【正文】 .................. 43 附錄Ⅳ實物圖 ....................................................... 48 西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (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 ,隨著計算機技術(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。 LabVIEW內(nèi)置信號采集、測量分析與數(shù)據(jù)顯示功能，同時還保證了系統(tǒng)的靈活性。 低頻模擬信號顯示分析器 的設(shè)計 主要分為上位機和下位機兩部分，下位機主要是利用 C8051F340單片機對信號采樣并將得到的信號通過 USB接口發(fā)送給 PC機。西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 低頻模擬信號波形顯示分析器設(shè)計的論文 摘 要 傳統(tǒng)的示波器其功能完全依靠硬件實現(xiàn)，功能單一且維護費用高，更重要的是功能一旦確定便不能更改。上位機主要是由 PC機端的 GUI界面進行波形顯示、存儲、頻譜分析，而且 PC機端的 GUI界面主要利用 LabVIEW來實現(xiàn)。 經(jīng)過調(diào)試，最后驗證本設(shè)計實現(xiàn)了以上所提到的功能，具有合理可行性。虛擬儀器是指 :利用現(xiàn)有的 PC 機，加上特殊設(shè)計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。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?；?LabVIEW 的虛擬信號波形顯示分析器具有機交互性好、易于操作等特點，能夠廣泛的應(yīng)用與于科研、生產(chǎn)等領(lǐng)域 [1]。使用圖標(biāo)和連線，可以通過編程對前面板上的對象進行控制。因此， LabVIEW 是一個面向最終用戶的工具。 西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 2 針對以上現(xiàn)狀，本設(shè)計提出以下方案：總體設(shè)計主要分為上位機和下位機兩部分，下位機主要是利用 C8051F340單片機對信號采樣并將得到的信號通過 USB接口發(fā)送給 PC 機，上位機主要是由 PC 機端的 GUI 界面進行波形顯示、頻譜分析，而且 PC 機端的 GUI 界 面主要利用 LabVIEW 來實現(xiàn)。第三章是系統(tǒng)軟件的設(shè)計，針對對系統(tǒng)軟件的功能、總體設(shè)計和各個部分的具體設(shè)計實現(xiàn)作詳細的介紹。然后細化到每個模塊的方案如何選擇，最后根據(jù)設(shè)計的方案進行了整個論文的章節(jié)安排。另外， V. A. Kotelnikov 也對這個定理做了重要貢獻。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。采樣定理在數(shù)字式遙測系統(tǒng)、 時分制遙測系統(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]。它包含高速流水線的 8051 兼容微控制器核，運行速率可以高達 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 個或 2 個機器周期中執(zhí)行； USB 功能控制器具有完整的 USB 2． 0 認證，支持全速與低速操作，可 以用于大多數(shù) USB 外設(shè)設(shè)計。 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環(huán)境中，讓開發(fā)人員可以在自己的平臺上無縫地集成一套完整的應(yīng)用方案 [4] 。顯然，要完成 USB 通信需要 PC 機端 (USB 主機 )與 C805IF340 單片機端 (USB器件 )共同協(xié)作。 USBXpress開發(fā)套件提供的各種軟件庫通過一系列函數(shù)實現(xiàn)單片機端和 PC機端的應(yīng)用程序接口(API)。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。它的功能是對前面板上的控件進行定義、操作和連線以實現(xiàn)虛擬儀器的功能，是 LabVIEW程序設(shè)計的核心。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。 在 VI設(shè)計過程中，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)選板進行設(shè)計。 上位機上 PC機端的 GUI界面主要利 用 LabVIEW做成虛擬示波器，進行波形顯示、頻譜分。通過以上設(shè)計系統(tǒng)構(gòu)架框圖如 圖 13如所示。 