于，该平台包括：核心板（1）、信号采集模块（2）、信号处理模块（3）、通信实验模块（4）、DDS模块（5）、用电器检测实验模块（6）及电源模块（7）；所述核心板（1）分别与信号采集模块（2）、DDS模块（5）和用电器检测实验模块（6）连接；

所述信号采集模块（2）分别与核心板（1）及信号处理模块（3）连接；

所述信号处理模块（3）分别与信号采集模块（2）及通信实验模块（4）连接；

所述通信实验模块（4）分别与信号处理模块（3）及DDS模块（5）连接；

所述DDS模块（5）分别与核心板（1）及通信实验模块（4）连接；

所述用电器检测实验模块（6）与核心板（1）连接；

所述电源模块（7）分别连接核心板（1）、信号采集模块（2）、信号处理模块（3）、通信实验模块（4）、DDS模块（5）及用电器检测实验模块（6）。

2.根据权利要求1所述的基于FPGA和ARM的多功能信号处理平台，其特征在于，所述核心板（1）由可编程器件FPGA（11）、ARM单片机（12）、DDR3模块（13）、WIFI模块（14）和LCD显示屏（15）构成，可编程器件FPGA（11）分别与ARM单片机（12）、DDR3模块（13）和LCD显示屏（15）相连；ARM单片机（12）分别与可编程器件FPGA（11）、WIFI模块（14）和LCD显示屏（15）相连；DDR3模块（13）与可编程器件FPGA（11）相连；WIFI模块（14）与ARM单片机（12）相连；LCD显示屏（15）分别与可编程器件（11）和ARM单片机（12）相连。

3.根据权利要求1所述的基于FPGA和ARM的多功能信号处理平台，所述信号采集模块（2）由模数转换电路（21）和数模转换电路（22）构成，模数转换电路（21）与信号处理模块（3）相连，数模转换电路（22）与核心板（1）相连。

4.根据权利要求1所述的基于FPGA和ARM的多功能信号处理平台，其特征在于，所述信号处理模块（3）由挡位切换增益控制电路（31）、输入隔直阻抗匹配电路（32）及补偿放大输出匹配电路（33）构成，挡位切换增益控制电路（31）与输入隔直阻抗匹配电路（32）相连，输入隔直阻抗匹配电路（32）与补偿放大输出匹配电路（33）相连。

5.根据权利要求1所述的基于FPGA和ARM的多功能信号处理平台，其特征在于，所述通信实验模块（4）由低噪声放大电路（41）、自动增益控制电路（42）、混频器电路（43）、中频段放大电路（44）以及峰值包络检波电路（45）构成，低噪声放大电路（41）与自动增益控制电路（42）相连，自动增益控制电路（42）与混频器电路（43）相连，混频器电路（43）与中频段放大电路（44）相连，中频段放大电路（44）与峰值包络检波电路（45）相连。

6.根据权利要求1所述的基于FPGA和ARM的多功能信号处理平台，其特征在于，所述用电器检测实验模块（6）由电压电流感应电路（61）和高压接口（62）构成，电压电流感应电路（61）与核心板（1）相连。