引言
随着科学技术的发展，测量测试领域不断推出各种新的仪器。但大多数仪器功能比较简单，只能应用于特定的领域。本文将介绍一种高性能的信号分析仪，该分析仪具有高性能、多功能、操作方便和扩展性强等优点，可广泛地应用于压力测量、振动噪声分析、环境监测等众多领域。该分析仪基于ARM嵌入式结构，采用24位分辨率进行数据采集，具有64M内存和4G数据存储器，并且带有以太网通信接口和内部锂电池，可以满足大部分测量测试任务。本文将从硬件和软件两个方面介绍该信号分析仪的结构和设计思路。
1硬件结构
本信号分析仪采用ARM7作为控制核心，整合ADC、LCD、SDRAM、SD存储卡、以太网、锂电池等外围部件，组成一套高性能的综合分析设备(见图1)。
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1.1控制器
本信号分析仪采用LPC2468嵌入式微控制器作为控制核心。LPC2468是一款高性能ARM7微控制器，系统时钟频率高达72MHz，具有512kB片内高速Flash存储器和98kB片内RAM。LPC2468有丰富的外设，其中包括1个10/100以太网媒体访问控制器(MAC)、1个带4kB终端RAM的USB全速Device/Host/OTG控制器、4个UART、2路控制器局域网(CAN)通道、1个SPI接口、2个同步串行端口(SSP)、3个I2C接口和1个I2S接口、32位定时器、增强型的10位ADC、10位DAC、2个PWM单元、4个外部中断管脚和多达160个高速GPIO。此外，还可以通过外部存储器控制器(EMC)扩展SDRAM，并可以通过高速SDIO总线驱动SD卡，从而实现外扩大容量数据存储空间。
1.2数据采集电路
本信号分析仪的ADC采用TI公司ADS1271。ADS1271是一款24位分辨率、105Ksps采样率的差分输入ADC，信噪比可达109dB。本数据分析仪采用4片ADS1271组成多路同步转换系统，可采集从DC到50KHz频率范围的各种信号。前端信号调理采用TI公司的全差分运算放大器OPA1632，对信号进行滤波和比例运算。数据采集电路部分(见图2，3)。
通过连接不同的传感器，信号分析仪可以实现对压力、温湿度、振动、位移、应力应变等多种物理量的高精度测量。仪器内部为每种传感器预设转换系数，用户只需在参数设置界面选择连接的传感
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器类型，就可用于各种不同的用途。
1.3存储器结构
本信号分析仪内置64MSDRAM，可为每路AD提供高达16M的缓存空间。分析仪还集成4G的SD卡作为数据存储器，允许连续记录30h的波形数据，对SD卡的访问采用SD总线模式，可实现对数据的高速读写，保证数据的实时记录。
1.4以太网通信
仪器采用RTL8019作为以太网控制器。RTL8019是高度集成的10M以太网控制器，它以存储器(16K双口RAM)为核心，支持本地和远端控制器并发操作。RTL8019拥有控制、状态、数据寄存器，通过对寄存器进行相应读写即可完成对以太网的操作。
1.5电源模式
本信号分析仪采用两种电源模式，既可以使用外接电源供电，也可以使用内置锂电池供电。硬件集成电源模式检测和电源电压检测，当使用电池模式且电池电量不足时，系统会报警并自动关闭，以保护电池不被损坏。
2软件结构
信号分析仪采用μcOSⅡ作为系统的实时操作系统。软件主要包括ADC硬件中断采样控制模块、内存FIFO和文件存储管理模块、LCD液晶显示控制模块和以太网通信控制模块等，各模块间通过操作系统调控和硬件中断调控相结合的方式进行切换。软件以μcOSⅡ为核心，以FIFO为数据交换通道，整合设备控制、数据采集、文件管理和网络通信等功能模块，构成一套完善的嵌入式控制系统。
2.1μcOSⅡ
μc/OS-Ⅱ是一个实时操作系统内核，包含任务调度、任务管理、时间管理、内存管理和任务间的通信与同步等基本功能。μc/OS-Ⅱ最多可以管理64个任务，这些任务通常都是一个无限循环的函数，其任务调度是按抢占式多任务系统设计的，即它总是执行处于就绪条件下优先级最高的任务。本信号分析仪系统中通过任务来管理不同工作模式，主要建立4个任务，分别处理4种工作模式。系统初始化及任务建立过程如下(见图4)。
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2.2FIFO设计
每个通道的SDRAM存储器采用“先入先出缓存区”(FIFO)的组织结构，从而实现各硬件模块在不同数据处理速度下的数据传递。FIFO的结构和数据传递的流程(见图5)，在采样过程中，由AD转化得到的采样数据先被写入FIFO中，再按需要读出，或写入SD卡，或通过网络发送;在文件读取模式下，数据先从SD卡中读入FIFO，再按需要取出，进行即时处理或通过网络发送。
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为管理存储的数据，SD卡中建立专用的微型文件系统，将采集到的每组数据实体和数据附加信息保存成文件，用户浏览和读取数据都是按文件的方式进行的，便于用户从大容量存储区中快速找到自己需要的内容。
2.3触发功能
本信号分析仪拥有完善的信号触发控制机制，能提供手动触发、电平触发、上升沿触发、下降沿触发、定时触发等多种触发源，并具备正延时和负延时功能。触发电平和延时量等参数可由用户自由设置。此外，分析仪还具备自动重复采集、连续采集、智能采集等多种工作模式，以满足各种不同信号的采集要求。
2.4网络协议
本信号分析仪器采用UDP协议进行网络通信,UDP(用户数据报协议)是一个简单的面向数据包的传输层协议。UDP比TCP负载消耗少，且适用端口分别运行在同一台设备上的多个应用程序。在网络通信的基础上，计算机与分析仪之间还建立一套完善的控制命令协议和数据流协议，主要包括参数配置、功能控制、数据传输、文件浏览等子协议模块。该协议具备反馈和校验功能，保证在UDP下通信的可靠性。
2.5人机交互
信号分析仪有2种人机交互方式，既可以通过本机配有的LCD和键盘进行操作，也可以通过以太网在计算机端进行远程操作。仪器配有320×240LCD液晶显示器和4键键盘，在未连接网络的情况下，可作为一台完整的分析仪器。用户可以通过键盘和LCD来设定工作模式和进行数据浏览。在连接网络后，则可以将控制权交给上位机，用户可以通过网络在计算机端对仪器进行远程控制。上位机软件基于LabCVI编写，主要功能包括向硬件发送各种配置参数、读取记录文件、进行实时采集和对数据进行高级分析处理。软件可以对数据进行波形显示，并可以求取波形的各种特征值和对信号进行滤波、频域分析、回归分析等高级分析。结合上位机软件，本信号分析仪可以作为成一台高性能虚拟仪器。用户可以根据开放的DDK进行软件二次开发，编写更多功能的专用软件。
3总结
本文介绍一种信号分析仪，目前该分析仪已通过中国测试技术研究员的权威校准认证，并已应用到工程振动监测、环境影响综合测试等行业中，得到用户的认可和好评。该分析仪性能好，功能丰富，具有广阔的应用前景，必将在更多的行业和领域发挥越来越大的作用。
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