全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口（片內(nèi)） 。 片內(nèi)電壓基準(zhǔn)和和溫度傳感器 。 多達 4352字節(jié)片內(nèi) RAM（ 256+4KB） 。 西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 9 多達 40個端口 I/O（容許 5V輸入） 。 片內(nèi) Silicon Labs二線（ C2）開發(fā)接口允許使用安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)上的產(chǎn)品MCU進行非侵入式（不占用片內(nèi)資源）、全速、在系統(tǒng)調(diào)試。 每種器件都可在工業(yè)溫度范圍（ 45℃ 到 +85℃ ）內(nèi)用 。 C8051F340/1/2/3/4/5/6/7采用 48腳 TQFP封裝或 32腳 LQFP封裝。萬用表和邏輯筆使用方法比較簡單，而邏輯分析儀和存儲示波器目前在數(shù)字電路教學(xué)實驗中應(yīng)用還不十 分普遍。 本次所用示波器如下圖 : 西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 11 圖 17 示波器 軟件環(huán)境 1.、 單片機開發(fā)軟件 Keil C51 簡介 Keil C51 是美國 Keil Software 公司出品的 51 系列兼容單片機 C 語言軟件開發(fā) 系統(tǒng)。另外重要的一點是 Keil C51 生成的目標(biāo)代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。如今LabVIEW 已應(yīng)用到航空、電子、通信、工業(yè)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。驗證 LabVIEW 界面功能對 LabVIEW 界面的檢測實際是對上位機的整體檢測，通過 LabVIEW 界面信號顯示 和頻譜的顯示進而確保整個設(shè)計的初步成功。主要分為上位機和下位機兩部分具體進行了說明。本章主要對測試系統(tǒng)硬件的功能、測試系統(tǒng)硬件總體設(shè)計、測試系統(tǒng)硬件詳細設(shè)計進行介紹。 硬件功能主要是搭建下位機的 C8051F340 單片機系統(tǒng)構(gòu)成。 西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 14 C 8 0 5 1 F 3 4 0U S BP C 機供 電 電 路 復(fù) 位 電 路J T A G時 鐘 電 路被 測 信 號 圖 21 系統(tǒng)總體功能流程圖 硬件詳細設(shè)計 本小節(jié)主要介紹硬件電路中各自包含的大小模塊的具體電路及電路中個元器件的選擇等。其中的 D+、 D_分別要接到單片機的 9 引腳。也就是說單片機接收正脈沖開始復(fù)位，在正脈沖的下降沿啟動單片機。s）。s。F。此外， RST/C2CK 和單片機的 13 引腳 /RST/C2CK 相西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 17 連。 USB 具有可以 熱插拔 、攜帶方便、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、可以連接多個設(shè)備、安裝方便、結(jié)構(gòu)簡單、高帶寬、易于擴展等優(yōu)點 ， 已逐漸成為現(xiàn)代數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌l(fā)展趨勢。與自制的變壓器產(chǎn)生的 5V 供電系統(tǒng)相比，由 USB 供出的 5V電壓電路安全而且簡單易得，它所提供的功率不超過 ，最大輸出電流為 500mA，電壓一般為 5V177。 原理圖的設(shè)計是整個設(shè)計的基礎(chǔ)，它決定了后面整個工作的進展。其次， 在設(shè)計系統(tǒng)原理的圖時，最好能把系統(tǒng)分成幾個小模塊，分開去設(shè)計。 系統(tǒng)整體 PCB 圖設(shè)計 由 于本設(shè)計單片機 C8051F340 的原理圖采用 Altium Designer Summer 09 軟件繪制。 軟件功能概述 根據(jù)系統(tǒng)功能要求，系統(tǒng)的軟件設(shè)計可分為兩大模塊： 下位機信號的采樣及發(fā)送 部分和 上位機對信號的分析 部分 ， 具體 功能 描述如下 。 這里其實是一個中間環(huán)節(jié)，是將上位機和下位機連接到一塊的中介，通過對 USB 端口的設(shè)計將采樣后的信號發(fā)送到 PC 機上。主要是下位機的信號采樣和發(fā)送和上位機我頻譜顯示和分析程序框圖。再進行對信號的采樣和發(fā)送程序部分，本次設(shè)計主要采用的是采樣一組數(shù)據(jù)發(fā)送一組數(shù)據(jù)的流程。 2. 處理 USB 總線的程序 代碼 USB_Clock_Start()。 RSTSRC |= 0x02。 