基于USB的多通道虚拟频谱分析仪

开发设计基于USB总线的虚拟频谱分析仪设计黄 娟1 于莉娜2 胡金海3 李英伟2 刘兴斌3(1.大庆油田公司采油一厂工程技术大队 黑龙江大庆) (2.燕山大学信息学院 河北秦皇岛)(3.大庆测试技术服务分公司生产测井研究所 黑龙江大庆)摘 要:文章详细介绍了基于USB总线的虚拟频谱分析仪的设计过程。

该仪器使用嵌入式混合处理器MC56F8323来实现动态信号的实时采集、频谱分析和数字滤波等功能。

处理结果由U SB2.0接口芯片CY7C68013上传至PC机,以完成数据显示、存储、绘制图形等功能。

其中,CY7C68013工作于Slave FIFO模式,以实现与MC56F8323间的数据传输。

该系统可同时对两路动态信号进行实时谱分析,每路采样频率高达500kHz。

关键词:频谱分析仪;USB总线;混合控制器;Salve FIFO模式中图法分类号:TN874+.2 文献标识码:B 文章编号:1004-9134(2006)06-0019-030 引 言USB(通用串行总线)是一种应用在计算机领域的新型接口技术[1],与传统串行口相比,具有传输速度快,支持即插即用和热插拔等优点。

MC56F8323被称为 合成处理器 [2、3],其含义是该器件采用了结合DSP与MCU功能的56800内核,它以16位代码密度实现了32位的性能,可以替代传统MC U在32位系统中应用。

本文旨在利用MC56F8323对外部模拟信号进行采集,并采用时域抽取基2FFT算法对其进行频谱分析,最后将运算结果通过USB总线传输给PC机,以完成数据显示、存储、绘制图形等功能。

本系统所使用的USB接口控制器为Cypress公司的EZ-USB FX2系列中的CY7C68013-56PVC芯片,它支持12Mb/s的全速传输和480Mb/s高速传输。

可使用4种USB传输方式,实现控制、中断、块和同步,完全适用于USB2.0,并向下兼容USB1.1。

1 硬件设计频谱分析仪硬件系统包括四个子功能模块:信号预处理模块、A/D采集模块、FFT运算模块、USB传输模块,组成框图如图1所示。

硕士学位论文基于USB的多通道同步动态信号分析仪论文作者：杨雪凯学位类别：工程硕士领域名称：电子与通信工程校内指导教师：胡辉教授校外指导教师：常寿兵高级工程师2021年04月09日北华航天工业学院硕士学位论文摘要随着现代测试技术的发展，在信号分析、地质勘探、故障检测等领域，动态信号分析仪的应用场景变得越来越多。

动态信号分析仪集信号产生、数据采集、数据分析和处理于一身，在时域、频域和幅值域上分析出被测物理量。

在动态信号分析设备出现之前，振动的微弱信号、声音信号等模拟信号的检测是非常困难的。

动态信号分析仪的出现让测试这些物理量的过程变得越来越简便。

论文通过介绍动态信号分析的研究背景和国内外的研究现状提出了本论文的研究目标。

根据研究内容介绍了总体设计方案。

信号采集与处理系统的软硬件设计，信号生成部分的软硬件设计，与上位机进行USB2.0通信部分的软硬件设计都是在以FPGA为主要的控制单元为核心，数据的计算和分析是在以STM32为主要的控制单元为核心。

论文首先介绍了整体的设计方案和两个大模块的设计方案，然后重点介绍了在这两个模块中所用到的核心技术和软件设计方案。

并通过测试完成了对系统功能与性能测试。

数据采集电路包含交直流耦合选择电路、信号调理电路、ADC数据采集电路。

在软件的实现上通过应用Verilog HDL硬件描述语言编写了数字滤波逻辑模块，数据缓存与处理逻辑模块。

实现对宽动态范围内信号的调理、采集、缓存和传输。

信号生成电路主要包含了高精度DAC模块。

在软件的实现上通过应用Verilog HDL硬件描述语言，数字旋转坐标计算机和伪随机序列生成原理实际高精度信号源的软硬件设计，实现了正弦、高斯白噪声等信号的波形输出。

