一種基于FPGA和LabVIEW的信號發射與控制系統的制作方法
【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及一種基于FPGA和LabVIEW的信號發射與控制系統。
【背景技術】
[0002] 在通信技術和光纖傳感領域中，往往需要在信號發射機端發出的信號上疊加或者 加載合適的調制信號來對載波信號做相應的調制處理，以便能夠在信號接收端接收到按一 定規律變化且方便處理的電信號從而有利于在信號接收端對接收到的各種不同信號做解 調處理以提取出有用信號。而傳統的信號發生設備常常由于其體積大且其價格過于昂貴， 加之其功能單一且使用環境受限等因素從而致使其不易廣泛推廣使用，尤其難于在小型企 業以及各高校教學實驗中普及應用。因此，針對傳統信號發生設備的上述問題，在確保信號 發生設備能產生任意中低頻信號的同時又能在多種不同場合和環境下使用，還能進行個性 化及可視化界面控制操作，同時實現信號發射設備的系統化并大幅度降低設備成本從而推 動相應設備的市場化和普及化顯得意義重大。
[0003] 鑒于近年來蓬勃發展的FPGA器件具有低成本、高度集成化與小型化、靈活的接 口方式和控制方式、高速的運算能力和高性能等優勢，以FPGA為硬件平臺，借助相應的開 發軟件來設計各種硬件電路顯得更加方便和靈活。此外，結合近年來被廣泛推廣使用的 LabVIEW圖形化開發軟件來設計可視化的上位機操作控制界面從而對硬件電路進行操作控 制也更為個性化，同時由于上位機操作控制界面以圖形化和界面化為特點，用戶容易操作 和使用此類系統化的設備。因此，利用FPGA器件和LabVIEW圖形化開發軟件設計系統化的 信號發射與控制系統來替代體積龐大而笨重且價格昂貴的傳統儀器設備并實現更多的功 能，同時也大幅縮減了相關產品的研發成本，有利于促進此類設備的廣泛應用。 【實用新型內容】
[0004] 本實用新型的目的在于克服傳統信號發生設備的功能單一、體積龐大、價格昂貴 且使用環境受限等不足，提供一種基于FPGA和LabVIEW的信號發射與控制系統，它具有可 產生任意中低頻信號、能同時輸出一種脈沖信號、一種DDS信號和直流信號、并且能實現可 視化界面操作控制的功能和優點。
[0005] 本實用新型的目的是通過以下技術方案來實現的：一種基于FPGA和LabVIEW的 信號發射與控制系統包括晶振電路、PLL倍頻電路、直流信號產生電路、脈沖信號產生模塊、 DDS信號發生模塊、D/A轉換器、信號濾波及放大電路、USB雙向通信線、USB通信模塊和 LabVIEW可視化控制界面上位機，晶振電路輸出的50MHz基準時鐘信號經過PLL倍頻電路做 四倍頻后輸出200MHz的倍頻信號，并將此倍頻信號同時作為USB通信模塊、直流信號產生 電路、脈沖信號產生模塊、DDS信號發生模塊和D/A轉換器的參考輸入時鐘，PLL倍頻電路、 USB通信模塊、直流信號產生電路、脈沖信號產生模塊和DDS信號發生模塊是基于FPGA設計 的，直流信號產生電路、脈沖信號產生模塊和DDS信號發生模塊三者之間相互獨立，DDS信 號發生模塊與D/A轉換器相連接，直流信號產生電路、脈沖信號產生模塊和D/A轉換器后面 各連接一個信號濾波及放大電路；
[0006] 所述的FPGA包括PLL倍頻電路、直流信號產生電路、脈沖信號產生模塊、DDS信號 發生模塊和USB通信模塊，所述的USB通信模塊通過USB雙向通信線將FPGA和上位機相連 接并實現FPGA與上位機之間的雙向通信。
[0007] -種基于FPGA和LabVIEW的信號發射與控制系統中，所述的上位機由LabVIEW環 境下設計的可視化控制界面通過USB通信模塊向FPGA發出信號波形選擇指令和波形參數 調節指令使FPGA控制各信號產生模塊輸出期望的信號波形。
[0008] 所述的LabVIEW可視化控制界面上位機可發出控制指令來控制FPGA所屬的直流 信號產生電路輸出或停止輸出直流電壓信號，同時還可通過可視化控制界面的信號參數輸 入窗口來輸入波形參數從而選擇輸出單脈沖信號或者雙脈沖信號，并可調節當前輸出脈沖 信號的脈沖寬度及重復頻率，同時也能選擇DDS信號的輸出波形并能調節當前輸出的DDS 信號的頻率、相位和幅值。
