挑战杯作品申报书

序号 编码 2011 年浙江省第十一届 挑战杯 大学生 课外学术科技作品竞赛 作品申报书作品申报书 作品名称 虚拟示波器 学院全称 自动化与电气工程学院 申报者姓名 集体名称 陈敏华自动化小组 联系方式 类别 自然科学类学术论文 哲学社会科学类社会调查报告和学术论文 科技发明制作 类 科技含量较高 制作投入较大的作品 科技发明制作 类 投入较少 为生产或生活带来便利的小发明 小制 作 作品申报书说明作品申报书说明 1 申报者应在认真阅读此说明各项内容后按要求详细填写 2 申报者在填写申报作品情况时只需根据个人项目或集体项目填 写 A1 或 A2 表 根据作品类别 自然科学类学术论文 哲学社会科 学类社会调查报告和学术论文 科技发明制作 分别填写 B1 B2 或 B3 表 所有申报者可根据情况填写 C 表 3 表内项目填写时一律用钢笔或打印 字迹要端正 清楚 此申报书可复制 4 序号 编码由竞赛组委会填写 5 学术论文 社会调查报告及所附的有关材料必须是中文 若是外文 请附中文本 请以 4 号楷体打印在 A4纸上 附于 申报书后 字数在 8000 字左右 文章版面尺寸 14 5 22cm 6 作品申报书连同参赛作品须按要求由各学院团委统一交竞 赛组委会 7 其它参赛事宜请向本校竞赛组委会咨询 A2 申报者情况 集体项目 说明 1 必须由申报者本人按要求填写 2 申报者代表必须是作者中学历最高者 其余作者按学历高低排列 3 本表中的学籍管理部门签章视为对申报者情况的确认 姓名陈敏华 性别男出生年月1991 01 现学历 B A 大专 B 大学本科 C 硕士研究生 学院全称浙江科技学院自动化与电气工程学院 专业自动化年级大三学制四入学时间2010 年 9 月 申报作品全称虚拟示波器 手 机 申 报 者 代 表 情 况 通讯地址浙江省杭州市西湖区留和路 318 号浙江科技学院东和公寓 电 话 姓名性别年 龄 学历专业所在学院 黄泽宇男20大学本科自动化自动化与电气工程学 院 徐凯强男20大学本科自动化自动化与电气工程学 院 合 作 者 情 况 资 格 认 定 学院学籍 管理部门 签章 以上作者是否为在本校正式注册的在校的全日制非成人教育 非在职的各类中国籍学生 含专科生 本科生和研究生 是 否 部门盖章 负责人签名 年 月 日 院长 系 主任 或 导师意见 本作品是否课外学术科技或社会实践活动成果 是 否 负责人签名 年 月 日 B3 申报作品情况 科技发明制作 说明 1 必须由申报者本人填写 2 本部分中的科研管理部门签章视为对申报者所填写内容的确认 3 本表必须附有研究报告 并提供图表 曲线 实验数据 原理结构图 外观 图 照片 也可附鉴定证书和应用证书 4 作品分类请按照作品发明点或创新点所在类别填报 作品全 称 虚拟示波器 作 品 分 类 B A 机械与控制 包括机械 仪器仪表 自动化控制 工程 交通 建筑等 B 信息技术 包括计算机 电信 通讯 电子等 C 数理 包括数学 物理 地球与空间科学等 D 生命科学 包括生物 农学 药学 医学 健康 卫生 食品等 E 能源化工 包括能源 材料 石油 化学 化工 生态 环保等 作品设计 发明的目的 和基本思路 创新点 技 术关键和主 要技术指标 1 1 设计的目的和思路设计的目的和思路 电子测量仪器发展至今 大体可分为四代 模拟仪器 数字化 仪器 智能仪器和虚拟仪器 第一代模拟仪器如指针式万用表 晶 体管电压表等 第二代数字化仪器 如数字电压表 数字频率计等 这类仪器目前相当普及 这类仪器将模拟信号的测量转化为数字号 测量 并以数字方式输出最终结果 适用于快速响应的较高准确率 的测量 第三代智能仪器 这类仪器内置微处理器 既能进行自动 测试又具有一定的数据处理能力 可取代部分脑力劳动 习惯上称 为智能仪器 它的功能模块全部都是以硬件 或固化的软件 的形 式存在 相对虚拟仪器而言 无论是开发还是应用 都缺乏灵活性 第四代虚拟仪器 它是现代计算机技术 通信技术和测量技术相结 合的产物 是传统仪器观念的一次巨大变革 是将来仪器产业发展 一个重要方向 虚拟化的仪器是在计算机技术 测量技术以及高速数据采集技 术发展到一定程度的时候出现的一种具有新型理念的高科技产品 其充分利用了现有的计算机资源 利用计算机软件强大的编程能力 实现了传统仪器中必须要硬件设备才能完成的任务 虚拟化仪器是 一种具有强大的数据采集 分析 处理 显示 存储和网络发布功 能的新型概念仪器 目前虚拟仪器技术在通信 医疗 工程控制 航空 