【正文】 ) 1 前 言 自從 1986 年美國(guó) NI(National Instrument)公司提出虛擬儀器的概念以來(lái) ,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和測(cè)量技術(shù)的發(fā)展 ,虛擬儀器技術(shù)也得到很快的發(fā)展。與傳統(tǒng)的儀器相比其特點(diǎn)主要有 ： 具有更好的測(cè)量精度和可重復(fù)性 ； 測(cè)量速度快 ； 系統(tǒng)組建時(shí)間短 ； 由用戶定義儀器功能。 LabVIEW 是一 種圖形化的編程語(yǔ)言 ， 主要用來(lái)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。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。其良好的相通性、開放性、專用性，使測(cè)試系統(tǒng)的開發(fā)周期短、成本低、質(zhì)量高。 傳統(tǒng)文本 編程語(yǔ)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。用戶界面在 LabVIEW 中被稱為前面板。這就是圖形化源代碼，又稱G 代碼。 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(yǔ)、 圖標(biāo)和概念。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。利用LabVIEW，可產(chǎn)生獨(dú)立運(yùn)行的可執(zhí)行文件。 論文共分為五章。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(guò)程作了詳盡的描述，并對(duì)調(diào)試過(guò)程中產(chǎn)生的問題進(jìn)行了分析。 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。 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。香農(nóng) 與 Harry Nyquist 都對(duì)它作出了重要貢獻(xiàn)。 在 進(jìn)行模擬 /數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換過(guò)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 。采樣定理說(shuō)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)。 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。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。 API 實(shí)現(xiàn) USB 通信原理 USB 無(wú)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。 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。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。它內(nèi)置信號(hào)采集、測(cè)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。 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]。一般利用 API 實(shí)現(xiàn) USB 通信的原理框圖如圖 1所示。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(guò) USB 器件驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)訪問 USB 底層硬件。通過(guò)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)。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(guò)多細(xì)節(jié)即可使用 USB進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。 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。 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。 程序框圖提供 VI的圖形化源程序。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。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。 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。 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]。這些選板的詳細(xì)功能及用法通過(guò)不斷的學(xué)習(xí)設(shè)計(jì) VI的過(guò)程逐漸地掌握。 將采樣得到的數(shù)據(jù)通過(guò) USB接口發(fā)送給 PC機(jī)。 西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 7 系統(tǒng)方案 本設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)主要由硬件部分和軟件部分組成。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架 為了實(shí)現(xiàn)低頻模擬信號(hào)波形顯示器的設(shè)計(jì)，本設(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(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)。 U S BT h e l a b v i e wa p p l i c a t i o nC 8 0 5 1 F 3 4 0P C 機(jī)s i g n a l g e n e r a t o rT h e U S B h o s tM i c r o c o n t r o l l e e ra p p l i c a t i o nU S B d r i v e rAPIDrivers q u a r e w a v et r i a n g u l a r w a v eS i n e w a v e s 圖 13系統(tǒng)機(jī)構(gòu)框架圖 器件選擇 單片機(jī)器件選擇 本次設(shè)計(jì)主要運(yùn)用了 C8051F340,具體介紹如下 : 西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 8 圖 14 C8051F340 的內(nèi)部結(jié)構(gòu) C8051F340/1/2/3/4/5/6/7器件是完全集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)型 MCU。 