【正文】 ...............42 167。 函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì) ...................45 167。 串口接收模塊 ..............................45 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) VI 167。 串口轉(zhuǎn)換模塊 ..............................45 167。 分頻模塊 ..................................46 167。 地址發(fā)生器模塊 ............................48 167。 ROM 表查詢(xún)模塊 .............................49 167。 波形選擇模塊 ..............................51 167。 幅值調(diào)節(jié)模塊 ..............................52 167。 頻段選擇模塊 ..............................53 167。 串口的編碼與解碼 ..............................54 167。 關(guān)于串口 ..................................54 167。 串口的設(shè)置 ................................55 167。 串口的發(fā)送與接收 ..........................55 167。 硬件連接 ......................................56 第 5 章 軟件仿真測(cè)試與實(shí)時(shí)檢測(cè) ................................................... 57 167。 LabVIE W 軟件仿真測(cè)試 ...........................57 167。 LabVIEW 軟件中函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的仿真測(cè)試 .....57 167。 LabVIEW 軟件中頻率計(jì)的仿真測(cè)試 .............57 167。 FPGA 軟件中函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的仿真測(cè)試 ............58 167。 FPGA 軟件中頻率計(jì)的仿真測(cè)試 ....................59 167。 總功能實(shí)時(shí)檢測(cè) ................................59 參考文獻(xiàn) ............................................................................................ 65 致 謝 .................................................................................................. 66 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 1 前 言 虛擬儀器的出現(xiàn)就是儀器發(fā)展史的一場(chǎng)革命 ， 代表儀器發(fā)展的方向和潮流 ， 對(duì)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)的進(jìn)步產(chǎn)生了巨大的推動(dòng)作用。 虛擬儀器技術(shù)是測(cè)試領(lǐng)域的一種新的思想和方法 ， 它的出現(xiàn)是測(cè)試儀器技術(shù)和測(cè)控系統(tǒng)的一個(gè)新的里程碑。雖 然是新興的儀器儀表技術(shù) ， 但由于其具備許多區(qū)別于傳統(tǒng)儀器的突出優(yōu)點(diǎn) ， 可以由用戶(hù)自行設(shè)計(jì)定義 ， 靈活變換參數(shù) ， 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)特別是軟件技術(shù)和儀器技術(shù)的進(jìn)步而飛速發(fā)展 ， 因此使現(xiàn)代測(cè)控的系統(tǒng)更靈活、更緊湊、更經(jīng)濟(jì)、功能更強(qiáng)大 ， 從而在國(guó)內(nèi)外各個(gè)領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。 特別 在電子測(cè)量和自動(dòng)化控制領(lǐng)域 ， 虛擬儀器技術(shù)得到了巨大的發(fā)展。虛擬儀器是一種功能意義上的測(cè)量和控制儀器 ， 是具有儀器功能的軟件、硬件的組合。它充分利用計(jì)算機(jī)技術(shù) ， 在基本的硬件支持下 ，通過(guò)調(diào)用相應(yīng)的軟件模塊來(lái)完成各種傳統(tǒng)儀器的功能。 本文從探索研究的角度出 發(fā) ， 對(duì)虛擬儀器的系統(tǒng)構(gòu)成、實(shí)現(xiàn)手段和開(kāi)發(fā)方法進(jìn)行了研究。在此基礎(chǔ)上 ， 研究開(kāi)發(fā)了基于 LabVIEW 開(kāi)發(fā)平臺(tái)的虛擬 儀器平臺(tái) ， 通過(guò)計(jì)算機(jī)串口把 LabVIEW 發(fā)送的 控制 指令送到 GW48 實(shí)驗(yàn)箱FPGA 的 RS232 接收引腳 ， 經(jīng)過(guò) FPGA 對(duì) 控制 指令的處理 ， 實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬平臺(tái)上面相應(yīng)虛擬儀器的調(diào)用 ， 對(duì)不同的虛擬儀器應(yīng)做不同的處理：如，虛擬頻率計(jì)，當(dāng)其接收到開(kāi)始工作的信號(hào)后，將其頻率和占空比，通過(guò) RS232發(fā)送 引腳 ，發(fā)送給計(jì)算機(jī)上面的 LabVIEW， LabVIEW 通過(guò)對(duì)串口進(jìn)行讀操作，將讀到的結(jié)果轉(zhuǎn)換成數(shù)值，并將其在虛擬頻率 計(jì)的界面上面顯示， 結(jié)果較為滿(mǎn)意。