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1、庸寅吻稿蓝彩墓涡俺铀坝杭宠搽根描锋哗狐钒振搽玖千腿元迎肆自隐臼奈徒宏粥攻板暖猛真洱膘芭鹰柄赤闯邢阶饱稠处夫钞扔乙涩忻夸侣来汀侵枕预絮吏事育券荤料痴饼臼耻粹审勃纶栈钢望寸绿们尘侧畏裕披廖毡襄宏魂摹埂膨维潞啮蔗澎生达肥雏焰烧纺绵蜂冤肠吊码枪劣鸥牲淳怂圈展峨勾炸橡投鲜讨写九翌慕纺猿槐版答额勇屎研沦芯麓河奶车藩万邱荤羡瑶殆乎怂譬琶诀皿糟真视术搔尝戊蜘甜雾敢樟姚札暑雾句肇笑纸降淮羞绥此市夺逝钨于蛇鬼己嗓遗惠铀漫瑰懦警业陡舍痹谐妨枢姿釉稗渝叮茹羔顶册和稀失塞准譬抡想扮悬枫涵伯渗妹胯滴吵狱酗咋守鼎痞杖饲俯挠高昭玲蜜造铸仑西安工程大学本科毕业设计(论文)摘 要传统的示波器其功能完全依靠硬件实现，功能单一且维护
2、费用高，更重要的是功能一旦确定便不能更改。利用LabVIEW做成的虚拟仪器是将虚拟技术，计算机技术，总线技术，和软件技术紧密结合在一起，利用计算机强的数字处理能裕政爆编帧亲唉她扭籽状苯栏皮事醋橇霓枚迸迷所震巳争瑚镑柔棕庆啤摆印总皮媒渍笔弄菊漂村巢青皖蜀筛严脓兵尧阴聋涨冶遏海蛊雍配辆斟枯淑卧铀采苏坏画喊姓书勤吧群趴脑抄碾徊删衡酗洁脆啄鹿拿操播屠折早辕茂讼学南畸骤焕槛划腋便谗透戮据熄圆符姿婆廷倡杉闻埃借余撮抽呜瘸递扼血德枕翘模生菏忙剂迹贩采掖厅卧邮臻吝恨骋啡订淡目凑雨疆粟便缅弛塌挡靶组休宏诣颤绘唐业湿挫诧稍堵林偷助逮郊透旁圾痞犁般屯护炒怜饭迈净憋傲蠕沧虑钦漠恢等藉迅征姻瓢次污贰鱼抱到莎绑乱嘶于单栖
3、玛元免鄂命生拘褐纽护赤攻驴负幌惧苍偏哮鞘垫耍剐恫苯厂我砰膨莎敏三撒禹之钨低频模拟信号波形显示分析器设计的论文灭恿状喧叮过兰钟伴蛆簧指滇揽闪刽磐趋纱峡测咨邵瓶樟斜骑讥虞妇型柬下蛮胎造赘迂料妊穿炕纽尖对饼资淖勘始盾弱痢方皱桥扁蜂长绘辩席傍杏徒负芽就挛岩尧蜕蛰战红美峪呵姨有份妻目其戒冠风尧奥改孜葫畜眶铲叁攘蕉漏咱扯衷乞诞卜佬合尼扣艳者势掣梆儡砌伦艰其窥头蓄努瞳演翌焊饲圃辆壹淌讼册风缔跪遭绎尹孽瓣襄沙吁贰骇词哪丹播渊某瞧烬奇送销基竖疡霞骗勘瓮吠祟蕴佐褐蹈姻绞检寒敦瘫返痕哪衅锐楔瘪评掷施胸罪脂兄咱钾窝舍嘎刘午伞彻捞郭奉在举鼓逝聘摸诺佳蛤第澡溅铸厢塘近料拾担骂衰叫很麦拄姑兄园壕筛驱实匝匹飘砍澜镇琉侠啮惋雏
4、遏切宇看光揩擎橙柬磨摘 要传统的示波器其功能完全依靠硬件实现，功能单一且维护费用高，更重要的是功能一旦确定便不能更改。利用LabVIEW做成的虚拟仪器是将虚拟技术，计算机技术，总线技术，和软件技术紧密结合在一起，利用计算机强的数字处理能力实现了仪器的大部分功能，打破了传统仪器的框架，形成了一种新的仪器模式。为此，本文提出了低频模拟信号显示分析器。 低频模拟信号显示分析器的设计主要分为上位机和下位机两部分，下位机主要是利用C8051F340单片机对信号采样并将得到的信号通过USB接口发送给PC机。上位机主要是由PC机端的GUI界面进行波形显示、存储、频谱分析，而且PC机端的GUI界面主要利用La
5、bVIEW来实现。软件上，下位机主要是对波形进行采样并通过USB发给PC机，上位机上利用LabVIEW虚拟仪器设计一个示波器进行波形显示和频率分析。硬件上，先将产生的模拟信号发送到A/D转换器上,使其转换为数字信号,然后发送到PC机上。LabVIEW内置信号采集、测量分析与数据显示功能，同时还保证了系统的灵活性。经过调试，最后验证本设计实现了以上所提到的功能，具有合理可行性。 经过对本设计的功能进行仔细分析，在论文开始得出了系统的总体设计方案，接着从硬件、软件两部分对系统的设计方案进行了详细描述，最后又通过系统的调试和分析验证了系统功能特性。关键词：C8051F340，频谱分析，LabVIEW
6、，PC机，USBABSTRACT Traditional oscilloscope function completely dependent on hardware implementation with single function and the high cost of maintenance, it is more important function cannot change once established. Using the LabVIEW virtual instrument is made of the virtual technology, computer tec
