低頻模擬信號波形顯示分析器設(shè)計的論文.

1、西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(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(hù)費用高，更重要的是功能一旦確定便不能更改。利用LabVIEW做成的虛擬儀器是將虛擬技術(shù)，計算機(jī)技術(shù)，總線技術(shù)，和軟件技術(shù)緊密結(jié)合在一起，利用計算機(jī)強的數(shù)字處理能力實現(xiàn)了儀器的大部分功能，打破了傳統(tǒng)儀器的框架，形成了一種新的儀器模式。為此，本文提出了低頻模擬信號顯示分析器。 低頻模擬信號顯示分析器的設(shè)計主要分為上位機(jī)和下位機(jī)兩部分，下位機(jī)主要是利用C8051F340單片機(jī)對信號采樣并將得到的信號通過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、存儲、頻譜分析，而且PC機(jī)端的GUI界面

2、主要利用LabVIEW來實現(xiàn)。軟件上，下位機(jī)主要是對波形進(jìn)行采樣并通過USB發(fā)給PC機(jī)，上位機(jī)上利用LabVIEW虛擬儀器設(shè)計一個示波器進(jìn)行波形顯示和頻率分析。硬件上，先將產(chǎn)生的模擬信號發(fā)送到A/D轉(zhuǎn)換器上,使其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,然后發(fā)送到PC機(jī)上。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。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。 經(jīng)過對本設(shè)計的功能進(jìn)行仔細(xì)分析，在論文開始得出了系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，接著從硬件、軟件兩部分對系統(tǒng)的設(shè)計方案進(jìn)行了詳細(xì)描述，最后又通過系統(tǒng)的調(diào)試和分析驗證了系統(tǒng)功能特性。關(guān)鍵詞：C8051F340，頻譜分析，L

3、abVIEW，PC機(jī)，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 technology, comput

4、er 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 presents a low frequ

5、ency 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 mainly by the

6、 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 design an osc

7、illoscope 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, finally validate thi

8、s 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 verification of

9、 the system function through the system debugging and analyze.KEY WORDS：C8051F340，LabVIEW, spectral, analysis, personal computer, USB 目 錄前 言1第1章 系統(tǒng)原理與方案31.1 基本原理31.1.1 采樣的基本原理31.1.2 API實現(xiàn)USB通信原理41.1.3 LabVIEW軟件設(shè)計基本原理51.2 系統(tǒng)方案設(shè)計61.2.1 系統(tǒng)功能61.2.2 系統(tǒng)方案71.2.2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架71.2.2.2 器件選擇71.2.2.3 軟件環(huán)境111.2.2.4 測

10、試方案111.3 論文章節(jié)安排12第2章 硬件設(shè)計132.1 硬件功能描述132.2 硬件總體設(shè)計132.3 硬件詳細(xì)設(shè)計142.3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)142.3.1.1供電電路152.3.1.2復(fù)位電路162.3.1.3 JTAG電路172.3.2 USB通信與供電電路172.3.2.1 USB通信電路172.3.2.2電源電路182.4 系統(tǒng)硬件原理圖設(shè)計182.5 系統(tǒng)整體PCB圖設(shè)計19第3章 軟件設(shè)計203.1軟件功能概述203.1.1下位機(jī)203.1.2 上位機(jī)203.2 軟件總體設(shè)計203.3軟件詳細(xì)設(shè)計223.3.1下位機(jī)程序設(shè)計223.3.1.1 初始化233.3.1.2數(shù)據(jù)

11、采集并通過USB發(fā)送243.3.2 上位機(jī)程序設(shè)計253.3.2.1前面板.253.3.2.2后面板.263.4 程序代碼31第4章 系統(tǒng)調(diào)試324.1調(diào)試目的324.1.1驗證USB通信324.1.2驗證被測信號功能324.1.3驗證LabVIEW界面功能324.1.4整體調(diào)試324.2調(diào)試方案334.2.1驗證USB通信成功334.2.2硬件方面檢測334.2.3檢測被測信號344.2.4整體調(diào)試344.3 調(diào)試結(jié)果344.4 調(diào)試過程中遇到的問題及解決方案454.5結(jié)論與分析46第5章 結(jié)論與展望475.1結(jié)論475.2展望47參考文獻(xiàn)49致 謝51附錄 原理圖52附錄 單片機(jī)系統(tǒng)原53

