基于PC和单片机的数字示波器设计.docx

1、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

2、。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

3、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RS2

4、32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

5、 ： 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，2009，182 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，20005 许建，沈桂明FPGAEPLD应用领域的研究电子技术应用，1995，3：3538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

6、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

7、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4 2.1示波器工作原理4 2.2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9 3.2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

8、.21 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

9、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

10、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PC DAQ);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

11、基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

12、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

13、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

14、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。数字数据电子示波器因其波形触发、电子单位存储 、显示器、测量、数据处理和波形独特的优点,它的使用日益普及。 作为数字示波器和仿真示波器性能之间存在较大的差异,如果使用不当,会产生较大的测量误差, 从而影响测试任务。带宽是最重要的指标之一示波器。模拟示波器带宽的一个固定的值,和带宽的模拟数字示波器带宽和数字实时带宽两种。数

15、字示波器重复命令信号采样或随机抽样技术可以达到最高的数字示波器带宽实时带宽、数字实时带宽和最高频率和波形数字技术重建因子K相关(数字实时带宽=最高速率/ K数字),一般不会直接为指标。自定义的两种带宽可以看出,模拟带宽只适合重复周期信号的测量和数字化实时带宽也适合于repe2.2示波器的波形重建技术在这个设计中,硬件设计分为两个parts-waveform显示电路和显示电路频率、波形显示电路,那麽第一个用A / D转换器,输入模拟信号的数字,使单片机能够识别,与此同时,但必须采用单片机控制的A / D转换器。对A / D转换器采样数据,用传递单片机直接读取后,对读取数据,通过单片机输出,通过显

16、示,直接显示波形。频率显示电路,利用周边信号采集电路,转换为高、低水平后,单片机阅读、输出,用数码管显示的频率在这个设计中,硬件设计分为两个parts-waveform显示电路和显示电路频率、波形显示电路,那麽第一个用A / D转换器,输入模拟信号的数字,使单片机能够识别,与此同时,但必须采用单片机控制的A / D转换器。对A / D转换器采样数据,用传递单片机直接读取后,对读取数据,通过单片机输出,通过显示,直接显示波形。频率显示电路,利用周边信号采集电路,转换为高、低水平后,单片机阅读、输出,用数码管显示的频率2.3虚拟示波器设计要求 基于测试信号和应用领域的分析,设计了虚拟示波器提出要求

17、:(1)采集、存储和显示在20千赫的低频信号,该决议应不少于1/256的信号参数的简单的显示和分析;(2)以使A / D在适当的模拟输入信号幅值在转换,应按照要求的垂直灵敏度选择相应的信号调理电路增益;(3)可同时4通道采集和显示,命令信号参数可以_调整;3硬件设计 3.1系统硬件结构3.1.1系统硬件的选择虚拟示波器的一般都是由主机和从单位,主人为微机,从机数据采集子系统。收集和输入电压信号的机器中,主人完整的虚拟示波器功能的软面板。 图2 硬件PROTEL模拟图 这是设计来设计、构建和测试一个基于PC的低成本数字实时示波器。数据处理硬件选型应满足的低频信号的前提是测试,尽量选择编程方便,价

18、格便宜的芯片。PC和单片机形成的虚拟示波器的硬件平台,单片机构成的虚拟示波器数据采集和控制单元,其性能指标直接确定采样率、虚拟示波器、精度的主要指标。中央处理器的速度和计算机的内存影响示波器数据处理的速度;计算机硬盘存储数据的能力。这里通过各种单片机的分析和比较,选择的微芯片公司16F877Flash单片机作为数据采集硬件。3.1.2数据采集硬件介绍PIC16F877是一种高性能的快闪记忆体微控制器单元2,可提供宝贵的训练尽可能大的灵活性。除了拥有819214个字节的快闪记忆体程序存储器,256字节的数据存储单一业务,368字节的用户只公羊来,一个八10频道的A / D转换器。它支持低电压自动

