基于PC和单片机的数字示波器设计

编号:毕业论文(设计)题目基于PC和单片机的数字示波器设计指导教师杨光军学生姓名李振洲学号200811705035专业机械设计制造及其自动化教学单位德州学院机电工程系（盖章）二零一二年五月十号德州学院毕业论文（设计）开题报告书2011年11月21号院（系）机电工程系专业机械设计制造及其自动化姓名李振洲学号200811705035论文题目基于PC和单片机的数字示波器设计一、选题目的和意义现代仪器正在向着智能化、便携式和虚拟化的方向发展。借助少许的采集硬件和通用PC平台，仪器正由单一化向集成化、由物理仪器向虚拟仪器方向发展。虚拟仪器的发展必将推动现代仪器事业的发展。通过设计可以将原始的示波器与现代的单片机相结合，使示波器更好地发挥其功能，增加仪器的灵活性、方便性。二、本选题在国内外的研究现状和发展趋势近年来，随着单片机技术的发展，国内外企业在现代工业生产和科学研究中对数据采集的要求日益提高，在瞬态信号测量、图像处理等一些高速、高精度的测量中，需要进行高速数据采集。现在通用的高速数据采集卡一般多是PCI卡或ISA卡，存在着安装麻烦、价格昂贵，受计算机插槽数量、地址、中断资源限制，可扩展性差等缺点。目前国产的测试用数字示波器在技术上还比较落后，高性能的数字示波器主要靠进口，进口数字示波器虽然功能强大,但价格太高，难以普及；另外，主流的数字示波器大都面向高频信号，高频DSP和数据采集芯片成本都很高，用于低频信号测试精度又难以满足要求。本设计针对示波器开发以上的两个方面的问题，尝试开发了一种低频虚拟数字示波器。该示波器除了具有传统模拟CRT示波器对波形的采集、显示等一般功能，还可以实现对波形数据的存储和打印，以及对波形参数的计算和显示。三、课题设计方案1、分析了示波器的工作原理和虚拟示波器的结构，探讨了滤波器的实现技术，选择切比雪夫低通滤波器作为低通虚拟滤波器模型，并运用Matlab软件设计了低通滤波器；2、选低成本单片机PIC16F877作为数据采集和处理单元，将采集到的脉冲信号转换为数字信号，通过RS232串口传送到PC；3、通过数字储存示波器的功能和结构的分析，运用Proteus绘制了示波器各个模块的模拟和数字电路，对各电路的组成进行了说明；4、对设计中涉及的通信协议进行了阐述，结合硬件结构四、计划进度安排2011.10.24----2011.10.31：资料收集整理，调研，熟悉USB通讯协议。2011.11.1----2011.11.3：总体设计，确定软硬件设计方案，熟悉开发环境。2011.11.3----2011.12.20：硬件制作调试。2011.12.21----2012.3.30：软件设计调试。2012.4.1----2012.4.15：系统完善、测试。2012.4.16----2012.4.30：撰写论文。2012.5.4----2012.5.10：准备答辩。五、主要参考文献[1]何显鹏，彭力，何小龙．基于FPGA的数字示波器设计研究[J]．现代商贸工业，2009，18．[2]张雅珍．基于FPGA和ADS830的数字示波器设计[J]．电子测量技术，2009，32（10）．[3]郭迎福，毛征宇，晏燕等．基于虚拟仪器的数字示波器设计[J]．湖南科技大学学报，2006，21（1）．[4]潘松，王国栋．VHDL实用教程．成都：电子科技大学出版社，2000．[5]许建，沈桂明．FPGAEPLD应用领域的研究．电子技术应用，1995，3：35~38指导教师意见及建议：签名：年月日教学单位领导小组审批意见：组长签名：年月日德州学院毕业论文（设计）中期检查表院（系）：机电工程系专业：机械设计制造及其自动化2012年4月10号毕业论文（设计）题目：基于PC和单片机的数字示波器设计学生姓名李振洲学号200811705035指导教师杨光军职称讲师计划完成时间2012年6月7号毕业论文（设计）的进度计划2011.12.6-2012.2.28进行课题资料的搜集2012.3.1-2012.3.31需求分析对示波器工作原理进行分析2012.4.1-2012.4.30概念分析将单片机编程程序导入示波器芯片已达到需求效果，并对整体进行理论设计完成情况已完成基于PC和单片机的数字示波器设计相关资料整合分析初步确定设计方案，对示波器工作原理有了初步了解，所需设备问题在老师的帮助下得到解决。对于以后的设计方向有了大致规划。指导教师评议签名：年月日备注目录摘要关键词..............................................................................................................................11引言......................................................................................................................................11.1测量仪器的发展现状…………………………………………………………………..11.2研究方法及内容…………………………………………………………………………22数字示波器…………………………………………………………………………………42.1示波器工作原理…………………………………………………………………………42.2示波器的波形重建技术…………………………………………………………………52.3虚拟示波器设计要求……………………………………………………………………53硬件设计……………………………………………………………………………………93.1系统硬件结构……………………………………………………………………………93.2系统功能模块设计………………………………………………………………………93.3采样方式的选择…………………………………………………………………………93.4系统数字电路……………………………………………………………………………94软件设计总体方案………………………………………………………………………..114.1系统总体方案流程图…………………………………………………………………..114.2虚拟示波器系统模块设计……………………………………………………………..125测试流程……………...