12、附錄主程序54附錄實物圖59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(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

13、分析等軟件，功能強大。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。信號波形顯示分析器是在科學(xué)研究和工程設(shè)計中廣泛應(yīng)用的一種通用儀器。LabVIEW作為一個圖形化編程軟件，是開發(fā)測試系統(tǒng)的一種功能強大、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?；贚abVIEW的虛擬信號波形顯示分析器具有機(jī)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。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)點之間的數(shù)據(jù)流向決定了VI 及函數(shù)的執(zhí)行順序。LabVIE

14、W 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，可以通過編程對前面板上的對象進(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是一個面向最終用戶的工具。它可以增強你構(gòu)建自己的科學(xué)和工程系統(tǒng)的能力，提供了實現(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、測試并實現(xiàn)儀器系統(tǒng)時，可以大大提高工作效率。利用LabVIEW，可產(chǎn)生獨

15、立運行的可執(zhí)行文件。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(jī)和下位機(jī)兩部分，下位機(jī)主要是利用C8051F340單片機(jī)對信號采樣并將得到的信號通過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來實現(xiàn)。論文共分為五章。第一章提出設(shè)計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。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(xì)的介紹。第四章系統(tǒng)的調(diào)試和分析部分，這章主要對調(diào)試的過程作了詳盡的描述，

16、并對調(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)計的結(jié)論與展望，本章對結(jié)論作了詳細(xì)的說明,展望是對于本次設(shè)計中的問題提出了一些個人見解。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。然后細(xì)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(jìn)行了整個論文的章節(jié)安排。1.1 基本原理 1.1.1 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，特別是通訊與信號處理學(xué)科中的一個重要基本結(jié)論。E. T. Whittaker(1915年發(fā)表的統(tǒng)計理論),克勞德·香農(nóng) 與Harry Nyquist都對它作出了重要貢獻(xiàn)。另外，V. A.

17、 Kotelnikov 也對這個定理做了重要貢獻(xiàn)。在進(jìn)行模擬/數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換過程中，如果采樣頻率大于信號中最高頻率fmax的2倍時(fs.max>=2fmax)，采樣之后的數(shù)字信號完整地保留了原始信號中的信息，一般實際應(yīng)用中保證采樣頻率為信號最高頻率的510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1-1模擬采樣示意圖  采樣定理：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)

18、律，又稱取樣定理、抽樣定理。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)。采樣定理是1928年由美國電信工程師H.奈奎斯特首先提出來的，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C.E.香農(nóng)對這一定理加以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。1.1.2 API實現(xiàn)

19、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)，需要面對微處理器和USB控制器的選擇，熟悉Windows驅(qū)動程序，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功能的混合信號微控制器。它包含高速流水線的8051兼容微控制器核，運行速率可以高

20、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個或2個機(jī)器周期中執(zhí)行；USB功能控制器具有完整的USB 20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。另外，Silicon Laboratories公司還為USB驅(qū)動程序開發(fā)提供了USBXpress開發(fā)套件，使得USB主機(jī)和從機(jī)驅(qū)動程序開發(fā)可以快捷、高效地完成。LabVIEW是一個具有革命性的圖形化開發(fā)環(huán)境。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。LabVIEW將廣泛的數(shù)據(jù)采集、分析與顯示功能

21、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 。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)計外，大部分工作集中在固件編程和PC機(jī)端驅(qū)動程序以及用戶應(yīng)用程序的開發(fā)上。一般利用API實現(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)動程序，然后編寫用戶應(yīng)用程序，進(jìn)而利用API函數(shù)實現(xiàn)用戶應(yīng)用程序從USB主機(jī)驅(qū)動處獲取USB數(shù)據(jù)包，并完成相應(yīng)

22、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)動程序?qū)崿F(xiàn)訪問USB底層硬件。 圖1-2 USB通信原理圖 由于有了Silicon Laboratories公司提供的USBXpress的開發(fā)套件，上述驅(qū)動以及應(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USBXpress軟件，就可以直接獲得USB主機(jī)驅(qū)動程序(在USBXpress安裝目錄下的Driver目錄中)、USB主機(jī)API(USBXpress安裝目錄下的SiUSBXpdl1)以及USB器件驅(qū)動程(USBXpress安裝目錄下的USBXF34XLIB)。USB

23、Xpress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(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。1.1.3 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。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。 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