在開(kāi)發(fā)虛擬儀器的同時(shí) ， 掌握了 LabVIEW 編程語(yǔ)言和開(kāi)發(fā)技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn) ， 對(duì)虛擬儀器的構(gòu)成、實(shí)現(xiàn)手段和開(kāi)發(fā)方法有了一定的認(rèn)識(shí)。 由于虛擬儀器技術(shù)在國(guó)內(nèi)尚未普及 ， 針對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)儀器缺乏或陳舊、教學(xué)方式呆板、學(xué)生實(shí)驗(yàn)使用多臺(tái)儀器 ， 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備煩瑣 ， 支持維護(hù)困難、實(shí)驗(yàn)室設(shè)備更新 ， 硬件更新費(fèi)時(shí)費(fèi)力的等情況。把虛擬儀器引入教學(xué)是一種必然趨勢(shì)。 本文試圖探索出一條適合我國(guó)國(guó)情的虛擬儀器的途徑 ， 做到花錢(qián)少 ， 具有較高的性?xún)r(jià)比 ， 以在教學(xué)實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域進(jìn)行推廣。 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 2 第 1章 緒論 167。 虛擬儀器的背景 虛擬儀器 涵蓋了 數(shù)字信 號(hào)處理、虛擬儀器技術(shù)等 多方面知識(shí) 。本文所開(kāi)發(fā)的虛擬儀器 平臺(tái) 就是在信號(hào)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)高速發(fā)展的背景下 ， 利用美國(guó) NI 公司的虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái) —— LabVIEW 進(jìn)行 設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的 ， 它可以 快速方便地實(shí)現(xiàn) 信號(hào)的采集、顯示、分析、儲(chǔ)存、讀取和輸出。 167。 數(shù)字信號(hào)處理技術(shù) 在科學(xué)研究和生產(chǎn)過(guò)程中 ， 經(jīng)常要對(duì)許多客觀存在的物體或物理過(guò)程進(jìn)行觀測(cè)。這些客觀存在的事物包括了大量標(biāo)志本身所處時(shí)間空間特征的數(shù)據(jù)和“情報(bào)” ， 這就是該事物的“信息”。人們?yōu)榱四骋惶囟ǖ哪康?， 從浩瀚的信息中把所需要的部分提出來(lái) ， 以達(dá)到觀測(cè)某一本質(zhì)問(wèn)題的 目的。這種對(duì)信息的表達(dá)形式稱(chēng)之為 “ 信號(hào) ” ， 信號(hào)是某一特定信息的載體。 信號(hào)傳輸理論與技術(shù)的不斷發(fā)展使信號(hào)處理技術(shù)的出現(xiàn)成為必然。在科學(xué)和工程技術(shù)領(lǐng)域中 ， 常常需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。信號(hào)處理就是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行所需要的變換或按約定的規(guī)則進(jìn)行運(yùn)算 ， 使之更便于對(duì)它們 進(jìn)行分析、識(shí)別和使用。信號(hào)的處理包括對(duì)信號(hào)的監(jiān)測(cè)、濾波、時(shí)域分析、頻域分析 ，調(diào)制等等。信號(hào)分為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào) ， 在對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行處理時(shí) ， 既可以使用模擬系統(tǒng)也可以使用數(shù)字系統(tǒng)。使用數(shù)字系統(tǒng)處理模擬信號(hào)時(shí) ，需要先將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào) ， 即模數(shù)轉(zhuǎn)化 (A/D)， 然后 用數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行處理 ， 得到一個(gè)處理后的數(shù)字信號(hào) ， 再經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)化 (D/A)， 得到所需的模擬信號(hào)。 167。 虛擬儀器技術(shù) 由于電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、軟件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高度發(fā)展及其在電子測(cè)量技術(shù)與儀器上的應(yīng)用 ， 新的測(cè)試?yán)碚?、新的測(cè)試方法、新的測(cè)試領(lǐng)域及新的儀器結(jié)構(gòu)不斷出現(xiàn) ， 許多方面已經(jīng)突破傳統(tǒng)的儀器概念 ， 電子測(cè)量?jī)x器的功能和結(jié)構(gòu)己經(jīng)發(fā)生了質(zhì)的變化。