基于dsp與fpga的數字應變儀的制作方法
【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及微弱信號檢測設備技術領域，特別涉及一種基于DSP與FPGA的數字應變儀。
【背景技術】
[0002]在自然科學和工程領域的各種科學研究活動中，離不開對研究對象準確有效的測量，這是我們認識客觀事物內在聯系及變化規律的必要和先決條件。應變電測由于其測試廉價、快速、高精度、容易實現數據采集和處理自動化、實用性強等特點，在交通、材料、航空航天、機械等重要工程領域的研究中，有著廣泛的應用。
[0003]微型計算機應用技術和信息產業的發展，加快了電測儀器系統向集成化、多功能化、智能化和通用化方向的發展，以往傳統設計的、功能單一的應變儀已越來越不能滿足實際需要。廣泛采用計算機和數據自動采集處理等新技術，給應變電測技術帶來了一場革命。它加速了力學前沿科學研究的進程，提高了解決復雜現代工程問題的能力，是實現力學科學及工程測試數據分析自動化的技術基礎。另外它還能增強觀察和提取關鍵信息的能力，提高研究工作的效率和質量。
[0004]電阻應變儀按其放大器工作原理可分為兩大類:直流放大式電阻應變儀和載波放大式電阻應變儀。載波放大式電阻應變儀的電橋是用數千赫茲的正弦交流電壓供電，放大器用窄帶交流放大器，交流載波放大器具有靈敏度高，穩定性好，外界干擾和電源影響小及造價低廉等明顯優點，但工作頻率較低(一般只能測到幾百赫茲)，長導線時分布電容影響大的缺點。這種應變儀也可以采用矩形波電壓供電，這樣抗干擾能力強，分布電容影響較小，但技術要求很高，很少采用。直流放大式電阻應變儀的供橋電壓為直流電壓，放大器采用差動式直流放大器或調制型直流放大器，其工作頻率較高，由于供橋電壓為直流電壓，可以忽略分布電容的影響，而且操作方便，誤差較小，但由于直流放大器的零點漂移和穩定性都沒有很好的解決，無法有效地放大μ V級的信號。
[0005]隨著現代工程檢測中，對于微弱信號檢測的需求越來越大，目前國內的應變儀主要為靜態應變儀，相關技術均采用非程控技術，電橋平衡也需要手動校準，其控制操作存在很大的不方便，同時其所采用傳統技術也是的應變儀數據采集精度很難達到目前的測試要求，這樣的儀器也不能適應科研和實際工程測試的需求。
[0006]目前，國內公開的發明專利當中，尚未有一種自動校準平衡電橋，有較高頻響，靜、動態通用，集數字顯示和模擬輸出為一體的應變儀技術隨著現代工程檢測中，對于微弱信號檢測的需求越來越大，目前國內的應變儀主要為靜態應變儀，相關技術均采用非程控技術，電橋平衡也需要手動校準，其控制操作存在很大的不方便，同時其所采用傳統技術也是的應變儀數據采集精度很難達到目前的測試要求，這樣的儀器也不能適應科研和實際工程測試的需求。
[0007]目前，國內公開的發明專利當中，尚未有一種自動校準平衡電橋，有較高頻響，靜、動態通用，集數字顯示和模擬輸出為一體的應變儀技術。
【發明內容】
[0008]本發明的目的就是提供一種靜、動態通用，具有相關控制芯片進行控制，能夠實現電橋自動平衡、自動測試、分析以及相關信息輸出的數字應變儀具有相當的顯示意義及價值的基于DSP與FPGA的數字應變儀。
[0009]本發明的解決方案是這樣的:
一種基于DSP與FPGA的數字應變儀包括:
(I )EZUSB控制單元，所述EZUSB控制單元分別連接DSP控制單元、FPGA控制單元及PC機，用于接收DSP控制單元所給出的指令，通過USB 口將相關數據傳輸至PC機，以及通過串口將數據傳給FPGA控制單元，實現PC上位機的實時監控以及應變儀測試功能的自閉環反饋；
(2)DSP控制單元，所述DSP控制單元分別連接EZUSB控制單元、FPGA控制單元，用于將所接收到的數據進行存儲，并進行相關運算與分析，將所得運算與分析結果，以控制指令的形式發送給FPGA控制單元，以便于FPGA控制單元能夠按相關指令進行數據傳輸；在需要進行USB數據傳輸時，DSP控制單元將發送相關傳輸指令，與EZUSB控制單元建立通信連接，將相關測試數據傳輸至EZUSB控制單元；
(3)FPGA控制單元，所述FPGA控制單元分別連接DSP控制單元、EZUSB控制單元以及模擬電路模塊，用于將所接收到的數字信號進行運算，將相關數據傳輸至DSP控制單元，得到DSP控制單元的控制指令之后，將所得數據輸出至模擬電路模塊，以調整模擬電路模塊中的電信號的大小，控制測量電路的電橋平衡，實現測量電橋的自動平衡功能以及自動標定功會K ;