24、操作面板。這一界面上有用戶輸入和顯示輸出兩類對象，具體表現(xiàn)有開關(guān)、旋鈕、圖形以及其他控制和顯示對象。 程序框圖提供VI的圖形化源程序。它的功能是對前面板上的控件進(jìn)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。在程序框圖中存在著對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)一個惟妙惟肖的標(biāo)準(zhǔn)儀器面板

25、，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。這些選板的詳細(xì)功能及用法通過不斷的學(xué)習(xí)設(shè)計VI的過程逐漸地掌握。1.2 系統(tǒng)方案設(shè)計1.2.1 系統(tǒng)功能 在本設(shè)計中需要能夠?qū)崿F(xiàn)功能如下： 1、下位機(jī)上利用C8051F340單片機(jī)對數(shù)據(jù)的采樣。 2、將采樣得到的數(shù)據(jù)

26、通過USB接口發(fā)送給PC機(jī)。 3、上位機(jī)上PC機(jī)端的GUI界面主要利用LabVIEW做成虛擬示波器，進(jìn)行波形顯示、頻譜分。1.2.2 系統(tǒng)方案 本設(shè)計的實現(xiàn)主要由硬件部分和軟件部分組成。下面將對系統(tǒng)的硬件構(gòu)架和軟件開發(fā)環(huán)境作已簡單介紹。1.2.2.1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(jī)和下位機(jī)兩部分，下位機(jī)主要是利用C8051F340單片機(jī)對信號采樣并將得到的信號通過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來實現(xiàn)。通過以上設(shè)計系統(tǒng)構(gòu)架框圖如圖1-3如所示。圖1-3系統(tǒng)機(jī)構(gòu)框

27、架圖1.2.2.2 器件選擇1、 單片機(jī)器件選擇本次設(shè)計主要運用了C8051F340,具體介紹如下:圖1-4 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片上系統(tǒng)型MCU。下面列出了一些主要特性7 。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）。 全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口（片內(nèi)）。 通用串行總線（USB）功能控制器，有8個靈活的端點管道，集成收發(fā)器和1K FIFO RAM。 電源穩(wěn)壓器。真正10位200 ksps的單端/差分ADC，帶模擬多路器。片內(nèi)電壓基準(zhǔn)和和溫度傳感器。 片內(nèi)電壓比較器（兩個）。 精確校準(zhǔn)的12

28、MHz內(nèi)部振蕩器和4倍時鐘乘法器。 多達(dá)64KB的片內(nèi)FLASH存儲器。 多達(dá)4352字節(jié)片內(nèi)RAM（256+4KB）。 硬件實現(xiàn)的SMBus/ I2C、增強型UART（最多兩個）和增強型SPI串行接口 4個通用的16位定時器。 具有5個捕捉/比較模塊和看門狗定時器功能的可編程計數(shù)器/定時器陣列（PCA）。 片內(nèi)上電復(fù)位、VDD監(jiān)視器和時鐘丟失檢測器。 多達(dá)40個端口I/O（容許5V輸入）。 具有片內(nèi)上電復(fù)位、VDD監(jiān)視器、電壓調(diào)整器、看門狗定時器和時鐘振蕩器的C8051F340/1/2/3/4/5/6/7器件是真正能獨立工作的片上系統(tǒng)。FLASH存儲器還具有在系統(tǒng)重新編程能力，可用于非易失性

29、數(shù)據(jù)存儲，并允許現(xiàn)場更新8051固件。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。 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(jìn)行非侵入式（不占用片內(nèi)資源）、全速、在系統(tǒng)調(diào)試。調(diào)試邏輯支持觀察和修改存儲器和寄存器，支持?jǐn)帱c、單步、運行和停機(jī)命令。在使用C2進(jìn)行調(diào)試時，所有的模擬和數(shù)字外設(shè)都可全功能運行。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。 每種器件都可在工業(yè)溫度范圍（-45到+85）內(nèi)用2.7V-5.25V的電壓工作。電源電壓大于3.6V時，必須使用內(nèi)部穩(wěn)壓器。對于USB通信，電源電壓最小

