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基于LABVIEW的虚拟示波器及其硬件设计与实现.rar

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    基于 LABVIEW 虚拟 示波器 及其 硬件 设计 实现
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    科技学院 2010 届本科毕业论文基于 LABVIEW 的虚拟示波器及其硬件设计与实现学科专业:06 电子信息工程 指导教师: 余军 学生姓名: 龚立瑗 学生学号: 062004100301 中国﹒贵州﹒贵阳2010 年 5 月科技学院毕业论文(设计) 第 I 页目录摘要 ....................................................................IIIABSTRACT .................................................................IV第一章 绪论 ..............................................................11.1 引言 .............................................................11.2 课题现状 .........................................................11.3 课题研究的目的和意义 .............................................11.4 文本结构 .........................................................2第二章 主要器件 ...........................................................32.1 A/D 转换器 ........................................................32.1.1 AD1674 的基本参数和特点 .....................................32.1.2 内部结构及引脚说明 .........................................42.1.3 工作时序 ...................................................62.2 SST89E516RD 单片机 ................................................72.2.1 单片机简介 .................................................72.2.2 单片机主要特点 .............................................82.2.3 SST 公司的 89E516RD 简介 .....................................82.2.4 单片机引脚和兼容电平 .......................................92.2.5 最小系统电路 ...............................................9第三章 虚拟示波器的软件设计 ..............................................113.1 总体设计 ........................................................113.1 LABVIEW 介绍 .....................................................113.2 Proteus .........................................................113.3 Keil 简介 ........................................................12第四章 系统设计与实现 ....................................................134.1 电路基本原理 ....................................................134.2 单片机与上位机的通信 ............................................164.3 硬件电路仿真 ....................................................17科技学院毕业论文(设计) 第 II 页4.4 虚拟示波器的仿真结果 ............................................17第五章 设计总结 ..........................................................19附录 1....................................................................21附录 2....................................................................23致谢 .....................................................................24科技学院毕业论文(设计) 第 III 页基于 LABVIEW 的虚拟示波器及其硬件设计与实现摘要由于电子技术、计算机技术的高速发展及其在电子测量技术领域中的应用,新的测试理论、新的测试方法、新的测试领域以及新的仪器结构不断出现。电子测量仪器的功能和作用已经发生质的变化,在市场的需求和相关技术支持下,促使了基于个人计算机的测控仪器——虚拟仪器的发展。虚拟仪器利用计算机强大的处理能力,使得它成为了一种很好的工具,其应用范围也越来越广泛。