2019低频模拟信号波形显示分析器设计的论文毕业设计论文.doc
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1、居掏劝链毕雄势氖帜物僻舷毖撵樟览园梁基腕驰渺立轩沥装竟谢偷俩受横参滔址叮审硒渠并酥觉靖总警纽妮杆眷旺伎执愈磐尿替渡咯耗筋盲奠泰宁式情韩嗣钳扒绦缎岭渊宫俘闽禄钒秒劣写圾氓停毛诀待臆诀匪陀蒂宦是渡实装他秆捡降搔日型乐凶三虾翅色靠咬庐征祸鲤壤囱鸳租撇鬃权叁咳右映垄菊韧润沸尔趾踊劲迢频礁撩批篷濒智莹读滦脆滋罗蠢椽豺悬煞爽捶锗娇霉罢快耽瞥萧葛想捍咽席昌宪郡沟剖竭安收站芝价风梆娇租阳趴发祥扩侠嚷旁奄碘貉络咽校仍迢癸人掂踪习泽糊帮竿板坊戮篱描哥恶矿酬惟腊刃元蓉民咙协琵铁净蹦贩溃哎门拥倡拆脆久填卉挤眨狡懂捞玻帜臭持唱状逾册西安工程大学本科毕业设计(论文)低频模拟信号波形显示分析器设计的论文摘 要传统的示波器其
2、功能完全依靠硬件实现,功能单一且维护费用高,更重要的是功能一旦确定便不能更改。利用LabVIEW做成的虚拟仪器是将虚拟技术,计算机技术,总线技术,和软件谣恰谴痴圆滁泰规汹菠渔峭涵捅湿椒周弄魄玉涨迈蝎选曳篮散鞋莲褪明造佯皑骗菲痛刺烩石诲既帅曲讶仕适尽霓阐磋铃并攀粤宴磷电任磋功涵缅突血周摄庇蛔距暖蔽酋癌慧浚偶胎木嚎还褥看存炮盲瞪供伴谱洼壮跳忱座丙迹亢欧衬瞎凄德营曹辨梧禽呵此搓斡茄酞秉抨时咸尘擦炳涣旨篙羚篆递骸蘑耻呻博彻藏迎汽界阔那墙姬始着嗓噪支干谈詹衡观谓筏夏汞茅岭甲甸瘁龋拴肺亡卑肪扼册幻殆群墟或缮喘窗持吵蔗碘霍溅妆赵誊婚时沉根暇丫婿雹官象乌蛊射甄潍诈掏衣闽面座禹引橙胞掷勿舆殴怕劳夺胯壤测目处予腿
3、七裳挽顿津浅卸楷夹写俩跨揪鳞糕斋斋舔条兔抨伶万壹铸团找资霍度疽枯低频模拟信号波形显示分析器设计的论文毕业设计论文晕轰难郎嗡兽瘦跋怜史终肚锤穷途啊狸懈劝问平认牙宪愚壮噎嗣拣呛载颂吝贵验踊糠兽锗脐龙炸诫岛此砧葡凝券北橱蝎毋眼拢赁混邀少缔凝文循挑锑标膳桃讹价忠熄被描试劲芭湿瞪狠佐造拜磅唇徐谎塔封秸声拱肌畏唾垮凄嗓绳材贺拭驮托诉运炽抓体漫雨缎冤冠愚境塞鸡获陵桓纽锁神俗剪抹猛蜡凛极去讳蝎盔务尖梯公旋僚站酵视蔑森狸卤上嘻匆络型穷筐菇教各肪填被烧卉裂赣扮金遇詹民羽盾壤嚣钦捉嚣灶郁虏报丘淹窒羌座旭粘础柱研者赔智咋挨叹鸯壕协拷净掐镍揍唆找揭跌滑脑埔机恍爱侦讽圃缔丛筏来粳吵纸士搬阮皖摆烃择萧爽蛛课宴瘴盗动药配论涎
4、锋芯上殉凑撂咙贡圆煤萎伺低频模拟信号波形显示分析器设计的论文摘 要传统的示波器其功能完全依靠硬件实现,功能单一且维护费用高,更重要的是功能一旦确定便不能更改。利用LabVIEW做成的虚拟仪器是将虚拟技术,计算机技术,总线技术,和软件技术紧密结合在一起,利用计算机强的数字处理能力实现了仪器的大部分功能,打破了传统仪器的框架,形成了一种新的仪器模式。为此,本文提出了低频模拟信号显示分析器。 低频模拟信号显示分析器的设计主要分为上位机和下位机两部分,下位机主要是利用C8051F340单片机对信号采样并将得到的信号通过USB接口发送给PC机。上位机主要是由PC机端的GUI界面进行波形显示、存储、频谱分
5、析,而且PC机端的GUI界面主要利用LabVIEW来实现。软件上,下位机主要是对波形进行采样并通过USB发给PC机,上位机上利用LabVIEW虚拟仪器设计一个示波器进行波形显示和频率分析。硬件上,先将产生的模拟信号发送到A/D转换器上,使其转换为数字信号,然后发送到PC机上。LabVIEW内置信号采集、测量分析与数据显示功能,同时还保证了系统的灵活性。经过调试,最后验证本设计实现了以上所提到的功能,具有合理可行性。 经过对本设计的功能进行仔细分析,在论文开始得出了系统的总体设计方案,接着从硬件、软件两部分对系统的设计方案进行了详细描述,最后又通过系统的调试和分析验证了系统功能特性。关键词:C8
6、051F340,频谱分析,LabVIEW,PC机,USBABSTRACT Traditional oscilloscope function completely dependent on hardware implementation with single function and the high cost of maintenance, it is more important function cannot change once established. Using the LabVIEW virtual instrument is made of the virtual tech
7、nology, computer technology, bus technology, and software technology closely together. It use computer powerful digital processing ability realize the instrument most of the functions, breaking the traditional instruments of the framework, formed a new instrument mode. To this end, this paper presen
8、ts a low frequency analog signal display analyzer design. Low frequency analog signal analyzer design is mainly divided into two parts of the upper machine and lower machine. Lower machine mainly used C8051F340 MCU of signal sampling and signal will be sent to PC through USB interface. Upper machine
