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创新实践训练环节创新实践训练环节论文论文 课课课课 题题题题 名名名名 称称称称：基于凌华采集卡的数据采集分析系统 专业及专业方向专业及专业方向专业及专业方向专业及专业方向：自动化专业 课课课课 题题题题 主持人主持人主持人主持人：王长坤 课题成员：课题成员：课题成员：课题成员：龚文 游虎 夏弼程 张梅 吴华瑾 联联联联 系系系系 电电电电 话话话话所属学院所属学院所属学院所属学院：信息工程学院 填填填填 表表表表 日日日日 期期期期：2011/10/29 目目目目录录录录 一、简表.3 二、立项背景与意义.5 三、课题实施方案.6 四、课题介绍.9 五、软件、硬件设计.10 1、 图形化界面.10 2、 FPGA 逻辑图.10 六、目标、主要特色及工作进度. 11 1、目标.11 2、主要特色.11 七、参考文献.12 八、软件程序源文件（见附表）. 12 一、简表一、简表一、简表一、简表 课课 题题 简简 况况 课题名称课题名称基于凌华采集卡的数据采集分析系统 申申请请 经经费费 研究起止年月研究起止年月2011.012011.11 课课 题题 主主 持持 人人 姓姓名名王长坤性别性别男民族民族汉族 出生出生 年月年月 专业技术职务专业技术职务专业专业、学历学历 教学改革教学改革 研究和科研究和科 学研究工学研究工 作简况作简况 时时间间课题名称（校、省、国家级项目；主持）课题名称（校、省、国家级项目；主持）概况概况（在研在研、结题结题、获奖获奖） 子子 课课 题题 组组 成成 简简 况况 总人数总人数 高级职务高级职务 人数人数 中级职务中级职务 人数人数 初级职务人数初级职务人数博士博士硕硕士士学士学士 子课题名称负责人 出生 年月 专业 技术职务 签名 基于 FPGA 微弱信号发生器的频 率，精度产生及控制模块的设计 龚文1989.9 自动化 基于 FPGA 的功率、幅度、变换模 块的设计 游虎1991.7自动化 信号发生器的阻抗及负载切换模块 的设计 吴华瑾1989.8自动化 采集卡数据采集和处理 夏弼程1990.2自动化 虚拟仪器的设计 系统抗干扰设计张梅1989.5 自动化 二、立项背景与意义二、立项背景与意义二、立项背景与意义二、立项背景与意义 1 1 1 1、国内外相关研究现状分析（简述国内外对课题的研究进展情况，、国内外相关研究现状分析（简述国内外对课题的研究进展情况，500500500500 字内）字内） 信号发生器从上世纪20年代诞生发展到如今，从技术上看，先后经历了模拟式信号发生器数字 式信号发生器虚拟信号发生器三个发展阶段。 40年到60年代期间，信号发生器主要采用以电子管工艺为基础的模拟电路构成；此时的信号发生 器不仅其电路结构复杂、产生波形种类少，而且信号的精度和可控性都不够好。 70年代微处理器出现了，使得信号发生器的产生方法发生了改变；这个时期的信号发生器多以软 件为主，软件控制波形的一个最大缺点就是输出波形的频率低，这主要是由CPU的工作速度决定的。 80年代后，随着DDS技术逐步发展成熟以及其专用DDS芯片的面世，使得数字信号发生器得到迅速 的发展。 90年代后， 随着现场可编程门阵列(FPGA)技术的迅速发展和广泛应用以及硬件描述语言的标准化 进一步确立，极大的促进了数字化技术在电子测量仪器中的应用，使原有的模拟信号处理逐步被数字 信号处理所代替， 从而扩充了仪器信号处理能力。 为数字信号发生器的实现提供了更简捷的实现方式。 如今，随着百万门以上的大规模可编程逻辑器件的陆续面世，以及嵌入式处理器软核的成熟， 使 得SOPC步入大规模应用阶段，在一片FPGA上实现一个完备的数字处理系统已成为可能. 