低频模拟信号波形显示分析器设计的论文(编辑修改稿)

低频模拟信号波形显示分析器设计的论文(编辑修改稿)内容摘要：

系统方案设计 系统功能 在本设计中需要能够实现功能如下： 下位机上利用 C8051F340单片机对数据的采样。 将采样得到的数据通过 USB接口发送给 PC机。 上位机上 PC机端的 GUI界面主要利用 LabVIEW做成虚拟示波器，进 行波形显示、频谱分。 西安工程大学本科毕业设计 (论文 ) 7 系统方案 本设计的实现主要由硬件部分和软件部分组成。 下面将对系统的硬件构架和软件开发环境作已简单介绍。 系统结构框架 为了实现低频模拟信号波形显示器的设计，本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。 通过以上设计系统构架框图如图 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 机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 图 13系统机构框架图 器件选择 单片机器件选择 本次设计主要运用了 C8051F340,具体介绍如下 : 西安工程大学本科毕业设计 (论文 ) 8 图 14 C8051F340的内部结构 C8051F340/1/2/3/4/5/6/7器件是完全集成的混合信号片上系统型 MCU。 下面列出了一些主要特性 [7]。 高速、流水线结构的 8051兼容的微控制器内核（可达 48MIPS）。 全速、非侵入式的在系统调试接口（片内）。 通用串行总线（ USB）功能控制器，有 8个灵活的 端点管道，集成收发器和1K FIFO RAM。 电源稳压器。 真正 10位 200 ksps的单端 /差分 ADC，带模拟多路器。 片内电压基准和和温度传感器。 片内电压比较器（两个）。 精确校准的 12MHz内部振荡器和 4倍时钟乘法器。 多达 64KB的片内 FLASH存储器。 多达 4352字节片内 RAM（ 256+4KB）。 硬件实现的 SMBus/ I2C、增强型 UART（ 最多两个 ） 和增强型 SPI串行接口 4个通用的 16位定时器。 具有 5个捕捉 /比较模块和看门狗定时器功能的 可编程计数器 /定时器阵列（ PCA）。 片内上电复位、 VDD监视器和时钟丢失检测器。 西安工程大学本科毕业设计 (论文 ) 9 多达 40个端口 I/O（容许 5V输入）。 具有片内上电复位、 VDD监视器、电压调整器、看门狗定时器和时钟振荡器的 C8051F340/1/2/3/4/5/6/7器件是真正能独立工作的片上系统。 FLASH存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新 8051固件。 用户软件对所有外设具有完全的控制，可以关断任何一个或所有外设以节省功耗。 片内 Silicon Labs二线（ C2）开 发接口允许使用安装在最终应用系统上的产品MCU进行非侵入式（不占用片内资源）、全速、在系统调试。 调试逻辑支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、单步、运行和停机命令。 在使用 C2进行调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。 两个 C2接口引脚可以与用户功能共享，使在系统调试功能不占用封装引脚。 每种器件都可在工业温度范围（ 45℃ 到 +85℃ ）内用。 电源电压大于 ，必须使用内部稳压器。 对于 USB通信，电源电压最小值为。 端口 I/O和 /RST引脚都容许 5V的输 入信号电压。 C8051F340/1/2/3/4/5/6/7采用 48脚 TQFP封装或 32脚 LQFP封装。 图 15 C8051F340的原理图 西安工程大学本科毕业设计 (论文 ) 10 图 16 C8051F340的引脚图 示波器 示波器是一种使用非常广泛，且使用相对复杂的仪器。 在数字电路实验中，需要使用若干仪器、仪表观察实验现象和结果。 常用的电子测量仪器有万用表、逻辑笔、普通示波器、存储示波器、逻辑分析仪等。 万用表和逻辑笔使用方法比较简单，而逻辑分析仪和存储示波器目前在数字电路教学实验中应用还不十分普遍。 示波器工作原理 :示波器 是利用电子示波管的特性，将人眼无法直接观测的交变电信号转换成图像，显示在荧光屏上以便测量的电子测量仪器。 它是观察数字电路实验现象、分析实验中的问题、测量实验结果必不可少的重要仪器。 示波器由示波管和电源系统、同步系统、 X 轴偏转系统、 Y 轴偏转系统、延迟扫描系统、标准信号源组成。 本次所用示波器如下图 : 西安工程大学本科毕业设计 (论文 ) 11 图 17示波器 软件环境 1.、 单片机开发软件 Keil C51 简介 Keil C51 是美国 Keil Software 公司出品的 51 系列兼容单片机 C 语言软件开发系统。 与汇编相比， C 语言在功能上、 结构性、可读性、可维护性上都有明显的优势，易学易用。 用过汇编语言后再使用 C 来开发，体会更加深刻。 Keil C51 软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows 界面。 另外重要的一点是 Keil C51 生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。 基于 Keil C51 的所有这些优点，在本设计中选用其作为软件设计环境 [8]。 