基于高速USB的数字示波器设计设计与实现

第二章 系统总体设计

本次设计主要是基于高速USB的数字示波器的设计与实现，那么我就先把我的总体设计的方案的确定，以及具体的系统组成在这一章中展示给大家。至于具体的设计就在下面的章节中详细介绍。
2.1方案论证
方案一：基于单片机的等效采样示波器设计。
在数字示波器技术中，常用的采样方法有两种：实时采样和等效采样。实时采样通常是等时间间隔的，它的最高采样频率是奈奎斯特极限频率。等效采样（Equivalent Sampling）是指对多个信号周期连续样来复现一个信号波形，采样系统能以扩展的方式复现频率大大超过奈奎斯特极限频率的信号波形。
1 总体设计
由于所设计的示波器输入频率范围较宽，本系统采用了等效和实时两种采样方式。若输入频率小于1.25MHz，选用实时采样；反之，选用等效采样。根据输入频率确定时钟芯片的输出及分频数。当输入频率高于1kHz时，利用可编程频率合成芯片SY89429V产生基准时钟；当输入频率小于1kHz时，由单片机提供40kHz的基准时钟。然后根据输入频率的大小对基准时钟使用不同的分频数，从而产生采样时钟。
2 硬件设计
本系统在硬件上可分为五部分：控制器、测频及键盘控制、波形采样、程控时钟和液晶模块。
3 软件设计 【www.think58.com计算机毕业论文网】

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MCU1接收MCU2的测频结果，并将幅值信息传递给MCU2，由MCU1根据输入频率确定采样方式，并控制精密时钟发生电路为ADC提供采样时钟。一次采样完成后，由MCU1处理采样数据并送LCD显示。
方案二：基于高速USB接口的虚拟数字示波器设计
此虚拟示波器的数据采集器由以下功能模块组成：前端信号变换模块、高速模数转换模块、高速数据缓冲模块、单片机控制模块、USB接口模块和电源模块。前端信号变换、高速数据采集有成熟的方案并且可根据需要的指标，譬如采样率、量程控制、采样深度等进行设计，我们这里主要讨论USB接口部分的开发。
方案论证：
方案一，采用纯粹的单片机来实现整个体统，那么系统的可重用性差，同时系统庞大，有冗余。
方案二，把单片机和高速USB接口模块相互结合，并且基于高速USB接口的虚拟数字示波器目前已完成基本功能的验证，正在后期完善中。测试表明其技术性能良好，功能强大、体积小巧、使用简便、价格低廉。
综合以上，我最终确定的是采用方案二。
2.2系统的总体设计-系统总体结构框图
选择了方案二，之后我就开始规划整个系统的整体设计，并在原有方案的基础上进行了扩展。
此数字示波器的数据采集器由以下功能模块组成：前端信号变换模块、高速模数转换模块、高速数据缓冲模块、单片机控制模块、USB接口模块和电源模块。前端信号变换、高速数据采集有成熟的方案并且可根据需要的指标，譬如采样率、量程控制、采样深度等进行设计，我们这里主要讨论USB接口部分。 [资料来源：http://www.THINK58.com]
数字示波器的上位机部分主要是应用VB6.0进行的开发和系统扩展，即上位机的图形界面。
图一所示是数据采集部分功能结构图，图二所示是总体的结构框图
通过系统的结构框图，我们能够清楚地看到整个系统的有机组成部分。从图中我们能看到，整个系统包含的内容是很多的，但是我的这次设计主要解决的是
（1）基于USB接口的硬件电路设计
（2）USB接口部分驱动程序的设计
（3）系统的固件程序的设计
（4）开发c语言应用程序
（5）开发VB6.0 的上位机，图形用户界面。
其中我的重点是（2）（3）（4），次重点是硬件电路的设计。
2.3系统组成部件的设计
2.3.1具有USB2.0接口的高速数据采集卡设计
在这一部分详细讲述数据采集卡的硬件部分设计，并简要介绍固件程序、驱动程序和应用软件的设计。
USB系统是一个主从系统，而非对等（peer-to-peer）系统。在主从系统中，命令是由主设备发出，而从设备只能接收命令，只有在主设备读取数据时，从设备才能提交数据。如图1所示，在USB控制器与外围电路之间需要一个FIFO，来充当数据的缓存区。那么，在USB从设备向主设备发送数据时存在一个问题：FIFO多大才能满足要求。为了满足数据采集中高速实时流数据垢应用，避免FIFO溢出，在我们的系统中，通过FPGA及SDRAM构造一个容量的FIFO（图1虚线框内所示），可以提供一个低成本并能满足高速实时流数据传输的解决方案。 本文来自think58 [资料来源：http://www.THINK58.com]