电源系统则是根据动态信号分析仪对电源的低噪声、低功耗的要求，应用了DC-DC+LDO的技术方案，完成了对动态信号分析仪的供电。

通过设计实验，完成了对各模块和系统整体的测试，数据采集部分和信号生成部分均满足设计指标。

虚拟示波器频谱分析仪F-24U 结构及原理简介本期中介绍的USB 接口的数字存储示波器／频谱分析仪F-24U 是一种新型、微型化、便携式的虚拟仪器，集数字存储示波器(DSO)、频谱分析仪(SA)于一身，包含视频、音频信号范围，配备了强大的数字信号处理软件，可以用来测量各种类型电信号、PAL 视频信号、NTSC 视频信号、计算机数字信号、单片机时序、声音、脉博、地震波、心电、脑电、电话等，也可以应用于电脑、电视机、VCD／CD 机、音响等维修及各种工业测量场合。

F-24U 除常用的信号测量和频谱分析功能以外，还可以借用现成的工具处理数据的高级应用，如捕捉测量中感兴趣的数据、启动EXCEL 电子表格软件、导入包含通道数据的文本文件、生成图表等功能。

下面我们来探究一下F-24U 的内部结构和原理。

硬件设计FlashDSO XP USB 硬件原理框图如图1 所示，主要包括信号调理器、信号采集器、数据传输模块、时钟发生器、中央处理器模块、USB 通讯控制器等模块，本文重点介绍信号调理器、信号采集器和数据传输模块。

信号调理器信号调理器模块将外部信号转换成信号采集器的输入信号，原理图如图2 所示，包含耦合方式、程控衰减、阻抗变换、信号单极性变换等功能，程控衰减部分采用微型继电器控制，具有耐高压、无电阻及噪音干扰等优点。

图2 中OP1 高频放大器作为射极跟随器，提高输入阻抗，对ADC 模数转换器提供信号缓冲作用，OP2、OP3 组成加法器和反向器，输入Vout1 变换为Vout2 输出，Vout2=Vout1+Vref，当Vref=2.5V，-2.5V 信号采集器信号采集器将信号调理器输出的模拟信号通过ADC 高速模数转换器，转换成数字信号，同时将信号存入高速静态存储器中，原理图如图3 所示，U1 模数转换器将输。

基于USB总线的虚拟仪器设计洛桑旺堆（西北民族大学数学与计算机科学学院，兰州730000）：本文对虚拟仪器的概念和基本分类进行了论述，对基于USB总线的虚拟仪器设计进行了探讨，并从硬件系统设计及软件系统设计两个方面进行了详细分析。

关键词：USB总线；虚拟仪器；设计中图分类号：TP333.96文献标识码：A文章编号：1007-9599(2010)05-0000-01ofagainstUSBLuosangWangdui(NorthwestUniversityforNationalities,MathematicsandComputerScienceCollege,Lanzhou730000,China)Abstract:Thepaperelaboratedontheconceptionandtypeofinstrument,andprobedintotheofbasedonU SB,andgivenadetaildiscussionontheconstructionofthehardwareandtechniquesofthesoftware.Keywords:USB;Virtual;Instrument;Design一、虚拟仪器概述虚拟仪器是基于计算机的信号测量技术，最早由美国国家仪器公司提出。

1986年，NI公司提出“软件即仪器”的口号，打破了传统仪器的设计思想[1]。

与传统仪器相比，虚拟仪器在各个方面都具有明显的技术优势。

根据采用的总线标准，虚拟仪器可分为PCI总线式虚拟仪器、VXI总线式虚拟仪器、PXI总线式虚拟仪器等。

自USB2.0总线协议推出后，USB2.0总线就以其便携、快速、即插即用等优点得到了迅速的推广应用，将USB总线技术与虚拟仪器的设计相结合得到了众多仪器开发商的广泛关注。

