基于USB数据采集器的虚拟示波器设计.pdf

发布时间：2022-06-03 发布人：admin 分类：说明书资料大小：1.43M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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摘要

ABSTRACT

第一章绪论

选题的背景和意义

传统示波器

虚拟示波器

示波器的国内外发展现状

论文需研究的主要内容

论文的组织结构

第二章 STM32微处理器和USB通信协议

2.1 STM32微处理器概述

2.2 STM32微处理器上USB通信协议的设计

2.3 PC上USB通信协议的设计

数据采集和信号处理算法的分析

3.1 数据采集设计

3.2 信号处理算法

上位机软件的设计

4.1 LabView技术

4.2 虚拟示波器的软件设计

4.3 虚拟示波器软件的测试

总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

致谢

2018 届毕业（设计）论文基于 USB 数据采集器的虚拟示波器设计自动化 2 班 1404200327 杨启高永利高级工程师王利恒副教授电气信息学院完成日期： 2018 年 5 月 13 日题目专业班级学号学生姓名第一指导教师指导教师职称第二指导教师指导教师职称学院名称

基于 USB 数据采集器的虚拟示波器设计 Design of Virtual Oscilloscope Based on USB Data Collector 学生姓名杨启第一指导教师高永利第二指导教师王利恒

武汉工程大学本科毕业（设计）论文摘要示波器作为当前很常用的一种电子测量仪器，在各个领域都有着广泛的应用。目前市面上出现的示波器有：模拟示波器、数字示波器以及虚拟示波器，而本文所要设计并介绍的就是采用意法半导体公司开发的基于Cortex-M3为内核的32位微处理器STM32F103x作为主控芯片，基于USB数据采集器设计的虚拟示波器。不同于传统的数字示波器和模拟示波器，虚拟示波器是计算机技术和测量技术相结合而成的产品。它不仅能够实现传统示波器的功能，而且还能够利用功能较为强大的微型处理器来完成对信号的分析以及处理并最终显示出想要得到的特征波形图形。但是由于硬件方面国内发展得较晚，虚拟仪器也起步得较晚，目前所研制出的虚拟仪器在各项方面都还与国外有着一定的差距。因此一方面为了更加广泛地普及测量方面的技术，让更多的电子测量爱好者了解并熟悉测量相关方面的知识以及推动国内高端测量仪器的发展和培养储备人才，另一方面由于传统示波器价格较为高昂，因而导致部分经费不足的学校和研究机构能够使用的器材太少造成了某些方案或者教学任务难以展开，所以作者认为有必要设计并研制一款低成本、简单易用并且方便快捷的虚拟示波器产品。根据课题的要求，在硬件电路已经给出的情况下，如何实现上位机与下位机之间的数据通信是关键，关于这点作者利用了STM32处理器内部自带的ADC与USB通信结合实现了数据的采集和传输，之后再结合LabView软件中的信号处理模块对信号进行分析和处理，便可以实时显示波形曲线了，在将此方案作为设计基础之后最终完成了此次基于USB数据采集器的虚拟示波器的设计，即一款可以实现双通道的支持波形实时显示和储存并且能够实现通道设置、增益设置等功能的虚拟示波器。本次设计的虚拟示波器成本低、简洁易懂，价格上能够让大多数用户接受，同时也方便了大多数新用户的上手体验，即满足了大多数科研项目的需求，又能应用于日常教学任务中，实现了此次课题设计的初衷。关键词：虚拟测量仪器；虚拟示波器；STM32微处理器；USB数据采集器 I