單 片 機 初 始 化 子 程 序 開 始看 門 狗 定 時 器 初 始 化器 件 時 鐘 初 始 化器 件 I / O 端 口 初 始 化單 片 機 初 始 化 子 程 序 結(jié) 束 圖 34 C8051F340 初始化流程圖 看門狗定時器的初始化：通過對特殊寄存器 PCA0MD 的 WDTE 位將看門狗定西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 24 時器使能，如果該位被置 “1”， PCA 模塊 4 被用作看門狗定時器，若為 ?0?看門狗定時器被禁止。 本設(shè)計主要有端口初始化，定時器初始化， ADC 初始化，時鐘初始化。 將引腳分配給要使用的外設(shè)（ XBR0、 XBR XBR2）。具體程序如下： while (1) { if(AD_flag2==1) { AD_flag2=0。最后改為采樣一組數(shù)據(jù)再發(fā)送，以上程序就是為此設(shè)計。 if(num=1500) { num=0。 num++。 } } AD0INT = 0。它的功能是對前面板上的控件進行定義、操作和連線以實現(xiàn)虛擬儀器的功能，是 LabVIEW 程序設(shè)計的 核心。本次設(shè)計程序框圖如下 : 西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 27 圖 36 后面板框圖 一 一般， Iabview 的上層應(yīng)用程序通過調(diào)用 USBXpress提供的 USB主 機 API函數(shù)實現(xiàn)對下層 USB硬件訪問的程序流程如圖 37所示。本設(shè)計用到的節(jié)點具體介紹如下。 同理我們可以得到 USB讀寫延遲功能如下圖。右鍵單擊圖表，從快捷菜單中選擇圖表西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 30 歷史長度可配置緩沖區(qū)大小。圖表將這些輸入作為單條曲線上的新數(shù)據(jù)。下面是本次設(shè)計的波形圖標(biāo)部分 [17]。 加窗 —在 信號 上使用 Low Side Lobe窗 。 最大峰 —測量 信號 的最高正峰值。 周期均方根 —測量周期性輸入信號完整周期的均方根值。 驗證 USB 通信 在運用 LabVIEW 之前檢測自己設(shè)計的方案時，必須先保證上位機設(shè)計的合理性與成功性，為此我們必須先對其進行 USB 通信成功的檢測，進而保證后面實驗的可行性。 西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 33 調(diào)試方案 驗證 USB 通信成功 在 LabVIEW 上檢測通信成功是要在后面板設(shè)置探針檢測線路是否聯(lián)通。 硬件方面檢測 本設(shè)計是利用 C8051F340 單片機實現(xiàn)信號采樣。 調(diào)試結(jié)果 本設(shè)計在 LabVIEW 上對信號采集時主要對三種波形進行了采集，方波，正玄波和三角波。 具體測 試結(jié)果如下 : 西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 35 界面圖 b. 幅度譜 c. 被測信號 以上是幅度 3V 頻率為 ,20xxHZ,3000HZ,行測試。 在 Labview 上呈現(xiàn)的波形沒有下半部分。 分析：由于被測信號不對，或者采樣頻率過小問題。對于三種波形，正弦波，三角波，方波進行 比較可以對比顯示不同波形。 第 5 章 結(jié)論與展望 本章主要對整個系統(tǒng)的設(shè)計過程做出了總結(jié)，得出了系統(tǒng)工作的最后結(jié)論，并且根據(jù)不足做出了展望。上位機實現(xiàn)了由 PC 機端的 GUI 界面進行波形顯示、存儲、頻譜分析，而且 PC 機端的 GUI界面主要利用 LabVIEW 來實現(xiàn)。硬件設(shè)計上，完成了原理圖的基本設(shè)計，并且畫了對應(yīng)的 PCB 圖，經(jīng)過調(diào)試可以很好的工西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 38 作。本設(shè)計的另一特點是對每個頻譜進行了直接的顯示。 結(jié)論與分析 通過不斷地改進本設(shè)計基本達到了預(yù)期的結(jié)果，實現(xiàn)了對信號的采樣，波形顯示，和頻譜分析。 解決：最終發(fā)現(xiàn)是硬件問題，沒有注意到加入直流信號，加入直流信號 后經(jīng)過調(diào)試出現(xiàn)完整圖形。由于不同波形對頻譜分析無影響，加之以上已經(jīng)可以說明不同波形的顯示情況，所以在對 1V 進行測試時我們只測一種波形進 西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 36 界面圖 b. 幅度譜 c. 被測信號 圖 423 4000HZ 1V 正玄波 調(diào)試過程中遇到的問題及解決方案 在系統(tǒng)的調(diào)試過程中，產(chǎn)生的問題多種多樣。所以在幅度方面主要分 1V 和 3V 進行了檢測。 C8051F340 單片機的硬件設(shè)計方案如圖 42 所