二、USB总线式虚拟仪器系统的主要设计概述USB就是通用串行总线，以其方便、快捷、传输速率高等优势受到广大计算机用户的青睐，并得到迅速的推广应用。

0 引言虚拟仪器（Virtual Instrument,简称VI）是计算机技术和仪器测量技术相结合而产生的一种新型仪器。

与传统意义上功能固定的仪器不同，用户可以根据自身需求，灵活地对虚拟仪器进行设计、维护和修改。

和传统仪器相比，虚拟仪器功能更强、用途更广、操作更简单、体积更小、可扩充性更好[1]。

频谱分析是信号处理中一种重要的分析手段，而频谱分析仪也是工程师和高校老师常用的一种测量仪器。

传统的频谱分析仪体积庞大，价格昂贵。

本文以美国NI 公司LabVIEW 8.5为开发平台，用软件来实现信号的处理及频谱分析，实现了多功能虚拟频谱分析仪的设计，成本低廉，使用方便。

并采用NI 公司USB-6008作为数据采集卡，接入实际信号，通过实验验证了其可行性和有效性。

1 基本原理1.1 虚拟仪器概述虚拟仪器是基于计算机平台，利用软件设计友好的仪器面板，并进行信号的分析和处理，从而完成传统仪器的各种功能。

它充分体现了“软件就是仪器”的理念。

虚拟仪器彻底打破了传统仪器功能、性能、界面不可改变的性质，完全根据需要自定义设计，相当于一套为用户专门定制的仪器。

LabVIEW 软件提出了图形化编程的概念，它使用“所见即所得”的可视化技术建立人机界面，使用图标表示功能模块，使用连线表示各模块之间的数据传递。

用LabVIEW 开发的应用程序称为VI，它由前面板和程序框图构成。

前面板是人机交互的窗口，程序框图是VI 的代码，是设计的关键部分[2]。

1.2 频谱分析仪原理经典的信号处理技术包括时域分析和频域分析。

时域分析是指研究信号的波形随时间变化的规律，频域分析是指在频域上对信号进行处理、分析和显示。

早期的频谱分析仪是将一组滤波器连在一起，每个滤波器都是一个调谐到不同中心频率上的带通滤波器，滤波器的输出与检波器相连，将交流信号变为仪表显示的直流电平。

随着电子技术的发展，扫频外差式频谱仪逐渐占据主导。

随着数字信号处理理论和计算机技术的发展，出现了以傅立叶变换为基础的现代频谱分析仪。

2011年第12期仪表技术与传感器InstrumentTechniqueandSensor 2011No.12收稿日期:2011－03－11收修改稿日期:2011－09－01基于USB 的多通道虚拟频谱分析仪张俊涛，张弛(陕西科技大学，陕西西安710021)摘要:介绍一种基于USB 技术的多通道虚拟频谱分析仪的设计。

系统以FPGA 为主控芯片，采用多通道A /D 转换器进行数据采集，USB 接口高速传输，LabVIEW 编程来实现频谱分析功能。

与传统频谱分析仪相比，具有性能稳定、开发成本低、便于重构等优点。

系统支持多通道信号同步采样，可完成三相电压监测，功率谱分析等功能。

关键词:多通道;频谱分析;LabVIEW ;FPGA ;USB 中图分类号:TM935．21文献标识码:A文章编号:1002－1841(2011)12－0018－03Multi-channel Virtual Spectrum Analyzer Based on USBZHANG Jun-Tao ，ZHANG Chi(Shaanxi University of Science and Technology ，Xi ’an 710021，China )Abstract :Design of multi-channel virtual spectrum analyzer based on USB technology was introduced．FPGA is used as the main controller ，USB interface was used for transmission and LabVIEW performances the spectrum analyzer＇s function．Compared with previous spectrum analyzers ，there are some advantages in virtual spectrum analyzer ，such as more stable and powerful ，lower cost and more convenient．Besides ，this spectrum analyzer supports multi-channel signal acquisition ，it can simultaneously acquires six signal ，and can complete three-phase voltages ，power spectrum in multi-channel signal system collection and spectral analysis．Key words :multi-channel ;spectral analyze ;LabVIEW ;FPGA ;USB 0引言频谱分析仪作为信号分析领域中应用广泛的测试仪器，其主要功能是测量信号的幅度/频率响应，可以完成频谱分析、失真测量、衰减测量、电子组件增益测量等，是从事电子产品研发、生产、检验的重要工具。