30、值為3.0V。端口I/O和/RST引腳都容許5V的輸入信號電壓。C8051F340/1/2/3/4/5/6/7采用48腳TQFP封裝或32腳LQFP封裝。 圖1-5 C8051F340的原理圖圖1-6 C8051F340的引腳圖2、示波器示波器是一種使用非常廣泛，且使用相對復(fù)雜的儀器。在數(shù)字電路實驗中，需要使用若干儀器、儀表觀察實驗現(xiàn)象和結(jié)果。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。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。示波器工作原理 :示波器是利用電子示波管的特性，將人眼無法直接觀測的交變電信號轉(zhuǎn)換

31、成圖像，顯示在熒光屏上以便測量的電子測量儀器。它是觀察數(shù)字電路實驗現(xiàn)象、分析實驗中的問題、測量實驗結(jié)果必不可少的重要儀器。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)信號源組成。本次所用示波器如下圖:圖1-7示波器1.2.2.3 軟件環(huán)境1.、單片機(jī)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(jī)C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)。與匯編相比，C語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上都有明顯的優(yōu)勢，易學(xué)易用。用過匯編語言后再使用C來開發(fā)，體會更加深刻。 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

32、具，全Windows界面。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。基于Keil C51的所有這些優(yōu)點，在本設(shè)計中選用其作為軟件設(shè)計環(huán)境8。2、LabVIEW簡介LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench,實驗室虛擬儀器開發(fā)平臺）是美國NI（National Instrument Company）公司推出的一種基于G語言的虛擬軟件開發(fā)工具，虛擬儀器是有用戶定義，這種“軟件即儀器”的思想增強了虛擬儀器的靈活性和可擴(kuò)展性15。LabVIEW編程主要是用簡單、直觀、

33、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。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。1.2.2.4 測試方案本設(shè)計首先是利用Keil C51軟件編譯寫好的程序代碼，無誤后通過Keil的下載功能將編譯好的目標(biāo)文件下載到搭建好的測試系統(tǒng)中，并運行一段時間后，檢測程序的正誤。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(jī)設(shè)計的合理性與成功性，為此我們必須先對其進(jìn)行USB通信的檢測，進(jìn)而保證后面實驗的可行性。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

34、對比部分。驗證LabVIEW界面功能對LabVIEW界面的檢測實際是對上位機(jī)的整體檢測，通過LabVIEW界面信號顯示和頻譜的顯示進(jìn)而確保整個設(shè)計的初步成功。1.3 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)計基本原理和相關(guān)軟件的介紹。第二章是系統(tǒng)硬件設(shè)計的介紹，包括了C8051F340硬件的功能描述和硬件的總體設(shè)計和詳細(xì)設(shè)計。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。主要分為上位機(jī)和下位機(jī)兩部分具體進(jìn)行了說明。第四章是系統(tǒng)的調(diào)試與分析，這章主要對調(diào)試的過程作了詳盡的描

35、述，并對調(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)計的結(jié)論與展望，在這一章中，結(jié)論對系統(tǒng)的設(shè)計結(jié)果作了簡單的總結(jié)，展望則根據(jù)系統(tǒng)中存在的不足提出了一些相應(yīng)的改進(jìn)的方法。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)。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(xì)設(shè)計進(jìn)行介紹。其中測試系統(tǒng)硬件的詳細(xì)設(shè)計主要是C8051F340單片機(jī)系統(tǒng)的硬件設(shè)計進(jìn)行詳細(xì)介紹。 2.1 硬件功能描述硬件設(shè)計是整個系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)，是軟件運行的平臺。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。硬件功能主要是搭建下位機(jī)

36、的C8051F340單片機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成。下位機(jī)C8051F340單片機(jī)主要作為對數(shù)據(jù)的采集。該模塊主要包括供電電路、時鐘電路、復(fù)位電路、JTAG電路。2.2 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2-1。圖2-1系統(tǒng)總體功能流程圖2.3 硬件詳細(xì)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。2.3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)該部分主要是為了實現(xiàn)對信號的采樣，進(jìn)而通過USB發(fā)送到PC機(jī)上進(jìn)行波形的顯示和頻譜的分析。其原理圖如圖2-2所示。圖2-2 C8051F340原理圖2.3.1.1供電電路一般的電源適配器