19、编程,用户可以工作电压下设备设备编程、调试功能允许用户在电路中没有电路仿真系统的仿真PIC16F877内置。PIC16F877有一个可以和8输入引线连接JiaoXiang ADC。3.1.3硬件结构图 由于低频率测量主要针对对象,考虑性能价格比,系统采用串行数据处理代替传统的虚拟仪器采用并行数据处理。配件的设计主要以PIC16F877示波器3、MAX232和个人电脑形成、系统接线如图4显示。PIC16F877负责波数据的采集和A / D转换,它通过MAX232、PCsRS232港口相连,20兆赫兹的时钟频率的选择。20兆赫兹的时钟频率的主要原因在十慢的时钟频率高会增加访问115 KBPS抽样的

20、波特率的困难，图3在20兆赫兹的时钟频率产生高10 115 KBPS波特率,而大多数的所有pc机中,最大的波特率为115 KBPS. 图3系统接线图3.2系统功能模块设计 图4示波器的功能模块图数据采集系统的任务是收集原有的模拟信号,把它们转换为计算机能处理的数字信号,主要指标均有采样精度和采样速度。这个设计数据采集系统主要是对低频或周期信号采集、信号采样频率,抓主要的带宽和存储的板凳深度4。低通滤波模块的主要任务是要过滤掉包括在中间的期望信号的高频噪音。 A / D转换模块的主要任务是收集模拟电压转换成二进制数字信息、储存或直接传输到PC上。数据存储模块的主要功能是将得到A / D转换的信息

21、,都储存在一块二进制罗,准备发射和显示。数据传输模块的主要任务是A / D转换数据传输。 A / D转换模块的主要任务是电脑接收数字信息的二进制转换成模拟电压信号。的主要任务是通过波形现实模块D / A变换的信息通过期翻译和波形重建技术在计算机屏幕上以波的现实出路。谱分析模块是指波形分析信息提取特征参数和参数显示。帮助文件主要针对示波器使用中出现的一些问题做必要的说明和解释。3.3 采样方式的选择在现代存储示波器,通常有两种抽样实时采样是存在的意义周期信号的样本。当数字一开始,先信号波形采样点它采用和数字,然后在一个抽样间隔,再在第二的样品,数字波形经过了在内存中。根据采样定理、采样率必须高信

22、号频率成分在10最高的两次,因为十周期性的正弦信号,一个周期应该有2个采样点。如果取样频率不够高,会产生“走样”现象。考虑到实际因素,为了不恢复被测信号的失真、采样率的五倍多的带宽,最好能在8到10倍,也就是说,一个周期应该有20个取样点左右。主要利用实时采样,在十波形可以即时挖掘,所以适合任何形式的信号波形,重复的或不重复,其缺点是速度分辨率较差。在现代存储示波器,通常有两种抽样实时采样是存在的意义周期信号的样本。当数字一开始,先信号波形采样点它采用和数字,然后在一个抽样间隔,再在第二的样品,数字波形经过了在内存中。根据采样定理、采样率必须高信号频率成分在10最高的两次,因为十周期性的正弦信

23、号,一个周期应该有2个采样点。如果取样频率不够高,会产生“走样”现象。考虑到实际因素,为了不恢复被测信号的失真、采样率的五倍多的带宽,最好能在8到10倍,也就是说,一个周期应该有20个取样点左右。主要利用实时采样,在十波形可以即时挖掘5.3.4系统数字电路 设计的数据采集和处理示波器的数字电路,如图5显示,但它却表明系统主要部件的系统电路连接(大主教德斯蒙德6图图附录)。和港口E与选择一个跳线波特率。MAX232CPE和PIC的管RC7和RC6接脚,使和通用异步收发器(DART)配合使用。针对灾难援助反应队的软件可能会影响系统性能,在这里选择硬件灾难援助反应队。MAX232CPE的主要原因是,