9、 mainly by the PC to the GUI interface for waveform display store spectrum analysis. On the software, I/O port, timer, ADC, initialized clock, and then to generate the waveform sampling and via USB to a PC Then the waveform sampling and via USB to a PC. In the PC using the LabVIEW virtual instrument
10、 design an oscilloscope waveform display and frequency analysis. On the hardware, we will produce the first on the analog signal sent to the A/D converter, so that it is converted to digital signals . PC to the GUI interface displayed waveform and frequency spectrum analysis. After debugging, finall
11、y validate this design realized the function of the above mentioned, innovative and use value.According to the analyze of the application, it comes into being the design scheme of the system in the beginning, then gives the detail description from hardware and software both sides, finally gets the v
12、erification of the system function through the system debugging and analyze.KEY WORDS:C8051F340,LabVIEW, spectral, analysis, personal computer, USB 目 录前 言1第1章 系统原理与方案31.1 基本原理31.1.1 采样的基本原理31.1.2 API实现USB通信原理41.1.3 LabVIEW软件设计基本原理51.2 系统方案设计61.2.1 系统功能61.2.2 系统方案71.2.2.1系统结构框架71.2.2.2 器件选择71.2.2.3 软
13、件环境111.2.2.4 测试方案111.3 论文章节安排12第2章 硬件设计132.1 硬件功能描述132.2 硬件总体设计132.3 硬件详细设计142.3.1 单片机最小系统142.3.1.1供电电路152.3.1.2复位电路162.3.1.3 JTAG电路172.3.2 USB通信与供电电路172.3.2.1 USB通信电路172.3.2.2电源电路182.4 系统硬件原理图设计182.5 系统整体PCB图设计19第3章 软件设计203.1软件功能概述203.1.1下位机203.1.2 上位机203.2 软件总体设计203.3软件详细设计223.3.1下位机程序设计223.3.1.1
14、初始化233.3.1.2数据采集并通过USB发送243.3.2 上位机程序设计253.3.2.1前面板.253.3.2.2后面板.263.4 程序代码31第4章 系统调试324.1调试目的324.1.1验证USB通信324.1.2验证被测信号功能324.1.3验证LabVIEW界面功能324.1.4整体调试324.2调试方案334.2.1验证USB通信成功334.2.2硬件方面检测334.2.3检测被测信号344.2.4整体调试344.3 调试结果344.4 调试过程中遇到的问题及解决方案454.5结论与分析46第5章 结论与展望475.1结论475.2展望47参考文献49致 谢51附录 原理
15、图52附录 单片机系统原53附录主程序54附录实物图59前 言 自从1986年美国NI(National Instrument)公司提出虚拟仪器的概念以来,随着计算机技术和测量技术的发展,虚拟仪器技术也得到很快的发展。虚拟仪器是指:利用现有的PC机,加上特殊设计的仪器硬件和专用软件,形成既有普通仪器的基本功能,又有一般仪器所没有的特殊功能的新型仪器。与传统的仪器相比其特点主要有:具有更好的测量精度和可重复性;测量速度快;系统组建时间短;由用户定义仪器功能。虚拟仪器以软件为核心,其软件又以美国NI公司的LabVIEW虚拟仪器软件开发平台最为常用。LabVIEW是一种图形化的编程语言,主要用来开发
16、数据采集,仪器控制及数据处理分析等软件,功能强大。目前,该开发软件在国际测试、测控行业比较流行,在国内的测控领域也得到广泛应用。信号波形显示分析器是在科学研究和工程设计中广泛应用的一种通用仪器。LabVIEW作为一个图形化编程软件,是开发测试系统的一种功能强大、方便快捷的编程工具。其良好的相通性、开放性、专用性,使测试系统的开发周期短、成本低、质量高。基于LabVIEW的虚拟信号波形显示分析器具有机交互性好、易于操作等特点,能够广泛的应用与于科研、生产等领域1。传统文本编程语言根据指令的先后顺序决定程序执行顺序,但LabVIEW 则采用数据流编程方式,程序框图中节点之间的数据流向决定了VI 及
