仪器硬件设计的毕业论文

数字频率计是一种基本的测量仪器。它被广泛应用与航天、电子、测控等领域。它利用VHDL硬件描述语言进行设计，并在EDA（电子设计自动化）工具的帮助下，用大规模可编程器件（CPLD）实现数字频率计的设计原理及相关程序。通过了Max+plusⅡ软件进行仿真、硬件调 ... 你可以去这个网 址看看

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基于FPGA的数字式心率计摘要：心率计是常用的医学检查设备。实时准确的心率测量在病人监控、临床治疗及体育竞赛等方面都有着广泛的应用。本心率计采用FPGA实现，减少了元器件使用数量，提高了测量精度和可靠性。该设计能够实时采集并测量人体的瞬时和平均心率，发现非正常心率信号并能及时报警。本设计包括三个模块：心电信号预处理模块、FPGA的信号处理模块和显示模块。心电信号预处理模块，进行心电信号采集、放大、滤波，然后将处理后信号传入系统的处理模块。FPGA的信号处理模块，计算输入心电信号的心率值和判断心率值是否正常，输出心率值及预警信号，同时附属时钟功能。显示模块实现已计算出的心率信号的显示和预警。本设计主要完成心率信号的预处理及FPGA中心处理模块的仿真。关键词：心电采集；心率测量；VHDL基于以上的研究及分析我们可以很清楚的发现心律监护在实际生活重的重要性。目前监护仪在我国的普及程度正在提高，现代 ICU 已把监护仪作为基本设备。随着我国步入老龄化社会，心血管疾病的发病率有升高的趋势，所以对生理监护仪提出了迫切的要求。随着电子技术的飞速发展，出现了许多高性能、低功耗的新器件，这为研制心电监护系统提供了良好的技术支持。本文针对心率检测仪器进行了一系列的研究，提出了系统的软硬件设计方案。论文的主要研究内容如下：1) 可提取心率信号的前期传感方式的选择。2) 对已提取信号的预处理方法3) 对处理后的信号的信息提取方法4) 预警信号的显示5) 课题总结

毕业设计（论文）报告 系 别： 电子与电气工程学院 专 业： 电子信息工程 班 号： 电子 0 8 5 学 生 姓 名： 傅浩 学 生 学 号： 080012212 计 论 ） 目 设 （ 文 题 ： 基于AT89C51 的数字温度计的设计 指 导 教 师： 傅浩 设 计 地 点： 起 迄 日 期： 2010.5.4-2010.7.3 常州信息职业技术学院电子与电气工程学院 毕业设计论文 毕业设计（论文）任务书 专业 电子信息工程 班级 电子 085 姓名 傅浩一、课题名称：基于 AT89C51 的数字温度计的设计二、主要技术指标： 1、测温范围-50℃-110℃ 2、精度误差小于 0.5℃ 3、LED 数码直读显示 4、可通过人机接口任意设定温度报警阀值三、工作内容和要求：（1）、要求数字温度计能对环境的温度进行实时监测。（2）、数字温度计要能够实时显示环境的温度信息，使用户及时了解到环境温度情况。（3）、数字温度计能够在程序跑飞的情况下自动重启，对环境温度进行正确的测量。 四、主要参考：1.李勋.刘源单片机实用教程M.北京航空航天大学出版社，20002.李朝青.单片机原理及接口技术（简明修订版）M.杭州：北京航空航天大学出版社，19983.李广弟.单片机基础M.北京：北京航空航天大学出版社，19944.阎石.数字电子技术基础（第三版）M.北京：高等教育出版社，19895.廖常初.现场总线概述J.电工技术，19996.王津.单片机原理与应用M.重庆大学出版社，2000 学 生（签名） 年 月 日 指 导 教师（签名） 年 月 日常州信息职业技术学院电子与电气工程学院 毕业设计论文 教研室主任（签名） 年 月 日 系 主 任（签名） 年 月 日 常州信息职业技术学院电子与电气工程学院 毕业设计论文 毕业设计（论文）开题报告设计（论文）题目 基于 AT89C51 的数字温度计的设计一、选题的背景和意义： 随着时代的进步和发展，单片机技术已经普及到我们生活、工作、科研等各个领域，已经成为一种比较成熟的技术，本文将介绍一种基于单片机控制的数字温度计，它给人带来的方便也是不可否定的。要为现代人生活提供更好、更方便的设施就需要从数单片机技术入手，一切向着数字化控制，智能化控制方向发展。 本文将要设计的数字温度计具有性能稳定、灵敏度高、抗干扰能力强、使用方便等优点，广泛应用于冰箱、空调器、粮仓等日常生活中温度的测量和控制中，为人们生活水平的提高做出了巨大的贡献。二、课题研究的主要内容： 1．本文是以单片机 AT89C51 为核心进行设计。 2．通过 DALLAS 公司的单总线数字温度传感器 DS18B20 来实现环境温度的采集和 A/D转换。 3．其输出温度采用数字显示，用 3 位共阳极 LED 数码管以串口传送数据，实现温度显示，能准确达到以上要求。 4．此温度计属于多功能温度计可以用来测量环境温度，还可以设置上下报警温度，当温度不在设置范围内时，可以报警。 常州信息职业技术学院电子与电气工程学院 毕业设计论文三、主要研究（设计）方法论述： 1. 通过查阅书籍了解数字温度计的基本概念等信息，结合以前所学的电子专业知识认真研究课题。 2. 借助强大的网络功能，借鉴前人的研究成果更好的帮助自己更好地理解所需掌握的内容。 3. 通过与老师与同学的讨论研究，及时地发现问题反复地检查修改最终完成。 四、设计（论文）进度安排：时间（迄止日期） 工 作 内 容2010.05.04 ～ 查找资料，确定论文题目2010.05.052010.05.06 ～ 根据选题方向查资料，确定基本框架和设计方法2010.05.072010.05.08 ～ 完成开题报告2010.05.102010.05.11 ～ 完成初稿并交指导老师审阅2010.05.312010.06.01 ～ 根据指导老师意见修改论文2010.06.262010.06.26 ～ 根据模板将论文排版2010.06.292010.06.30 ～ 仔细阅读论文并作细节完善后上交2010.07.03 常州信息职业技术学院电子与电气工程学院 毕业设计论文五、指导教师意见： 指导教师签名： 年 月 日六、系部意见： 系主任签名： 年 月 日 常州信息职业技术学院电子与电气工程学院 毕业设计论文 目录摘要Abstract第 1 章 前言 ...................................................... 