24、它可以选择单SV启动、RS232需要电压范围+ 3 + 12 V逻辑高水平的“1”,3 -12 V逻辑低水平的“0”MAX232CPE阿都指电压双回路(+声)和一个反相电压电路(点),所以他们不需要配置相应的直流变换器,从而进一步压缩的生产成本。图5 示波器数字电路简图4软件设计总体方案4.1系统总体方案流程图图6显示设计软件系统的信号流图,这个程序开始工作后,先把主线,初始化的相关工作,主要是软件初始化(SCM初始化在收集的子线)。OnStart功能的主要目的是完成StartCapture7功能开始一项数据采集的儿子线程,执行StartProcessing8功能开始数据处理的儿子线程,主线程

25、到新闻周期,并通过新闻和孩子线程通信。采样线和数据处理线程实际上是由bRunThread变量控制周期,这样可以方便的主线控制工作线程的出集的数据采集线卡驱动程序提供的中断抽样函数、采样深度n控制设置每当托收完成点取样、采样数据来缓冲的卡片上,然后通过PCI总线数据传输到计算机,当在数据传输、数据处理线抽样线程发送WM_收到消息,通知数据处理模块对n点进行分析处理。在主线,主要从用户操作的消息,例如信道参数的设置、频道显示设置,数据存储打印,看看历史数据波操作。图6系统整体设计方案流程图4.1.1系统软件网络结构 本课题设计的虚拟示波器,在单片机的支持,配备有一定功能的软件、存储、完整波形分析、

26、显示等功能。传统的测试仪器信号采集、信号处理和结果表明,两个主要部分,这两部分的硬件。虚拟示波器是由两个受此影响,但是除了数据采集部分硬件实现外,其他两个部分是由软件实现。4.2虚拟示波器系统模块设计 虚拟仪器系统的一个重要创新仪器的硬件和软件,用软件实现硬件功能。国家仪器公司提出的“软件工具”(软件是仪器)的形象,总结了软件在虚拟仪器技术中的作用。本课题采用模块化软件构建虚拟仪器系统,系统方便,代码重用率高,维修更方便。4.2.1虚拟示波器的系统软件功能模块软件的模块化设计,在功能上是分成几份,分别用数据采集模块、软面板模块(用户接口模块、数据处理模块、数据存储模块和帮助文件模块。数据处理模

27、块和分为频谱分析模块、数字滤波模块、参数计算模块和波形显示模块,每个模块之间的关系如图7下。图7软件功能模块图图7可以从图表和总体示波器数据流,流的控制流。一个主控制模块是十一任务调度中心。当软件运行,一头栽倒在了主控制模块,然后开始数据采集和数据处理线程线,十是数据采集模块和数据处理模块开始工作,直到用户停止工作系统。数据从数据采集模块开始流动,分别、数据存储模块和流量数据处理模块、数据存储模块负责用户数据保存在硬盘上的人很感兴趣。和数据处理模块负责数据的实时显示、数字滤波、当用户需要查询历史信号,就可以开始历史查询模块,然后数据发送给历史曲线显示模块;如果需要打印历史悠久的信号,叫曲线打印

28、模块。10长度的关系,本文只给一个重要的模块设计。4.2.2数据采集模块的设计 数据采集模块是非常关键程序模块,该模块的应用将通过单片机驱动和硬件,沟通,让所有参数来控制字、词的仪器,和工作状态的硬件来判断和处理,然后读采样值。如果这个模块在主线程的程序实现,因此,当应用程序与驱动程序在数据通信中,在界面会冻死的。为了解决这个问题,本文直接创建一个孩子单独驱动线通信任务,让界面的窗体界面到十响应信息。在主线通过电话StartCaptureo9功能开始数据采集的儿子线程进行数据采集。4.2.3 A/D转换的设计 A / D转换是数据处理模块的一个非常重要的组成部分,在这里设定精度的A / D转换为1/256,同一类型的单片机A / D转换程序大同小异,列表中包含