基于WIFI技术的远程示波器实验设备研制

万云霞, 千承辉, 魏庆丽, 高 乐, 凌振宝

(吉林大学 仪器科学与电气工程学院, 长春 130026)

0 引 言

示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器[1], 它能将抽象的电信号变化过程转换成荧光屏上可直接观察的波形, 从而帮助人们对电信号进行分析并测量其参数[2]。一直以来, 示波器作为主要的电子测量仪器在电子类专业实践教学中发挥重要的作用[3]。吉林大学测控技术与仪器专业培养方案中, 专业课程《电子测量原理》、 《智能仪器》的理论与实验教学中, 均将示波器的使用与设计作为重点讲授内容。目前本科生实践教学中使用的通用示波器存在以下几个主要问题： 1) 示波器功能指标无法根据需要灵活设定, 型号一旦确定, 技术指标及参数即确定； 2) 测量结果只能现场观察, 无法实现远程监测, 在空间上不灵活； 3) 测量通道少, 扩展升级存在困难。虽然国内外知名的仪器研发企业开发出了多款功能强大的示波器(虚拟示波器、 无线示波器等)[4], 但受经费条件限制, 目前很少应用于各高校的本科生实践教学中。在充分调研了示波器的发展现状及各高校本科实践教学对示波器性能需求的前提下, 笔者研制了一种基于WIFI技术的无线示波器设备。该示波器设计理念是为实践教学服务, 其技术指标在硬件设备允许的前提下, 可根据测试要求灵活改变, 不必频繁更换测试设备； 并利用Labview开发了配套的客户端软件, 实现一套硬件系统同时对应多个远程客户端, 以及同一测量结果的多界面观察； 同时, 采用WIFI技术实现采集系统与客户端的无线数据传输, 使被测点与观测系统在空间上的相对位置更为自由。该实验设备的开发在一定程度上满足了仪器类专业实验教学与实践课程的特殊要求, 也为高校自主研发实验教学仪器提供了参考思路。

1 总体设计

整个系统分为采集系统设计(硬件电路及相应的程序编写)、 上位机界面设计(Labview图形化界面)及无线通信协议的编写。采集系统主要是对信号进行采集调理及处理, 上位机界面主要是对采集信号进行波形显示及参数的计算显示等, 无线通信模块主要完成采集系统与上位机界面的控制参数及数据传输。系统总体设计思路如图1所示。

图1 系统总体设计方案Fig.1 The system design scheme

为满足实验教学的特殊需求, 系统可工作在两种模式下, 分别如图2和图3所示。模式1为测量模式, 主要用于实践项目及实验课程的信号测量。节点1和节点2分别放置在不同的空间位置(为保证传输速度和传输准确性, 两个节点的距离不超过10 m), 在PC上位机软件的主机界面设置不同的IP地址访问不同的采集节点, 实现不同节点的自由切换, 方便观测处于不同位置的测量结果。模式2为教学演示模式, 主要用于实践教学过程中的远程演示。应用时, 在不同的PC机上安装上位机软件客户端, 并选择采集节点的IP, 以便于访问该采集系统, 在不同的客户端观测需要演示的测量结果。

图2 系统工作模式1 图3 系统工作模式2 Fig.2 The system operating mode 1 Fig.3 The system operating mode 2

2 采集系统设计

采集系统主要由信号调理模块、 A/D转换模块、 信号处理模块(主控制器)、 无线传输模块和电源模块组成。其中信号调理模块主要包括阻抗匹配和电压变换电路, 当中频信号输出端的高频信号接入数据采集卡时, 需要考虑线路的传输线效应, 在中频信号接入采样ADC(Analog-to-Digital Convertor)前需要进行阻抗匹配和信号缓冲[5]。A/D转换模块主要是将采集到的模拟信号转换成数字信号, 便于信号调理。信号处理模块(主控制器)采用FPGA(Field Programmable Gata Array)以满足系统高速并行数据采集的要求。电源模块主要用于提供各模块工作时所需的电源。

2.1 信号调理模块

信号调理模块主要包括阻抗匹配电路和电压变换电路, 用于对模数转换电路进行驱动。当中频信号经过放大器后单端电压输出, 其输出阻抗为50 Ω, 输出电压范围0～5 V。由于模数转换芯片采用AD9226, 其输入电压范围配置为1～2 V, 需要将放大器输出端的0～5 V电压衰减到1～3 V才能进行模数转换[6]。在衰减电路中, 采用运算放大器AD8065。为满足采集电压范围的要求, 衰减电路输入Vin和输出Vout的关系为

Vout=Vin/2.5+1

(1)