1第 2 章 数字温度计总体设计方案 .................................... 2 2.1 数字温度计设计方案.......................................... 2 2.2 总体设计框图................................................ 2第 3 章 数字温度计的硬件设计 ...................................... 3 3.1 主控制器 AT89C51 ............................................ 3 3.1.1 AT89C51 的特点及特征 .................................... 3 3.1.2 管脚功能说明............................................ 3 3.1.3 片内振荡器.............................................. 5 3.1.4 芯片擦除................................................ 5 3.2 单片机的主板电路............................................ 6 3.3 温度采集部分的设计.......................................... 6 3.3.1 温度传感器 DS18B20 ...................................... 6 3.3.2 DS18B20 温度传感器与单片机的接口电路 ................... 10 3.4 显示部分设计............................................... 10 3.4.1 74LS164 引脚功能及特征 ................................. 10 3.4.2 温度显示电路........................................... 11 3.5 报警系统电路............................................... 12第 4 章 数字温度计的软件设计 ..................................... 13 4.1 系统软件设计流程图......................................... 13 4.2 数字温度计部分程序清单..................................... 15第 5 章 结束语 ................................................... 20答谢辞参考文献 常州信息职业技术学院电子与电气工程学院 毕业设计论文 摘 要 随着人们生活水平的不断提高，单片机控制无疑是人们追求的目标之一，它所给人带来的方便也是不可否定的，其中数字温度计就是一个典型的例子。 本设计所介绍的数字温度计与传统的温度计相比，具有读数方便，测温范围广，测温准确，其输出温度采用数字显示。该设计控制器使用单片机 AT89C51，测温传感器使用 DS18B20，用 3 位共阳极 LED 数码管以串口传送数据，实现温度显示。本温度计属于多功能温度计，可以设置上下报警温度，当温度不在设置范围内时，可以报警。 此外本文还介绍了数字温度计的硬件设计和软件设计，硬件设计主要包括主控制器、单片机的主板电路、温度采集部分电路、显示电路以及报警系统电路。 软件设计包括系统软件的流程图和数字温度计的部分程序清单。关键词：AT89C51 单片机，数字控制，测温传感器，多功能温度计 常州信息职业技术学院电子与电气工程学院 毕业设计论文 Abstract As peoples living standard rising SCM is undoubtedly one of theobjectives pursued by the people the convenience it brings is equallynegative and one digital thermometer is a typical example. The design presented in the traditional thermometer digitalthermometer and compared with a reading convenience a wide range oftemperature measurement temperature measurement accuracy the output ofthe temperature digital display. The design of the controller usingmicrocontroller AT89C51 temperature sensor uses DS18B20 with threecommon anode LED digital tube to serial transmission of data to achievetemperature display. The thermometer is multi-functional thermometeryou can set the upper and lower alarm temperature range when thetemperature is not set you can alarm. Besides the paper also describes the digital thermometer in hardwaredesign and software design hardware design includes