【正文】 ................................................ 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 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 ， 功能強大。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。用戶界面在 LabVIEW 中被稱為前面板。 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。利用LabVIEW，可產(chǎn)生獨立運行的可執(zhí)行文件。第二章是系統(tǒng)硬件設(shè)計的介紹，包括硬件的功能描述和硬件的總體設(shè)計及詳細(xì)設(shè)計。 西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (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)計原理。香農(nóng) 與 Harry Nyquist 都對它作出了重要貢獻(xiàn)。采樣定理說明采樣頻率與 信號頻譜 之間的關(guān)系，是 連續(xù)信號 離散化 的基本依據(jù)。采樣定理有許多表述形式，但最基本的表述方式是時域采樣定理和 頻域 采樣定理。 C8O5IF340 是 Silicon Laboratories 公司最新推出的可提供 USB 功能的混合信號微控制器。它內(nèi)置信號采集、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，為用戶提供強大功能的同時還保證了系統(tǒng)的靈活性。一般利用 API 實現(xiàn) USB 通信的原理框圖如圖 1所示。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主機驅(qū)動程序 (在 US—BXpress安裝目錄下的 Driver目錄中 )、 USB主機 API(USBXpress安裝目錄下的 SiUSBXp． dl1)以及USB器件驅(qū)動程 (USBXpress安裝目錄下的 USBX—F34X． LIB)。 LabVIEW 軟件設(shè)計基本原理 我們把用 LabVIEW實現(xiàn)的一個完整的 LabVIEW應(yīng)用程序成為一個虛擬儀器，稱為 VI。 程序框圖提供 VI的圖形化源程序。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。 LabVIEW的強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]。 將采樣得到的數(shù)據(jù)通過 USB接口發(fā)送給 PC機。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架 為了實現(xiàn)低頻模擬信號波形顯示器的設(shè)計，本設(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(jìn)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)。 高速、流水線結(jié)構(gòu)的 8051兼容的微控制器內(nèi)核（可達(dá) 48MIPS） 。 真正 10位 200 ksps的單端 /差分 ADC，帶模擬多路器 。 多達(dá) 64KB的片內(nèi) FLASH存儲器 。 片內(nèi)上電復(fù)位、 VDD監(jiān)視器和時鐘丟失檢測器 。用戶軟件對所有外設(shè)具有完全的控制，可以關(guān)斷任何一個或所有外設(shè)以節(jié)省功耗。兩個 C2接口引腳可以與用戶功能共享，使在系統(tǒng)調(diào)試功能不占用封裝引腳。端口 I/O和 /RST引腳都容許 5V的輸 入信號電壓。常用的電子測量儀器有萬用表、邏輯筆、普通示波器、存儲示波器、邏輯分析儀等。示波器由示波管和電源系統(tǒng)、同步系統(tǒng)、 X 軸偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)、 Y 軸偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)、延遲掃描系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)信號源組成。 Keil C51 軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全Windows 界面。 LabVIEW 編程主要是用簡單、直觀、易懂的框圖來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的程序代碼，并且其編程過程和思維過程很相似。