LabVIEW 简介 LabVIEW（ Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench,实验室虚拟仪器开发平台）是美国 NI（ National Instrument Company）公司推出的一种基于G 语言的虚拟软件开发工具，虚拟仪器是有用户定义，这种 “软件即仪器 ”的思想增强了虚拟仪器的灵活性和可扩展性 [15]。 LabVIEW 编程主要是用简单、直观、易懂的框图来代替传统的程序代码，并且其编程过程和思维过程很相似。 如今LabVIEW 已应用到航空、电子、通信、工业、医学等领域。 测试方案 本设计首先是利用 Keil C51 软件编译写好的程序代码，无误后通过 Keil 的下载功能将编译 好的目标文件下载到搭建好的测试系统中，并运行一段时间后，检西安工程大学本科毕业设计 (论文 ) 12 测程序的正误。 在运用 LabVIEW 之前检测自己设计的方案时，必须先保证上位机设计的合理性与成功性，为此我们必须先对其进行 USB 通信的检测，进而保证后面实验的可行性。 验证被测信号功能被测信号是本次设计的关键部分，是我们应该首先保证的环节，通过示波器我们首先要保证三种被测信号的正常使用，为后面信号分析形成对比部分。 验证 LabVIEW 界面功能对 LabVIEW 界面的检测实际是对上位机的整体检测，通过 LabVIEW 界面信号显示和频谱的显示进而确保整个设计的初步 成功。 论文章节安排 本论文共分为五章，具体介绍如下： 第一章是绪论，主要介绍了数据通信， USB 通信， LabVIEW 软件设计基本原理和相关软件的介绍。 第二章是系统硬件设计的介绍，包括了 C8051F340 硬件的功能描述和硬件的总体设计和详细设计。 第三章是系统软件的设计，在这章里将会对系统软件的功能、总体设计和各个部分的具体设计实现作详细的介绍。 主要分为上位机和下位机两部分具体进行了说明。 第四章是系统的调试与分析，这章主要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，在这一章中，结论对系统的设计结果作了简单的总结，展望则根据系统中存在的不足提出了一些相应的改进的方法。 西安工程大学本科毕业设计 (论文 ) 13 第 2章 硬件设计 在设计的过程中，我们将系统功能分为硬件与软件来分别实现。 本章主要对测试系统硬件的功能、测试系统硬件总体设计、测试系统硬件详细设计进行介绍。 其中测试系统硬件的详细设计主要是 C8051F340 单片机系统的硬件设计进行详细介绍。 硬件功能描述 硬件设计是整个系统设计的基础，是软件运行的平台。 根据第一章系统方案，首先需要进行整个系统的硬件设计，硬件的设计主要 根据系统所要达到的功能而进行。 硬件功能主要是搭建下位机的 C8051F340 单片机系统构成。 下位机C8051F340 单片机主要作为对数据的采集。 该模块主要包括供电电路、时钟电路、复位电路、 JTAG 电路。 硬件总体设计 根据系本功能要求，需要完成以下设计：以 C8051F340 为核心的信号采样系统， 实现过程如图 21。 西安工程大学本科毕业设计 (论文 ) 14 C 8 0 5 1 F 3 4 0U S BP C 机供 电 电 路 复 位 电 路J T A G时 钟 电 路被 测 信 号 图 21系统总体功能流程图 硬件详细设计 本小节主要介绍硬件电路中各自包含的大小模块的具体电路及电路中个元器件的选择等。 单片机最小系统 该部分主要是为了 实现对信号的采样，进而通过 USB 发送到 PC 机上进行波形的显示和频谱的分析。 其原理图如图 22 所示。 西安工程大学本科毕业设计 (论文 ) 15 Vin VoutGNDU1 C2C4LED1234P1USB 33pFC515pFC615pFC7C9VBUSD+DC8C101uF111 23 45 67 89 10JTAG+GNDGND NCRST/C2CKC2DRESETSWPB D+DVBUSC2DRST/C2CKREGIN113156D+8RST/C2CK1332VBUS12D9VDD101234GND7C2D141516171819202122232425262728293033343536373839404142434445464748C8051F340C8051F344C8051F341C8051F345U2C8051F340REGIN 10uFC11uFC3+1 23 45 6P2( 电源开关按键 1)+GND+NCNC+5VDD+GND+5VVDDR427R227R31KR11KR51KR6GND+GND+ 图 22 C8051F340原理图 供电电路 一般的电源适配器提供的都是 5V 的电压，但 C8051F340 必须使用 的电压，所以需要用 LM1117 的电源芯片进行 5V到 的电压转换。 其中的 D+、 D_分别要接到单片机的 9 引脚。 其原理框图如图 23 所示。 Vin VoutGNDU1 C2C4LED1234P1USB 33pFC515pFC615pFC7VBUSD+D10uFC11uFC3+1 23 45 6P2( 电源开关按键 1)+5VDD+GND+5VR427R227R31KR1GND++ 图 23 C8051F340供电电路 西安工程大学本科毕业设计 (论文 ) 16 复位电路 单片机的复位包括初始化和从头开始工作这样连续的两步。 单片机复位引 脚Reset 接收高电平进行初始化；接收低电平，开始工作。 也就是说单片机接收正脉冲开始复位，在正脉冲的下降沿启动单片机。 单片机正常工作期间，复位引脚R。