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毕业设计（论文）开题报告书课题名称基于USB接口的虚拟示波器设计学生姓名龙浩学号0540824010系、年级专业电气工程系测控技术与仪器指导教师王跃球副教授2009年12月29日一、课题的来源、目的、意义（包括应用前景）、国内外现状及水平1.课题来源对于学校教学实验以及某些特定需求来说，目前市场上的模拟及数字示波器也许并不适用，价格高昂、体积较大且很多专业功能并不实用。而现在电脑的普及程度也达到了相当的规模，利用电脑以及附加的数采模块实现一个灵活便捷的虚拟示波器能够满足大多数的工作、学习和开发需要，并且可以通过较低代价的硬件和软件升级实现相当复杂的信号处理功能，能够以较低的成本、较小的体积实现配置灵活的智能仪器组合；完全可以与便携电脑结合，构成便携式检测维修工作站。目前已经有计算机并口通信的数据采集器，但是USB的应用日趋广泛和深入，如果将USB功能融合在里面则可以实现更高的数据传输率、更方便的使用方式，更为优越的体现出虚拟仪器的性能。2.目的意义本项目的研究成果是基于USB总线的外置式虚拟存储示波器、多功能信号分析仪、高精度频率计、智能信号发生器和逻辑分析仪的样机。项目完成后将给出详尽的技术研究报告。该样机能够代替传统的仪器完成上述功能，同时具有传统仪器所无法比拟的优点，主要表现在以下几方面：该仪器通过USB总线与计算机相连，可以充分利用计算机强大的数据分析处理及存储功能，使仪器的功能大大扩展，同时利用计算机显示器作为仪器的虚拟界面，使操作简单，便于在线帮助。②USB总线是计算机的外置式总线，且支持即插即用，因此仪器的插拔不需要打开计算机机箱，方便了安装。③USB总线的高传输速率，使得该类仪器性能远远优于普通的串行口和并行口仪器，可同时挂接127个独立USB设备的特性，使得其扩展性是PCI总线、ISA总线以及串行口和并行口所无法比拟的。④由于USB总线是一种较新的计算机总线，目前国内尚无基于USB总线的虚拟仪器，但该类仪器的市场需求量却很大。该项目完成后其技术水平应处于国内领先水平的地位。虚拟仪器在近几年内的需求每年都在以20%的递增速度的增长，现有产品主要以ISA总线，PCI总线，VSA总线及EPP接口方式居多，这些产品的需求量很大，仅2001年全球的虚拟仪器总需求量为75亿美元，是传统仪器的替代产品。随着计算机的升级和更高要求，虚拟仪器的发展也将向USB接口方向发展（其优势在前面已论述），他的问世将具有更高的水平及价格优势。以USB接口方式为基础开发的虚拟仪器产品在今后（重点为5年内）以其优势必将占有虚拟仪器总需求的50%以上，也将代表虚拟仪器的最高发展水平，在性价比方面将更具有竞争力，因此该项目的发展趋势及前景必将非常美好。3.应用前景虚拟仪器在近几年内的需求每年都在以20%的递增速度的增长，现有产品主要以ISA总线，PCI总线，VSA总线及EPP接口方式居多，这些产品的需求量很大，仅2001年全球的虚拟仪器总需求量为75亿美元，是传统仪器的替代产品。随着计算机的升级和更高要求，虚拟仪器的发展也将向USB接口方向发展（其优势在前面已论述），他的问世将具有更高的水平及价格优势。以USB接口方式为基础开发的虚拟仪器产品在今后（重点为5年内）以其优势必将占有虚拟仪器总需求的50%以上，也将代表虚拟仪器的最高发展水平，在性价比方面将更具有竞争力，因此该项目的发展趋势及前景必将非常美好。本项目完成后可与许多仪器仪表生产企业合作,用来替代现有传统仪器的生产,必将为企业和社会带来巨大的社会效益和经济效益。该项目所取得的成果主要应用于测试测量领域，替代传统的仪器仪表，更可以使虚拟仪器的发展迈上一个新的台阶，该项目的技术成果也将大量应用于国防，航空航天、铁路、通讯、石油化工及电子信息行业。总之只要与测试、测量有关的技术产品都会有所应用，其应用领域是非常广阔的。4.