…………………………………………………………………...175.1测量原理………………………………………………………………………………..185.2结果与分析……………………………………………………………………………..196结论………………………………………………………………………………………..20参考文献…………………………………………………………………………………….20谢辞………………………………………………………………………………………….21德州学院机电工程系2012届机械设计制造及其自动化毕业论文(设计)1基于PC和单片机的数字示波器设计李振洲（德州学院机电系山东德州253023）摘要：示波器是电子测量中一种最常用的仪器，被广泛应用于各个领域。随着电子科技的发展，示波器也从模拟示波器向数字示波器发展。同模拟示波器相比，数字示波器有许多优点，并逐步取代模拟示波器面向市场。本设计针对示波器尝试开发了一种低频虚拟数字示波器。该示波器除了具有传统模拟CRT示波器对波形的采集、显示等一般功能，还可以实现对波形数据的存储和打印，以及对波形参数的计算和显示。关键词：PC；MCU；虚拟；示波器1引言1.1测量仪器的发展现状由于微电子、计算机技术的发展,测控仪器行业也正在经历一个巨大的变化。现代测试系统越来越复杂,需要测试数据也越来越大,测试速度、精度、实时性、数据的诚信、正直和测试系统的可靠性、智能,开放给也越来越高。(1)利用计算机提高传统仪器的功能这一阶段的虚拟仪器的发展几乎是直线。因为GPIB总线标准的确立,电脑和外界沟通可能系列的性能价格不断上涨,所以用户可以通过计算机控制仪器。随着计算机系由计算机控制的乐器成为一种趋势。经过近十年的发展,用户得到越来越多的关于计算机控制仪表软件,而这些软件使用方便。最新的软件包括仪器驱动图书馆、数据分析函数库,图形界面的函数库等。用户可以使用这些功能强大的软件来加强他的仪器系统的功能,使之能够具体的数据处理和分析,可显示结果,10号仪器可在传统的固定的作用。事实上,只要中国传统乐器通过GPIB或RS-232与计算机相连,这些新功能可以工作得很好。所以用户可以将很多独立的仪器和计算机连接到用户自己设计的虚拟仪器。(2)开放式的仪器组成为了满足不断增长的需求仪器市场,这时在仪器的硬件上出现两个主要技术进步:单片机类型(插件PCDAQ);二是标准的确立VXI总线仪器。这些新技术使时间分辨荧光免疫分析仪的结构开放、消除第一阶段的内在根据用户的定义和区别函数定义仪器的供应商。国内的虚拟仪器的研究起步较晚,最早的研究也从引进、消化、氮产品就开始工作了。但是,经过多年的研究,我们国家一直在虚拟仪器开发形成了自己的特色。国家自然科学基德州学院机电工程系2012届机械设计制造及其自动化毕业论文(设计)2金的虚拟仪器的研究是现代机械工程科学前沿学科之一,并被列为“十五”期间优先资助领域[1]。中国的国民经济迅速发展,步伐的加快企业技术升级,先进的仪器设备需求更加坚强;虚拟仪器生存的个人电脑近年来以极高的速度在中国的发展,所有这些虚拟仪器在中国普及打下了良好的基础。1.2研究方法及内容这个主题的研究虚拟示波器的低频信号的采集和显示,PC机单片机数据采集和处理,在vc++开发环境的Windows软件,结合PC平台的信号存储和显示。设计的低频信号用十示波器采集、波形显示和光谱分析、信号处理等方面有着广泛的应用。这种设计结构简单、成本低、低频信号到足够测试要求、硬件几乎不调整,我们可以实现进一步扩展的基本功能。(1)文献资料的基础上,分析了目前国内的发展趋势和国际仪器和技术,通过示波器的设计方法;(2)示波器的理论分析和设计,确定示波器框架,和低通滤波器的数学模型和实现方式;(3)确定硬件框架,选择数据处理芯片,对每一个模块进行模拟和数字电路设计和模拟通信协议的发展;(4)结合示波器模型和硬件结构,利用vc++程序开发、写作,包括A/D转换、数据存储、显示和控制界面的程序,其主要内容是实现多通道的波形显示和控制调整;(5)软件仿真测试,测试代码的执行,并设计的合理性;(6)总结了设计过程,指出了需要进一步研究的方向。这个主题的研究虚拟示波器的低频信号的采集和显示,PC机单片机数据采集和处理,在vc++开发环境的Windows软件,结合PC平台的信号存储和显示。设计的低频信号用十示波器采集、波形显示和光谱分析、信号处理等方面有着广泛的applicatio1.2.1技术路线德州学院机电工程系2012届机械设计制造及其自动化毕业论文(设计)3图1技术路线通过比较和分析,结合自身的知识储备和研究方向,决定MCU+PC的设计硬件组合示波器,这是一个便宜的单片机作为数据采集单业务,在个人电脑的发展数据处理和显示的软件接口。最电流和虚拟仪器的数据作为工具的发展有差距,眼睛_保证程序的可移植性,在这里选择vc++为示波器软件开发工具。该设计的技术路线如图1所示.2数字示波器2.1示波器工作原理数字示波器数据采集、A/D转换、软件编程等一系列技术制造的高性能示波器。数字示波器普遍支持多级菜单,可以给用户更多的选择,许多分析功能。和一些示波器可以提供存储,实现对波形的保存和处理。目前高端数字示波器主要依靠美国技术,300兆赫兹带宽在示波器,目前国内品牌RIGOL做示波器在性能上有能和国外品牌的攻击,具有明显的性价比优势。确定研究课题确定研究方法选定处理器示波器设计与仿真硬件部件设计软件部分设计模拟电路数字电路AD转换器数据储存Protcus仿真代码优化完成设计波形