(4)。模擬電路模塊，所述模擬電路模塊的輸入、輸出端均連接FPGA控制單元，其中輸入端還與相應的應變片連接，模擬電路模塊的相關信息的由FPGA控制單元發送與接收。
[0010]更具體的技術方案還包括:DSP控制單元通過EMIF總線接口與FPGA控制單元進行連接；DSP控制單元通過自身HPI接口與EZUSB控制單元的GPIF 口進行連接；EZUSB控制單元通過485標準串口與FPGA控制單元進行連接；FPGA控制單元通過GP1 口與模擬電路模塊進行連接；EZUSB控制單元設計有USB接口，可以實現跟PC機的連接。
[0011]進一步的:所述模擬電路模塊包括:
(1)、差分轉單端電路，分別連接模擬信號輸入模塊、AC/DC選擇單元，用于將輸入的差分電信號轉換為單端信號，并傳輸至AC/DC選擇單元；
(2)、量程設置電路，分別連接AC/DC選擇單元、單端轉差分電路，用于選擇對所測量電信號合適的量程；
(3)、單端轉差分電路，分別連接量程設置電路、AD轉換，用于將所選擇好的單端電信號轉換為差分信號，并傳輸至AD轉換，由AD轉換將單端轉差分電路所傳輸差分電信號進行A/D轉換，并傳輸至FPGA控制單元。
[0012]進一步的:所述模擬電路模塊還包括ICP接地選擇，分別連接模擬信號輸入模塊、差分轉單端電路，用于對多路信號進行選擇，每次選擇一路電信號傳輸至差分轉單端電路。
[0013]進一步的:所述模擬電路模塊還包括AC/DC選擇，分別連接差分轉單端電路、量程設置電路，用于選擇AD/DC的通道號。
[0014]進一步的:所述的ICP接地選擇采用多個繼電器進行設計。
[0015]進一步的:所述的AC/DC選擇采用模擬開關進行設計。
[0016]本發明的優點是可以實現16個輸入通道和4個輸出通道；輸入通道最高采樣率為192kHz，分辨率為24位；輸出通道最高采樣率為192 kHz，分辨率為24位；儀器與PC機采用USB2.0通信；采用電源適配器接AC220V供電；可以實現電橋自動平衡及自動標定；可以對于弱信號的多通道、高頻率采樣與數據分析，滿足工程的自動測試實際需求。
[0017]圖1數字應變儀系統構成數字電路模塊硬件電氣連接結構框圖。
[0018]圖2數字應變儀系統構成模擬電路模塊硬件電氣連接結構框圖。
[0019]圖中，1.EZUSB控制單元，2.DSP控制單元，3.FPGA控制單元，4.模擬電路模塊，5.電源電路，6.電源模塊，7.電源濾波器，8.電源適配器，9.模擬信號輸入模塊，10.1CP接地選擇電路，11.差分轉單端電路，12.AC/DC選擇電路，13.量程設置電路，14.單端轉差分電路，15.AD轉換模塊。
【具體實施方式】
[0020]如圖1-圖2所示，包括數字電路模塊和模擬電路模塊；
數字電路模塊中，DSP控制單元2通過EMIF總線接口與FPGA控制單元3進行連接；DSP控制單元2通過自身HPI接口與EZUSB控制單元I的GPIF 口進行連接；EZUSB控制單元I通過485標準串口與FPGA控制單元3進行連接；FPGA控制單元3通過GP1 口與模擬電路模塊4進行連接；EZUSB控制單元I設計有USB接口，可以實現跟PC機的連接；電源部分5連接數字電路模塊內其它模塊電路的供電輸入端；AC220V交流電通過電源適配器8、電源濾波器7、電源模塊6變換后連接電源電路5。
[0021]DSP控制單元2采用TMS320C67XX處理器芯片進行設計，其主要負責與FPGA控制單元3、EZUSB控制單元I的信息發送與接收，并進行相關信息數據處理，向其它模塊發送控制指令；
FPGA控制單元3采用PQ208封裝的XC2S50E芯片，其主要負責與DSP控制單元2相關信息的發送與接收，與EZUSB控制單元1，以及與模擬電路模塊4的信息發送與接收。
[0022]EZUSB控制單元I采用CY7C680XX芯片，其主要負責與PC機的相關信息的發送與接收，以及與模擬電路模塊4的相關信息的發送與接收。
[0023]電源部分5采用12V-5V、12V-3.3V DC/DC變換模塊進行設計，其主要為其它模塊提供多路供電電源。
[0024]電源模塊6采用19V-12V DC/DC變換模塊進行設計，其主要為電源