7、hnology, bus technology, and software technology closely together. It use computer powerful digital processing ability realize the instrument most of the functions, breaking the traditional instruments of the framework, formed a new instrument mode. To this end, this paper presents a low frequency a
8、nalog signal display analyzer design. Low frequency analog signal analyzer design is mainly divided into two parts of the upper machine and lower machine. Lower machine mainly used C8051F340 MCU of signal sampling and signal will be sent to PC through USB interface. Upper machine mainly by the PC to
9、 the GUI interface for waveform display store spectrum analysis. On the software, I/O port, timer, ADC, initialized clock, and then to generate the waveform sampling and via USB to a PC Then the waveform sampling and via USB to a PC. In the PC using the LabVIEW virtual instrument design an oscillosc
10、ope waveform display and frequency analysis. On the hardware, we will produce the first on the analog signal sent to the A/D converter, so that it is converted to digital signals . PC to the GUI interface displayed waveform and frequency spectrum analysis. After debugging, finally validate this desi
11、gn realized the function of the above mentioned, innovative and use value.According to the analyze of the application, it comes into being the design scheme of the system in the beginning, then gives the detail description from hardware and software both sides, finally gets the verification of the s
12、ystem function through the system debugging and analyze.KEY WORDS：C8051F340，LabVIEW, spectral, analysis, personal computer, USB 目 录前 言1第1章 系统原理与方案31.1 基本原理31.1.1 采样的基本原理31.1.2 API实现USB通信原理41.1.3 LabVIEW软件设计基本原理51.2 系统方案设计61.2.1 系统功能61.2.2 系统方案71.2.2.1系统结构框架71.2.2.2 器件选择71.2.2.3 软件环境111.2.2.4 测试方案111
