【正文】 件方面檢測 .......................................... 33 檢測被測信號(hào) .......................................... 34 整體調(diào)試 .............................................. 34 調(diào)試結(jié)果 ................................................... 34 調(diào)試過程中遇到的問題及解決方案 ............................. 36 結(jié)論與分析 .................................................. 36 第 5 章 結(jié)論與展望 .................................................. 37 西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 結(jié)論 ........................................................ 37 展望 ........................................................ 38 參考文獻(xiàn) ........................................................... 39 致 謝 .............................................. 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 附錄 Ⅰ 原理圖 ...................................................... 41 附錄Ⅱ 單片機(jī)系統(tǒng)原 ................................................ 42 附錄Ⅲ 主程序 ....................................................... 43 附錄Ⅳ實(shí)物圖 ....................................................... 48 西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 1 前 言 自從 1986 年美國 NI(National Instrument)公司提出虛擬儀器的概念以來 ,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和測量技術(shù)的發(fā)展 ,虛擬儀器技術(shù)也得到很快的發(fā)展。虛擬儀器是指 :利用現(xiàn)有的 PC 機(jī)，加上特殊設(shè)計(jì)的儀器硬件和專用軟件 ， 形成既有普通儀器的基本功能 ， 又有一般儀器所沒有的特殊功能的新型儀器。與傳統(tǒng)的儀器相比其特點(diǎn)主要有 ： 具有更好的測量精度和可重復(fù)性 ； 測量速度快 ； 系統(tǒng)組建時(shí)間短 ； 由用戶定義儀器功能。虛擬儀器以軟件為核心 ， 其軟件又以美國 NI公司的 LabVIEW虛擬儀器軟件開發(fā)平臺(tái)最為常用。 LabVIEW 是一 種圖形化的編程語言 ， 主要用來開發(fā)數(shù)據(jù)采集，儀器控制及數(shù)據(jù)處理分析等軟件 ， 功能強(qiáng)大。目前 ， 該開發(fā)軟件在國際測試、測控行業(yè)比較流行 ,在國內(nèi)的測控領(lǐng)域也得到廣泛應(yīng)用。信號(hào)波形顯示分析器是在科學(xué)研究和工程設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用的一種通用儀器。 LabVIEW作為一個(gè)圖形化編程軟件，是開發(fā)測試系統(tǒng)的一種功能強(qiáng)大、方便快捷的編程工具。其良好的相通性、開放性、專用性，使測試系統(tǒng)的開發(fā)周期短、成本低、質(zhì)量高?；?LabVIEW 的虛擬信號(hào)波形顯示分析器具有機(jī)交互性好、易于操作等特點(diǎn)，能夠廣泛的應(yīng)用與于科研、生產(chǎn)等領(lǐng)域 [1]。 傳統(tǒng)文本 編程語言根據(jù)指令的先后順序決定程序執(zhí)行順序，但 LabVIEW 則采用數(shù)據(jù)流編程方式，程序框圖中節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)流向決定了 VI 及函數(shù)的執(zhí)行順序。 