基于USB2.0的综合虚拟测试仪的研究与开发

摘要

随着计算机科学和微电子技术的迅速发展和普及，在测量仪器领域出现了具有划时代意义的仪器概念——虚拟仪器。虚拟仪器功能强大，可以在当今的实验教学领域中弥补传统仪器的不足，发挥巨大的潜力。本文就是基于这一应用背景，研究和开发了基于USB2.0的综合虚拟测试仪。 本系统主要实现五大功能：虚拟数字存储示波器、虚拟逻辑分析仪、虚拟信号发生器、虚拟频谱分析仪和虚拟数字电压表。本文首先介绍了系统的任务要求，在其基础上进行分析，提出了基于USB2.0接口，使用CPLD和带有单片机的USB芯片作为主要控制芯片，并采用四层电路板设计的研究方案。其次主要从硬件和软件两个方面分别采用模块化方法进行了设计。 在硬件方面，结合具体要实现的功能，主要从虚拟数字存储示波器、虚拟逻辑分析仪、虚拟信号发生器和USB2.0接口这四个方面进行分析和设计，深入研究了具体的硬件组成和原理，在此基础上进行系统的原理图和PCB板设计。 软件方面，根据系统的设计要求，重点研究了四部分内容，分别是：应用程序、驱动程序、USB固件程序和CPLD程序。本文从软件需求分析入手，详细介绍了各部分软件的具体设计思想，并给出了相应的程序流程图。 最后，进行了系统的软硬件调试和联合调试，达到了预期的要求，为下一步的研究工作奠定了良好的基础。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录

声明

1绪论

1.1课题研究的意义和背景

1.1.1课题研究的意义

1.1.2课题研究的背景

1.2虚拟仪器综述

1.2.1虚拟仪器的概念

1.2.2虚拟仪器的组成

1.2.3虚拟仪器的特点

1.2.4国内外发展现状

1.2.5虚拟仪器的发展前景

1.3本文的研究内容

1.4本论文结构安排

2系统总体设计

2.1任务要求

2.2系统总体框图

2.2.1系统的硬件层次结构

2.2.2系统的软件层次结构

2.2.3系统原理框图

2.3器件选择

2.3.1时序控制模块

2.3.2 USB接口模块

2.3.3存储器模块

2.3.4信号转换模块

2.3.5信号调理模块

2.4软件平台选择

2.4.1应用程序开发环境

2.4.2驱动程序开发环境

2.4.3固件开发环境

2.4.4 CPLD开发环境

2.5主要技术简介

2.5.1 USB2.0接口简介

2.5.2高速数据采集技术

2.5.3 Protel多层电路板设计技术

2.6本章小结

3系统硬件设计

3.1系统整体结构

3.1.1系统详细框图

3.1.2系统原理介绍

3.2功能模块介绍

3.2.1模块汇总

3.2.2电源模块

3.2.3 USB部分

3.2.4 CPLD控制部分

3.2.5虚拟数字存储示波器

3.2.6虚拟逻辑分析仪

3.2.7虚拟信号发生器

3.3虚拟测试仪的PCB设计

3.3.1设计PCB的步骤

3.3.2高速数字系统电路板设计要点

3.3.3抗干扰措施

3.4本章小结

4系统软件设计

4.1软件需求分析

4.1.1应用程序需求分析

4.1.2驱动程序需求分析

4.1.3 USB固件程序需求分析

4.1.4 CPLD控制程序需求分析

4.2应用程序设计

4.2.1应用程序总体设计

4.2.2应用程序界面介绍

4.2.3应用程序与通用驱动程序的通信

4.2.4应用程序主流程

4.3驱动程序设计

4.3.1固件下载驱动程序

4.3.2 USB设备驱动程序

4.4固件程序设计

4.4.1固件编程的思想

4.4.2固件程序框架

4.4.3 USB功能设置

4.4.4控制传输

4.4.5标准设备请求

4.4.6用户自定义请求

4.5 CPLD控制程序设计

4.5.1虚拟数字存储示波器模块时序控制

4.5.2虚拟逻辑分析仪模块时序控制

4.5.3虚拟信号发生器时序控制

4.5.4A／D芯片和4M的同步SRAM芯片的工作配合时序

4.5.5 D／A芯片与lM的异步SRAM芯片的工作配合时序

4.5.6 USB异步读写的时序

4.6本章小结

5系统调试

5.1系统硬件调试

5.1.1硬件调试的主要方法

5.1.2所做调试工作

5.1.3调试中遇到的问题和解决方法

5.2软件调试

5.2.1软件调试的主要方法

5.2.2所做调试工作

5.2.3调试中所遇到的问题和解决方法

5.3典型调试结果图

5.3.1 USB设备的识别

5.3.2典型时序仿真图

5.3.3采集的信号在PC机上的显示

5.4虚拟系统的误差分析

5.4.1误差来源分析

5.4.2虚拟仪器系统中误差补偿的实现

5.5本章小结

6总结与展望

致 谢

参考文献

附录PCB图