基于USB的并行多通道频率测试仪的设计李丹丹[1] 胡兵[2]（西华大学电气信息学院信息工程系 成都 610039)摘要：本文提出了基于USB的并行多通道频率测试仪的设计方案。

详细描述了利用FPGA完成的频率综合测量法的设计，该方法的应用实现了并行多通道的同时测量，设计中应用了24位计数器，极大的拓展了测频范围。

该频率测试仪可完成不同工况如稳态监测更重要的是过渡过程时的多路频率信号的同时测量。

最后通过相应时序仿真验证了该设计。

关键词：频率测试，FPGA，过渡过程，USB中图分类号：TP274 文献标识码：BDesign of Parallel Multi-channel Frequency Instrument Based on USBLi Dandan[1] Hu Bing[2](Xihua University Chengdu 610039)Abstract：This paper presented a design method of parallel multi-channel frequency instrument based on USB. Then it is described in detail that the design of Frequency Synthesis Measurement Methods which complete by FPGA, the methods is realize the parallel multi-channel simultaneous measurement, a 24 bit counter use in design, greatly expanded the scope of frequency measurement. Instrument support parallel multi-channel frequency signal under different work conditions as steady monitoring prior is transitional process test. Finally,the simulation results verify the effectiveness of the design.Keywords: frequency measurement，FPGA，transitional process，USB引言频率测量是电子测量技术中常用的测量方法之一。

专利名称：基于频谱分析仪平台的USB接口鉴频特性测试数据采集系统
专利类型：实用新型专利
发明人：梁强,陈仁北
申请号：CN201220037440.0
申请日：20120206
公开号：CN202661548U
公开日：
20130109
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本实用新型公开了一种基于频谱分析仪平台的USB接口鉴频特性测试数据采集系统，频谱分析仪跟踪源输出的高频信号作为被测鉴频电路的输入信号，鉴频器输出的电压信号作为USB接口的鉴频特性测试数据采集模块的输入，USB接口的鉴频特性测试模块主要完成鉴频器输出电压信号的调理及数据采集，然后通过USB接口将数据传输给频谱分析仪主机进行显示。

本实用新型增加USB接口的鉴频特性测试数据采集模块解决了高频教学鉴频特性测试的需求，使频谱分析仪具备鉴频特性测试能力，从而拓展了频谱分析仪的使用范围和测量功能，而且USB接口的鉴频特性测试数据采集模块独立性强，具备通用USB接口的频谱分析仪可以通过软件升级即可实现鉴频特性测试。