LabVIEW 提供很多外觀與傳統(tǒng)儀器（如示波器、萬用表）類似的控件，可用來方便地創(chuàng)建用戶界面。用戶界面在 LabVIEW 中被稱為前面板。使用圖標(biāo)和連線，可以通過編程對(duì)前面板上的對(duì)象進(jìn)行控制。這就是圖形化源代碼，又稱G 代碼。 LabVIEW 的圖形化源代碼在某種程度上類似于流程圖，因此又被稱作程序框圖。 LabVIEW 盡可能利用了技術(shù)人員、科學(xué)家、工程師所熟悉的術(shù)語、 圖標(biāo)和概念。因此， LabVIEW 是一個(gè)面向最終用戶的工具。它可以增強(qiáng)你構(gòu)建自己的科學(xué)和工程系統(tǒng)的能力，提供了實(shí)現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷途徑。使用它進(jìn)行原理研究、設(shè)計(jì)、測試并實(shí)現(xiàn)儀器系統(tǒng)時(shí)，可以大大提高工作效率。利用LabVIEW，可產(chǎn)生獨(dú)立運(yùn)行的可執(zhí)行文件。 西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 2 針對(duì)以上現(xiàn)狀，本設(shè)計(jì)提出以下方案：總體設(shè)計(jì)主要分為上位機(jī)和下位機(jī)兩部分，下位機(jī)主要是利用 C8051F340單片機(jī)對(duì)信號(hào)采樣并將得到的信號(hào)通過 USB接口發(fā)送給 PC 機(jī)，上位機(jī)主要是由 PC 機(jī)端的 GUI 界面進(jìn)行波形顯示、頻譜分析，而且 PC 機(jī)端的 GUI 界 面主要利用 LabVIEW 來實(shí)現(xiàn)。 論文共分為五章。第一章提出設(shè)計(jì)中的一些基本原理和相關(guān)硬件、軟件的基本介紹。第二章是系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的介紹，包括硬件的功能描述和硬件的總體設(shè)計(jì)及詳細(xì)設(shè)計(jì)。第三章是系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)，針對(duì)對(duì)系統(tǒng)軟件的功能、總體設(shè)計(jì)和各個(gè)部分的具體設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)作詳細(xì)的介紹。第四章系統(tǒng)的調(diào)試和分析部分，這章主要對(duì)調(diào)試的過程作了詳盡的描述，并對(duì)調(diào)試過程中產(chǎn)生的問題進(jìn)行了分析。第五章是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的結(jié)論與展望，本章對(duì)結(jié)論作了詳細(xì)的說明 ,展望是對(duì)于本次設(shè)計(jì)中的問題提出了一些個(gè)人見解 。 西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 3 第 1章 系統(tǒng) 原理與方案 本章主要介紹了數(shù)據(jù)采樣原理 ,USB 通信原理，及模擬示波器設(shè)計(jì)原理。然后細(xì)化到每個(gè)模塊的方案如何選擇，最后根據(jù)設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行了整個(gè)論文的章節(jié)安排。 基本原理 采樣的基本原理 采樣定理，又稱香農(nóng)采樣定理，奈奎斯特采樣定理，是信息論，特別是通訊與信號(hào)處理學(xué)科中的一個(gè)重要基本結(jié)論。 E. T. Whittaker(1915 年發(fā)表的統(tǒng)計(jì)理論 ),克勞德 香農(nóng) 與 Harry Nyquist 都對(duì)它作出了重要貢獻(xiàn)。另外， V. A. Kotelnikov 也對(duì)這個(gè)定理做了重要貢獻(xiàn)。 在 進(jìn)行模擬 /數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換過程中，如果采樣頻率大于信號(hào)中最高頻率fmax 的 2 倍時(shí) (=2fmax)，采樣之后的數(shù)字信號(hào)完整地保留了原始信號(hào)中的信息，一般實(shí)際應(yīng)用中保證采樣頻率為信號(hào)最高頻率的 5～ 10 倍 ， 采樣定理又稱奈奎斯特定理 。 