驗證被測信號功能被測信號是本次設(shè)計的關(guān)鍵部分，是我們應(yīng)該首先保證的環(huán)節(jié)，通過示波器我們首先要保證三種被測信號的正常使用，為后面信號分析形成對比部分。 第三章是系統(tǒng)軟件的設(shè)計，在這章里將會對系統(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(xì)的介紹。 西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 13 第 2章 硬件設(shè)計 在設(shè)計的過程中，我們將系統(tǒng)功能分為硬件與軟件來分別實現(xiàn)。根據(jù)第一章系統(tǒng)方案，首先需要進(jìn)行整個系統(tǒng)的硬件設(shè)計，硬件的設(shè)計主要 根據(jù)系統(tǒng)所要達(dá)到的功能而進(jìn)行。 硬件總體設(shè)計 根據(jù)系本功能要求，需要完成以下設(shè)計：以 C8051F340 為核心的信號采樣系統(tǒng)， 實現(xiàn)過程如圖 21。 西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 15 Vin VoutGNDU1 C2C4LED1234P1USB 33pFC515pFC615pFC7C9VBUSD+DC8C101uF111 23 45 67 89 10JTAG+GNDGND NCRST/C2CKC2DRESETSWPB D+DVBUSC2DRST/C2CKREGIN113156D+8RST/C2CK1332VBUS12D9VDD101234GND7C2D141516171819202122232425262728293033343536373839404142434445464748C8051F340C8051F344C8051F341C8051F345U2C8051F340REGIN 10uFC11uFC3+1 23 45 6P2( 電源開關(guān)按鍵 1)+GND+NCNC+5VDD+GND+5VVDDR427R227R31KR11KR51KR6GND+GND+ 圖 22 C8051F340原理圖 供電電路 一般的電源適配器提供的都是 5V 的電壓，但 C8051F340 必須使用 的電壓，所以需要用 LM1117 的電源芯片進(jìn)行 5V到 的電壓轉(zhuǎn)換。單片機復(fù)位引 腳Reset 接收高電平進(jìn)行初始化；接收低電平，開始工作。 為可靠完成復(fù)位，單片機要求 Reset 引腳施加的正脈沖脈寬不小于 2 個機器周期（ 2181。s，要求加在 Reset 引腳的正脈寬不 小于 2181。根據(jù)上述要求，本設(shè)計 R23=10K， C 值取 10181。按鍵閉合時，電容通過 R6 可進(jìn)行放電，使電容的壓降為 0，當(dāng)按鍵斷開時，電容充電的過程與上電復(fù)位類似。 C101uF111 23 45 67 89 10JTAG+GNDGND NCRST/C2CKC2DRESETSWPBC2DRST/C2CK+GND+NCNC1KR51KR6 圖 25JTAG 電路 USB 通信與供電電路 USB 通信電路 USB 采用四線 電纜 ，其中兩根是用來傳送數(shù)據(jù)的 串行 通道，另兩根為下游設(shè)備提供電源。 電源電路 電源電路是為整個硬件系統(tǒng)提供能源的，它設(shè)計的 好壞也關(guān)乎著系統(tǒng)能否正常工作。 系統(tǒng)硬件原理圖設(shè)計 本設(shè)計單片機 C8051F340 的原理圖采用 Altium Designer Summer 09 軟件繪制。這樣一來可以節(jié)約時間，又可以能讓原理圖看起來更加的簡潔。 本設(shè)計單片機 C8051F340 的原理圖 詳見附錄 Ⅰ 。 西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 20 第 3章 軟件設(shè)計 硬件設(shè)計完成之后 ，需要編寫相應(yīng)的應(yīng)用程序，本章分 上位機 和 下位機 兩部分分別進(jìn)行詳細(xì)介紹。 通過 USB 端口實現(xiàn)將采樣得到的信號發(fā)送到 PC 機上。 軟件總體設(shè)計 軟件的設(shè)計在整個系統(tǒng)的設(shè)計中至關(guān)重要，該系統(tǒng)的軟件主要由主程序統(tǒng)領(lǐng)西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 21 下面的初始化程序和信號處理程序兩大板塊領(lǐng)導(dǎo)。 在設(shè)計時整個系統(tǒng)的工作流程，先 進(jìn)入主程序，然后是對 I/O 口， ADC,和定時器的初始化。