与传统仪器相比,虚拟仪器在智能化程度、处理能力和可操作性等方面均具有明显的技术优势。示波器是在科学研究和工程设计中广泛应用的一种通用仪器。目前研制一种结构简单、操作方便、生产技术要求不高、费用低的数字示波器是非常必要的。本文设计的虚拟数字存储示波器的系统工作原理是,对模拟信号进行数据采集后,根据使用者的不同要求,软件对数据进行相应的分析、处理,并在屏幕上显示处理结果。本设计采用模块化的软件设计思想编写,每个功能的实现由一个模块完成。我们所设计的虚拟数字存储示波器主要由 AD 转换器、单片机、运算放大器、可调电阻,将这些子模块在虚拟仪器的框图程序中按照一定的逻辑关系组合起来,就形成了完整的虚拟数字存储示波器。本设计所采用的软件是美国 NI 公司推出的 LabVIEW。利用 LabVIEW 图形编程语言,借助计算机强大功能,设计方便、实用的虚拟示波器,充分发挥了计算机强大的功能和软件设计的灵活性。关键词:虚拟示波器,数据采集,微控制器, AD 转换科技学院毕业论文(设计) 第 IV 页Design and Implementation of the Virtual Oscillograph and Its Hardware Based on LABVIEW ABSTRACTAs electronic technology, computer technology and the rapid development of electronic measurement technology in the field of application, new test theory, the new method, the new testing areas and emerging new instrument structure. Electronic measuring instruments have the function and role of qualitative change, in market demand and related technical support to promote personal computer-based measurement and control instruments - virtual instrument development. Virtual instrument using computer processing power, making it an excellent tool, its use has become more extensive. Compared with traditional instruments, virtual instrument in the intelligence level of capacity and feasibility aspects, such as the technology has obvious advantages. Oscilloscope is in scientific research and engineering design of a widely used general-purpose equipment. At present the development of a simple structure, easy operation, production technology less demanding, low-cost digital oscilloscope is necessary.This design of a virtual digital storage oscilloscope system works is that for analog signal data acquisition, based on the user's different requirements, the corresponding software for data analysis, processing, and display processing results on the screen.This design uses a modular software design preparation, implementation of each function module completed by a. We designed a virtual digital storage oscilloscope mainly by AD converter, microcontroller, operational amplifiers, adjustable resistance, these sub-modules in the block diagram of a virtual instrument program in accordance with certain logic combined to form a complete virtual digital storage oscilloscope.The design software used in the United States launched the NI LabVIEW. Use of LabVIEW graphical programming language, the use of computer power, the design is 科技学院毕业论文(设计) 第 V 页convenient and practical virtual oscilloscope, give full play to the computer power and software design flexibility. KEYWORDS :Virtual Oscillograph, Data Acquisition,MCU, Analog-to-digital Converter1 科技学院毕业论文(设计) 第 1 页第一章 绪论1.1 引言随着 PC(Personal Computer,个人计算机)技术的出现,人们开始考虑用电脑处理传统仪器的测量数据。