图4 ADC驱动电路原理图Fig.4 Driving circuit schematic diagram of ADC

AD8065输入电压为5～24 V, 支持单电源供电, 带宽可达到145 MHz, 差分增益误差为0.02%, 相位误差为0.02°[7]。如图4所示为模数转换模块的驱动电路原理图。信号通过SMA接口接入驱动电路, 经过变换后的信号为单端信号AD1IN+, 接入ADC电路的测量端。双运算放大器芯片TL072实现对2 V基准电压的衰减和反向, 其中2 V基准电压由AD9226内部基准电压源提供, 接到VREF管脚。

2.2 A/D转换模块

模数转换器选用ADI公司的AD9226芯片。该芯片是一款单通道12位模数转换器, 采用多级差分流水线构架, 数据采样率最高可达65 MHz, 满足系统要求。采用单电源供电方式, 内置一个高性能采样保持放大器和一个基准电压源。设计时采用两片AD9226实现双通道高速数据采集。图5为AD9226时序图。由时序图可知, 无需对AD9226芯片进行软件配置, 只需提供时钟CLOCK, 即可进行数据采集。

图5 AD9226时序图Fig.5 The sequence chart of AD9226

经测试, 当AD9226配置为有符号数输出时, 数据输出如表1所示。

表1 AD9226有符号数模式下输出格式

为保证电压过零点附近数据稳定, AD9226配置为无符号数输出格式。

AD9226支持全差分输入和单端输入, 系统设计中选择单端输入模式。基准电压源选择使用芯片内部基准电压, VREF管脚为基准电压输出端口, 提供1 V和2 V可选基准电压, 该基准电压可以通过SENSE管脚进行选择, 在设计电路时当SENSE引脚接GND时, 芯片向外提供2 V基准电压； 当SENSE引脚接VREF时, 芯片向外提供1 V基准电压。本设计中选择2 V基准电压。AD9226电路工作原理图如图6所示。

图6 AD9226工作原理图Fig.6 The electric schematic diagram of AD9226

2.3 信号处理模块

根据系统高速并行数据采集的要求, 选用FPGA作为控制器, 用于信号采集与处理。设计中选用Altera公司Cyclone IV系列芯片EP4CE6F17C8N[8]作为主控制器, 该系列芯片基于低功耗FPGA构架, 用户可用I/O最多可达179个, 集成嵌入式存储器和乘法器, 支持Nios II嵌入式处理器。外围电路主要包括电源电路, 配置电路, 晶振电路和接口电路4部分。

1) 电源电路。所选FPGA内核与锁相环模拟供电端共享1.2 V供电电压, 锁相环数字供电端需要2.5 V供电电压, I/O端口电压均选择3.3 V。FPGA供电电压均由低压差稳压芯片AMS1117产生, 满足低功耗要求。

2) 配置电路。FPGA是掉电易失性器件, 因此每次上电后FPGA需要重新进行配置。该设计选用16 Mbit的串行Flash芯片EPCS16作为其配置芯片, 同时作为系统的外部程序存储器, 可节省大量的外扩IO口[9]。该芯片可以在AS模式下下载.pof文件, 也可以在JTAG模式下下载.jic文件, 具有很好的硬件兼容性[10]。

3) 时钟电路。图7为给系统提供时钟源的50 MHz有源晶振电路, 利用该频率时钟可以直接驱动FPGA内部用户逻辑电路。同时, 系统还需要使用其他频率的时钟, 例如千兆以太网的工作时钟为125 MHz, 在设计过程中使用锁相环倍频, 经过倍频配置后得到250 MHz、 125 MHz、 62.5 MHz时钟, 共同作用于采集传输系统。

4) 接口电路。JTAG接口电路如图8所示, 作用是将编译好的程序下载到FPGA中或把配置文件下载到配置芯片中。sof文件下载到FPGA后, 掉电后会丢失, 需要上电重新下载。固化到配置芯片中的JIC文件, 掉电后不会丢失, 重新上电后FPGA会读取配置芯片中的配置文件并运行。

图7 晶振电路原理图 图8 JTAG接口电路原理图 Fig.7 The circuit diagram of crystal oscillator Fig.8 The circuit diagram of JTAG interface

2.4 电源模块

系统正常工作需要多路电源, 并且对各部分电路供电顺序有严格要求, 所以需要设计合理的电源控制电路。系统内供电电源要求如表2所示。

表2 系统内主要器件电源要求

对于功率放大器1, 选用外部12 V/4 A适配器提供所需电流和电压, 通过继电器控制功率放大器1电源的通断。对于其他电源, 供电电流均小于0.5 A, 选用DC/DC电源芯片MP2359。MP2359能向外部负载提供最大1.2 A的导通电流, 方便控制开断, 通过4号引脚EN的电平高低选择芯片是否输出。当4号引脚EN为高电平(>1.2 V)时, 芯片正常工作; 当4号引脚EN为低电平(<0.4 V)时, 芯片处于关闭状态, 不输出电流。并且当EN=2 V时, 输入电流只有2.1 μA, 可以用FPGA引脚直接驱动。如图9所示, 输出电压由电阻R43和R44决定。