2 2 2 2、本课题对促进实践教学工作本课题对促进实践教学工作，提高实践教学质量的作用和意义提高实践教学质量的作用和意义（ （限列限列 5 5 5 5 条条，300300300300 字内字内） FPGA（FieldProgrammable Gate Array），即现场可编程门阵列，既解决了定制电路的不足， 又 克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。是实现数字系统的主流平台之一。开展此项目的研究不 仅能有利于学生们将课堂专业知识运用于科研实践，而且还有助于锻炼大学生的科研动手能力，同时 能促使学生们熟悉和紧跟该领域世界科技发展的趋势和发展方向， 为今后走向日益激烈竞争的社会中 积累一定的科研知识。 信号发生器，它用于产生被测电路所需特定参数的电测试信号。研究或调试是自动化学科的 基础和重点。通过此项目的实践，使学生们对自己所学的学科基础有更深入的了解，极大地 调动了同学们对此项技术的研究兴趣，把教学与实践有机地结合起来了 基于 FPGA 的变阻抗可调微弱信号发生器不但利用了当今主流的研发平台。还用到了学生平 时所学的数字信号处理，模拟电路，数字电路等学科基础知识。通过此项科研活动，加深了学 生们对所学专业知识的理解和掌握，有助于提高和锻炼学生们的科研能力及动手能力。 三、课题实施方案三、课题实施方案三、课题实施方案三、课题实施方案 1 1 1 1、研究目标、各子课题主要内容及实施方案、研究目标、各子课题主要内容及实施方案 基于基于FPGAFPGA的微弱信号发生器的频率、精度、产生、及控制模块的设计的微弱信号发生器的频率、精度、产生、及控制模块的设计 以FPGA为核心，通过程序的实现任意波形的周期信号的发生，并设计出理想的频率，精度。 通 过控制模块实现对数据的读取和控制。 基于基于FPGAFPGA的功率、幅度、变换模块的设计的功率、幅度、变换模块的设计 信号发生器要求输出不同幅度和功率来适应不同的功能需求，所以要设计一个功率、幅度的变 换模块。 信号发生器的阻抗及负载切换模块的设计信号发生器的阻抗及负载切换模块的设计 由于要在不关闭电源的情况下更换功能模块，达到输出不同幅度、功率的电压的目的，所以要 采用信号发生器的阻抗及负载的切换模块。 数据采集和处理数据采集和处理 数据采样及处理模块主要是实现多输出信号及直流工作电压、 电流等工作参数的采样及数据存 储。通过数据的采集将被测试的信号转换成离散的数字量并存储起来，为虚拟仪器测试软件提 供数据。然后通过基波剔除法、曲线拟合法或者频谱分析法确定信号的失真度。 虚拟仪器的设计虚拟仪器的设计 由于仪器的功能取决于虚拟仪器的软件， 用虚拟仪器软件可以将数字信号发生器模块和数据采 集模块综合起来，协调信号的发生、负载的切换以及信号的采样存储。虚拟仪器主要采用Lab view软件。设计过程主要包括虚拟仪器的前面板的设计、虚拟仪器代码的编写。 系统抗干扰设计系统抗干扰设计 抗干扰性能是测试系统可靠性的重要指标。由于在测量过程中总是会有各种各样的噪声干扰。 通过接地和屏蔽和隔离的方法消除干扰；采用数字滤波技术来消除软件干扰。 2 2 2 2、创新实践训练环节各子课题的特色、创新点及推广应用价值、创新实践训练环节各子课题的特色、创新点及推广应用价值 基于基于 FPGAFPGAFPGAFPGA 微弱信号发生器的频率，精度产生及控制模块的设计微弱信号发生器的频率，精度产生及控制模块的设计 目前，常用的信号发生器绝大部分由模拟电路或数字电路构成，体积和功耗都很大，价格也比 较贵。随着微电子技术和计算机技术的发展，以 DSP 微处理器及 DSP 软硬件开发系统(例如 集成开发环境 CCS)及配套产品为内容已形成了庞大并极具前途的高新技术产业，而可编程逻 辑器件、SOPC 等新技术的应用迅速渗透到电子、信息、通信等领域。