基于labview和fpga的虚拟仪器平台设计本科毕业设计.docx

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河南科技大学毕业设计（论文）

II

基于 labview、fpga的虚

拟仪器平台开 发与设计

摘要

现代生产要求电子仪器品种多、功能强、精度高、自动化程度高，而且要求测试的速度快、实时性好，具有良好的人机界面。

虚拟仪器正好可以实现这些要求。

在电子实验中使用多种仪器，如信号发生器、万用表、频率计、示波器等，如果能把它们都设计成虚拟仪器，利用计算机来提高仪器的集成度，减少实验匹配的仪器的种类、数量和实验室面积，便能从根本上改变实验室的面貌，克服传统测量仪器单一功能的缺点。

本设计正是以这种思想为出发点，以电子技术实验室的真实函数信号发生器、示波器、频率计为蓝本，利用LabVIEW编程来设计虚拟函数信号发生器、虚拟存储示波器、虚拟频率计，并将其合并在一个虚拟平台上面，能够分别实现虚拟仿真函数信号发生器、存储示波器、及频率计的功能,实现真正意义上的虚拟仪器平台。

其虚拟平台上面的函数信号发生器可以产生正弦波、三角波、方波三种波形，并能够实现波形频率从1Hz到2MHz可调，峰峰值从0.1V到8.0V可调，实时性很好；示波器能正确的显示波形，并能实现频率和幅值的可调；频率计可以对0HZ到99.99KHZ的信号进行频率的测量。

本设计利用RS-232串口进行数据的传输，实现了LabVIEW与FPGA的通信。

同时对仿真信号的生成与控制做了详细的分析，以及对设计中的问题进行了深入的探讨。

本设计旨在找到一个能够改革教学实验室的有效途径。

关键词：

虚拟仪器，LabVIEW，RS-232，FPGA

VII

THEDESIGNOFVIRTUALINSTRUMENTSPLATFORMBASEDONLABVIEWANDFPGA

ABSTRACT

Modernproductionrequireselectronicinstrumentationvarietymany,strongfunction,highprecision,highdegreeofautomation,andhighspeed,goodreal-timeintesting,goodman-machineinterface.VirtualInstrumentscanmeetpreciselytheserequirements.Avarietyofinstrumentsareusedintheelectronicexperiments,suchassignalgenerator,multimeter,frequencymeter,oscilloscope,etc.Ifweareabletodesignthemtovirtualinstruments,improvetheintegrationofinstrumentsusingcomputerandreducethetypeandnumberofinstrumentsmatchedtoexperimentsandthespaceoflaboratory,thenwecanchangethefaceofthelaboratoryfundamentallyandconquertheshortcomingsofsinglefunctionofthetraditionalmeasuringinstruments.

Thedesignofthisthinkingisthestartingpointofelectronictechnologytotherealfunctionofthelaboratorysignalgenerator,oscilloscope,frequencymeterbasedontheuseofLabVIEWprogrammingtodesignthevirtualfunctionsignalgenerator,virtualstorageoscilloscope,thevirtualfrequencymeter,andcombinedinavirtualplatform,toachievethevirtualsimulationfunction,respectively,signalgenerator,oscilloscope,andfrequencyoffunctions,therealizationofthetruesenseofthevirtualinstrumentplatform.Itsvirtualplatformfortheabovefunctionsignalgeneratorcanproducesinewave,trianglewave,squarewavethree,andbeabletoachievethewaveformfrequencyfrom1Hzto2MHzAdjustablepeakpeakadjustablefrom0.1Vto8.0V,averygoodreal-time;oscilloscopewaveformdisplaycorrectly,andtoachieveanadjustablefrequencyandamplitude;0HZCymometercan99.99KHZsignaltothefrequencymeasurements.

ThedesignoftheuseofRS-232serialportfordatatransmission,therealizationoftheLabVIEWandFPGAcommunication.Atthesametime,thegenerationofsimulationandcontrolsignalstodoadetailedanalysis,aswellasdesignissuesindetail.Thedesignofareformaimedatfindinganeffectivewayofteachinglaboratory.