航天 航海 电力控制 石油勘探 铁路等领域以得到了广 泛应用 而且在将来的高科技化城市建设和应用中都具有巨大的发 展潜力 虚拟化仪器目前已成为了自动化仪表领域研究的热点 受 到人们愈来愈多的广泛关注 2 2 创新点和技术关键创新点和技术关键 基于 FPGA 和 USB2 0 的高速数据采集系统和 PC 机构成的虚 拟示波器 本系统具有高速 高精度 高采样率 高刷新率 实时 性强以及接口灵活且成本低 性价比高的特点 作品的最大创新点 和技术关键是基于 FPGA 为主控芯片 USB2 0 接口 海量储存的高 速的数据采集系统以及虚拟示波器软件部分的设计 3 3 主要技术指标 主要技术指标如下表 ChannelChannel numbernumber2 channels MaxMax samplesample raterate 500Msp s 2 channels on 1Gsp s 1 channel on Real Time BandwidthBandwidth 100MHz at oscilloscope BNC input determined by input signal chain bandwidth and Max sampling rate RecordRecord LengthLength 10K points at all time each channel determined by FPGA memory VerticalVertical ResolutionResolution8 bits determined by ADC resolution VerticalVertical SensitivitySensitivity 2mV div to 5V div with 1 2 5 step it s the usual setting of scope FloorFloor NoiseNoise 400uV peak to peak determined by the noise of the parts in the signal chain TimeTime BaseBase RangeRange 5ns div to 50ms div with 1 2 5 step it s the usual setting of scope MaximumMaximum VoltageVoltage InputInput200V Vpk pk InputInput CouplingCouplingDC AC GND TriggerTrigger CouplingCouplingDC high frequency noise reject USBUSB InterfaceInterface480Mb s USB2 0 high speed PowerPower5V input 1 3A maximum current 作品的科学性 先进性 必须 说明与现有技 术相比 该作 品是否具有突 出的实质性技 术特点和显著 进步 请提供 技术性分析说 明和参考文献 资料 虚拟示波器和传统的示波器比较 有如下优点 1 有记忆性 捕捉到的波形可以被存储或被打印备份 2 可以实现多路信号的输入和显示 便于对多个信号进行监测 和比较 3 操作面板更加友好 显示的波形可以跟随窗口的大小 进行 放大和缩小 便于用户作更细致的观测 4 可扩充性 可以通过软件的升级 提高系统的数据处理能力 和分析能力 5 更高的性价比 成本低 PC 机的价格远远低于数字存储示 波器 而且 PC 机的资源并非全部为测试专用 当不需要进行测试 时 PC 机可用作其他用途 1 目前数字信号采集系统主要有以下几种实现方式 1 基于单片机 MCU 实现的数字信号采集与处理系统 这种方法实 时性较差 因此主要应用在对实时性要求不高的场合 2 基于 DSP 实现的数字信号采集与处理系统 DSP 芯片具有很强的 运算能力 这种方法采集精度高 处理能力强 可以实现对采集信号 快速精确的处理 3 基于 ARM 实现的数字信号采集与处理系统 ARM 芯片具有很强的 处理能力和控制能力 并且功耗低 同时拥有操作系统和应用方面的 支持 开发难度小 4 基于 FPGA 实现的数字信号采集与处理系统 FPGA 具有强大的逻 辑功能 能对多路信号进行并行处理 此外 接口丰富灵活 方便进行 系统扩展 2 本设计选择了第四种基于 FPGA 实现的数据采集系统 因为前 三者均有其致命弱点 单片机时钟频率比较低 同时由于它主要靠软 