37、提供的都是5V的電壓，但C8051F340必須使用3.3V的電壓，所以需要用LM1117的電源芯片進(jìn)行5V到3.3V的電壓轉(zhuǎn)換。其中的D+、D_分別要接到單片機(jī)的8、9引腳。其原理框圖如圖2-3所示。圖2-3 C8051F340供電電路2.3.1.2復(fù)位電路單片機(jī)的復(fù)位包括初始化和從頭開始工作這樣連續(xù)的兩步。單片機(jī)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。也就是說單片機(jī)接收正脈沖開始復(fù)位，在正脈沖的下降沿啟動單片機(jī)。單片機(jī)正常工作期間，復(fù)位引腳Reset需要一直保持低電平。工作過程中引腳Reset一旦接收到一個正脈沖，就會再次進(jìn)行復(fù)位啟動。為可靠完成復(fù)位，單片機(jī)要求Rese

38、t引腳施加的正脈沖脈寬不小于2個機(jī)器周期（2µs）。設(shè)計復(fù)位電路的要求就是確定電阻電容值，使其時間常數(shù)達(dá)到2個機(jī)器周期的復(fù)位最小正脈寬要求。本設(shè)計中晶振頻率fosc=12MHz時，機(jī)器周期T=1µs，要求加在Reset引腳的正脈寬不小于2µs。當(dāng)單片機(jī)上電后，因為電容兩端的電壓不能突變就會使RST端瞬間產(chǎn)生一個大約為+5V的電壓，而CMOS單片機(jī)最小輸入高電平電壓Umin=3.5V，它瞬間產(chǎn)生的電壓是大于3.5V的，因此RST接收高電平進(jìn)行初始化。此后+5V對電容C充電導(dǎo)致RST端電壓迅速下降使它變?yōu)榈碗娖?，單片機(jī)開始工作。根據(jù)上述要求，本設(shè)計R23=10K，C值

39、取10µF。圖2-4 復(fù)位電路 圖2-4所示電路中，在上電瞬間，由于電容的兩端電壓不可能突變，電阻R5對電容進(jìn)行充電，充電得時間常數(shù)一般由電容和電阻的乘積來決定，要求大于5個外部時鐘周期，有時為防止復(fù)位不完全，這些參數(shù)可選大一些，在本設(shè)計中采用1µF的電容和1K的電阻，時間常數(shù)為1ms，滿足系統(tǒng)復(fù)位要求。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。此外，RST/C2CK和單片機(jī)的13引腳/RST/C2CK相連。2.3.1.3 JTAG電路當(dāng)系統(tǒng)調(diào)試時，需要把在計算機(jī)上編譯并生成執(zhí)行的代碼下載到單片機(jī)芯片上，實現(xiàn)在線調(diào)試硬

40、件和軟件。它的接口有兩端接口，其中一端與計算機(jī)的USB口相連，另一端與單片機(jī)芯片的JTAG接口相連，這是一個14針的接口，其硬件連接如圖2-5所示。圖2-5JTAG電路2.3.2 USB通信與供電電路2.3.2.1 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。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(kuò)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。本設(shè)計采用的是USB2.0接口。圖2-6 USB通信電路圖2-6中C1C6的容值大小均參考數(shù)據(jù)手冊上的典型電路；USB的2、3引腳分別接單片機(jī)的D+引腳

41、和D-引腳。2.3.2.2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。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2.25W，最大輸出電流為500mA，電壓一般為5V±5%，這里的偏差可以通過接入旁路電容來消除。圖2-7 最小系統(tǒng)電源電路圖2-7中，C7、C8的容值大小均參考數(shù)據(jù)手冊上的典型電路；USB的1引腳接單片機(jī)的REGIN引腳。2.4 系統(tǒng)硬件原理圖設(shè)計 本設(shè)計單片機(jī)C8051F340的原理圖采用Altium Designer Summer 09軟件繪制。 原理圖的設(shè)計是整個設(shè)計的

42、基礎(chǔ)，它決定了后面整個工作的進(jìn)展。因此正確設(shè)計原理圖非常的重要，一般為避免出錯，所以在設(shè)計原理圖時候，應(yīng)該注意以下幾個問題：首先在畫原理圖之前，應(yīng)該根據(jù)用到的元器件去查看PROTEL的元器件庫里是否有，如過沒有，應(yīng)該先把這些元器件的原理圖符號先畫好。在畫器件原理圖符號時沒必要把所有的管腳都一一畫出來，只要把用到的引腳畫出來則可。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。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。分模塊設(shè)計的最大好處就是簡單明了一目了然。最后，當(dāng)原理圖畫完之后我們還要仔細(xì)檢查，只有確認(rèn)沒有錯誤之后才生成PCB圖，然后在檢查過程中可以用軟件