1924 年 奈奎斯特 (Nyquist)就推導(dǎo)出在 理想低通信道 的最高 碼元傳輸速率 的公式 : 理想低通信道的最高碼元傳輸速率 B=2W Baud (其中 W 是理想 ) 圖 11模擬采樣示意圖 采樣定理： 西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 4 理想信道的極限信息速率（信道容量） C = B * log2 N ( bps ) 采樣過程所應(yīng)遵循的規(guī)律，又稱 取樣定理 、抽樣定理。采樣定理說明采樣頻率與 信號(hào)頻譜 之間的關(guān)系，是 連續(xù)信號(hào) 離散化 的基本依據(jù)。采樣定理是 1928 年由 美國 電信工程師 ，因此稱為奈奎斯特采樣定理。 1933年由 蘇聯(lián) 工程師科捷利尼科夫首次用 公式 嚴(yán)格地表述這一定理，因此在蘇聯(lián)文獻(xiàn)中稱為科捷利尼科夫采 樣定理。 1948 年信息論的創(chuàng)始人 明確地說明并正式作為定理引用，因此在許多文獻(xiàn)中又稱為 香農(nóng)采樣定理 。采樣定理有許多表述形式，但最基本的表述方式是時(shí)域采樣定理和 頻域 采樣定理。采樣定理在數(shù)字式遙測系統(tǒng)、 時(shí)分制遙測系統(tǒng) 、信息處理、數(shù)字通信和采樣控制理論等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用 [3]。 API 實(shí)現(xiàn) USB 通信原理 USB 無疑已經(jīng)成為 21 世紀(jì)嵌入式系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)外部串行接口；然而開發(fā) USB外設(shè)，需要面對(duì)微處理器和 USB 控制器的選擇，熟悉 Windows 驅(qū)動(dòng)程序，開發(fā)微處理器固件程序和 PC 機(jī)端應(yīng)用程序等諸多問題，開發(fā)工作既專業(yè)又麻煩。簽于此，應(yīng)用包含片上 USB 控制器的 C8O51F340 單片機(jī)和進(jìn)行 PC 機(jī)端 GUI 用戶應(yīng)用程序開發(fā)的 LabVIEW 軟件為基礎(chǔ)的一種基于 API 實(shí)現(xiàn) USB 通信的開發(fā)方法，從而了解和熟悉 USB 外設(shè)的 API 開發(fā)方法。 C8O5IF340 是 Silicon Laboratories 公司最新推出的可提供 USB 功能的混合信號(hào)微控制器。它包含高速流水線的 8051 兼容微控制器核，運(yùn)行速率可以高達(dá) 48 MIPS； 64 KB 的芯片內(nèi)建閃存與 5 376 字節(jié)的 RAM，片上外設(shè)引腳可以軟件配置， 70 的指令可以在 1 個(gè)或 2 個(gè)機(jī)器周期中執(zhí)行； USB 功能控制器具有完整的 USB 2． 0 認(rèn)證，支持全速與低速操作，可 以用于大多數(shù) USB 外設(shè)設(shè)計(jì)。另外， Silicon Laboratories 公司還為 USB 驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)提供了 USBXpress 開發(fā)套件，使得 USB 主機(jī)和從機(jī)驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)可以快捷、高效地完成。 LabVIEW 是一個(gè)具有革命性的圖形化開發(fā)環(huán)境。它內(nèi)置信號(hào)采集、測量分析與數(shù)據(jù)顯示功能，摒棄了傳統(tǒng)開發(fā)工具的復(fù)雜性，為用戶提供強(qiáng)大功能的同時(shí)還保證了系統(tǒng)的靈活性。 LabVIEW 將廣泛的數(shù)據(jù)采集、分析與顯示功能集中在了同一個(gè)環(huán)境中，讓開發(fā)人員可以在自己的平臺(tái)上無縫地集成一套完整的應(yīng)用方案 [4] 。 利用 LabVIEW 軟件開發(fā) PC 機(jī)端 USB 應(yīng)用程序，不僅可以獲得具有良西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 5 好人機(jī)交互的 GUI 界面，而且將極大地加快開發(fā)進(jìn)程 [4]。 USB 外設(shè)開發(fā)除了硬件設(shè)計(jì)外，大部分工作集中在固件編程和 PC 機(jī)端驅(qū)動(dòng)程序以及用戶應(yīng)用程序的開發(fā)上。一般利用 API 實(shí)現(xiàn) USB 通信的原理框圖如圖 1所示。顯然，要完成 USB 通信需要 PC 機(jī)端 (USB 主機(jī) )與 C805IF340 單片機(jī)端 (USB器件 )共同協(xié)作。