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毕业设计(论文)虚拟仪器技术.doc

发布:2017-09-26约字共39页下载文档
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1、 绪论 1.1课题研究背景 (1)虚拟仪器的产生 当今,科学技术的发展日新月异,特别是在工业自动化领域和测量领域对仪器技术的要求越来越高,而传统的仪器由于种种限制,逐渐无法满足这一要求。因此人们提出了虚拟仪器的概念。在最近的几十年来,随着电子计算机技术突飞猛进的发展,计算机的数据处理能力的不断加强,使得虚拟仪器的应用领域越来越广泛。 虚拟仪器是一种全新的应用技术,近年来,这种技术在自动化检测领域的应用(2)国内外虚拟仪器的发展状况 在发达国家,虚拟仪器已广泛应用到生产、科研、国防等领域,而我国虚拟仪器的研究开发起步较晚,尚处于探索研究阶段。而电子测量仪器发展至今,大体上可以分为四代:模拟仪器、数字仪器、智能仪器和虚拟仪器。 (3)虚拟仪器的优势 与传统的测量仪器相比,传统仪器是自封闭的系统,输出固定的用户界面这些功能都是以硬件或者固化的软件的形式存在的,灵活性和可扩展性差成本高,技术更新慢数据显示、分析和存储功能不够强由用户利用一些基本硬件及软件编程技术组成的的系统。USB总线的虚拟仪器具有使用方便、数据传输速度快、连接灵活的特点。一般系统主要由PC机、USB集线器和虚拟仪器组成。系统的体系结构设计按照智能模块的设计思路进行,智能模块的作用是完成特定应用的测试功能。利用USB总线的优势可以实现测试方案的灵活配置和测试功能的自由扩展,即当需要添加新测试功能时,只需开发支持USB接口的相应测试功能的虚拟仪器模块即可。USB系统中虚拟仪器部分的USB总线接口和逻辑设备组合在一起就构成了USB设备接口,提供了传送和接收数据包的总线接口,并管理虚拟仪器设备的各种工作状态。USB设备接口的开发是USB外设开发的关键,它涉及到USB协议和规范的具体实现。USB系统软件中的USB驱动程序是开发的一个难点。虚拟仪器设备可以定义为人机接口设备(HID)类,这样PC机可以直接使用Windows操作系统内置的HID类驱动程序。PC机的通信应用程序使用Visual C++调用API函数和HID驱动程序进行通信,完成和嵌入式虚拟仪器通信的功能。当插入嵌入式虚拟仪器时,主机检测该设备并通过自动加载相关的驱动程序来对该设备进行配置,并使其正常工作。USB技术和虚拟仪器技术结合在一起是计算机仪表领域研究的热点,基于USB总线接口设计的嵌入式虚拟仪器具有良好的系统扩展性。虚拟仪器可以独立完成特定的信号处理和分析,又可以通过USB总线系统组合在一起,构建大型的测试系统,完成复杂的测试功能。 1.4课题研究内容 本课题研究开发一个基于USB接口的虚拟示波器,通过USB实现数据采集设备和计算机之间的通信。整个系统由嵌入式Linux 下USB设备端驱动模块、A/D驱动模块、PC端USB主机驱动模块、虚拟仪器应用程序模块四部份组成。 本系统中数据采集设备用博创UP-2410S嵌入式系统教学板替代。该设备的CPU为ARM S3C2410芯片,自带一个8路10位的A/D转换器。在UP-NETARM2410-S教学板上有3路A/D转换器,最大转换率为500K,量程为0.0~3.3伏,即转换成十进制为0000~1023。首先,本系统的A/D驱动模块分别采集教学板上的三路模拟信号,然后通过USB设备端驱动模块传输到PC机上,最后由PC端上的虚拟仪器应用程序进行测量与显示,并做相应的处理。其中USB驱动模块与A/D驱动模块都工作在Linux内核态,PC端主机驱动用WDM模型编程实现。虚拟仪器数据处理和显示模块使用VC编程实现。 本人的任务是数据采集端的设计与实现,编程开发工作包括ARM/Linux设备的模拟电压信号采集及模数转换、数据的初步处理、Linux下USB从设备驱动程序的设计和数据通信的设计与实现。 2、系统总体设计 2.1基于USB的虚拟示波器的体系结构 本课题是基于USB接口的虚拟示波器,设备采集端是一个嵌入式系统,嵌入式系统是以应用为中心,以计算机技术为基础,并且软硬件可裁剪,适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统,实现基于USB接口的虚拟示波器需要解决的技术问题集中在系统平台的构建和特定的应用程序的设计等方面。本课题的基于USB接口的虚拟示波器体系结构如图2.1所示。 图2.1虚拟示波器的体系结构 2.2系统的总体框图 图2.2 系统总体设计框图 由图2.2中可以看出,基于USB接口的虚拟示波器系统由四大功能模块组成:USB主机驱动、USB从机驱动、信号处理模块、信号采集模块。 本系统的基本流程如图2.3所示,数据采集模块采集到UP-NETARM2410-S板上的某通道的模拟电压信号后,进行模数转换,然后通过USB接口把采集到的数据传输到PC机端,最后由PC端数据处理软件进行处理并且根据采集到的数据绘制波形。 图2.3 系统流程
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