the main controllermicrocontroller circuit board the temperature acquisition part of thecircuit display circuit and the alarm system circuit. Software designincluding system software flow chart and the digital thermometer in thepart of the program list.Key words: AT89C51 microcontroller digital control temperature sensormulti-function thermometer 常州信息职业技术学院电子与电气工程学院 毕业设计论文第1章 前言 随着时代的进步和发展，单片机技术已经普及到我们生活，工作，科研，各个领域，已经成为一种比较成熟的技术，本文将介绍一种基于单片机控制的数字温度计，本温度计属于多功能温度计，可以设置上下报警温度，当温度不在设置范围内时，可以报警。 现代信息技术的飞速发展和传统工业改造的逐步实现。 能够独立工作的温度检测和显示系统应用于诸多领域。传统的温度检测以热敏电阻为温度敏感元件。热敏电阻的成本低，但需后续信号处理电路，而且可靠性相对较差，测温准确度低，检测系统也有一定的误差，所以传统的温度计有反应速度慢、读数麻烦、测量精度不高、误差大等缺点。 本文是以单片机 AT89C51 为核心，通过 DALLAS 公司的单总线数字温度传感器 DS18B20 来实现环境温度的采集和 A/D 转换，用来测量环境温度，温度分辨率为 0.0625℃，并能数码显示。因此本文设计的数字温度计具有读数方便，测温范围广，测温精确，数字显示，适用范围宽其电路简单，软硬件结构模块化，易于实现等特点。 数字式温度计的设计将给人们的生活带来很大的方便， 为人们生活水平的提高做出了贡献。数字温度计在以后将应用于我们生产和生活的各个方面，数字式温度计的众多优点告诉我们：数字温度计将在我们的未来生活中应用于各个领域，它将会是传统温度计的理想的替代产品。 -1- 常州信息职业技术学院电子与电气工程学院 毕业设计论文第2章 数字温度计总体设计方案2.1 数字温度计设计方案方案 一： 采用热敏电阻器件，利用其感温效应，再将随被测温度变化的电压或电流采集过来，进行 A/D 转换后，利用单片机进行数据的处理，然后在显示电路上，将被测温度显示出来。 方案 二： 利用温度传感器，在单片机电路设计中，大多都是使用传感器，所以这是非常容易想到的，所以可以采用一只温度传感器 DS18B20，此传感器，可以很容易直接读取被测温度值，进行转换就可以满足设计要求。 分析上述两种方案可以看出方案一是使用热敏电阻之类的器件利用其感温效应，进行 A/D 转换后，利用单片机进行数据的处理，在显示电路上被测温度显示出来，这种设计需要用到 A/D 转换电路，感温电路比较麻烦。方案二是利用温度传感器直接读取被测温度，读数方便，测温范围广，测温精确，适用范围宽而且电路简单易于实现。 综合方案一和方案二的优缺点，我们选择方案二。2.2 总体设计框图 温度计电路设计总体设计方框图如图 2-1 所示， 控制器采用单片机 AT89C51，温度传感器采用 DS18B20，用 4 位 LED 数码管以串口传送数据实现温度显示。 L 单片机复位 E D 主 显 控 示 报警点按键调整 制 器 温 度 时钟振荡 传 感 器 图 2-1 总体设计方框图 -2- 常州信息职业技术学院电子与电气工程学院 毕业设计论文第3章 数字温度计硬件设计3.1 主控制器 AT89C513.1.1 AT89C51 的特点及特性： 40 个引脚，4K Bytes FLASH 片内程序存储器，128 Bytes 的随机存取数据存储器（RAM） ，32 个外部双向输入/输出（I/O）口，5 个中断优先级 2 层中断嵌套中断，2 个 16 位可编程定时计数器，2 个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。 此外，AT89C51 在空闲模式下，CPU 暂停工作，而 RAM 定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存 RAM 的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有 PDIP、TQFP 和 PLCC 等三种封装形式，以适应不同产品的需求。 主要功能特性： 兼容 MCS-51 指令系统 4k 可反复擦写gt1000 次）ISP FLASH ROM 32 个双向 I/O 口 4.5-5.5V 工作电压 2 个 16 位可编程定时/计数器 时钟频率 0-33MHZ 全双工 UART 串行中断口线 128X8 BIT 内部 RAM 2 个外部中断源 低功耗空闲和省电模式 中断唤醒省电模式 3 级加密位 看门狗（WDT）电路 软件设置空闲和省电功能 灵活的 ISP 字节和分页编程 双数据寄存器指针3.1.2 管脚功能说明： AT89C51 管脚如图 3-1 所示： -3- 常州信息职业技术学院电子与电气工程学院 毕业设计论文 图 3-1 AT89C51 管脚图 （1）VCC：供电电压。 （2）GND：接地。 P0 P0 （3） 口： 口为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口， 每脚可吸收 8TTL 门电流。当 P1 口的管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入。P0 能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在 FIASH 编程时，P0 口作为原码输入口，当 FIASH 进行校验时，P0 输出原码，此时 P0 外部必须被拉高。 （4）P1 口：P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P1 口缓冲器能接收输出 4TTL 门电流。