43、自帶的電氣規(guī)則進(jìn)行合理的配置。本設(shè)計單片機(jī)C8051F340的原理圖詳見附錄。2.5 系統(tǒng)整體PCB圖設(shè)計 由于本設(shè)計單片機(jī)C8051F340的原理圖采用Altium Designer Summer 09軟件繪制。所以繪制PCB圖也采用Altium Designer Summer 09軟件。 詳圖見附錄II。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(jī)和下位機(jī)兩部分分別進(jìn)行詳細(xì)介紹。3.1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(jī)信號的采樣及發(fā)送部分和上位機(jī)對信號的分析部分，具體功能描述如下。3.1.1下位機(jī)1、利用C8051F340實現(xiàn)對信號

44、的采樣及發(fā)送。由于在下位機(jī)部分我們主要實現(xiàn)的功能是完成對信號的采樣和發(fā)送，所以我們利用C8051F340主要實現(xiàn)，本次設(shè)計我們采用的是采樣一組發(fā)送一組進(jìn)行傳輸。2、通過USB端口實現(xiàn)將采樣得到的信號發(fā)送到PC機(jī)上。 這里其實是一個中間環(huán)節(jié)，是將上位機(jī)和下位機(jī)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(jī)上。3.1.2 上位機(jī) 利用LabVIEW虛擬儀器設(shè)計一個示波器實現(xiàn)波形顯示和頻率分析。 這里其實是本設(shè)計的最重要部分，在上位機(jī)上主要是利用LabVIEW的強大功能實現(xiàn)對波形的顯示和頻率的分析。3.2 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

45、統(tǒng)領(lǐng)下面的初始化程序和信號處理程序兩大板塊領(lǐng)導(dǎo)。主要是下位機(jī)的信號采樣和發(fā)送和上位機(jī)我頻譜顯示和分析程序框圖。 下位機(jī)軟件總體框圖:圖3-1下位機(jī)總體框圖 上位機(jī)軟件總體框圖:圖3-2 上位機(jī)總體框圖3.3軟件詳細(xì)設(shè)計主程序統(tǒng)領(lǐng)各個子程序的工作，是程序設(shè)計的核心部分，也是難度比較大的一部分，所以必須根據(jù)設(shè)計要求仔細(xì)推敲，保證設(shè)計思路的正確，為后面的子程序設(shè)計做好鋪墊，要在時序上安排好每個子程序的工作順序，保證各個子程序能夠更好的工作。3.3.1下位機(jī)程序設(shè)計下位機(jī)部分主要實現(xiàn)的功能是對信號的采樣，主要兩部分，初始化，信號采樣并通過USB發(fā)送到PC機(jī)。 在設(shè)計時整個系統(tǒng)的工作流程，先進(jìn)入主程序，

46、然后是對I/O口，ADC,和定時器的初始化。再進(jìn)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。主程序整個流程結(jié)束,依次循環(huán)執(zhí)行。具體流程如下:圖3-3下位機(jī)程序流程圖主程序重要相關(guān)代碼注釋如下：1.禁止看門狗的程序代碼PCA0MD &= 0x40; 2.處理USB總線的程序代碼USB_Clock_Start(); 這是調(diào)用AN169-USB通信庫函數(shù)USB_Clock_Start();完成初始化USB總線時鐘USB_Init(USB_VID,USB_PID,USB_MfrStr,USB_ProductStr,USB_SerialStr,USB_Max

47、Power,USB_PwAttributes,USB_bcdDevice);這是調(diào)用AN169-USB通信庫函數(shù)USB_Init（）完成USB總線使能CLKSEL |= 0x02;RSTSRC |= 0x02;3.使能API中斷程序代碼USB_Int_Enable();調(diào)用AN169-USB通信庫函數(shù)USB_Int_Enable();完成API中斷使能3.3.1.1 初始化單片機(jī)初始化流程圖，如圖2-2所示。圖3-4 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