这里分别借助 DSP 芯 片运算速度高，功耗低，实时分析的优势以及 SOPC 技术灵活的可配置性、较高的可靠性、 硬件升级容易等优点设计了正弦信号发生器，并对各自设计过程及优缺点进行了对比。 基于基于 FPGAFPGAFPGAFPGA 的功率幅度变换模块的设计的功率幅度变换模块的设计 传统测试测量仪存在价格昂贵、 体积庞大、 数据传输速率低、 存储显示困难等问题， 选用 FPGA 实现数据处理、逻辑控制，充分利用 PC 机，结合 Labwindows 图形化上层应用软件界面生 成的虚拟测试系统具有较强的竞争力。本系统在 FPGA 单板单片主控器件控制下，实现两路独 立、幅值可控的信号发生器，一路虚拟存储示波，具有外部触发信号和采样时钟的 16 路高速 逻辑分析仪。 信号发生器和阻抗及负载切换模块的设计信号发生器和阻抗及负载切换模块的设计 本系统对负载要求较高，经常变化负载的数量。要求自动实现负载的切换，并满足系统精度的 要求。 数据采集与处理数据采集与处理 该模块可实现机内通话器输出信号及直流工作电压、电流等参数的采样及数据储存。 它可以为虚拟仪器软件提供硬件平台， 它将所有被测信号转换为数据采集卡输入范围内的电压 信号。 信号失真度测量方法可以采用曲线拟合方法， 用四参数正弦波模型对测量数据进行拟合， 其特点是参数准确性高、稳定性好、复现性强，以及分辨率不受量化误差限制的优点。 虚拟仪器软件的设计虚拟仪器软件的设计 目前，计算机软件开发平台种类较多，常用的有 VC+、VB、Lab view、VEE 等。它们均可以 完成虚拟仪器软件的开发，这类软件开发平台集成了很多测试类应用控件，使用方便，只要简 单的属性设置就可以获得合适的数据显示样式、显示精度。用户可以将精力集中在功能设计上 而不用在字符串处理上浪费时间。 NI 公司率先推出了 Lab windows/CVI 开发平台。它功能强大、使用灵活的 C 语言与用于数据获 取、分析和显示的测控专业工具结合起来。 具有以下特点： 基于标准的 C 语言，易于学习和掌握； 可视化、交互式的开发工具，标准 windows 程序自动生成能力，减轻软件开发过程中代码编写的工作量； 功能齐全的软件工具包； 系统抗干扰设计系统抗干扰设计 抗干扰性能是测试系统的可靠性的重要指标。硬件干扰抑制技术有接地、屏蔽、隔离；软件抗 干扰技术有数字滤波技术、微处理器的抗干扰技术；除了考虑前面两种抗干扰技术，本信号发 生器还添加了测试系统的抗干扰技术； 3 3 3 3、课题的预期成果形式、课题的预期成果形式 发表论文，有实物。 4 4 4 4、实施计划（、实施计划（2011.12011.122011.12011.122011.12011.122011.12011.12 年度进展情况）年度进展情况） 2010.01学习有关硬件描述语言（Verilog HDL） ；学习如何使用软件 QuartusII、NiosII IDE 以及仿真软件 Modelsim； 2010.02参看有关 DDS 技术及其原理方面的资料； 2010.03-04NioslI 软处理器的设计与实现； 2010.05-06数字信号发生器的系统组成和硬件电路设计； 2010.07数字信号发生器调制方式的实现与选择； 2010.08基于 FPGA 的微弱信号发生器的频率及控制模块的设计 2010.09基于 FPGA 的功率，幅度变换模块的设计 2010.10信号发生器和阻抗及负载切换模块的设计 2010.11数据采集和处理及虚拟仪器的设计 2010.11系统抗干扰性设计 四、课题四、课题四、课题四、课题介绍介绍介绍介绍 1 1 1 1、课题组成员已开展的相关教学研究及成果概述（包括自选课题、校级以上课题、课题组成员已开展的相关教学研究及成果概述（包括自选课题、校级以上课题、 学位论文、学术论著论文及获奖等，学位论文、学术论著论文及获奖等，500500500500 字内）字内） 数据采集模块选用的数据采集卡为凌华 PCI9114 数据采集卡。