P1 口管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作输入，P1 口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在 FLASH编程和校验时，P1 口作为第八位地址接收。 （5）P2 口：P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 口缓冲器可接收，输出 4 个 TTL 门电流，当 P2 口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时，P2 口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2 口输出其特殊功能寄存器的内容。P2 口在 FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 （6）P3 口：P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I/O 口，可接收输出 4个 TTL 门电流。当 P3 口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3 口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口，如下所示： P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断 0） P3.3 /INT1（外部中断 1） P3.4 T0（记时器 0 外部输入） P3.5 T1（记时器 1 外部输入） P3.6 /WR（外部数据存储器写选通） P3.7 /RD（外部数据存储器读选通） -4- 常州信息职业技术学院电子与电气工程学院 毕业设计论文 P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 （7）RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持 RST 脚两个机器周期的高电平时间。 （8）ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在 FLASH 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE 端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个 ALE 脉冲。如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址上置 0。此时，ALE 只有在执行 MOVX，MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态 ALE 禁止，置位无效。 （9）/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN 有效。 但在访问外部数据存储器时， 这两次有效的/PSEN信号将不出现。 （ 10 ） /EA/VPP ： 当 /EA 保 持 低 电 平 时 ， 则 在 此 期 间 外 部 程 序 存 储 器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式 1 时，/EA 将内部锁定为 RESET；当/EA 端保持高电平时，此间内部程序存储器。在 FLASH 编程期间，此引脚也用于施加 12V 编程电源（VPP）。 （11）XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 （12）XTAL2：来自反向振荡器的输出。3.1.3 片内振荡器： 该反向放大器可以配置为片内振荡器，如图 3-2 所示。 图 3-2 片内振荡器3.1.4 芯片擦除： -5- 常州信息职业技术学院电子与电气工程学院 毕业设计论文 整个 PEROM 阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合， 并保持ALE 管脚处于低电平 10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。 此外，AT89C51 设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU 停止工作。但 RAM、定时器、计数器、串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存 RAM 的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。单片机 AT89C51 具有低电压供电和体积小等特点，四个端口只需要两个口就能满足电路系统的设计需要，很适合便携手持式产品的设计使用系统可用二节电池供电。 单片机 AT89C51 具有低电压供电和体积小等特点，四个端口只需要两个口就能满足电路系统的设计需要， 很适合便携手持式产品的设计使用系统可用二节电池供电。3.2 单片机主板电路 单片机 AT89C51 是数字温度计的核心元件，单片机的主板电路如图 3-3 所示，包括单片机芯片、报警系统电路、晶振电路、上拉电阻以及与单片机相连的其他电路。 图 3-3 单片机的主板电路3.3 温度采集部分的设计3.3.1 温度传感器 DS18B20 DS18B20 温度传感器是美国 DALLAS 半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器，与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现 9～12 位的数字值读数方式。 -6- 常州信息职业技术学院电子与电气工程学院 毕业设计论文 TO－92 封装的 DS18B20 的引脚排列见图 3-4，其引脚功能描述见表 .