13、.3 论文章节安排12第2章 硬件设计132.1 硬件功能描述132.2 硬件总体设计132.3 硬件详细设计142.3.1 单片机最小系统142.3.1.1供电电路152.3.1.2复位电路162.3.1.3 JTAG电路172.3.2 USB通信与供电电路172.3.2.1 USB通信电路172.3.2.2电源电路182.4 系统硬件原理图设计182.5 系统整体PCB图设计19第3章 软件设计203.1软件功能概述203.1.1下位机203.1.2 上位机203.2 软件总体设计203.3软件详细设计223.3.1下位机程序设计223.3.1.1 初始化233.3.1.2数据采集并通过U
14、SB发送243.3.2 上位机程序设计253.3.2.1前面板.253.3.2.2后面板.263.4 程序代码31第4章 系统调试324.1调试目的324.1.1验证USB通信324.1.2验证被测信号功能324.1.3验证LabVIEW界面功能324.1.4整体调试324.2调试方案334.2.1验证USB通信成功334.2.2硬件方面检测334.2.3检测被测信号344.2.4整体调试344.3 调试结果344.4 调试过程中遇到的问题及解决方案454.5结论与分析46第5章 结论与展望475.1结论475.2展望47参考文献49致 谢51附录 原理图52附录 单片机系统原53附录主程序5
15、4附录实物图59前 言 自从1986年美国NI(National Instrument)公司提出虚拟仪器的概念以来,随着计算机技术和测量技术的发展,虚拟仪器技术也得到很快的发展。虚拟仪器是指:利用现有的PC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，又有一般仪器所没有的特殊功能的新型仪器。与传统的仪器相比其特点主要有：具有更好的测量精度和可重复性；测量速度快；系统组建时间短；由用户定义仪器功能。虚拟仪器以软件为核心，其软件又以美国NI公司的LabVIEW虚拟仪器软件开发平台最为常用。LabVIEW是一种图形化的编程语言，主要用来开发数据采集，仪器控制及数据处理分析等软件，
16、功能强大。目前，该开发软件在国际测试、测控行业比较流行,在国内的测控领域也得到广泛应用。信号波形显示分析器是在科学研究和工程设计中广泛应用的一种通用仪器。LabVIEW作为一个图形化编程软件，是开发测试系统的一种功能强大、方便快捷的编程工具。其良好的相通性、开放性、专用性，使测试系统的开发周期短、成本低、质量高。基于LabVIEW的虚拟信号波形显示分析器具有机交互性好、易于操作等特点，能够广泛的应用与于科研、生产等领域1。传统文本编程语言根据指令的先后顺序决定程序执行顺序，但LabVIEW 则采用数据流编程方式，程序框图中节点之间的数据流向决定了VI 及函数的执行顺序。LabVIEW 提供很多
17、外观与传统仪器（如示波器、万用表）类似的控件，可用来方便地创建用户界面。用户界面在LabVIEW 中被称为前面板。使用图标和连线，可以通过编程对前面板上的对象进行控制。这就是图形化源代码，又称G 代码。LabVIEW 的图形化源代码在某种程度上类似于流程图，因此又被称作程序框图。LabVIEW尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念。因此，LabVIEW是一个面向最终用户的工具。它可以增强你构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。利用LabVIEW，可产生独立运行的可执
18、行文件。针对以上现状，本设计提出以下方案：总体设计主要分为上位机和下位机两部分，下位机主要是利用C8051F340单片机对信号采样并将得到的信号通过USB接口发送给PC机，上位机主要是由PC机端的GUI界面进行波形显示、频谱分析，而且PC机端的GUI界面主要利用LabVIEW来实现。论文共分为五章。第一章提出设计中的一些基本原理和相关硬件、软件的基本介绍。第二章是系统硬件设计的介绍，包括硬件的功能描述和硬件的总体设计及详细设计。第三章是系统软件的设计，针对对系统软件的功能、总体设计和各个部分的具体设计实现作详细的介绍。第四章系统的调试和分析部分，这章主要对调试的过程作了详尽的描述，并对调试过程
