基于labview和fpga的虚拟仪器平台设计毕设最终530.docx

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基于labview和fpga的虚拟仪器平台设计毕设最终530

毕业设计论文

基于LabVIEW和FPGA的虚拟仪器平台设计

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

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

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。

在此基础上，研究开发了基于LabVIEW开发平台的虚拟仪器平台，通过计算机串口把LabVIEW发送的控制指令送到GW48实验箱FPGA的RS-232接收引脚，经过FPGA对控制指令的处理，实现对虚拟平台上面相应虚拟仪器的调用，对不同的虚拟仪器应做不同的处理：

如，虚拟频率计，当其接收到开始工作的信号后，将其频率和占空比，通过RS-232发送引脚，发送给计算机上面的LabVIEW，LabVIEW通过对串口进行读操作，将读到的结果转换成数值，并将其在虚拟频率计的界面上面显示，结果较为满意。

在开发虚拟仪器的同时，掌握了LabVIEW编程语言和开发技术及标准，对虚拟仪器的构成、实现手段和开发方法有了一定的认识。

由于虚拟仪器技术在国内尚未普及，针对传统教学仪器缺乏或陈旧、教学方式呆板、学生实验使用多台仪器，实验准备烦琐，支持维护困难、实验室设备更新，硬件更新费时费力的等情况。

把虚拟仪器引入教学是一种必然趋势。

本文试图探索出一条适合我国国情的虚拟仪器的途径，做到花钱少，具有较高的性价比，以在教学实验领域进行推广。

第1章

绪论

§1.1虚拟仪器的背景

虚拟仪器涵盖了数字信号处理、虚拟仪器技术等多方面知识。

本文所开发的虚拟仪器平台就是在信号技术、计算机技术、电子技术高速发展的背景下，利用美国NI公司的虚拟仪器开发平台——LabVIEW进行设计开发的，它可以快速方便地实现信号的采集、显示、分析、储存、读取和输出。

§1.1.1数字信号处理技术

在科学研究和生产过程中，经常要对许多客观存在的物体或物理过程进行观测。

这些客观存在的事物包括了大量标志本身所处时间空间特征的数据和“情报”，这就是该事物的“信息”。

人们为了某一特定的目的，从浩瀚的信息中把所需要的部分提出来，以达到观测某一本质问题的目的。

这种对信息的表达形式称之为“信号”，信号是某一特定信息的载体。

信号传输理论与技术的不断发展使信号处理技术的出现成为必然。

在科学和工程技术领域中，常常需要对信号进行处理。

信号处理就是对数据进行所需要的变换或按约定的规则进行运算，使之更便于对它们进行分析、识别和使用。

信号的处理包括对信号的监测、滤波、时域分析、频域分析，调制等等。

信号分为模拟信号和数字信号，在对模拟信号进行处理时，既可以使用模拟系统也可以使用数字系统。

使用数字系统处理模拟信号时，需要先将模拟信号转化为数字信号，即模数转化（A/D），然后用数字系统进行处理，得到一个处理后的数字信号，再经过数模转化（D/A），得到所需的模拟信号。

§1.1.2虚拟仪器技术

由于电子技术、计算机技术、软件技术、网络技术的高度发展及其在电子测量技术与仪器上的应用，新的测试理论、新的测试方法、新的测试领域及新的仪器结构不断出现，许多方面已经突破传统的仪器概念，电子测量仪器的功能和结构己经发生了质的变化。

在这种背景下，八十年代末美国率先研制了虚拟仪器（VirtualInstruments）。

虚拟仪器就是利用现有的计算机加上特殊设计的仪器硬件和专用软件，形成既有普通仪器的基本功能，又有一般仪器没有的特殊功能的高档、低价的新型仪器。

虚拟仪器利用个人计算机强大的图形环境和在线帮助功能，建立虚拟仪器面板，完成对仪器的控制、数据分析与显示。

代替传统仪器，改变了传统仪器的使用方式，提高仪器的功能和使用效率，同时大大降低了仪器的价格，使用户可以根据自己的需要定义仪器的功能。

用于虚拟仪器的开发环境目前有两大类：

一是文本式的编程语言，如VisualBasic，VisualC++、LabWindow/CVI等，另一类是图形化编程语言，具有代表性的有LabVIEW，HPVEE。

其中影响最大的要数LabVIEW（LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench，实验室虚拟仪器工程平台）语言，被称为“仪器仪表界面”，是专为数据采集与仪器控制、数据分析和数据表达而设计的开发软件[1]。

§1.2本课题研究的意义

§1.2.1设计的依据及意义

虚拟仪器（VirtualInstrumention）是基于计算机的仪器。

计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个