文摘随着计算机技术的发展，传统仪器开始转向计算机化。虚拟仪器是现代计算机技术、仪器技术以及其他新技术完美结合的产物，其强大的功能已完全超出了仪器概念本身。本文首先叙述了虚拟仪器的概念、发展、组成等，接着采用图形化编程软件Labview设计了虚拟示波器以及它的虚拟频谱分析功能，重点介绍了Labview中使用第三方板卡——研华PCL-812PG实现外部模拟信号采集的方法。最后总结了本文所做的主要工作并提出了进一步研究的设想：虚拟仪器在internet网中的远程测控。关键词:虚拟仪器、PCL-812PG、Labview.AbstractWith the development of computer, traditional instrument has developed into computerize instrument. Virtual Instrument is a perfect combination of modern computer technology, instrument technology and other new technology. Its strong function is beyond the instrument itself. This paper first introduce the development, concept, form of the virtual instrument, design the virtual scope, virtual-frequency-analysis instrument by using the programming software Labview, then gather the analogue signal outsides by PCL-812PG, transferred into digital signal, show in the computer. At last, this paper put forward the further research: the distance-usage of the virtual instrument in the internet.Keywords: Virtual Instrument、PCL-812PG、Labview.目录第一章绪论1. 1虚拟仪器的概述----------------------------------------------(1)1. 2软件开发工具的简介----------------------------------------(1)1. 3本文的主要工作----------------------------------------------(2)第二章 虚拟示波器的实现2. 1图形化的编程语言Labview---------------------------------(3)2. 2虚拟示波器实时波形显示界面的实现和框图程序-----(3)2. 3快速傅立叶变换(FFT)和Labview分析库中的FFT VI-(6) 2. 4虚拟频谱分析功能软面板和方框图的实现--------------(7)第三章声卡的作用和主要技术参数3. 1声卡的作用-------------------------------------------------(10)3. 2声卡的主要技术参数--------------------------------------(10)3. 3 LabVIEW中相关声卡操作函数简介------------------(10)四章 实验分析结果4. 1实验设备-------------------------------------------------------(14)4. 2实验内容-------------------------------------------------------(14)4. 