武汉工程大学本科毕业（设计）论文 ABSTRACT Oscilloscope, as a common electronic measuring instrument, has been widely applied in various fields.The oscilloscopes that currently appear on the market are analog oscilloscopes, digital oscilloscopes, and virtual oscilloscopes.And this text want to design and introduce today is by STMicroelectronics is used as the master chip,a virtual oscilloscope based on a USB data collector design. 32-bit microprocessor on Cortex-M3 STM32F103x developed based the digital Different oscilloscopes from traditional oscilloscopes,Virtual oscilloscope is a combination of computer technology and measurement technology.It not only realizes the functions of the traditional oscilloscope, but also can use the powerful microprocessor to complete the analysis of the signal and to process and finally display the desired waveform pattern. analog and However, because of the late domestic development of hardware, virtual instruments have started late, and the virtual instruments developed at present have a certain gap with foreign countries.So on the one hand, in order to popularize the technology of measurement, more enthusiasts can understand and familiarity with the knowledge of measuring related aspects, promote the development of domestic high-end measuring instruments and cultivate reserve talents,on the other hand, because of the high price of traditional oscilloscopes, it is difficult for schools and research institutions to use too little equipment that can be used by some underfunded schools and research institutions.Therefore, the author thinks that it is necessary to design and develop a low-cost, easy to use, and convenient virtual oscilloscope product. According to the request of the subject, how to realize data communication between the upper computer and the lower computer is the key in the condition that the hardware circuit has been given.In this regard, the author uses the STM32's own ADC and USB communication to achieve data acquisition and transmission.Then, combined with the signal processing module in the LabView software, the signal can be analyzed and processed, and the waveform curve can be displayed in real time.After the design is taken as the foundation, the design of the virtual II

武汉工程大学本科毕业（设计）论文 oscilloscope based on USB data collector is finally completed.That is, a virtual oscilloscope that can realize the dual channel supporting waveform real-time display and storage, and realize the function of channel setting and gain setting. The design of the virtual oscilloscope is low cost, simple and easy to understand, the price can be accepted by most users, and it also facilitates the experience of most new users.This satisfies the needs of most scientific research projects and can be applied to everyday teaching tasks.The original intention of the project is realized. Keywords ： Virtual measuring instrument; virtual oscilloscope; STM32 microprocessor; USB data collector III

武汉工程大学本科毕业（设计）论文目录摘要..........................................................................................................................................Ⅰ ABSTRACT...................................................................................................................................Ⅱ 目录...............................................................................................................................................Ⅳ 第一章绪论................................................................................................................................. 1 1.1 选题的背景和意义........................................................................................................... 1 1.2 传统示波器....................................................................................................................... 2 1.3 虚拟示波器....................................................................................................................... 4 1.4 示波器的国内外发展现状............................................................................................... 5 1.5 论文需研究的主要内容................................................................................................... 6 1.6 论文的组织结构............................................................................................................... 7 第二章 STM32 微处理器和 USB 通信协议................................................................................8 2.1 STM32 微处理器概述....................................................................................................... 8 2.2 STM32 微处理器上 USB 通信协议的设计..................................................................... 9 2.3 PC 上 USB 通信协议的设计...........................................................................................20 第三章数据采集和信号处理算法的分析................................................................................. 24 3.1 数据采集设计................................................................................................................. 24 3.2 信号处理算法................................................................................................................. 26 第四章上位机软件的设计......................................................................................................... 29 4.1 LabView 技术...................................................................................................................29 4.2 虚拟示波器的软件设计................................................................................................. 32 4.3 虚拟示波器软件的测试................................................................................................. 37 第五章总结与展望..................................................................................................................... 40 5.1 总结................................................................................................................................. 40 5.2 展望................................................................................................................................. 40 参考文献....................................................................................................................................... 42 致谢............................................................................................................................................... 44 IV