= ~0x40。這是 調(diào)用 AN169USB 通信庫函數(shù) USB_Init（）完成 USB 總線使能 CLKSEL |= 0x02。完成 API中斷使能 初始化 單片機初始化流程圖，如圖 22 所示。通過設(shè)置特殊寄存器CLKSEL 選擇時鐘為內(nèi)部乘法器時鐘。 用端口跳過寄存器（ PnSKIP）選擇應(yīng)被交叉開關(guān)跳過的那些引腳。 （ 2）晶振初始化 Oscillator_Init()； （ 3） ADC 初始化 Adc_Init()； （ 4）定時器初始化 Timer_Init（）； 數(shù)據(jù)采集并通過 USB 發(fā)送 首先對信號進(jìn)行一組采樣，將采樣后的一組信號通過 USB 發(fā)送到 PC 機。 } } 本設(shè)計起初設(shè)計的采樣一個數(shù)據(jù)然后發(fā)送一個數(shù)據(jù)，然后再采樣一個再發(fā)送西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 25 一個經(jīng)過實際的實驗發(fā)現(xiàn)這樣做效率地而且效果不明顯。 num++。 } } else { Out_Packet2[num] = ADC0H。 AD_flag2=1。 本次 設(shè)計前面板主要是實現(xiàn)波形顯示 ,和頻譜的顯示進(jìn)而與示波器進(jìn)行對比 .西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 26 前面板如下所示 : 圖 35 前面板圖 后面板 后面板是程序框圖板塊 ,程序框圖提供 VI 的圖形化源程序。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?，F(xiàn)以實現(xiàn) USB主機 API函數(shù)中的 SI—GetNumDevices()函數(shù)為例，具體說明在 LabVIE軟件中如何實現(xiàn)對 USB API函數(shù)的調(diào)用。這樣 Labview的上層應(yīng)用程序就可以通過調(diào)用這個庫函數(shù)節(jié)點來獲取 USB器件的序列號信息。波形圖表會保留來源于此前更新的歷史數(shù)據(jù)，又稱緩沖區(qū)。 在波形圖表中顯示單條曲線如一次向圖表傳遞一個或多個數(shù)據(jù)值，LabVIEW 會將這些數(shù)據(jù)作為圖表上的點，從 x=0 開始以 1 為增量遞增 x 索引。在指定了 t0 和單元素 Y 數(shù)組的波形中，各個數(shù)據(jù)點均擁有時間標(biāo)識，因此適用于繪制非均勻采樣的數(shù)據(jù)。 均方根 —計算 信號 的均方根值 。如采集到的周期數(shù)是整數(shù)或?qū)υ肼曌V進(jìn)行分析，則通常不在信號上使用窗 。 周期平 均 —測量周期性輸入信號完整周期的平均電平。 調(diào)試目的 本系統(tǒng)的調(diào)試主要進(jìn)行軟件的調(diào)試，同時通過測試硬件系統(tǒng)驗證系統(tǒng)性能的物理可行性。 整體調(diào)試 對整體 調(diào)試，去驗證整個系統(tǒng)工作狀態(tài)，看是否達(dá)到設(shè)計之初的設(shè)計要求，并且通過整體的調(diào)試，使整個系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)化，工作起來更順暢無阻。 探針 [2]表示 USB 設(shè)備被成功返回的句柄，該句柄將用于后面的 API 調(diào)用。檢測圖如下： 圖 43 波形顯示 整體調(diào)試 首先將整個系統(tǒng)搭建起來，檢測線路的完整，最后進(jìn)入最終的檢測環(huán)節(jié)，在被測信號上設(shè)置一定的幅度和頻率，然后打開電源觀察 Labview 界面的波形與示波器的波形進(jìn)行對比，若兩波形基本相同說明整個系統(tǒng)調(diào)試成 功。在頻率方面我們主要分五個頻段進(jìn)行了具體分析和說明，五個頻段主要是 500HZ,1000HZ,2020HZ,3000HZ,。下面就對主要問題進(jìn)行分析，對相應(yīng)的解決方法作簡單的闡述。 剛開始就出現(xiàn)波形失真。通過對 500HZ,1000HZ,2020HZ,3000HZ,行測試，可以很明顯看出當(dāng)頻率超過 2020HZ時波形出現(xiàn)失真，當(dāng)頻率 4000HZ時西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 37 波形已經(jīng)完全失真。最終通過不斷地改進(jìn)完成了這次設(shè)計的所有要求。在軟件上，針對設(shè)計初期所定的要求，實現(xiàn)了硬件的基