国内外现状及水平虚拟仪器是计算机管理的数字化仪器系统，因此，依据某种通用或专用总线标准或规约，或以某种接口形式，与计算机进行通信和管理，并与计算机系统共同工作运行的仪器系统，目前多数属于虚拟仪器系统,它的典型特征是不可脱离计算机而独立工作。在信号源类虚拟仪器系统中，种类不是很多，主要有D/A（Digital/Analog，数字/模拟转换）卡系统和任意波发生器，另外还有函数发生器、合成信号源等。在测量仪器类虚拟仪器系统中，则有许多种类，其中最主要的是A/D（Analog/Digital，模拟/数字转换）卡系统和数据采集系统，另外还有数字存储示波器、瞬态记录仪、数字化仪、数字多用表、频率计数器、信号分析仪、相位计、失真仪、噪声分析仪、阻尼计等多种。原则上，非虚拟仪器里的仪器，都可以用虚拟仪器方式实现，但在大功率领域以及射频微波领域里的仪器设备，虚拟仪器实现比较困难，模块也较少；低频领域，以及小功率领域里，虚拟仪器已经具有了良好的发展态势。目前，主流的虚拟仪器主要是VXI、PXI、各种计算机总线等总线标准的各种插卡和仪器模块,间或有少数其他总线形式的仪器模块，工作方式多是插入各种总线式仪器机箱内或直接插入计算机主机箱内，少数情况下是独立模块以接口形式接入计算机。它们多数属于中低频范围，主要是工程应用类仪器设备，射频微波类以及高准确度类仪器设备较少。由于一部分虚拟仪器模块及系统（如数据采集系统）早在虚拟仪器概念提出之前就已经存在，所以，虚拟仪器概念的建立、提出和发展，一直是围绕着现有仪器设备的功能和性能，逐步强调和加大软件在仪器中的地位和作用，并以软件技术代替硬件技术为核心进行，逐渐将非虚拟仪器虚拟化。我国的VXI总线技术是反映我国目前虚拟仪器水平的一个方面。此外，互联网已经使数据共享进入新阶段，加速了虚拟仪器的新网络技术及远程计算技术的发展，而这些技术是传统独立仪器不可能实现的。虚拟仪器技术很好地利用了互联网的功能，因此，可以把来自测量或控制设备中的数据直接发布到网页上，或是用手持式的数字助理工具读取数据，甚至还可以将数据输出到手机上。使用虚拟仪器技术，可以使用互联网的强大功能远距离控制仪器设备，或是与远在其它办公地点甚至其它国家的同事合作处理一个项目。未来的这种连通水平将会更高，届时将赋予模块化新的定义。随着互联网和无线技术的发展，工程师们不仅能够重新使用模块化的组成部分，还可以更方便地在全球范围内共享知识和经验–巩固工程师们在开发过程中每个阶段的努力成果。商业科技的发展浪潮将会继续，同时也会将虚拟仪器技术推向新的水平。因此，性能的提高将会更容易实现，从而节省宝贵的开发及系统集成时间，同时又比传统仪器测量方案成倍地降低成本。没有人能够准确地预测未来的虚拟仪器将会发展到怎样的程度，但是有一点可以肯定–PC机及其相关的科技将会是虚拟仪器技术的核心，而有了它的帮助虚拟仪器技术将会更成熟。总之，虚拟仪器技术的应用前景是很广阔的。它可应用于建模与仿真、科学计算可视化、设计与规划、教育与训练、遥作与遥现、医学、艺术与娱乐等多个方面。网络时代的到来和信息化要求的不断提高，网络技术应用到虚拟仪器领域中是虚拟仪器发展的大趋势。虚拟仪器和网络技术的结合可以实现资源共享，共同完成测试任务，可以在任何地点、任意时刻获取到测量数据信息；可以进行异地或远程控制、数据采集、故障监测、报警等。二、课题研究的主要内容、研究方法或工程技术方案和准备采取的措施1.主要内容虚拟示波器，是将计算机强大的计算处理能力和一般硬件仪器的信号采集，控制能力结合在一起，从而实现一般示波器所不能实现的功能和友好的界面。随着计算机技术的发展，使得虚拟仪器的实现成为可能，传统仪器的一些专用处理器和设备，被计算机的通用设备所代替，常用的虚拟仪器，多采用PCI或ISA插槽，将各种硬件连接到一起，然而采集卡的数量一般有限，因此组织系统的时候，只能指定特定的计算机，或打开计算机盖装入专门的采集卡，在使用笔记本电脑或工业一体化电脑的场合，根本就不支持PCI或ISA总线的设备。