3实验步骤-------------------------------------------------------(14)第五章 结束语----------------------------------------------------------(16)参考文献--------------------------------------------------------------------(17)第一章绪论随着计算机技术的发展，传统仪器开始向计算机化的方向发展。虚拟仪器是20世纪90年代提出的新概念，是现代计算机技术，仪器技术及其他新技术完美结合的产物。虚拟仪器技术的提出与发展，是21世纪自动测试与电子测量仪器技术发展的一个重要方向。1. 1虚拟仪器的概述 虚拟仪器是现代技术与计算机技术结合的产物。随着计算机技术特别是计算机的快速发展，CPU处理能力的增强，总线吞吐能力的提高以及显示器技术的进步，人们逐渐认识到，可以把仪器的信号分析和处理、结果的表达与输出功能转移给计算机来完成。这样，可以利用计算机的高速计算能力和宽大的显示屏更好地完成原来的功能。如果在计算机内插上一块数据采集卡，就可以把传统仪器的所有功能模块都集中在一台计算机中了，而软件就成了虚拟仪器的关键，任何一个使用者都可以通过修改虚拟仪器的软件来改变它的功能，这就是美国NI公司“软件就是仪器”一说的来历[1]。 所谓虚拟仪器，就是在通用的计算机平台上定义和设计仪器的功能，用户操作计算机的同时就是在使用一台专门的电子仪器。虚拟仪器以计算机为核心，充分利用计算机强大的图形界面和数据处理能力，提供对测量数据的分析和显示功能。虚拟仪器的最大特点是其灵活性，用户在使用过程中，可以根据需要添加或删除仪器功能，以满足各种需求和各种环境，并且突破了传统仪器在数据处理、表达、传送以及存储方面的限制。虚拟仪器的组成与传统仪器一样，由数据采集与控制、数据分析与处理、结果显示三部分组成。对于传统仪器，三部分几乎均由硬件完成，对于虚拟仪器，后两部分主要由软件来实现。与传统仪器相比，虚拟仪器设计日趋模块化、标准化，设计的工作量和复杂性都大大减小。1. 2软件开发工具的简介应用软件开发环境是设计虚拟仪器所必需的软件工具。应用软件开发环境的选择，可以开发人员的喜好不同而不同，但最终都必须提供给用户一个界面友好、功能强大的应用程序。软件在虚拟仪器中处于重要的地位，它肩负着对数据进行分析处理的任务，如数字滤波，频谱变换等。通常在编制虚拟仪器软件时，有两种方法：一种是传统的编程方法，采用高级语言，如VC、C++，C++ Buider；另一种是采用流行的图形化编程方法，如采用NI公司的labview。这次的毕业设计我主要是采用labview编程方法，因为它是图形化的编程语言，界面形象直观，有很多按钮、控件可以直接用来表示实际的仪器。虚拟仪器系统的软件主要包括仪器驱动程序、应用程序和软面板程序。仪器驱动程序主要用来初始化虚拟仪器，设定特定的参数和工作方式，使虚拟仪器保持正常的工作状态。应用程序主要对采集来的数据信号进行分(1)析处理，用户可以根据编制应用程序来定义虚拟仪器的功能。软面板程序用来提供与虚拟仪器的接口，它可以在计算机屏幕上生成一个和传统仪器相似的图形界面，用于显示测量和处理的结果；另一方面，用户也可以通过控制软面板上的开关和按钮，模拟传统仪器的操作，通过键盘和鼠标，实现对虚拟仪器系统的控制。1. 3本文的主要工作数字示波器是实验、教学、科研中常用的电子仪器，可以采集信号并进行分析，但传统仪器都具有设备更新慢、功能单一、价格贵等缺点。本文主要是实现虚拟示波器的功能：从外界采样模拟信号，转化为相应的数字信号，在计算机上实现波形的显示，并能够进行简单的波形处理，比如说，可以延时采样，可以显示波形的最大值、最小值、平均值，并能够根据需要放大波形的倍数，在采样的任何时期可以结束采样。另外，还利用快速傅立叶变换实现了简单的频谱分析功能的实现。具体如下：（1）具有声卡采集参数设定功能；具有录音和重放功能；可以实现声音数据的采集；能够完成功率谱信号的显示与分析；（2）声音采集数据能够储存并根据需要调用；（3）具有声音信号滤波及处理功能。（4） 基于LABVIEW的声卡虚拟示波器应具有美观实用的用户界面。