在 PC 機(jī)端，需要首先建立 USB 主機(jī)驅(qū)動(dòng)程序，然后編寫用戶應(yīng)用程序，進(jìn)而利用 API 函數(shù)實(shí)現(xiàn)用戶應(yīng)用程序從 USB 主機(jī)驅(qū)動(dòng)處獲取 USB 數(shù)據(jù)包，并完成相應(yīng)的 USB 讀寫操作； 在單片機(jī)端，同樣需要先調(diào)用 USB 器件驅(qū)動(dòng)程序，然后編寫應(yīng)用程序，而應(yīng)用程序通過 USB 器件驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)訪問 USB 底層硬件。 U S B X p r e s s 主 機(jī) 驅(qū) 動(dòng)U S B X p r e s s 器 件 驅(qū) 動(dòng)應(yīng) 用 程 序A P I應(yīng) 用 程 序P C 機(jī)單 片 機(jī) 圖 12 USB通信原理圖 由于有了 Silicon Laboratories公司提供的 USBX—press的開發(fā)套件，上述驅(qū)動(dòng)以及應(yīng)用程序的編寫變得極為簡便。通過在 Windows操作系統(tǒng)環(huán)境下安裝USBX—press軟件，就可以直接獲得 USB主機(jī)驅(qū)動(dòng)程序 (在 US—BXpress安裝目錄下的 Driver目錄中 )、 USB主機(jī) API(USBXpress安裝目錄下的 SiUSBXp． dl1)以及USB器件驅(qū)動(dòng)程 (USBXpress安裝目錄下的 USBX—F34X． LIB)。 USBXpress開發(fā)套件提供的各種軟件庫通過一系列函數(shù)實(shí)現(xiàn)單片機(jī)端和 PC機(jī)端的應(yīng)用程序接口(API)。這些函數(shù)封裝了 USB協(xié)議的細(xì)節(jié)，使得程序開發(fā)人員不需要了解 USB的過多細(xì)節(jié)即可使用 USB進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。因此對(duì) USB通信開發(fā)來說，要做的僅僅是USB主機(jī)和 USB器件的具體應(yīng)用程序開發(fā)，以及 API函數(shù)的直接調(diào)用。 LabVIEW 軟件設(shè)計(jì)基本原理 我們把用 LabVIEW實(shí)現(xiàn)的一個(gè)完整的 LabVIEW應(yīng)用程序成為一個(gè)虛擬儀器，稱為 VI。所有的 VI，它包括前面板、程序框圖圖以及圖標(biāo) /連結(jié)器三部分。 西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 6 前面板，前面板是圖形用戶界面，也就是 VI的虛擬儀器面板，前面板直接面向用戶，是用戶使用虛擬儀器的基本操作面板。這一界面上有用戶輸入和顯示輸出兩類對(duì)象，具體表現(xiàn)有開關(guān)、旋鈕、圖形以及其他控制和顯示對(duì)象。 程序框圖提供 VI的圖形化源程序。它的功能是對(duì)前面板上的控件進(jìn)行定義、操作和連線以實(shí)現(xiàn)虛擬儀器的功能，是 LabVIEW程序設(shè)計(jì)的核心。在程序框圖中存在著對(duì) VI編程，以控制和操縱定義在前面板上的輸入和 輸出。它包括前面板上的控件和控件的連線端子，還有一些前面板上沒有，但編程必須有的東西，例如函數(shù)、結(jié)構(gòu)和連線等 [17]。如果將 VI與標(biāo)準(zhǔn)儀器相比較，那么前面板上的東西就是儀器面板上的東西，而流程圖上的東西相當(dāng)于儀器箱內(nèi)的東西。在許多情況下，使用 VI可以仿真標(biāo)準(zhǔn)儀器，不僅在屏幕上出現(xiàn)一個(gè)惟妙惟肖的標(biāo)準(zhǔn)儀器面板，而且其功能也與標(biāo)準(zhǔn)儀器相差無幾。 VI具有層次化和結(jié)構(gòu)化的特征，一個(gè) VI可以作為子程序，這里稱為子 VI，被其他 VI調(diào)用。圖標(biāo)與連接器在這里相當(dāng)于圖形化的參數(shù)。 LabVIEW的強(qiáng)大功能歸因于它的層次 化結(jié)構(gòu)，用戶可以把創(chuàng)建的 VI程序當(dāng)作子程序調(diào)用，以創(chuàng)建更復(fù)雜的程序，而這種調(diào)用的層次是沒有限制 [6]。 在 VI設(shè)計(jì)過程中，可以利用工具選板、前面板中的控件選板、程序框圖中的函數(shù)選板進(jìn)行設(shè)計(jì)。這些選板的詳細(xì)功能及用法通過