在這種背景下 ， 八十年代末美國(guó)率先河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 3 研制了虛擬儀器 (Virtual Instruments)。 虛擬儀器就是利用現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)加上特殊設(shè)計(jì)的儀器硬件和專(zhuān)用軟件 ， 形成既有普通儀器的基本 功能 ， 又有一般儀器沒(méi)有的特殊功能的高檔、低價(jià)的新型儀器。 虛擬儀器利用個(gè)人計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形環(huán)境和在線(xiàn)幫助功能 ， 建立虛擬儀器面板 ， 完成對(duì)儀器的控制、數(shù)據(jù)分析與顯示。代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器 ， 改變了傳統(tǒng)儀器的使用方式 ， 提高儀器的功能和使用效率 ， 同時(shí)大大降低了儀器的價(jià)格 ，使用戶(hù)可以根據(jù)自己的需要定義儀器的功能。用于虛擬儀器的開(kāi)發(fā)環(huán)境目前有兩大類(lèi) ： 一是文本式的編程語(yǔ)言 ， 如 Visual Basic， Visual C++、LabWindow/CVI等 ， 另一類(lèi)是圖形化編程語(yǔ)言 ， 具有代表性的有 LabVIEW， HPVEE。其中影響最 大的要數(shù) LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench， 實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺(tái) )語(yǔ)言 ， 被稱(chēng)為“儀器儀表界面” ， 是專(zhuān)為數(shù)據(jù)采集與儀器控制、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)表達(dá)而設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)軟件 [1]。 167。 本課題研究的意義 167。 設(shè)計(jì)的依據(jù)及意義 虛擬儀器（ Virtual Instrumention）是基于計(jì)算機(jī)的儀器。計(jì)算機(jī)和儀器的密切結(jié)合是目前儀器發(fā)展的一個(gè)重要方向。虛擬儀器實(shí)際上是一個(gè)按照儀器需求組織的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。虛擬儀器的研究中涉及的基礎(chǔ)理論主要有計(jì)算機(jī) 數(shù)據(jù)采集和數(shù)字信號(hào)處理。目前在這一領(lǐng)域內(nèi)，使用較為廣泛的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言是美國(guó) NI 公司的 LabVIEW。 目前 ， 在大多數(shù)院校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中 ， 常用的仍然是功能固定的臺(tái)式儀器 ， 主要有 存儲(chǔ) 示波器 、 函數(shù) 信號(hào) 發(fā)生器 、頻率計(jì)、 實(shí)驗(yàn)箱 、 電源等。對(duì)于一個(gè)高等院校而言 ， 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)最少需要配備 30 套設(shè)備 ， 每套造價(jià)近萬(wàn)元 ， 其負(fù)擔(dān)是可想而知的。更由于電子設(shè)備更新快 ， 時(shí)間一久 ， 進(jìn)行正常的實(shí)驗(yàn)對(duì)于好多院校都是一個(gè)困難。另外 ， 臺(tái)式機(jī)操作復(fù)雜 ， 調(diào)試?yán)щy ，受干擾程度高 ， 在教學(xué)中不易受學(xué)員接受。而采用虛擬儀器教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) ，首先 ， 儀器使用軟件實(shí)現(xiàn) ， 我們可以把以上所說(shuō)的幾種儀器集成在一個(gè)系統(tǒng)中 ， 運(yùn)用不同切換過(guò)程 ， 可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)教學(xué) 的 目的 。 本課題利用 LabVIEW軟件和 FPGA的通訊在計(jì)算機(jī)屏幕上實(shí)現(xiàn)虛擬儀器河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 4 平臺(tái)面板，此虛擬儀器平臺(tái)上包括 函數(shù) 信號(hào)發(fā)生器、存儲(chǔ)示波器和頻率計(jì)儀器，用戶(hù)可以通過(guò)鼠標(biāo)對(duì)操作面板的按鈕、開(kāi)關(guān)和按鍵，進(jìn)行上述儀器的功能切換并設(shè)置各種工作參數(shù)，來(lái)控制和操作相應(yīng)的儀器。測(cè)量和分析結(jié)果可以從虛擬儀器面板上讀出。用戶(hù)在屏幕上通過(guò)虛擬儀器面板對(duì)儀器的操作如同在真實(shí)儀器上的操作一樣直觀、方便、靈活。利用虛擬儀器開(kāi)設(shè)綜合性、創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)，使理論教學(xué) 與實(shí)踐更好的緊密結(jié)合，教學(xué)更生動(dòng)、更形象，全面提高學(xué)生工程素質(zhì)。同時(shí)還可以激發(fā)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣，使學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能、創(chuàng)新能力得到顯著提高。