(2)

所以, 当图9中R43=49.9 kΩ,R44=4.53 kΩ时, 输出电压为5 V。

图9 电源控制原理图Fig.9 The power control schematic

3 上位机软件设计

基于LabVIEW设计了上位机显示操作界面(见图10)。上位机和数据采集卡之间通过WIFI进行通信, 完成参数和数据传输[11]。在系统工作前需要对IP地址进行设置, 即数据采集卡的IP地址[12], 设置完成后输入通信端口(8899)。操作界面可完成采集通道、 采样速率等参数设置, 实时显示数据波形, 并可实现采集数据的最大值、 最小值、 峰峰值、 平均值的计算和显示, 具有频谱分析功能。

图10 上位机测试控制界面Fig.10 Host computer test control interface

图10中的通道2和通道3采集信号来自于固纬AFG-2225信号发生器, 两通道信号的频率分别为30 kHz和20 kHz, 峰峰值为3 V。利用笔者设计的示波器采集到的信号波形无失真现象, 分辨出的信号频率分别为30.01 kHz和19.92 kHz, 其相对误差分别为0.03%和0.4%； 分辨出的信号峰峰值分别为3.086 V和2.988 V, 其相对误差分别为2.8%和0.4%。其号频率和峰峰值分辨效果完全满足实验教学要求。另外, 通过测试得出结论： 当信号频率低于700 kHz时, 该示波器可以无失真地将波形还原； 当信号频率低于2 MHz时, 波形出现失真, 但仍可以准确地测试出信号的频率和峰峰值。

4 系统性能测试

4.1 采样率测试

SignalTap Ⅱ实测的电压测试数据如图11所示。AD9226采样时钟为10 MHz, 1通道输入信号为正弦波, 频率为1 MHz； 2通道输入信号为方波, 频率为1 MHz。两个数据采样通道可以同时达到1 MHz采样速率, 满足设计要求。

上位机数据接收与测试界面如图12所示, 测试信号频率为100 Hz。以WIFI形式通信, 可显示信号的基本时域特性, 并且实现频谱分析。

图11 分辨率测试结果 图12 上位机接收信号测试 Fig.11 The resolution test results Fig.12 The signal reception test of Host computer

4.2 电压精度测试

测试时采用Textronix AFG 3102信号发生器作为标定仪器, 通过实测验证, 当信号发生器输出直流电压信号时, 数据采集卡测量精度可达到1 mV, 满足设计要求。

4.3 千兆以太网通信测试

该系统工作时, 采集数据经FPGA处理后通过千兆以太网发送到局域网内[13]。当PC端检测到网络上有数据传输时, 会接收相应数据。对网络链路部分的模块测试采用抓包方式, 用网络调试助手抓取以太网传输数据包, 不仅能实时显示网络传输速率, 还能对其版本、 首部长度、 区分服务、 总长度、 标识、 标志、 片偏移等固定部分进行检查, 针对系统运行情况做适当调试, 以保证传输链路通畅。

系统采用基于以太网UDP(User Datagram Protocol)传输协议[14], 在传输的速率上, 比TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol)协议速率快, 但可靠性不如TCP/IP。设计中借鉴TCP高稳定性的思想[15], TCP协议3次握手保证连接可靠性, 可以借鉴到UDP协议的设计中, 通过后续的处理将UDP包传输的不可靠性有效降低, 形成较为可靠的高速率连接。

图13 网络适配器管理界面Fig.13 The management interface of network adapter

图13为根据捕捉到的网卡数据包分析结果, 可以观测到链路通畅, 协议正确, 采集板部分能稳定持续发送, PC端应答正常, 图13中显示WLAN网卡的瞬时传输速率为104.513 Mbit/s。由图13可知, 传输速率平均维持在80 Mbit/s, 速度最高可达100 Mbit/s。

5 结 语

在充分调研了仪器类专业实践课对示波器性能指标要求的基础上, 设计了基于WIFI技术的远程虚拟示波器。该设备的技术参数可通过更换硬件结构中的A/D转换元件进行升级, 其功能扩展可通过Labview可视化编程环境进行设置, 改进、 升级灵活。该示波器不仅仅是一套实践课程的仪器设备, 对于电子仪器专业的学生, 在使用与改进的过程中也是仪器设计的一项专业技能培养。其相关设计思路对于高校自主研发实验设备具有借鉴作用, 对于引导本专业学生认识、 改造、 设计仪器、 提升专业水平具有积极作用。