凌华 PCI9114 是一种 基于现场总线的数据采集卡，可直接与计算机 USB 接口连接，操作方便、快捷。 凌华 PCI9114 提供了带有 16 位分辩率的 16SE/8Diff 输入,高达 200kS/s 吞吐量， 16 路数字 I/O 和 1 个用户计数器，以及一个 16 位的模拟输出。它在工业应用中足够可 靠和稳定， 却并不昂贵。USB-4716 是增加任何带有 USB 端口的计算机测量和控制能力的 最佳的途径。USB-4716 是完全的即插即用设计，便于使用。它通过 USB 端口获得所有所 需的电源，无需外部的电源连接。 2 2 2 2、已具备的研究基础和环境，院系对已具备的研究基础和环境，院系对课题课题的支持情况，尚缺少的条件和拟解决的途径的支持情况，尚缺少的条件和拟解决的途径 （300300300300字内）字内） 凌华 PCI9114 是一种基于现场总线的数据采集卡，可直接与计算机 USB 接口连接， 操作方便、快捷。 凌华 PCI9114 提供了带有 16 位分辩率的 16SE/8Diff 输入,高达 200kS/s 吞吐量， 16 路数字 I/O 和 1 个用户计数器，以及一个 16 位的模拟输出。它在工业应用中足够可 靠和稳定， 却并不昂贵。USB-4716 是增加任何带有 USB 端口的计算机测量和控制能力的 最佳的途径。USB-4716 是完全的即插即用设计，便于使用。它通过 USB 端口获得所有所 需的电源，无需外部的电源连接。大大减少了实验的经济开支。 五、软件、硬件设计五、软件、硬件设计五、软件、硬件设计五、软件、硬件设计 1 1 1 1、图形化界面图形化界面 图 1、前面板 图 2、程序框图 2 2、FPGAFPGA 逻辑图逻辑图 图 3、逻辑硬件图 六六六六、目标、主要特色及工作进度、目标、主要特色及工作进度、目标、主要特色及工作进度、目标、主要特色及工作进度 1 1 1 1、目标目标 运用虚拟仪器技术设计出一台数据采集分析系统， 通过系统控制设备的各项 参数的检测， 并且在界面上设置帮助菜单，向用户实时提供有关界面操作和设备 测试的帮助信息。要求主界面美观大方、数据显示直观 。 2 2 2 2、主要特色主要特色 1）采用虚拟仪器技术 该检测设备本着“软件就是仪器”的思想，设计了仪器虚拟面板，如数据 显示框、旋钮、表头、开关等，虚拟面板上的所有指示量实时刷新. 通过 矩阵模板进行切换， 可同时实时测量直流信号、交流信号和需传感信号等， 能满足各种不同型号和灵活性，将原有的各种专用测试仪器高度的断路器 和接触器的测试要求。 虚拟仪器技术的采用，提高了测控系统的方便性集 成，节约了装备成本和占有空间，缩短了开发周期，提高了测试仪器的自 动化程度.采用图形化功能项目菜单、 虚拟化的仪器控制面板、 全鼠标操作， 提供在线帮助功能，操作方式可选择，从而使系统简单易用. 各功能模板 人机界面结构建立后，以数据库的接口形式向用户开放 。 2）人性化设计 为保证实验过程不受外部人员的干扰，软件设计试验人员登陆程序，非实 验人员则无权限登陆程序，界面美观、清晰、大方 。 3）采用目前流行的 FPGA FPGA（FieldProgrammable Gate Array） ，即现场可编程门阵列，它是 在 PAL、GAL、CPLD 等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作 为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定 制电路的