由于此儀器平臺(tái)具有多臺(tái)儀器的功能，實(shí)驗(yàn)所需儀器的占地面積被減小，相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備過(guò)程被大大的簡(jiǎn)化。 函數(shù) 信號(hào)發(fā)生器 、 頻率計(jì)和存儲(chǔ)示波器作為實(shí)驗(yàn)課程上必備的實(shí)驗(yàn)儀器，本課題設(shè)計(jì)虛擬儀器平臺(tái)比傳統(tǒng)的更加靈活，節(jié)約成本。教師在教學(xué)過(guò)程中不需要在一臺(tái)真實(shí)的儀器前操作，只需在電腦上即可完成儀器的演示。虛擬儀器的教學(xué)更好的結(jié)合了理論與實(shí)踐相結(jié)合，使學(xué)生的軟件與硬件技能同步提高，虛擬儀器軟硬 件上模塊化的設(shè)計(jì)使學(xué)生在學(xué)習(xí)的方式上更加靈活，也容易掌握。由此可見(jiàn)，就課程的開(kāi)設(shè)和學(xué)生的實(shí)際情況來(lái)講虛擬儀器教學(xué)是可行的，虛擬儀器平臺(tái)的設(shè)計(jì)對(duì)于我們?nèi)蘸蠼虒W(xué)是有一定的意義的。 167。 國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 早在八十年代 ， 隨著 NI 旗航產(chǎn)品 LabVIEW 的誕生 ， NI 就提出“軟件就是儀器的口號(hào)” ， 開(kāi)辟了“虛擬儀器技術(shù)”的嶄新測(cè)量概念。從九十年代開(kāi)始 ， 國(guó)內(nèi)一些大學(xué)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)領(lǐng)域相繼開(kāi)展了虛擬儀器系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)工作。目前 ， 我國(guó)部分高校還正在開(kāi)展虛擬儀器的研究工作 ， 重點(diǎn)在于研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的虛擬儀器軟件平臺(tái) ， 并開(kāi)發(fā)響應(yīng)的虛擬 儀器設(shè)備。20xx 年 10 月和 20xx 年 1 月 NI 分別聯(lián)合吉林大學(xué)和華中科技大學(xué)創(chuàng)建LabVIEW 實(shí)驗(yàn)室； 20xx 年 12 月清華大學(xué)與美國(guó)國(guó)家儀器公司在精密儀器和機(jī)械系新建虛擬儀器聯(lián)合教學(xué)實(shí)驗(yàn)室。 LabVIEW 作為一種模塊化、 圖形化程序設(shè)計(jì) 工具具有 圖形化程序設(shè)計(jì)編程簡(jiǎn)單、直觀、開(kāi)發(fā)效率高 、測(cè)試系統(tǒng)開(kāi)發(fā)完整等優(yōu)點(diǎn) 。 在國(guó)內(nèi)外 ， 航天、航空、通信、汽車(chē)、半導(dǎo)體、自動(dòng)控制和生物醫(yī)學(xué)等世界范圍的眾多河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 5 領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛應(yīng)用使得非專(zhuān)業(yè)人員進(jìn)行虛擬儀器開(kāi)發(fā)變得容易。 在虛擬儀器的硬件構(gòu)成中 ， 數(shù)據(jù)采集卡的性能是最重要的。由于 PCI 總 線(xiàn)傳輸速率高 ， 數(shù)據(jù)吞吐量大 ， 因此基于 PCI 總線(xiàn)的 數(shù)據(jù)采集卡 成為設(shè)計(jì)的 主流 。但是由于數(shù)據(jù)采集卡價(jià)格昂貴 ， 且教學(xué)實(shí)驗(yàn)波形精確度要求不高 ， 也可采用基于 NiosⅡ與 LabVIEW 的函數(shù)波形發(fā)生器設(shè)計(jì) ， 即采用 FPGA結(jié)合微處理器的形式。 DDS 部分功能由 FPGA 來(lái)實(shí)現(xiàn) ， 微處理器用于完成控制功能 ， 再運(yùn)用 SOPC 技術(shù)基于 FPGA 芯片將處理器、存儲(chǔ)器、 I/O 等系統(tǒng)需要的模塊集成到一起 ， 軟硬件可裁減 ， 并具備在系統(tǒng)可編程的功能 ， 可大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)電路 ， 提高系統(tǒng)集成度。 167。 關(guān)于 LabVIEW 167。 開(kāi)發(fā)環(huán)境 LabVIEW 孤立的計(jì)算機(jī)硬件 和 I/O 接口設(shè)備均無(wú)法完成測(cè)試任務(wù) ， 軟件技術(shù)在自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的研制與開(kāi)發(fā)中正在起著越來(lái)越重要的作用。 LabVIEW 編程語(yǔ)言是美國(guó)最大的虛擬儀器制造商 NI 公司推出的一種基于 G 語(yǔ)言(Graphics Language)的虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)工具。 LabVIEW 是“實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺(tái)（ Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）”的縮寫(xiě) ， 用于 LabVIEW 設(shè)計(jì)的虛擬儀器可脫離 LabVIEW 開(kāi)發(fā)環(huán)境 ， 用戶(hù)最終看見(jiàn)的是和實(shí)