由此,GPIB 技术在 20 世纪 70 年代发展起来,这就是IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers,电气和电子工程协会)488 标准及后来的 IEEE488.2 标准。但由于 GPIB 的总线带宽(1Mbytes/s)限制了数据向计算机的实时传输,所以大量的数据处理工作仍然依靠仪器自身的数据处理能力。20 世纪 80 年代,随着计算机技术的进一步发展,PC 机一般都带有多个扩展槽,这就出现了可以插在计算机里的数据采集卡。它可以进行一些简单的数据采集,数据的后期处理由计算机软件完成,这就是虚拟仪器技术的雏形。1986 年,美国国家仪器(National Instruments,简称 NI)有限公司提出了 “软件即仪器的口号”,推出了图形化编程软件 LABVIEW,开启了虚拟仪器的先河。1.2 课题现状近年来,世界各国的虚拟仪器公司开发了不少虚拟仪器开发平台软件,以便使用者利用这些仪器公司提供的开发平台软件组建自己的虚拟仪器或测试系统,并编制测试软件。最早和最具影响的开发软件,是 NI 公司的 LabVIEW 软件和LabWindows/CVI 是为熟悉 C 语言的开发人员准备的,在 Windows 环境下的标准ANSIC 开发环境。出来上述的优秀开发软件之外,美国 HP 公司的 HP—VEE 和HPTIG 平台软件,美国 Tektronis 公司的 Ez—Test 和 Tek—TNS 软件,以及美国 HEM Data 公司的 Snap—Marter 平台软件,也是国际上公认的优秀虚拟仪器开发平台软件。专家预测:未来几年内,国内将有大批企业使用虚拟仪器系统对生产设备的运行状况进行实时监测。随着微型计算机的发展,虚拟仪器将会逐步取代传统的测试仪器而成为测试仪器的主流 [1]。1.3 课题研究的目的和意义随着科学技术的发展,在测量领域中需要不断更新测量设备,一满足越来越高的测量要求。在我国,传统仪器技术还比较落后,目前有大批陈旧的测试仪器等待更新。2 科技学院毕业论文(设计) 第 2 页这些仪器的测量程度和可靠性均低于国外,并且自动化程度较低。高档仪器基本上依靠国外进口,每年都消耗国家大量外汇。然而,花大量资金购买的一起,可能我们只需要其中的一部分功能,同时有些其他应用的功能要求,该仪器却满足不了。这些情况无疑是大大浪费了投资。设想要是将仪器稍微改动以实现更大的适用范围该多好。但是这对于传统仪器来说是非常困难的。虚拟仪器的出现,将彻底改变这种局面。利用计算机丰富的软硬件资源,用户可以随心所欲地根据自己的需求,设计自己的一起系统,满足多种多样的应用需求。数字示波器是在科学研究和工程设计中广泛应用的一种通用仪器。目前高精度、具有数据存储能力的示波器,生产工艺复杂,价格昂贵。所以虚拟数字存储示波器的设计有一定的经济价值。虚拟示波器能从分发挥虚拟仪器结构简单、功能丰富的优点。1.4 文本结构本文通过基于 LabVIEW 的技术对虚拟示波器进行设计与实现。第 1 章:绪论(本章综述本文研究背景,课题来源和研究意义。 )第 2 章:主要器件(本章对课题所采用的硬件做出了详细介绍,包括它们的特点和功能。 )第 3 章:虚拟示波器的软件设计(本章概括了三种软件的运行环境及作用。 )第 4 章:系统设计与实现(设计了虚拟示波器的结构,硬件的仿真和软件的实现。)第 5 章:制作调试与总结(总结本次课题的体会,指出设计中的优点与不足。 )3 科技学院毕业论文(设计) 第 3 页第 2 章 主要器件2.1 A/D 转换器A/D 转换器是将模拟量转换为数字量的器件,它是模拟量与计算机之间的接口部件。A/D 转换器把检测到的模拟信号转换成计算进能够识别的数字信号。A/D 转换的常用方法有逐次逼近法、并行比较法、双积分法和 V—F(电压—频率)变换法等。其对应的 A/D 转换器分别称为逐次逼近型、并行比较型、双积分型和 V—F 变换型。其中,逐次逼近型精度和速度均较高,价格适中;并行比较型速度最高,但价格也比较高,位数较低;双积分型精度较高,抗干扰能力强,价格低,但速度较慢;V—F 变换型精度高,价格低,但速度慢。根据需要,本设计采用的 A/D 转换器为 AD1674。AD1674 是美国 AD 公司推出的一种完整的 12 位并行模/数转换单片集成电路。该芯片内部自带采样保持器( SHA) 、10 伏基准电压源、时钟源以及可和微处理器总线直接接口的暂存/三态输出缓冲器 [1]。与原有同系列的 AD1674A/674A 相比,AD1674 的内部结构更加紧凑,集成度更高,工作性能(尤其是高低温稳定性)也更好,而且可以使设计版面积大大减小,因而可降低成本并提高系统的可靠性。某新型国产机载武器系统中采用了 M 级AD1674T,它可实时地采集各传感器的模拟参量,以进行快速、精确地数据转换并传给 CPU 进行处理,从而有效地控制整个武器系统的打击精度。2.1.1 AD1674 的基本参数和特点 带有内部采样保持的完全 12 位逐次逼近(SAR)型模/数转换器; 采样频率为 100kHZ; 转换时间为 10μs; 具有±1/2LSB 的积分非线性( INL)以及 12 位无漏洞的差分非线性( DNL) ; 满量程校准误差为 0.125%; 内有﹢10V 基准电源,也可使用外部基准源; 四种单极或双极电压输入范围分别为±5V,±10V,0V ~10V 和 0V~20V ; 数据可并行输出,采用 8/12 位可选微处理器总线接口; 内部带有防静电保护装置(ESD) ,防电耐压值可达 400V; 采用双电源供电:模拟部分为±12V/±15V,数字部分为+5V;4 科技学院毕业论文(设计) 第 4 页 使用温度范围;AD1674J/K 为 0℃~70℃ (C 级) ;AD1674A/B 为﹣40℃~85℃(1 级) ;AD1674T 为﹣ 55℃~﹢ 125 摄氏度(M 级) ; 采用 28 脚密封陶瓷 DIP 或 SOIC 封装形式; 功耗低,仅为 385mV。图 2.1 AD1674 功能框图2.1.2 内部结构及引脚说明AD1674 的引脚按功能可分为逻辑控制端口、并行数据输出端口、模拟信号输出端口和电源端口四种类型 [2]。图 2.2 AD1674 引脚排列
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