[0009] 所述的FPGA可同時輸出一種脈沖信號、一種DDS信號及直流信號；所述的 LabVIEW可視化控制界面上位機含有三欄波形顯示窗和三欄信號參數輸入窗，且三欄波形 顯示窗均可實時顯示當前輸出信號的示意波形，上方欄波形顯示窗實時顯示直流信號波 形，中間欄波形顯示窗實時顯示脈沖信號示意波形，下方欄波形顯示窗實時顯示DDS信號 示意波形，上方欄信號參數輸入窗用于選擇直流信號的通斷狀態和電壓檔位參數，中間欄 信號參數輸入窗用于選擇脈沖信號的類型并輸入脈沖信號的脈寬及重復頻率參數，下方欄 信號參數輸入窗用于選擇DDS信號波形并輸入DDS信號波形的輸出頻率、相位和幅值參數。 [0010] 所述的直流信號產生電路輸出端所連接的信號濾波及放大電路可將直流信號產 生電路輸出的直流信號的電壓幅值從0V到16V進行連續調節。
[0011] 本實用新型的有益效果是：（1)可以產生任意的中低頻信號，并且可以同時輸出 直流電壓信號和一種脈沖信號以及一種DDS信號，且三種信號之間相互獨立互不影響，用 戶可以根據實際需要靈活地選擇滿足使用要求的信號輸出；（2)通過USB雙向通信線和USB 通信模塊將FPGA和LabVIEW可視化控制界面上位機相連接，從而實現上位機與FPGA之間 的雙向通信，上位機可以通過USB雙向通信線和USB通信模塊向FPGA發出控制指令從而切 換各輸出信號的波形并調節各輸出信號波形的參數，同時FPGA也能借助USB通信模塊和 USB雙向通信線向上位機傳送信號的波形類型信息，從而使得LabVIEW上位機控制界面的 波形顯示窗中能適時地顯示當前輸出信號的示意波形；（3)對直流信號的通斷、脈沖信號 和DDS信號的波形切換及相應信號的波形參數的調節均通過LabVIEW可視化控制界面操作 來實現，一定程度上實現了信號發射與控制設備的系統化；（4)有效縮減相應儀器設備的 體積和成本從而有利于推動此類儀器設備實現普及化應用。
【附圖說明】
[0012] 圖1為本實用新型系統結構方框圖。
[0013] 圖2為脈沖信號產生模塊結構方框圖。
[0014] 圖3為DDS信號發生模塊結構方框圖。
[0015] 在圖1至圖3中，1、晶振電路2、FPGA3、PLL倍頻電路4、USB通信模塊5、直流 信號產生電路6、脈沖信號產生模塊7、DDS信號發生模塊8、D/A轉換器9、直流信號濾波 及放大電路10、脈沖信號濾波及放大電路11、DDS信號濾波及放大電路12、USB雙向通信 線13、LabVIEW可視化控制界面上位機14、分頻電路15、脈沖類型選擇電路16、脈寬及重 復頻率調節電路17、32位的相位累加器18、32位加法器19、32位寄存器20、16位的相位 調整器21、DDS信號波形選擇器22、ROM波形存儲表23、DDS信號波形幅度控制器；F為 PLL倍頻電路輸出的200MHz倍頻時鐘信號、C1為LabVIEW可視化控制界面上位機通過USB 通信模塊傳送到脈沖類型選擇電路的控制信號、C2為LabVIEW可視化控制界面上位機通過 USB通信模塊傳送到脈寬及重復頻率調節電路的控制信號、Μ為LabVIEW可視化控制界面上 位機通過USB通信模塊傳到32位相位累加器的頻率控制字、P為LabVIEW可視化控制界面 上位機通過USB通信模塊傳到16位相位調整器的相位調整字、W為LabVIEW可視化控制界 面上位機通過USB通信模塊傳到DDS信號波形選擇器的波形選擇控制字、A為LabVIEW可 視化控制界面上位機通過USB通信模塊傳到DDS信號波形幅度控制器的幅度控制字。
【具體實施方式】
[0016] 如圖1所示，晶振電路1輸出的50MHz基準時鐘信號作為FPGA2中的PLL倍頻電 路3的輸入時鐘信號，在QUARTUSII軟件開發環境下采用VHDL硬件描述語言編寫程序設計 出晶振時鐘信號的倍頻電路模塊，并通過調用名為PLL的宏功能模塊設置倍頻模塊所屬參 數，經過PLL倍頻電路做四倍頻處理后輸出200MHz的倍頻時鐘信號，將此倍頻時鐘信號做 時序約束后再同時作為USB通信模塊4、直流信號產生電路5、脈沖信號產生模塊6、DDS信 號發生模塊7和D/A轉換器8的輸入參考時鐘信號，在此輸入參考時鐘信號作用下，直流信 號產生電路5在LabVIEW可視化控制界面上位機允許直流電壓信號導通輸出的狀態下連續 不間斷地輸出3.