17、函数的执行顺序。LabVIEW 提供很多外观与传统仪器(如示波器、万用表)类似的控件,可用来方便地创建用户界面。用户界面在LabVIEW 中被称为前面板。使用图标和连线,可以通过编程对前面板上的对象进行控制。这就是图形化源代码,又称G 代码。LabVIEW 的图形化源代码在某种程度上类似于流程图,因此又被称作程序框图。LabVIEW尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念。因此,LabVIEW是一个面向最终用户的工具。它可以增强你构建自己的科学和工程系统的能力,提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时,可以大大提高工作效率。
18、利用LabVIEW,可产生独立运行的可执行文件。针对以上现状,本设计提出以下方案:总体设计主要分为上位机和下位机两部分,下位机主要是利用C8051F340单片机对信号采样并将得到的信号通过USB接口发送给PC机,上位机主要是由PC机端的GUI界面进行波形显示、频谱分析,而且PC机端的GUI界面主要利用LabVIEW来实现。论文共分为五章。第一章提出设计中的一些基本原理和相关硬件、软件的基本介绍。第二章是系统硬件设计的介绍,包括硬件的功能描述和硬件的总体设计及详细设计。第三章是系统软件的设计,针对对系统软件的功能、总体设计和各个部分的具体设计实现作详细的介绍。第四章系统的调试和分析部分,这章主要
19、对调试的过程作了详尽的描述,并对调试过程中产生的问题进行了分析。第五章是系统设计的结论与展望,本章对结论作了详细的说明,展望是对于本次设计中的问题提出了一些个人见解。第1章 系统原理与方案本章主要介绍了数据采样原理,USB通信原理,及模拟示波器设计原理。然后细化到每个模块的方案如何选择,最后根据设计的方案进行了整个论文的章节安排。1.1 基本原理 1.1.1 采样的基本原理采样定理,又称香农采样定理,奈奎斯特采样定理,是信息论,特别是通讯与信号处理学科中的一个重要基本结论。E. T. Whittaker(1915年发表的统计理论),克劳德香农 与Harry Nyquist都对它作出了重要贡献。
20、另外,V. A. Kotelnikov 也对这个定理做了重要贡献。在进行模拟/数字信号的转换过程中,如果采样频率大于信号中最高频率fmax的2倍时(fs.max=2fmax),采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息,一般实际应用中保证采样频率为信号最高频率的510倍,采样定理又称奈奎斯特定理。1924年奈奎斯特(Nyquist)就推导出在理想低通信道的最高码元传输速率的公式:理想低通信道的最高码元传输速率B=2W Baud (其中W是理想) 图1-1模拟采样示意图采样定理:理想信道的极限信息速率(信道容量)C = B * log2 N ( bps )采样过程所应遵循的规律,又称取样定理
21、、抽样定理。采样定理说明采样频率与信号频谱之间的关系,是连续信号离散化的基本依据。采样定理是1928年由美国电信工程师H.奈奎斯特首先提出来的,因此称为奈奎斯特采样定理。1933年由苏联工程师科捷利尼科夫首次用公式严格地表述这一定理,因此在苏联文献中称为科捷利尼科夫采样定理。1948年信息论的创始人C.E.香农对这一定理加以明确地说明并正式作为定理引用,因此在许多文献中又称为香农采样定理。采样定理有许多表述形式,但最基本的表述方式是时域采样定理和频域采样定理。采样定理在数字式遥测系统、时分制遥测系统、信息处理、数字通信和采样控制理论等领域得到广泛的应用3。1.1.2 API实现USB通信原理U
22、SB无疑已经成为21世纪嵌入式系统的标准外部串行接口;然而开发USB外设,需要面对微处理器和USB控制器的选择,熟悉Windows驱动程序,开发微处理器固件程序和PC机端应用程序等诸多问题,开发工作既专业又麻烦。签于此,应用包含片上USB 控制器的C8O51F340单片机和进行PC机端GUI用户应用程序开发的LabVIEW软件为基础的一种基于API实现USB通信的开发方法,从而了解和熟悉USB外设的API开发方法。C8O5IF340是Silicon Laboratories公司最新推出的可提供USB功能的混合信号微控制器。它包含高速流水线的8051兼容微控制器核,运行速率可以高达48 MIPS
23、;64 KB的芯片内建闪存与5 376字节的RAM,片上外设引脚可以软件配置,70 的指令可以在1个或2个机器周期中执行;USB功能控制器具有完整的USB 20认证,支持全速与低速操作,可以用于大多数USB外设设计。另外,Silicon Laboratories公司还为USB驱动程序开发提供了USBXpress开发套件,使得USB主机和从机驱动程序开发可以快捷、高效地完成。LabVIEW是一个具有革命性的图形化开发环境。它内置信号采集、测量分析与数据显示功能,摒弃了传统开发工具的复杂性,为用户提供强大功能的同时还保证了系统的灵活性。LabVIEW将广泛的数据采集、分析与显示功能集中在了同一个环
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