武汉工程大学本科毕业（设计）论文第一章绪论示波器作为目前科学生产以及生活实践中非常常见的一种电子测量仪器，因为其能将人类肉眼所看不见的电信号转化为人们看得见能够分析的图像，所以在科学研究和教学领域它都有着广泛的应用。在绪论里作者将通过选题的背景和意义、示波器国内外发展现状、传统示波器和虚拟示波器各自的特点、论文需主要研究的内容以及论文的组织结构这几个部分来展开介绍。其中介绍选题的背景和意义、示波器国内外发展现状以及各种示波器的特点是为了让大家更加熟悉和理解我们日常生活中这个常用的电子测量仪器；而介绍论文需主要研究的内容和论文的组织结构则是为了更加清晰地理解本论文的研究方向以及内容结构。 1.1 选题的背景和意义 1.1.1 示波器的发展由于科研领域的需求，在 1931 年美国军方研制出了历史上第一台示波器[1]，自此之后示波器开始了漫长的发展史。从第一台示波器问世之后，随着时代的进步和发展，在随后的二十世纪五十年代模拟示波器时代被开启了，三十年之后到了二十世纪八十年代数字示波器又开始流行起来，之后又随着集成电路、硬件微处理器以及计算机技术的不断发展，示波器来到了二十世纪末二十一世纪初的虚拟示波器时代，在漫长的发展史中，示波器经历了模拟示波器、数字示波器以及虚拟示波器三个阶段。在模拟示波器时代，也就是二十世纪五十年代，美国 TEK 公司发布了第一台商用示波器，就这样模拟示波器时代到来了。在二十世纪七十年代模拟示波器到达巅峰，就比如 1GHz 的多功能插件式示波器被人们设计出来了，该模拟示波器的原理是通过阴极射线管利用垂直和水平两路的偏转电极将信号显示在显示屏上，在当时它虽然有着实时性和连续性好的特点，但是它带宽不高而且功能较为单一。有了不足就有改进，因此到了二十世纪八十年代，数字示波器开始崭露头角，而模拟示波器便进入了衰落的阶段。当时的数字示波器原理便是通过 AD 采样技术先获得离散波形信号数据，接着利用数学公式将这些离散的波形信号还原成连续信号并计算出它的参数，因此它被命名为数字示波器。数字示波器虽然功能完善了很多，并且功能更易于扩展、因为有 I/O 口的存在也能与当时存在的计算机相连接，形成特有的测试系统，但是它又有着实时性不好的特点。 1

武汉工程大学本科毕业（设计）论文为了解决以上示波器的种种缺点，随着时代的慢慢推进，一种新型示波器也慢慢出现在了人们的视野里。由于二十世纪末二十一世纪初集成电路、硬件微处理器以及计算机技术等行业地井喷式发展，虚拟示波器兴起了，虚拟示波器的到来标志着新型示波器虚拟示波器时代的来临。虚拟示波器首先通过数据采集卡得到初始数据，传输给计算机之后再利用计算机进行计算和分析最后再显示到计算机软件界面中。做了大量改进之后虚拟示波器更加的便捷、可集成，功能能自定义了。 1.1.2 课题研究的目的和意义由于时代的进步现如今各行各业都在飞速地发展，其中科研行业尤其突出，而作为科学研究和生产实践中常用的示波器如今也理应被更多人所接触和了解，而国内实际现状却是并非很多人能够接触到，一方面是由于传统的模拟示波器和数字示波器价格较为昂贵，现如今市面上示波器的平均价格都在 2000 元左右，对于资金不足的教育机构和研究机构，由于器材不够会导致教学或研究进度缓慢，特别是学校内由于器材不够，会出现只有少数学生才会接触和操作到示波器；而另一方面由于传统示波器个头较大，所以携带不会特别方便，并且也因为仪器较容易损坏所以导致传统示波器大多只会固定出现在实验室等专门的设施内。为了让示波器能够被更多人了解和接触到，作者决定设计并研制一款低成本、携带方便以及简单易懂适合大多数人群使用的虚拟示波器，来推广示波器的发展。 1.2 传统示波器 1.2.1 模拟示波器之前关于模拟示波器的一些背景在前面已经将得很清楚了，这里就不再展开介绍了，此处就主要讲其原理了。模拟示波器主要是利用阴极射线管中垂直和水平两路偏转电极将信号显示在屏幕上，因为它采用模拟电路电子枪向屏幕发射电子所以被称为模拟示波器。由图 1.1 所示模拟示波器通产是由两个前置衰减器、两个主放大器、触发开关、水平时基电路、交替与断续、X 和 Y 轴驱动以及电显示屏构成。模拟示波器有着实时性和连续性好的特点但是功能单一并且带宽不高，这也就表示了它不能实现更为复杂的功能，局限性较大。 2

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