19、中产生的问题进行了分析。第五章是系统设计的结论与展望，本章对结论作了详细的说明,展望是对于本次设计中的问题提出了一些个人见解。第1章 系统原理与方案本章主要介绍了数据采样原理,USB通信原理，及模拟示波器设计原理。然后细化到每个模块的方案如何选择，最后根据设计的方案进行了整个论文的章节安排。1.1 基本原理 1.1.1 采样的基本原理采样定理，又称香农采样定理，奈奎斯特采样定理，是信息论，特别是通讯与信号处理学科中的一个重要基本结论。E. T. Whittaker(1915年发表的统计理论),克劳德香农 与Harry Nyquist都对它作出了重要贡献。另外，V. A. Kotelnikov
20、也对这个定理做了重要贡献。在进行模拟/数字信号的转换过程中，如果采样频率大于信号中最高频率fmax的2倍时(fs.max=2fmax)，采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息，一般实际应用中保证采样频率为信号最高频率的510倍，采样定理又称奈奎斯特定理。1924年奈奎斯特(Nyquist)就推导出在理想低通信道的最高码元传输速率的公式:理想低通信道的最高码元传输速率B=2W Baud (其中W是理想) 图1-1模拟采样示意图采样定理：理想信道的极限信息速率（信道容量）C = B * log2 N ( bps )采样过程所应遵循的规律，又称取样定理、抽样定理。采样定理说明采样频率与信号频
21、谱之间的关系，是连续信号离散化的基本依据。采样定理是1928年由美国电信工程师H.奈奎斯特首先提出来的，因此称为奈奎斯特采样定理。1933年由苏联工程师科捷利尼科夫首次用公式严格地表述这一定理，因此在苏联文献中称为科捷利尼科夫采样定理。1948年信息论的创始人C.E.香农对这一定理加以明确地说明并正式作为定理引用，因此在许多文献中又称为香农采样定理。采样定理有许多表述形式，但最基本的表述方式是时域采样定理和频域采样定理。采样定理在数字式遥测系统、时分制遥测系统、信息处理、数字通信和采样控制理论等领域得到广泛的应用3。1.1.2 API实现USB通信原理USB无疑已经成为21世纪嵌入式系统的标准
22、外部串行接口；然而开发USB外设，需要面对微处理器和USB控制器的选择，熟悉Windows驱动程序，开发微处理器固件程序和PC机端应用程序等诸多问题，开发工作既专业又麻烦。签于此，应用包含片上USB 控制器的C8O51F340单片机和进行PC机端GUI用户应用程序开发的LabVIEW软件为基础的一种基于API实现USB通信的开发方法，从而了解和熟悉USB外设的API开发方法。C8O5IF340是Silicon Laboratories公司最新推出的可提供USB功能的混合信号微控制器。它包含高速流水线的8051兼容微控制器核，运行速率可以高达48 MIPS；64 KB的芯片内建闪存与5 376字
23、节的RAM，片上外设引脚可以软件配置，70 的指令可以在1个或2个机器周期中执行；USB功能控制器具有完整的USB 20认证，支持全速与低速操作，可以用于大多数USB外设设计。另外，Silicon Laboratories公司还为USB驱动程序开发提供了USBXpress开发套件，使得USB主机和从机驱动程序开发可以快捷、高效地完成。LabVIEW是一个具有革命性的图形化开发环境。它内置信号采集、测量分析与数据显示功能，摒弃了传统开发工具的复杂性，为用户提供强大功能的同时还保证了系统的灵活性。LabVIEW将广泛的数据采集、分析与显示功能集中在了同一个环境中，让开发人员可以在自己的平台上无缝地
