运用虚拟仪器的单片机实验平台开发

第1章引言

1.1选题背景和课题意义

    单片机技术是计算机技术的一个重要分支，主要用作实时控制。随着计算机技术的快速发展和电子技术的不断进步，单片机已被广泛应用十现代工业的各个领域，对各行业的技术改造和智能化产品的更新换代起到了重要的推动作用。因此，社会对掌握单片机基础知识，具备较强的单片机应用能力的高素质人才需求与口俱增。目前高校电气类专业都把单片机技术应用作为主干课程之一。
    单片机技术应用作为一门实践性很强的课程，必须配备相应的实验设备才能取得满意的教学效果。拥有一套完备的实验平台是实验教学可以顺利开展的重要前提，目前高校现有的实验教学设备大部分存在兀件容易损坏、设备功能单一、重复利用率低、扩展性能差等问题。
    课程实验的目的主要是验证专业领域现有理论的正确性和研究未知领域的现象和规律。但一直以来，由十现有实验仪器设备的局限性，学生探索和认识未知领域的进程效果并不是很理想。大部分高校主要是教学单位，基十办学成本和实际条件的限制不可能也没有很大的必要引进很先进的仪器，这种情况在高等职业院校显得特别突出。但是让学生更多的接触到本学科前沿知识又是高校面临的不可避免的教学任务，特别是工科专业，在课程教学过程最好可以提供先进的实验手段和仪器设备帮助学生学习和理解。这就是摆在大部分高校面前的一个难题。既然实际条件难以改变，那么我们可以考虑在现有的基础上采用一定的技术手段提升实验仪器测试性能，在不增加或少增加投入的基础上使实验仪器实现更新换代，提高其精度和灵敏度，扩大其测试范围。
    虚拟仪器技术先进，符合国际上“硬件软件化”的发展趋势，也被称为“软件仪器”。它功能强大，可以实现示波器、频谱分析仪、信号发生器等多种仪器的功能，是我们提升仪器设备性能的好手段。
    在计算机上安装虚拟仪器软件，配合一定的硬件(主要是数据采集设备)就可以实现“硬件软件化”。操作软件如同实地操作实验仪器一样灵活方便，同时虚拟仪器的功能和执行步骤由教师或实验管理人员事先定义，可以有效地帮助学生完成预定的学习目标。从这个意义上说，虚拟仪器技术在工科实验教学上的应用是实验课程教育发展的突破点和转折点。
    正是在这种情况下，我选择了“基十虚拟仪器的单片机实验平台开发”作为研究课题，本课题得到我工作单位湖北职业技术学院机电工程学院实验实训中心的大力支持。
    该实验平台以虚拟仪器技术为基础，开发了模拟量测控模块，开关量测控模块和脉冲量测控模块，基本可以满足单片机实验教学的需要。该实验系统的可扩展性强，技术提升空间大，具有一定的工程应用价值。

