低頻模擬信號(hào)波形顯示分析器設(shè)計(jì)的論文_畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 通過(guò)不斷的學(xué)習(xí)設(shè)計(jì) VI的過(guò)程逐漸地掌握。 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 系統(tǒng)功能 在本設(shè)計(jì)中需要能夠?qū)崿F(xiàn)功能如下： 下位機(jī)上利用 C8051F340單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)的采樣。 將采樣得到的數(shù)據(jù)通過(guò) USB接口發(fā)送給 PC機(jī)。 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。 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。下面將對(duì)系統(tǒng)的硬件構(gòu)架和軟件開發(fā)環(huán)境作已簡(jiǎn)單介紹。 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)。通過(guò)以上設(shè)計(jì)系統(tǒng)構(gòu)架框圖如 圖 13如所示。 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。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(gè)靈活的端點(diǎn)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(gè)） 。 精確校準(zhǔn)的 12MHz內(nèi)部振蕩器和 4倍時(shí)鐘乘法器 。 多達(dá) 64KB的片內(nèi) FLASH存儲(chǔ)器 。 多達(dá) 4352字節(jié)片內(nèi) RAM（ 256+4KB） 。 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 。 具有 5個(gè) 捕捉 /比較模塊和看門狗定時(shí)器功能的可編程計(jì)數(shù)器 /定時(shí)器陣列（ PCA） 。 片內(nèi)上電復(fù)位、 VDD監(jiān)視器和時(shí)鐘丟失檢測(cè)器 。 西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 9 多達(dá) 40個(gè)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(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)。 FLASH存儲(chǔ)器還具有在系統(tǒng)重新編程能力，可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并允許現(xiàn)場(chǎng)更新 8051固件。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。 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(chǔ)器和寄存器，支持?jǐn)帱c(diǎn)、單步、運(yùn)行和停機(jī)命令。在使用 C2進(jìn)行調(diào)試時(shí)，所有的模擬和數(shù)字外設(shè)都可全功能運(yùn)行。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。 每種器件都可在工業(yè)溫度范圍（ 45℃ 到 +85℃ ）內(nèi)用 。電源電壓大于 ，必須使用內(nèi)部穩(wěn)壓器。對(duì)于 USB通信，電源電壓最小值為。端口 I/O和 /RST引腳都容許 5V的輸入信號(hào)電壓。 C8051F340/1/2/3/4/5/6/7采用 48腳 TQFP封裝或 32腳 LQFP封裝。 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。在數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)中，需要使用若干儀器、儀表觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果。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。萬(wàn)用表和邏輯筆使用方法比較簡(jiǎn)單，而邏輯分析儀和存儲(chǔ)示波器目前在數(shù)字電路教學(xué)實(shí)驗(yàn)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(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。它是觀察數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、分析實(shí)驗(yàn)中的問(wèn)題、測(cè)量實(shí)驗(yàn)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(hào)源組成。 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(jì) (論文 ) 11 圖 17 示波器 軟件環(huán)境 1.、 單片機(jī)開發(fā)軟件 Keil C51 簡(jiǎn)介 Keil C51 是美國(guó) Keil Software 公司出品的 51 系列兼容單片機(jī) C 語(yǔ)言軟件開發(fā) 系統(tǒng)。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。用過(guò)匯編語(yǔ)言后再使用 C 來(lái)開發(fā)，體會(huì)更加深刻。 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。另外重要的一點(diǎn)是 Keil C51 生成的目標(biāo)代碼效率非常之高，多數(shù)語(yǔ)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(diǎn)，在本設(shè)計(jì)中選用其作為軟件設(shè)計(jì)環(huán)境 [8]。 LabVIEW 簡(jiǎn)介 LabVIEW（ Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench,實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)）是美國(guó) NI（ National Instrument Company）公司推出的一種基于G 語(yǔ)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(qiáng)了虛擬儀器的靈活性和可擴(kuò)展性 [15]。 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。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。 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。在運(yùn)用 LabVIEW 之前檢測(cè)自己設(shè)計(jì)的方案時(shí)，必須先保證上位機(jī)設(shè)計(jì)的合理性與成功性，為此我們必須先對(duì)其進(jìn)行 USB 通信的檢測(cè)，進(jìn)而保證后面實(shí)驗(yàn)的可行性。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。驗(yàn)證 LabVIEW 界面功能對(duì) LabVIEW 界面的檢測(cè)實(shí)際是對(duì)上位機(jī)的整體檢測(cè)，通過(guò) LabVIEW 界面信號(hào)顯示 和頻譜的顯示進(jìn)而確保整個(gè)設(shè)計(jì)的初步成功。 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。 第二章是系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的介紹，包括了 C8051F340 硬件的功能描述和硬件的總體設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)。 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。主要分為上位機(jī)和下位機(jī)兩部分具體進(jìn)行了說(shuō)明。 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(wèn)題進(jìn)行了分析。 第五章是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的結(jié)論與展望，在這一章中，結(jié)論對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)果作了簡(jiǎn)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 。 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)。本章主要對(duì)測(cè)試系統(tǒng)硬件的功能、測(cè)試系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)、測(cè)試系統(tǒng)硬件詳細(xì)設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。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。 硬件功能描述 硬件設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，是軟件運(yùn)行的平臺(tái)。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。 硬件功能主要是搭建下位機(jī)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(duì)數(shù)據(jù)的采集。該模塊主要包括供電電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、 JTAG 電路。 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。 西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 14 C 8 0 5 1 F 3 4 0U S BP C 機(jī)供 電 電 路 復(fù) 位 電 路J T A G時(shí) 鐘 電 路被 測(cè) 信 號(hào) 圖 21 系統(tǒng)總體功能流程圖 硬件詳細(xì)設(shè)計(jì) 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(gè)元器件的選擇等。 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。其原理圖如圖 22 所示。 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 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。其中的 D+、 D_分別要接到單片機(jī)的 9 引腳。其原理框圖如圖 23 所示。Vin VoutGNDU1 C2C4LED1234P1USB 33pFC515pFC615pFC7VBUSD+D10uFC11uFC3+1 23 45 6P2( 電源開關(guān)按鍵 1)+5VDD+GND+5VR427R227R31KR1GND++ 圖 23 C8051F340 供電電路 西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 16 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(shuō)單片機(jī)接收正脈沖開始復(fù)位，在正