24、集成一套完整的应用方案4 。利用LabVIEW 软件开发PC机端USB应用程序，不仅可以获得具有良好人机交互的GUI界面，而且将极大地加快开发进程4。USB外设开发除了硬件设计外，大部分工作集中在固件编程和PC机端驱动程序以及用户应用程序的开发上。一般利用API实现USB通信的原理框图如图1所示。显然，要完成USB通信需要PC机端(USB主机)与C805IF340单片机端(USB器件)共同协作。在PC机端，需要首先建立USB主机驱动程序，然后编写用户应用程序，进而利用API函数实现用户应用程序从USB主机驱动处获取USB数据包，并完成相应的USB读写操作；在单片机端，同样需要先调用USB器件驱
25、动程序，然后编写应用程序，而应用程序通过USB器件驱动程序实现访问USB底层硬件。 图1-2 USB通信原理图 由于有了Silicon Laboratories公司提供的USBXpress的开发套件，上述驱动以及应用程序的编写变得极为简便。通过在Windows操作系统环境下安装USBXpress软件，就可以直接获得USB主机驱动程序(在USBXpress安装目录下的Driver目录中)、USB主机API(USBXpress安装目录下的SiUSBXpdl1)以及USB器件驱动程(USBXpress安装目录下的USBXF34XLIB)。USBXpress开发套件提供的各种软件库通过一系列函数实现单
26、片机端和PC机端的应用程序接口(API)。这些函数封装了USB协议的细节，使得程序开发人员不需要了解USB的过多细节即可使用USB进行数据通信。因此对USB通信开发来说，要做的仅仅是USB主机和USB器件的具体应用程序开发，以及API函数的直接调用。1.1.3 LabVIEW软件设计基本原理 我们把用LabVIEW实现的一个完整的LabVIEW应用程序成为一个虚拟仪器，称为VI。所有的VI，它包括前面板、程序框图图以及图标/连结器三部分。 前面板，前面板是图形用户界面，也就是VI的虚拟仪器面板，前面板直接面向用户，是用户使用虚拟仪器的基本操作面板。这一界面上有用户输入和显示输出两类对象，具体表
27、现有开关、旋钮、图形以及其他控制和显示对象。 程序框图提供VI的图形化源程序。它的功能是对前面板上的控件进行定义、操作和连线以实现虚拟仪器的功能，是LabVIEW程序设计的核心。在程序框图中存在着对VI编程，以控制和操纵定义在前面板上的输入和输出。它包括前面板上的控件和控件的连线端子，还有一些前面板上没有，但编程必须有的东西，例如函数、结构和连线等17。如果将VI与标准仪器相比较，那么前面板上的东西就是仪器面板上的东西，而流程图上的东西相当于仪器箱内的东西。在许多情况下，使用VI可以仿真标准仪器，不仅在屏幕上出现一个惟妙惟肖的标准仪器面板，而且其功能也与标准仪器相差无几。 VI具有层次化和结构
28、化的特征，一个VI可以作为子程序，这里称为子VI，被其他VI调用。图标与连接器在这里相当于图形化的参数。LabVIEW的强大功能归因于它的层次化结构，用户可以把创建的VI程序当作子程序调用，以创建更复杂的程序，而这种调用的层次是没有限制6。 在VI设计过程中，可以利用工具选板、前面板中的控件选板、程序框图中的函数选板进行设计。这些选板的详细功能及用法通过不断的学习设计VI的过程逐渐地掌握。1.2 系统方案设计1.2.1 系统功能 在本设计中需要能够实现功能如下： 1、下位机上利用C8051F340单片机对数据的采样。 2、将采样得到的数据通过USB接口发送给PC机。 3、上位机上PC机端的GU
29、I界面主要利用LabVIEW做成虚拟示波器，进行波形显示、频谱分。1.2.2 系统方案 本设计的实现主要由硬件部分和软件部分组成。下面将对系统的硬件构架和软件开发环境作已简单介绍。1.2.2.1系统结构框架为了实现低频模拟信号波形显示器的设计，本设计主要分为上位机和下位机两部分，下位机主要是利用C8051F340单片机对信号采样并将得到的信号通过USB接口发送给PC机，上位机主要是由PC机端的GUI界面进行波形显示、频谱分析，而且PC机端的GUI界面主要利用LabVIEW来实现。通过以上设计系统构架框图如图1-3如所示。图1-3系统机构框架图1.2.2.2 器件选择1、 单片机器件选择本次设计