件运行来进行功能的实现 效率相对较低 所以很难满足高速采集的 要求 DSP 尽管具有很强的数字信号处理能力 擅长处理海量数据 但是在控制外围复杂逻辑器件方面显得不足 ARM 的计算能力一般 较弱 且其专用性比较强 因此也不是最理想的数字采集系统实现方 法 然而 FPGA 功能强大 其外部控制器可根据系统的需要量身定制 既可以自己编制 也可以使用现成的 IP 核 运用起来比较灵活 3 FPGA 是基于可重写的存储器技术 它不仅为用户提供各种逻辑能力 而且支持修改 擦除和反复编程等操作 这一特点使得设计人员可 以在设计阶段根据需要随时修改电路 直到达到设计者要求为 止 在设计的过程中 设计人员可以利用各种 EDA 开发软件进行快速开 发 仿真和测试 成功之后再将设计方案快速编程到器件中 并对设 计在实际运行的电路中进行板上测试 出现错误或需要修改设计时 仅需对器件进行重新编程即可 作随着 FPGA 技术的不断发展 它在 信号采集与处理方面的优势也越来越明显 FPGA 在频率 速度 效率和逻辑控制能力方面具有其他器件无法比拟的优点 其设计也 更加灵活 根据前面的主要技术指标表可以看出本设计最大的技术优势在 于最大实时采样率分别达到了 500Msp s 双通道同时实时采样 和 1Gsp s 单通道实时采样 在目前市场出现的很多产品 最大实 时采样率都在 100Msp s 250Msp s 之间 另外本设计的带宽达到 100Mhz 采用 USB2 0 接口大大提高数据信号传输和提供优质电源 设计的垂直分辨率 存储深度等指标相对于目前市场上出现的同类 型产品都是走在前面的 作品在何时 何地 何种机 构举行的评审 鉴定 评出 展示等活动中 获奖及鉴定结 果 作品所处阶段 A A 实验室阶段 B 中试阶段 C 生产阶段 D 自填 技术转让方式 作品可展示的 形式 实物 产品 模型 图纸 磁盘 现场演示 图片 录像 样品 使用说明及该 作品的技术特 点和优势 提 供该作品的适 应范围及推广 前景的技术性 说明 市场分 析和经济效益 预测 1 1 使用说明 使用说明 本设计主要包括基于 FPGA 的数据采集系统和 PC 机软 件显示部分 首先通过数据采集系统采集处理从外部收集到的信号 经模数转换之后将数字信号直接输出给 FPGA 进行存储 在 FPGA 中 设计了双口 FIFO 和高速存储器 DDR 以及一系列时序控制逻辑 以保 证能够及时的存储由 ADC 采集的数据同时 在 FPGA 中还对 USB2 0 进行控制 作为 USB 接口芯片的微处理器 完成 USB 设备的枚举 以 及以 DAM 方式对采集数据进行传输 作为上位机的 PC 机端接收数 据后通过软件编程语言 C 对收到的数据进行存储 处理 最后以 视图的形式进行直观的显示 2 2 技术特点和优势 技术特点和优势 本产品是基于 FPGA 和 USB2 0 的高速数据采 集系统 并且利用 PC 机进行波形分析 显示 由于采用了并行双 通道时间采样技术 并且克服了使用该技术所存在的 1 难准确 产生频率相同相位相差 180 度的采样时钟 技术难点 2 保证模 拟型号到达两路 ADC 的模拟型号输入端的时间一致性 3 保证两 路 ADC 增益和偏置一致性 4 保证高速采样时钟 模拟型号输入 与 ADC 芯片的数字输出信号的完整性问题 所以本产品与市场上的 采用单通道采样技术的同类产品相比具有高速 高精度 实时性强 以及接口灵活且成本低 性价比高的特点 本设计最大实时采样率 分别达到了 500Msp s 双通道同时实时采样 和 1Gsp s 单通道实 时采样 这相对于目前市场中绝大多数产品的最大实时采样率只 有 100Msp s 250Msp s 来说是一个巨大的突破 3 3 适用范围及推广前景 适用范围及推广前景 本产品适用于工业生产和自动化控制中对 于压力 温度 液位 频率 速度等进行测量和控制 在医学 医 疗和科学研究中更是专业人士的得力助手 更是在军工的雷达 声 纳等电子方面大展身手 在通信 医疗 工程控制 航空 航天 航海 电力控制 石油勘探 铁路等领域以得到了广泛应用 而且 在将来的高科技化城市建设和应用中都具有巨大的发展潜力 具有 很强的实用价值和广泛的应用前景 4 4 市场分析和经济效益预测 市场分析和经济效益预测 目前 国内自主研发的数据采集类模 块其采样率一般都在数 GSP S 以下 且中高端数据采集卡几乎全部 为国外产品 由于在数据采集类模块方面国外产品占据了国内大部 分市场 并且由于政治和经济方面的原因 