48、時器被禁止。本設(shè)計需要初始化看門狗定時器而該對應(yīng)位的復(fù)位值為1因此無需做修改。 器件時鐘的初始化：通過將特殊寄存器OSCICN的IFCN1和IFCN0位都置1 設(shè)置內(nèi)部晶振為最高頻率；通過將特殊寄存器CLKMUL的MULEN位置1使能時鐘乘法器，然后延時等待時鐘乘法器準(zhǔn)備好。通過設(shè)置特殊寄存器CLKSEL選擇時鐘為內(nèi)部乘法器時鐘。 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。 端口I/O初始化包括以下步驟： 1、用端口輸入方式寄存器（PnMDIN）選擇所有端口引腳的輸入方式（模擬或數(shù)字）。 2、用端口輸出方式寄存器（PnMDOUT）選擇所有端口引腳的輸出方式（漏極開路或推挽

49、）。 3、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。 4、將引腳分配給要使用的外設(shè)（XBR0、XBR1、XBR2）。 5、使能交叉開關(guān)（XBARE = 1）。 （1）端口初始化 Port_IO_Init1();（2）晶振初始化 Oscillator_Init()；（3）ADC初始化 Adc_Init()； （4）定時器初始化 Timer_Init（）；3.3.1.2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(jī)。具體程序如下： while (1) if(AD_flag2=1) AD_flag2=0; if(AD_flag1=1)

50、Block_Write(Out_Packet1, 1500); else Block_Write(Out_Packet2, 1500); 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。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。 完成最信號的AD轉(zhuǎn)換后，對信號進(jìn)行采樣，考慮到時效性，我們采樣一組數(shù)據(jù)在通過USB進(jìn)行發(fā)送。具體程序如下：void Adc_ConvComplete_ISR(void) interrupt 10 if(AD_flag1=0) Out_Packet1num = ADC0H; num+; if(n

51、um>=1500) num=0; AD_flag1=1; AD_flag2=1; else Out_Packet2num = ADC0H; num+; if(num>=1500) num=0; AD_flag1=0; AD_flag2=1; AD0INT = 0;3.3.2 上位機(jī)程序設(shè)計3.3.2.1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象，具體表現(xiàn)有開關(guān)、旋鈕、圖形以及其他控制和顯示對象。 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.前面板如下所示

52、: 圖3-5 前面板圖3.3.2.2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。它的功能是對前面板上的控件進(jìn)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。在程序框圖中存在著對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。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。本次設(shè)計程序框圖如下:圖3-6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(jī)

53、API函數(shù)實現(xiàn)對下層USB硬件訪問的程序流程如圖3-7所示。圖3-7后面板流程圖借助USBXpress提供的USB主機(jī)API，即USBXpress安裝目錄下的SiUSBXpdll，可以簡便地實現(xiàn)在PC機(jī)上通過Labview軟件編寫的GUI程序與作為USB器件的C8051F340單片機(jī)的USB通信。USBXpress提供了10個USB主機(jī)API函數(shù)，具體如下：SI_Get NumDevices() 獲取USB器件的序列號SI_Get ProductString（） 獲取USB器件的產(chǎn)品描述信息SI_Open（） 打開USB器件SI_Close（） 關(guān)閉USB器件SI_Read（） 讀USB器件數(shù)

54、據(jù)版SI_Write（） 向USB器件寫數(shù)據(jù)塊SI_FlushBuffers（） 清楚USB器件讀和寫隊列中的數(shù)據(jù)SI_Set Timeouts（） 設(shè)置USB讀寫延時SI_Get Timeouts（） 獲取USB讀寫延遲SI_CheckRXQueue（） 獲取器件讀隊列中的數(shù)據(jù)的個數(shù)在Labview軟件編寫GUI程序是可通過Labview軟件中的CLF節(jié)點(Labview 高級子模板中的調(diào)用庫函數(shù)節(jié)點)調(diào)用USBXpress提供的USB主機(jī)API，以達(dá)到訪問USB底層硬件的目的。現(xiàn)以實現(xiàn)USB主機(jī)API函數(shù)中的SIGetNumDevices()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。本設(shè)計用到的節(jié)點具體介紹如下。圖3-7函數(shù)調(diào)用在“庫名置USB主或路徑”框中設(shè)機(jī)API函數(shù)的封裝庫SiUSBXpdll的路徑，然后在“函數(shù)名”下拉菜單中選擇當(dāng)前想要調(diào)用的SIGetNumDevices()函數(shù)，在“線程”框中選擇“在UI線程中運行”，在“調(diào)用規(guī)范”框中選“stdcall(wINAPI)”，最后在“參數(shù)”菜單中進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置。所有設(shè)置完畢，得到圖3-6所示的名為“SIGetNumDevices”的調(diào)用庫函數(shù)節(jié)