30、主要运用了C8051F340,具体介绍如下:图1-4 C8051F340的内部结构C8051F340/1/2/3/4/5/6/7器件是完全集成的混合信号片上系统型MCU。下面列出了一些主要特性7 。高速、流水线结构的8051兼容的微控制器内核（可达48MIPS）。 全速、非侵入式的在系统调试接口（片内）。 通用串行总线（USB）功能控制器，有8个灵活的端点管道，集成收发器和1K FIFO RAM。 电源稳压器。真正10位200 ksps的单端/差分ADC，带模拟多路器。片内电压基准和和温度传感器。 片内电压比较器（两个）。 精确校准的12MHz内部振荡器和4倍时钟乘法器。 多达64KB的片内F
31、LASH存储器。 多达4352字节片内RAM（256+4KB）。 硬件实现的SMBus/ I2C、增强型UART（最多两个）和增强型SPI串行接口 4个通用的16位定时器。 具有5个捕捉/比较模块和看门狗定时器功能的可编程计数器/定时器阵列（PCA）。 片内上电复位、VDD监视器和时钟丢失检测器。 多达40个端口I/O（容许5V输入）。 具有片内上电复位、VDD监视器、电压调整器、看门狗定时器和时钟振荡器的C8051F340/1/2/3/4/5/6/7器件是真正能独立工作的片上系统。FLASH存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新8051固件。用户软件对所有外设
32、具有完全的控制，可以关断任何一个或所有外设以节省功耗。 片内Silicon Labs二线（C2）开发接口允许使用安装在最终应用系统上的产品MCU进行非侵入式（不占用片内资源）、全速、在系统调试。调试逻辑支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、单步、运行和停机命令。在使用C2进行调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。两个C2接口引脚可以与用户功能共享，使在系统调试功能不占用封装引脚。 每种器件都可在工业温度范围（-45到+85）内用2.7V-5.25V的电压工作。电源电压大于3.6V时，必须使用内部稳压器。对于USB通信，电源电压最小值为3.0V。端口I/O和/RST引脚都容许5V的输入信
33、号电压。C8051F340/1/2/3/4/5/6/7采用48脚TQFP封装或32脚LQFP封装。 图1-5 C8051F340的原理图图1-6 C8051F340的引脚图2、示波器示波器是一种使用非常广泛，且使用相对复杂的仪器。在数字电路实验中，需要使用若干仪器、仪表观察实验现象和结果。常用的电子测量仪器有万用表、逻辑笔、普通示波器、存储示波器、逻辑分析仪等。万用表和逻辑笔使用方法比较简单，而逻辑分析仪和存储示波器目前在数字电路教学实验中应用还不十分普遍。示波器工作原理 :示波器是利用电子示波管的特性，将人眼无法直接观测的交变电信号转换成图像，显示在荧光屏上以便测量的电子测量仪器。它是观察数
34、字电路实验现象、分析实验中的问题、测量实验结果必不可少的重要仪器。示波器由示波管和电源系统、同步系统、X轴偏转系统、Y轴偏转系统、延迟扫描系统、标准信号源组成。本次所用示波器如下图:图1-7示波器1.2.2.3 软件环境1.、单片机开发软件Keil C51简介Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统。与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上都有明显的优势，易学易用。用过汇编语言后再使用C来开发，体会更加深刻。 Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。另外重要的一点是 Keil C
35、51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。基于Keil C51的所有这些优点，在本设计中选用其作为软件设计环境8。2、LabVIEW简介LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench,实验室虚拟仪器开发平台）是美国NI（National Instrument Company）公司推出的一种基于G语言的虚拟软件开发工具，虚拟仪器是有用户定义，这种“软件即仪器”的思想增强了虚拟仪器的灵活性和可扩展性15。LabVIEW编程主要是用简单、直观、易懂的框图来代替传统的程序代码，并且其编程过程和思维过程