国内也无法采购到超高 速 ADC 导致国内的单通道采样系统无法研制出高采样率的数据采 集模块 本产品所使用的并行双通道时间采样技术恰好克服了无超 高速 ADC 芯片的难题 并使得本产品对 ADC 芯片的要求降低 降低 了成本 减小了生产难度 提高了产品的性价比与市场竞争力 目 前市场上的最大实时采样率相对于本设计都要低很多 大多数产品 的硬件电路也是基于 DSP MCU 等主控电路上 前面已分析过此类 产品的缺点 所以综合来说 本设计的产品有非常大的竞争优势 如果推入市场 相信会有比较大的经济收益 专利申报情况 提出专利申报 申报号 申报日期 年 月 日 已获专利权批准 批准号 批准日期 年 月 日 未提出专利申请 C 当前国内外同类课题研究水平概述 说明 1 申报者可根据作品类别和情况填写 2 填写此栏有助于评审 随着目前科学技术的发展 电子技术的应用领域越来越广 电子测试测量仪器 作为电子技术的基础 其应用范围也越来越广 在许多领域对这些仪器提出了很高 的要求 不仅要有高的测量 传输速度 高的精确度 稳定性 可靠性等 有的甚 至要有一定的智能化 能够实现自动测量 自动控制 还要能够快速完成一些复杂 的数学运算与处理 能够根据实际应用的情况 快速开发出新的功能 传统的测试 测量仪器由于设计理念落后 发展缓慢 功能单一 开发新功能或新产品的难度大 已经无法适应各种新的测量情况 而且其价格昂贵 体积大 不易操作 已经无法 满足人们的要求 虚拟仪器作为传统测试测量仪器的可能的替代品 从 1986 年美国 国家仪器公司 NI 首先提出其概念至不过短短二十几年 但其发展却十分迅速 目 前已生产数百个型号的虚拟仪器产品 其应用涉及到电子测量 过程控制 电信 医学等领域 所谓虚拟仪器就是利用现有的计算机 加上特殊设计的仪器硬件和专用软件 形成既有普通仪器的基本功能 又有一般仪器所没有的特殊功能的高档低价的新型 仪器 它可代替传统的测量仪器 如示波器 逻辑分析仪 信号发生器 频谱分析 仪等 还可集成于自动控制 工业控制系统 可自由构建成专有仪器系统 虚拟仪器 系统可以广泛地应用在通讯 自动化 半导体 航空 电子 电力 生化制药 和 工业生产等各种领域 无论哪种虚拟仪器系统 都是将仪器硬件搭载到笔记本电脑 台式 PC 或工作站等各种计算机平台 甚至可以是掌上电脑 加上应用软件而构成的 虚拟仪器通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机的融合为一体 从而把计算机 强大的计算处理能力和仪器硬件的测量 控制能力结合在一起 大大缩小了仪器硬 件的成本和体积 并通过软件实现对数据的显示 存储以及分析处理 与传统仪器相比 虚拟仪器的特点在于 1 打破了传统仪器的 万能 功能概念 将信号的分析 显示 存储 打印和 其它管理集中交由计算机来处理 由于充分利用计算机技术 完善了数据的传输 交换等性能 使得组建系统变得更加灵活 简单 2 强调 软件就是仪器 的新概念 软件在仪器中充当了以往由硬件甚至整机 实现的角色 由于减少了许多随时间可能漂移 需要定期校准的分立式模拟硬件 加上标准化总线的使用 使系统的测量精度 测量速度和可重复性都大大提高 3 仪器由用户自己定义 系统的功能 规模等均可通过软件修改 增减 可方 便地同外设 网络及其它应用设备连接 虚拟仪器通过提供给用户组建自己仪器的 可重用源代码库 处理模块间通讯 定时 触发等功能 强调在通用计算机平台的 基础上 通过软件和软面板 把由厂家定义的传统仪器转变为由用户定义的 由计 算机软件和几种模块组成的专用仪器 虚拟仪器的出现 彻底打破了传统仪器由厂 家定义 用户无法改变的模式 给了用户一个充分发挥自己能力和想象力的空间 4 鉴于虚拟仪器的开放性和功能软件的模块化 用户可以将仪器的设计 使用 和管理统一到虚拟仪器标准 使资源的可重复利用率提高 系统组建时间缩短 功 能易于扩展 管理规范 使用简便 软 硬件生产 维护和开发的费用降低 虚拟 仪器既可以作为单台数字式测试仪器使用 又可以构成较为复杂的测试系统 甚至 通过高速计算机网络构成分布式测试系统 进行远程监控及故障诊断 此外 用基 于软件体系结构的虚拟仪器系统代替基于硬件体系结构的传统仪器 还可以大大节 省仪器购买 维护费用 虚拟仪器技术优势 1 性能高 虚拟仪器技术是在 PC 技术的基础上发展起来的 所以完全 继承 了以现成即 用的 PC 技术为主导的最新商业技术的优点 包括功能超卓的处理器和文件 I O 使 您在数