KEYWORDS:

VirtualInstrument，LabVIEW，RS-232，FPGA

目录

前言 1

第1章绪论 2

§1.1虚拟仪器的背景 2

§1.1.1数字信号处理技术 2

§1.1.2虚拟仪器技术 2

§1.2本课题研究的意义 3

§1.2.1设计的依据及意义 3

§1.2.2国内外发展状况 4

§1.3关于LabVIEW 5

§1.3.1开发环境LabVIEW 5

§1.3.2选择LabVIEW的原因 5

第2章系统的构想与方案设计 7

§2.1上位机与下位机 7

§2.2DDS的工作原理 7

§2.3方案论证 8

§2.4系统整体框图与设计思想 11

§2.4.1系统框图 11

§2.4.3频率计设计思想 12

§2.4.2函数信号发生器设计思想 13

第3章上位机设计 15

§3.1LabVIEW软件设计思想 15

§3.2人机交互界面设计 17

§3.2.1人机交互界面的构成 18

§3.2.2界面的组件设计 19

§3.3主VI程序框图设计 20

§3.3.1程序框图 20

§3.3.2器件选择部分设计 21

§3.3.3串口发送部分设计 21

§3.4函数信号发生器程序框图的设计 22

§3.4.1程序框图 22

§3.4.2波形类型部分设计 23

§3.4.3频率选择部分设计 24

§3.4.4峰峰值调节部分设计 25

§3.4.5串口发送部分设计 25

§3.5频率计程序框图的设计 26

§3.5.1程序框图 26

§3.5.2发送数据类型控制部分设计 26

§3.5.3串口发送部分设计 28

§3.5.4串口接收部分设计 28

§3.5.5显示部分设计 29

§3.6设计中用到的主要VI 29

第4章下位机设计 31

§4.1FPGA软件中主模块的设计思想 31

§4.1.1主模块的软件设计原理总图 31

§4.1.2FPGA软件中主模块的设计原理 31

§4.2FPGA软件中函数信号发生器的设计思想 32

§4.2.1函数信号发生器的软件设计原理总图 32

§4.2.2FPGA软件中函数信号发生器的设计原理 32

§4.3FPGA软件中频率计的设计思想 34

§4.3.1频率计的软件设计原理总图 34

§4.3.2FPGA软件中频率计的设计原理 34

§4.4频率计的系统模块设计 35

§4.4.1串口接收模块 35

§4.4.2串口转换模块 38

§4.4.3分频模块 39

§4.4.4控制模块 40

§4.4.5串口发送模块 41

§4.4.6频率计模块 42

§4.5函数信号发生器的系统模块设计 45

§4.5.1串口接收模块 45

§4.5.2串口转换模块 45

§4.5.3分频模块 46

§4.5.4地址发生器模块 48

§4.5.5ROM表查询模块 49

§4.5.6波形选择模块 51

§4.5.7幅值调节模块 52

§4.5.8频段选择模块 53

§4.6串口的编码与解码 54

§4.6.1关于串口 54

§4.6.2串口的设置 55

§4.6.3串口的发送与接收 55

§4.7硬件连接 56

第5章软件仿真测试与实时检测 57

§5.1LabVIEW软件仿真测试 57

§5.1.1LabVIEW软件中函数信号发生器的仿真测试 57

§5.1.2LabVIEW软件中频率计的仿真测试 57

§5.2FPGA软件中函数信号发生器的仿真测试 58

§5.3FPGA软件中频率计的仿真测试 59

§5.4总功能实时检测 59

参考文献 65

致谢 66

河南科技大学毕业设计（论文）

前言

虚拟仪器的出现就是仪器发展史的一场革命，代表仪器发展的方向和潮流，对科学技术的发展和工业生产的进步产生了巨大的推动作用。

虚拟仪器技术是测试领域的一种新的思想和方法，它的出现是测试仪器技术和测控系统的一个新的里程碑。

虽然是新兴的仪器仪表技术，但由于其具备许多区别于传统仪器的突出优点，可以由用户自行设计定义，灵活变换参数，随着计算机技术特别是软件技术和仪器技术的进步而飞速发展，因此使现代测控的系统更灵活、更紧凑、更经济、功能更强大，从而在国内外各个领域得到了越来越广泛的应用。

特别在电子测量和自动化控制领域，虚拟仪器技术得到了巨大的发展。

虚拟仪器是一种功能意义上的测量和控制仪器，是具有仪器功能的软件、硬件的组合。

它充分利用计算机技术，在基本的硬件支持下，通过调用相应的软件模块来完成各种传统仪器的功能。

本文从探索研究的角度出发，对虚拟仪器的系统构成、实现手段和开发方法进行了研究。