音频格式设置数据采集（声卡）数据处理波形显示频谱分析数 据 储 存虚拟示波器结构框图第二章虚拟示波器的具体实现2. 1图形化的编程语言labviewlabview主要用于仪器控制、数据采集、数据分析等领域，它是一种基于图形编程语言（G语言）的开发环境，主要是以框图形式编写程序。它与C等传统编程语言有着诸多相似之处，如：相似的数据类型、数据流控制结构、程序调制工具，以及层次化、模块化的编程特点。但二者最大的区别在于：传统编程语言用文本语言编程；而labview使用图形语言（即：各种图标、图形符号、连线等），以框图的形式编写程序。用labview编程无须太多的编程经验，因为labview使用的都是测试工程师熟悉的术语和图标，如各种旋钮，开关，波形图等，界面直观形象。labview是一个功能强大的集成开发环境，它完整的集成了与GPIB、VXI、RS-232和内插式数据采集卡等硬件的通讯。Labview还具有内置程序库，提供了大量的连接机制，通过DLLs、共享库、OLE等途径实现与外部程序代码的连接。使用labview开发环境，用户可以创建32位的编译程序，从而为常规的数据采集、测试等任务提供了更快的执行速度。labview是真正的编译器，用户可以创建独立的可执行程序，能够脱离开发环境而单独运行[2]。 一个labview程序包含三个主要部分：前面板、框图程序、图标/连接端口。前面板是labview程序的交互式图形化用户界面，用于设置用户输入和显示程序输出，目的是仿真真实仪器的前面板。框图程序则是利用图形语言对前面板上的控制量和指示量进行控制。图标/连接端口用于把labview程序定义成一个子程序，以便在其他程序中加以调用，这使labview得以实现层次化，模块化编程。2. 2虚拟示波器的界面实现 图2-1是虚拟示波器的主界面：上半部分是波形显示部分，用于显示采集的波形，下半部分是对波形的频谱分析。图2-1 示波器主界面的实现采集来的信号首先要在图2-1的波形实时显示部分进行显示，即图2-2。图2-2 波形实时显示界面如图2-2的软面板是实时波形显示窗口，可以显示实时采样波形。右上边可以直接得到采样数据的最大值、最小值、平均值。右下边包含了放大倍数、采样延迟时间两个旋钮。通过这两个旋钮，可以调整实时波形在屏幕上的显示效果。另外，面板上还有采样结束按钮，用于结束采样。波形实时显示面板下面是一个工具面板：用X和Y按钮可以改变X、Y轴的比例。如果想让绘制的图形自动适应变化的坐标比例，可以单击每个按钮左边的锁定(4)开关，使其自动锁定。第二列的两个是设置X、Y轴刻度值数字表示方式的快捷方式，单击后可以对精度等特性进行设置。第三列的第一个是波形缩放工具，当用赋值工具单击它时，可弹出波形缩放方式的选择项，如图2-3所示：各功能如下：第一个按钮是矩形缩放。选择该项后，在显示区上，按住鼠标左键可以拉出一个方框，方框内的波形将被放大。横着第二个是水平缩放按钮：波形只在水平方向上被放大，垂直方向上保持不变。第三个是垂直缩放按钮：波形只在垂直方向上被放大，水平方向上保持不变。第二行第一个是取消缩放：取消最近的一次缩放操作。接下来的两个是连续缩放按钮。选中该项后，在显示区内按住鼠标左键，波形将以鼠标指针停留位置为中心进行连续缩放。图2-3 工具面板的演示(5)2-4 实时波形的框图程序2-4的框图中，左面是一个while循环框，图框中随机采样信号与面板上的放大倍数旋钮对应的图标相乘（板卡的驱动先不考虑），然后输入到实时波形屏幕中，接着信号流向图框外，并变成数组型数据。框图下方，设置采样延迟时间，由面板上的旋钮控制。另外还有采样结束的控制按钮。 右边循环框外是对数组信号进行处理。通过labview 6i本身提供的子程序，可以得到数据的最大值、最小值和平均值。 该虚拟示波器是单通道虚拟示波器，要想设计多通道的示波器，只需在这个基础上，在面板上加上几个屏幕显示控件，框图程序类似上图即可。当需要把信号进行其他的处理时，我们可以选择labview自带的信号处理部件，也可以把编好的C程序或是matlab程序加入到系统中，扩充系统的功能。2. 3快速傅立叶变换(FFT)和labview分析库中的FFT VI 从DAQ板上获得的采样信号是时域信号，这种信号给出了采样时刻信号的幅度，但是很多情况下，更想了解的是频率成分，而不是幅度值。