1.2国内外单片机实验平台研究现状

1.2.1单片机
    随着大规模集成电路技术和计算机技术的飞速发展，把计算机的运算器和控制器，存储器和多种接口集成在一块芯片上，称为微处理器，也称为微控制器，我们习惯称为单片机。MCS-4处理器，此后推出了8位微处理器8088，多用十家用电器和高级玩具等等。
    第2阶段1976-1980年，为低性能单片机阶段。硕博论文网是经典论文网站，提供初中英语教学反思范文，初中英语教师教学反思，初中英语课堂教学反思，初中英语阅读教学反思。联系方式：QQ 1847080343，电话13795489978。1976年9月工ntel公司推出了MCS-48系列单片机，这是一个完全的8位单片机，受到广大单片机用户的欢迎。1978年Motorola公司推出了6800系列单片机，1979年NEC公司推出UPD78XX系列单片机。1980年以前各厂家推出的8位单片机，均属十低性能单片机，他们都具有片内8位微处理器、8位并行工/0接口、8位定时/计数器，但一般都没有串行接口，可寻址范围一般在4KB以下，RAM, ROM的容量小，中断系统也简单，可以满足一般的工业控制需要。
    第3阶段1980--1983年，为高性能单片机阶段。以1980年工ntel公司推出的高性能MCS-51系列单片机为代表。这类单片机都具有串行接口和2个以上16定时/计数器，中断系统丰富，存储器容量增大，可寻址范围达64KB，片内ROM容量4K-8K, RAM容量达128-256字节，具有A/D转换功能。其应用范围进一步拓宽到智能终端和分布式控制系统等领域。
    第4阶段1983-1990年，为16位单片机阶段。以1982年工ntel推出的MCS-96系列单片机为代表，NS公司推出了16位的HPC16040系列，NEC公司推出了MPD783XX系列。
    第5阶段1990年以后，为单片机全方位发展阶段。这一阶段CPU不但具有可8位、16位、32位，还出现了双CPU的内部流水线结构，时钟达20MHZ，集成度更高，运行速度更快，功耗更低。具有PWM输出、CAN现场总线控制器、DMA传输控制器以及将工和SP工串行总线等特殊功能部件嵌入到片内。
    目前，单片机正朝着大容量片内存储器(64KB)、多功能工/0接口及宽范围工作电源和低功耗方向发展。ATMEL公司推出的AT89系列单片机除采用51内核外，还增加了加密闪存存储器，性能优良，性价比高。在我国单片机应用产品中被大量使用，论文中测控模块的设计和开发就是选用ATMEL公司推出的AT89C52单片机作为下位机处理器。


第2章 虚拟仪器与LabVIEW........... 13-23
    2.1 虚拟仪器概........... 13-14
        2.1.1 虚拟仪器的........... 13
        2.1.2 虚拟仪器的发展........... 13-14
        2.1.3 虚拟仪器与传统仪器........... 14
    2.2 虚拟仪器的结........... 14-17
        2.2.1 虚拟仪器的基本........... 14-15
        2.2.2 虚拟仪器的硬件构成........... 15-16
        2.2.3 虚拟仪器的软件........... 16-17
    2.3 虚拟仪器的开发........... 17-18
    2.4 虚拟仪器的特点及其........... 18-19
        2.4.1 虚拟仪器的........... 18
        2.4.2 虚拟仪器的...........18-19
    2.5 构建虚拟仪器的........... 19-20
    2.6 LABVIEW程序设计........... 20-23
        2.6.1 LabVIEW概........... 20
        2.6.2 G语言与虚拟........... 20-21
        2.6.3 LabVIEW 程序设计........... 21-23
第3章 通用开关量测控模块的........... 23-36
    3.1 通用开关量测控模块的........... 23-31
    3.2 通用开关量测控模块软件........... 31-33
    3.3 实例：交通信号灯控制...........33-35
    3.4 本章小结........... 35-36
第4章 通用模拟量测控模块的........... 36-46
    4.1 模拟量测控模块的硬件........... 36-40
    4.2 模拟量测控模块软件........... 40-44
    4.3 小结........... 44-46


总结与展望
6.1系统的总结
    课题主要完成以下工作:
    (1)分析高校信息类专业单片机实验教学以及其实验平台的现状，指出其存在的不足。
    (2)深入分析和研究了虚拟仪器的产生、发展阶段及其开发工具。
    (3)设计了通用开关量测控模块、通用模拟量测控模块和通用脉冲量测控模块，构成了一套基十虚拟仪器的单片机实验系统。
    (4)给出了几个实验教学实例，如:交通灯信号控制与步进电机转速闭环控制实验。
6.2系统可靠性设计
    单片机实验系统容易受到外界干扰，为了提高测控精度，在实验模块的设计过程中，采取了多种技术提高系统的可靠性。
    (1)信号输入通道中综合采用了采用RC滤波和光电隔离技术。降低了各种高频干扰，具有瞬间过压保护功能;
    (2)信号输出通道采用光祸合技术实现电气隔离。