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） 。 通用串行總線 （ USB）功能控制器，有 8個(gè)靈活的端點(diǎn)管道，集成收發(fā)器和1K FIFO RAM。 真正 10位 200 ksps的單端 /差分 ADC，帶模擬多路器 。 片內(nèi)電壓比較器（兩個(gè)） 。 多達(dá) 64KB的片內(nèi) FLASH存儲(chǔ)器 。 硬件實(shí)現(xiàn)的 SMBus/ I2C、增強(qiáng)型 UART（ 最多兩個(gè) ） 和增強(qiáng)型 SPI串行接口 4個(gè)通用的 16位定時(shí)器 。 片內(nèi)上電復(fù)位、 VDD監(jiān)視器和時(shí)鐘丟失檢測(cè)器 。 具有片內(nèi)上電復(fù)位、 VDD監(jiān)視器、電壓調(diào)整器、看門狗定時(shí)器和時(shí)鐘振蕩器的 C8051F340/1/2/3/4/5/6/7器件是真正能獨(dú)立工作的片上系統(tǒng)。用戶軟件對(duì)所有外設(shè)具有完全的控制，可以關(guān)斷任何一個(gè)或所有外設(shè)以節(jié)省功耗。調(diào)試邏輯支持觀察和修改存儲(chǔ)器和寄存器，支持?jǐn)帱c(diǎn)、單步、運(yùn)行和停機(jī)命令。兩個(gè) 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。電源電壓大于 ，必須使用內(nèi)部穩(wěn)壓器。端口 I/O和 /RST引腳都容許 5V的輸入信號(hào)電壓。 圖 15 C8051F340 的原理圖 西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 10 圖 16 C8051F340 的引腳圖 示波器 示波器是一種使用非常廣泛，且使用相對(duì)復(fù)雜的儀器。常用的電子測(cè)量?jī)x器有萬(wàn)用表、邏輯筆、普通示波器、存儲(chǔ)示波器、邏輯分析儀等。 示波器工作原理 :示波器是利用電子示波管的特性，將人眼無(wú)法直接觀測(cè)的交變電信號(hào)轉(zhuǎn)換成圖像，顯示在熒光屏上以便測(cè)量的電子測(cè)量?jī)x器。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(hào)源組成。與匯編相比， C 語(yǔ)言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上都有明顯的優(yōu)勢(shì)，易學(xué)易用。 Keil C51 軟件提供豐富的庫(kù)函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全Windows 界面。基于 Keil C51 的所有這些優(yōu)點(diǎn)，在本設(shè)計(jì)中選用其作為軟件設(shè)計(jì)環(huán)境 [8]。 LabVIEW 編程主要是用簡(jiǎn)單、直觀、易懂的框圖來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的程序代碼，并且其編程過(guò)程和思維過(guò)程很相似。 測(cè)試方案 本設(shè)計(jì)首先是利用 Keil C51 軟件編譯寫好的程序代碼， 無(wú)誤后通過(guò) Keil 的下載功能將編譯好的目標(biāo)文件下載到搭建好的測(cè)試系統(tǒng)中，并運(yùn)行一段時(shí)間后，檢西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 12 測(cè)程序的正誤。驗(yàn)證被測(cè)信號(hào)功能被測(cè)信號(hào)是本次設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，是我們應(yīng)該首先保證的環(huán)節(jié)，通過(guò)示波器我們首先要保證三種被測(cè)信號(hào)的正常使用，為后面信號(hào)分析形成對(duì)比部分。 論文章節(jié)安排 本論文共分為五章，具體介紹如下： 第一章是緒論，主要介紹了數(shù)據(jù)通信， USB 通信， LabVIEW 軟件設(shè)計(jì)基本原理和相關(guān)軟件的介紹。 第三章是系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)，在這章里將會(huì)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。 第四章是系統(tǒng)的調(diào)試與分析，這章主要對(duì)調(diào)試的過(guò)程作了詳盡的描述，并對(duì)調(diào)試過(guò)程中 產(chǎn)生的問題進(jìn)行了分析。 西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 13 第 2章 硬件設(shè)計(jì) 在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，我們將系統(tǒng)功能分為硬件與軟件來(lái)分別實(shí)現(xiàn)。其中測(cè)試系統(tǒng)硬件的詳細(xì)設(shè)計(jì)主要是 C8051F340 單片機(jī)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)介紹。根據(jù)第一章系統(tǒng)方案，首先需要進(jìn)行 整個(gè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，硬件的設(shè)計(jì)主要根據(jù)系統(tǒng)所要達(dá)到的功能而進(jìn)行。下位機(jī)C8051F340 單片機(jī)主要作為對(duì)數(shù)據(jù)的采集。 硬件總體設(shè)計(jì) 根據(jù)系本功能要求，需要完成以下設(shè)計(jì)：以 C8051F340 為核心的信號(hào)采樣系統(tǒng)， 實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖 21。 單片機(jī)最小系統(tǒng) 該部分主要是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的采樣，進(jìn)而通過(guò) USB 發(fā)送到 PC 機(jī)上進(jìn)行波形的顯示和頻譜的分析。 西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (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