申请人：安徽白鹭电子科技有限公司
地址：230088 安徽省合肥市高新区合欢路12号1栋轻钢厂房
国籍：CN
代理机构：安徽合肥华信知识产权代理有限公司
代理人：余成俊
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基于USB总线的虚拟频谱分析仪设计
黄娟;于莉娜;胡金海;李英伟;刘兴斌
【期刊名称】《石油仪器》
【年(卷),期】2006(020)006
【摘要】文章详细介绍了基于USB总线的虚拟频谱分析仪的设计过程.该仪器使用嵌入式混合处理器MC56F8323来实现动态信号的实时采集、频谱分析和数字滤波等功能.处理结果由USB2.0接口芯片CY7C68013上传至PC机,以完成数据显示、存储、绘制图形等功能.其中,CY7C68013工作于Slave FIFO模式,以实现与MC56F8323间的数据传输.该系统可同时对两路动态信号进行实时谱分析,每路采样频率高达500kHz.
【总页数】3页(P19-21)
【作者】黄娟;于莉娜;胡金海;李英伟;刘兴斌
【作者单位】大庆油田公司采油一厂工程技术大队,黑龙江,大庆;燕山大学信息学院,河北,秦皇岛;大庆测试技术服务分公司生产测井研究所,黑龙江,大庆;燕山大学信息学院,河北,秦皇岛;大庆测试技术服务分公司生产测井研究所,黑龙江,大庆
【正文语种】中文
【中图分类】TP3
【相关文献】
1.基于USB的多通道虚拟频谱分析仪 [J], 张俊涛;张弛
2.基于USB总线的虚拟仪器传感器测控实验平台设计 [J], 赵京
3.基于USB-6251的虚拟频谱分析仪开发研究 [J], 王兵;夏友才
4.基于USB-6251数据采集卡的虚拟频谱分析仪设计 [J], 王兵;于游;罗正生
5.虚拟频谱分析仪的USB接口设计 [J], 高培林;程良鸿;吕红芳
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基于USB-6251的虚拟频谱分析仪开发研究王兵;夏友才【摘要】文中介绍了运用LabVIEW2009软件,结合NI的USB-6251数据采集卡实现虚拟频谱分析仪的开发研究,实现了对外部信号的采集、幅相谱的分析、功率谱的分析、谐波分析和联合时频分析,并具备波形存储和读取功能。

系统调试结果证明该仪器实现了一般频谱分析仪所具有的基本功能,增加了数据分析处理能力。

%This paper describes the development and research of virtual spectrum analyzer based on LabVIEW2009 software and data acquisition module USB-6251 made in NI.The virtual spectrum analyzer realizes the functions of signal acquisition from external,amplitude-phase analysis,power spectrum analysis,harmonic analysis,joint time-frequency analysis and load and store functions of waveform.Testing result proves that the virtual instrument realized general functions of spectrum analyzer,and extends data processing capacities.【期刊名称】《实验科学与技术》【年(卷),期】2012(010)005【总页数】2页(P10-11)【关键词】虚拟仪器;USB-6251卡;频谱分析仪;数据采集【作者】王兵;夏友才【作者单位】攀枝花学院教务处,四川攀枝花617000;攀枝花学院教务处,四川攀枝花617000【正文语种】中文【中图分类】TB526;TP391.98虚拟仪器是一种全新概念的仪器，就是在以计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义虚拟面板，测试功能由软件编程实现的一种计算机仪器系统［1］。

基于USB的并行多通道频率测试仪的设计
李丹丹;胡兵
【期刊名称】《微计算机信息》
【年(卷),期】2008(024)022
【摘要】本文提出了基于USB的并行多通道频率测试仪的设计方案.详细描述了利用FPGA完成的频率综合测量法的设计,该方法的应用实现了并行多通道的同时测量,设计中应用了24位计数器,极大的拓展了测频范围.该频率测试仪可完成不同工况如稳态监测更重要的是过渡过程时的多路频率信号的同时测量.最后通过相应时序仿真验证了该设计.
【总页数】3页(P165-166,234)
【作者】李丹丹;胡兵
【作者单位】610039,西华大学电气信息学院信息工程系,成都;610039,西华大学电气信息学院信息工程系,成都
【正文语种】中文
【中图分类】TP274
【相关文献】
1.基于USB的频率特性测试仪的设计 [J], 吴正玲;郭爽
2.多通道心电测试仪的USB2.0计算机接口设计 [J], 韩海亮;苏绍璟;王跃科;王湘祁
3.基于FTD2 XX.DLL库的多通道并行数据USB采集软件开发 [J], 杨会伟;周先飞;夏跃武
4.基于FTD2XX.DLL库的多通道并行数据USB采集软件开发 [J], 杨会伟;周先飞;
夏跃武
5.基于FPGA+FT2232H多通道并行数据USB采集系统设计 [J], 杨会伟;周先飞;李敏
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