频域表示法就表示了单个频率成分，这种表示法可以给出更多关于信号和系统的信息。 从时域的采样数据变为频域的算法，称为离散傅立叶变化（DFT）。DFT将采样信号的时域跟频域联系起来。DFT广泛应用于谱分析、应用力学、光学、医学图像、数据分析、仪器及远程通信等方面[2]。(6)假设从DAQ板上获得N个采样信号，对这N个样本进行DAT变换，结果仍将为N个样本，但它却是频域表示法。时域的N个样本与频域的N个样本之间的关系如下：假设信号采样率为fs，采样间隔为t，有t=1/fs，采样信号表示为Xi，0＜i＜N-1（即有N个样本），对这N个样本进行傅立叶变换，公式如下：Xk=X1*e（-j2*3.1415926*0/N）+X2*e（-j2*3.1415926*1/N）+……+Xi*e[-j2*3.1415926*（N-1）/N]注意时域跟频域中均有N个样本。同时域中的时间间隔对应的频率间隔f为：f=fs/N=1/Nt，f也称为频率分辨率，增多采样次数N或减小采样频率fs均能减小f（提高频率分辨率）。对N个采样数据进行DFT是个非常耗时的过程，大约需要n的平方次复数运算；但如果N是2的幂，假设N=2m,对N进行DFT就只需要m*N/2次操作，大大提高了速度，这种算法叫做快速傅立叶变换（FFT），它其实就是当采样N是2的幂时，进行DFT的一种快速算法。FFT的优点在于速度快，且节省内存，这是因为当VI操作FFT时，无需额外的存储缓冲区，但它要求输入序列N必须是2的幂。而DFT速度比FFT慢得多，这是由于它需要额外的缓冲区来存储中间的结果，但是DFT对任一个序列都适用。FFT中为了使采样次数N等于2的幂，可以在输入序列末尾加0。例如：若N=10，可以在输入序列末尾加6个0，使得采样次数的总数为16（2的4次方）。分析库中有两种VI用来计算信号的FFT，即Real FFT VI和Complex FFT VI。两者的区别在于，Real FFT对实信号进行FFT，Complex FFT对复信号进行FFT，值得注意的是，两者的输出均为复数。由于大多数信号都是实数值，因此可以用 Real FFT VI，当然也可以用Complex FFT VI，只是将虚数部分置为0。由于远程通信中的信号一般都为复数信号（实部、虚部均不为0），此时应该使用Comlex FFT VI,对复电位进行调制将产生复信号。2. 4虚拟频谱分析功能软面板和方框图的实现图2－5中，按界面上的运行按钮，在显示界面上分别会显示时域波形和经过FFT以后的频域波形。(7)2-5虚拟频谱分析功能软面板的实现2-6 虚拟频谱分析功能框图的实现(8)图2-6中： Arbitrary Wave—— 用于产生一个随机的波形，RealFFT —— 对输入的采样数据进行FFT，Complex To Polar —— 将FFT的复数输出分为实、虚两部分（幅值和相位），相位部分以弧度为单位，但屏幕上只显示FFT的幅值。(9)第三章声卡在虚拟示波器设计与实现1．认识声卡随着计算机技术和虚拟仪器技术的发展，虚拟仪器逐渐成为现代仪器的发展方向，其中大部分虚拟仪器都是基于各种数据采集卡的，如NI公司的PCI－6221数据采集卡，研华公司PCL－1800型数据采集卡，ISA型数据采集卡AC1820。在对采样频率要求不高的情况下，可以利用计算机的声卡进行数据的输入和输出。声卡是一个非常优秀的音频信号采集系统，其数字信号处理包括模数变换器ADC（Analogue Digital Converter）和 数模变换器DAC（Digital Analogue Converter），ADC用于采集音频信号，DAC则用于重现这些数字声音。声卡已成为多媒体计算机的一个标准配置，因此基于声卡的虚拟仪器具有成本低，兼容性好，通用性和灵活性强的优点，可以不接受硬件限制，安装在多台计算机上。本文利用LabVIEW8.2中的数字声音记录节点，编程实现了基于声卡的虚拟双踪数字存储示波器，采样速率为44.1KHz，线路输入端口最高电压限制为1V，对高于1V的信号采用比例运算放大电路衰减后输入，能适合