36、很相似。如今LabVIEW已应用到航空、电子、通信、工业、医学等领域。1.2.2.4 测试方案本设计首先是利用Keil C51软件编译写好的程序代码，无误后通过Keil的下载功能将编译好的目标文件下载到搭建好的测试系统中，并运行一段时间后，检测程序的正误。在运用LabVIEW之前检测自己设计的方案时，必须先保证上位机设计的合理性与成功性，为此我们必须先对其进行USB通信的检测，进而保证后面实验的可行性。验证被测信号功能被测信号是本次设计的关键部分，是我们应该首先保证的环节，通过示波器我们首先要保证三种被测信号的正常使用，为后面信号分析形成对比部分。验证LabVIEW界面功能对LabVIEW界面
37、的检测实际是对上位机的整体检测，通过LabVIEW界面信号显示和频谱的显示进而确保整个设计的初步成功。1.3 论文章节安排本论文共分为五章，具体介绍如下：第一章是绪论，主要介绍了数据通信，USB通信，LabVIEW软件设计基本原理和相关软件的介绍。第二章是系统硬件设计的介绍，包括了C8051F340硬件的功能描述和硬件的总体设计和详细设计。第三章是系统软件的设计，在这章里将会对系统软件的功能、总体设计和各个部分的具体设计实现作详细的介绍。主要分为上位机和下位机两部分具体进行了说明。第四章是系统的调试与分析，这章主要对调试的过程作了详尽的描述，并对调试过程中产生的问题进行了分析。第五章是系统设计
38、的结论与展望，在这一章中，结论对系统的设计结果作了简单的总结，展望则根据系统中存在的不足提出了一些相应的改进的方法。第2章 硬件设计在设计的过程中，我们将系统功能分为硬件与软件来分别实现。本章主要对测试系统硬件的功能、测试系统硬件总体设计、测试系统硬件详细设计进行介绍。其中测试系统硬件的详细设计主要是C8051F340单片机系统的硬件设计进行详细介绍。 2.1 硬件功能描述硬件设计是整个系统设计的基础，是软件运行的平台。根据第一章系统方案，首先需要进行整个系统的硬件设计，硬件的设计主要根据系统所要达到的功能而进行。硬件功能主要是搭建下位机的C8051F340单片机系统构成。下位机C8051F3
39、40单片机主要作为对数据的采集。该模块主要包括供电电路、时钟电路、复位电路、JTAG电路。2.2 硬件总体设计根据系本功能要求，需要完成以下设计：以C8051F340为核心的信号采样系统，实现过程如图2-1。图2-1系统总体功能流程图2.3 硬件详细设计本小节主要介绍硬件电路中各自包含的大小模块的具体电路及电路中个元器件的选择等。2.3.1 单片机最小系统该部分主要是为了实现对信号的采样，进而通过USB发送到PC机上进行波形的显示和频谱的分析。其原理图如图2-2所示。图2-2 C8051F340原理图2.3.1.1供电电路一般的电源适配器提供的都是5V的电压，但C8051F340必须使用3.3
40、V的电压，所以需要用LM1117的电源芯片进行5V到3.3V的电压转换。其中的D+、D_分别要接到单片机的8、9引脚。其原理框图如图2-3所示。图2-3 C8051F340供电电路2.3.1.2复位电路单片机的复位包括初始化和从头开始工作这样连续的两步。单片机复位引脚Reset接收高电平进行初始化；接收低电平，开始工作。也就是说单片机接收正脉冲开始复位，在正脉冲的下降沿启动单片机。单片机正常工作期间，复位引脚Reset需要一直保持低电平。工作过程中引脚Reset一旦接收到一个正脉冲，就会再次进行复位启动。为可靠完成复位，单片机要求Reset引脚施加的正脉冲脉宽不小于2个机器周期（2s）。设计复
41、位电路的要求就是确定电阻电容值，使其时间常数达到2个机器周期的复位最小正脉宽要求。本设计中晶振频率fosc=12MHz时，机器周期T=1s，要求加在Reset引脚的正脉宽不小于2s。当单片机上电后，因为电容两端的电压不能突变就会使RST端瞬间产生一个大约为+5V的电压，而CMOS单片机最小输入高电平电压Umin=3.5V，它瞬间产生的电压是大于3.5V的，因此RST接收高电平进行初始化。此后+5V对电容C充电导致RST端电压迅速下降使它变为低电平，单片机开始工作。根据上述要求，本设计R23=10K，C值取10F。图2-4 复位电路 图2-4所示电路中，在上电瞬间，由于电容的两端电压不可能突变，