所以，我们需要一种更方便，更有效，更灵活的总线通讯方式来实现虚拟仪器，现代计算机一般都具有USB接口，且USB接口的使用灵活，方便，所以首先考虑采用USB总线2.研究方法（1）虚拟示波器的硬件设计：虚拟示波器的硬件设计就是要完成虚拟示波器的USB物理设备的设计，即USB接口和USB功能设备，虚拟示波器的硬件信号调理模数转换数据缓冲USB接口PC计算机接口80C51单片机图1虚拟示波器的硬件结构图图1所示，虚拟示波器的数据采集器由五个部分组成：信号调理部分、模数转换部分、数据缓冲部分、USB接口和单片机控制部分。（2）虚拟示波器的软件设计：虚拟示波器的软件主要包括：单片机软件和PC机软件两部分。单片机端软件采用高级语言C51进行具体的的程序设计，主要文成接受命令、数据采集控制这两个功能;PC机软件主要功能是模拟数字示波器，实现数据的显示、满足不同需要的分析功能以及对数据采集硬件的参数设定。（3）严格按照邵阳学院毕业设计指导条例的要求完成开题报告一份，毕业设计说明书一份，与毕业设计内容相关的英文文献翻译稿一篇。准备采取的措施①本项目将充分利用EDA(ElectronicDesignAutomation,电子设计自动化）仿真工具，在现有的设计仿真综合平台上，利用已建立的良好硬件设计EDA模拟环境，采用硬件描述语言VHDL(VHSICHardwareDescriptionLanguage，超高速集成电路硬件描述语言)或Verilog-HDL进行硬件系统和电路的设计仿真。②硬件系统的实现手段上将采用大规模可编程器件（FPGA）来替代传统的分离器件，这不仅大大缩短了开发周期，而且使系统的可靠性大大提高，降低了成本，增加了系统功能上的灵活性，可以根据用户的要求随时修改或增加系统功能，而且保密性好。③USB设备的客户端驱动程序设计是开发USB外设的关键,我们将利用WDM(WindowsDriverMode)这一驱动程序的良好平台,构建Windows98(2000)DDK直接支持的驱动程序代码。④操作界面将在虚拟仪器专用的开发系统Labwindow下开发，该开发平台采用C++语言作为基本编程语言，程序库中提供了大量的控件和信号分析测量的模块供调用,大大简化了软件工作量。三、现有基础和具备的条件1.通过在校四年的学习,本人较好地掌握了必须的专业基础知识,基本理论与基本技能,具备了研究新课题的初步基础。2.学习了模拟/数字电子，EDA技术，PLC原理及应用，自动控制原理，单片机等理论课程，具备了从事该毕业设计的理论基础。已经完成过相应一些课程设计，具有一些设计的实际经验3.有测控技术专业实验室和计算机机房，可供学生毕业设计调试之用，具备比较好的硬件条件。［1］刘思久、滕岩峰.基于USB总线的测试系统开发[J]。电测与仪表，2002.1［2］张文国，马文玲。USB技术分析与应用[J]。现代电子技术，2005.8［3］马春雷.基于EZ-USB的虚拟示波器设计[J].国外电子测量技术，2006.12［4］张弘，USB接口技术。西安电子科技大学出版社，2002.12［5］NationalInsturmentsCorpoartoin.VritualInsturments［6］李扬，高性能虚拟示波器的研究.工业仪表与自动化装置，1999.2［7］孙亚飞，测试仪器发展概述.仪器仪表学报，2003.10［8］杨永杰，一种基于USB总线的虚拟仪器的实现.计算机应用，2003.12［9］史延龄，虚拟示波器的设计研究.仪表技术，2001.3［10］示波器基础http://.jicheng.net.cn，2005.4［11］［12］AlteraCorportion.MAX7000AProgrammableLogicDevicever4.5［13］AnalogDevice.AD9480DataSheet［14］CypressSemiconductorCorp