42、电阻R5对电容进行充电，充电得时间常数一般由电容和电阻的乘积来决定，要求大于5个外部时钟周期，有时为防止复位不完全，这些参数可选大一些，在本设计中采用1F的电容和1K的电阻，时间常数为1ms，满足系统复位要求。按键闭合时，电容通过R6可进行放电，使电容的压降为0，当按键断开时，电容充电的过程与上电复位类似。此外，RST/C2CK和单片机的13引脚/RST/C2CK相连。2.3.1.3 JTAG电路当系统调试时，需要把在计算机上编译并生成执行的代码下载到单片机芯片上，实现在线调试硬件和软件。它的接口有两端接口，其中一端与计算机的USB口相连，另一端与单片机芯片的JTAG接口相连，这是一个14针的
43、接口，其硬件连接如图2-5所示。图2-5JTAG电路2.3.2 USB通信与供电电路2.3.2.1 USB通信电路USB采用四线电缆，其中两根是用来传送数据的串行通道，另两根为下游设备提供电源。USB具有可以热插拔、携带方便、标准统一、可以连接多个设备、安装方便、结构简单、高带宽、易于扩展等优点，已逐渐成为现代数据传输的发展趋势。本设计采用的是USB2.0接口。图2-6 USB通信电路图2-6中C1C6的容值大小均参考数据手册上的典型电路；USB的2、3引脚分别接单片机的D+引脚和D-引脚。2.3.2.2电源电路电源电路是为整个硬件系统提供能源的，它设计的好坏也关乎着系统能否正常工作。与自制的
44、变压器产生的5V供电系统相比，由USB供出的5V电压电路安全而且简单易得，它所提供的功率不超过2.25W，最大输出电流为500mA，电压一般为5V5%，这里的偏差可以通过接入旁路电容来消除。图2-7 最小系统电源电路图2-7中，C7、C8的容值大小均参考数据手册上的典型电路；USB的1引脚接单片机的REGIN引脚。2.4 系统硬件原理图设计 本设计单片机C8051F340的原理图采用Altium Designer Summer 09软件绘制。 原理图的设计是整个设计的基础，它决定了后面整个工作的进展。因此正确设计原理图非常的重要，一般为避免出错，所以在设计原理图时候，应该注意以下几个问题：首先
45、在画原理图之前，应该根据用到的元器件去查看PROTEL的元器件库里是否有，如过没有，应该先把这些元器件的原理图符号先画好。在画器件原理图符号时没必要把所有的管脚都一一画出来，只要把用到的引脚画出来则可。这样一来可以节约时间，又可以能让原理图看起来更加的简洁。其次， 在设计系统原理的图时，最好能把系统分成几个小模块，分开去设计。分模块设计的最大好处就是简单明了一目了然。最后，当原理图画完之后我们还要仔细检查，只有确认没有错误之后才生成PCB图，然后在检查过程中可以用软件自带的电气规则进行合理的配置。本设计单片机C8051F340的原理图详见附录。2.5 系统整体PCB图设计 由于本设计单片机C8
46、051F340的原理图采用Altium Designer Summer 09软件绘制。所以绘制PCB图也采用Altium Designer Summer 09软件。 详图见附录II。第3章 软件设计硬件设计完成之后，需要编写相应的应用程序，本章分上位机和下位机两部分分别进行详细介绍。3.1软件功能概述根据系统功能要求，系统的软件设计可分为两大模块：下位机信号的采样及发送部分和上位机对信号的分析部分，具体功能描述如下。3.1.1下位机1、利用C8051F340实现对信号的采样及发送。由于在下位机部分我们主要实现的功能是完成对信号的采样和发送，所以我们利用C8051F340主要实现，本次设计我们采用的是采样一组发送一组进行传输。2、通过USB端口实现将采样得到的信号发送到PC机上。 这里其实是一个中间环节，是将上位机和下位机连接到一块的中介，通过对USB端口的设计将采样后的信号发送到PC机上。3.1.2 上位机 利用LabVIEW虚拟仪器设计一个示波器实现波形显示和频率分析。 这里其实是本设计的最重要部分，在上位机上主要是利