摘 要

在科学技术发展和时代进步的推动下，新型的电子信息技术应运而生，传统的仪器工业也随之经历一场重大变革。由于现在的计算机拥有高效的处理功能和优异的显示能力，让它能够大大提升仪器的性能。虚拟仪器是新型仪器的代表，它摆脱了传统仪器理念的禁锢，结合强大的软件系统和硬件系统，以pc技术和测量技术为基础，结合性能优异的模块化硬件和软件实现多种数据的测量、测试和各种自动化方面的应用，虚拟仪器成本低、使用简单方便，深受设计师们的青睐，在仪器领域得到了十分广泛的运用。

虚拟示波器完美地应用了虚拟仪器技术，是虚拟仪器的重要体现。虚拟示波器通过pc机和相关通信接口电路来完成波形信号的采集。它的图形用户界面可以完美替代传统示波器的操作面板，实现传统示波器所拥有的相关功能。虚拟示波器彻底贯彻了“软件就是仪器”的思想，由计算机软件替代传统仪器的硬件部分，同样能实现数据分析与显示功能，而且使用更方便，功能更强大。这样大大的减轻了示波器用户的工作量，只需要一台电脑即可完成示波器所有工作，提高了工作效率。

本文基于QuartusⅡ软件，主要设计一款应用于虚拟示波器的存储与传输系统。虚拟示波器系统要将高速数据采集系统所输出的波形信号传输给计算机进行处理分析，首先需要把数模转换芯片输出的波形数据放入存储器进行缓存，然后通过单片机控制信号从存储器中读出波形数据再传输到PC机。下位机硬件系统和计算机通过一个通信接口来完成数据的传输。本篇论文采用FPGA、单片机等作为系统核心技术，使用FPGA芯片内部的RAM存储单元，结合地址控制器，二选一选择器等单元构成存储模块。单片机作为核心控制，结合数据读写模块，再配合USB传输协议可以实现数据的读写和传输功能。各模块相互结合，实现虚拟示波器波形数据的存储和传输功能。

关键词：虚拟示波器；QuartusⅡ；USB；FPGA；存储；传输

Abstract

In promoting the development of science and technology and the progress of the times, new electronic information technology came into being, traditional instrument industry have also experienced a great change. Because now the computer has efficient processing functions and excellent display capabilities, let it can greatly enhance the performance of the instrument. Virtual instrument is representative of the new instrument, it is free from the confinement of the concept of the traditional instrument, which combines the powerful software system of PC and hardware system, based on PC technology and measurement technology based, combined with performance excellent modular hardware and software measure of a variety of data, test and a variety of automated applications, virtual instrument cost is low, the use Simple and convenient, favored by designers, in the field of instrumentation has been very widely used.

Virtual oscilloscope perfectly applied virtual instrument technology; virtual instrument is an important manifestation. Virtual oscilloscope through the PC and the communication interface circuit to complete the signal waveform acquisition. Its graphical user interface can perfect substitute for traditional oscilloscope operation panel, traditional oscilloscopes have related functions to achieve. Virtual oscilloscope thoroughly implement the idea of "software is the instrument", the hardware of traditional instruments is replaced by computer software, also can realize data analysis and display, and the use of more convenient, more powerful. This greatly reduced the user workload, only need to a computer to display the wave all the work, improve the work efficiency.

This paper based on Quartus II software, the main design an application in the storage and transmission system of virtual oscilloscope. The virtual oscilloscope system to the high-speed data acquisition system output waveform signal transmission to the computer for processing and analysis, first of all need to the digital to analog conversion chip output waveform data into the memory cache, and then through the microcontroller control signal from the memory read waveform data to be transmitted to the PC. The lower computer system and the computer through a communication interface to complete the data transmission. This paper adopts FPGA technology, SCM as the system core technology using FPGA chip RAM Storage unit, combined with the controller address; choose a selector unit composed of the memory module. Microcontroller as the core control combined with data reading and writing module, coupled with the USB protocol can achieve data read and write and transmission functions. Each module with waveform virtual display wave waveform data storage and transmission functions.

Key Words：Virtual oscilloscope；Quartus II；FPGA；USB；storage system；Transmission system

目录

第1章 绪论 1

1.1课题的背景及意义 1

1.2本论文的内容和结构安排 2

第2章 虚拟示波器概述 3

2.1虚拟仪器技术 3

2.2虚拟示波器 3

2.2.2虚拟示波器的组成部分 3

2.2.3虚拟示波器工作方式 4

2.2.4 虚拟示波器的优点 4

第3章 总体方案分析 5

3.1 FPGA技术的应用 5

3.1.1 关于FPGA 5

3.1.2 FPGA在本次设计中的应用 5

3.2模块设计方案的选择 5

3.2.1虚拟示波器的存储模块设计方案 6

3.2.2虚拟示波器的传输模块设计方案 6

第4章 系统模块电路设计 7

4.1时钟模块设计 7

4.3数据读写模块设计 7

4.2数据存储模块设计 9

4.4单片机模块设计 11

4.5通信模块 12

4.5.1USB接口技术 12

4.5.2接口芯片 13

4.4.3USB软件程序设计 15

第5章 测试与仿真 18

5.1 QuartusⅡ概述 18

5.2 QuartusⅡ仿真 18

5.2.1时钟模块仿真 18

5.2.2写数据模块仿真 19

5.2.3存储模块仿真 19

5.2.4USB接口测试 20

第6章结论 22

6.1总结 22

6.2展望 22

参考文献 24

致谢 25

第1章 绪论

1.1课题的背景及意义

现如今科学技术发展迅速，在测试仪器领域中，很多情况下传统测量仪器不能完全适应用户的需求，虚拟仪器在PC技术和电子信息技术日渐成熟和用户需求要求增加的条件下应运而生，并因为其性能高，费用低，使用方便等优势而得到了广大用户的青睐。

虚拟仪器技术起步在国外，并且之后有着持续飞速的发展。美国国家仪器公司（NI公司）在1986年首先发表了虚拟仪器的观念，并提出“软件就是仪器”。在此之后，虚拟仪器迅速在世界上得到了广泛运用。迄今为止，美国国家仪器公司以及其他一大批仪器公司已经在世界上推出大量的不同种类的虚拟仪器产品。虚拟仪器技术在中国起步较晚，但随着世界虚拟技术的发展和应用，中国通过对国外先进技术的探讨与学习，引进国外产品进行研究，经过多年的努力，也同样有着相关技术的发展和应用的推广。近年来，我国的虚拟仪器技术也日渐成熟，而且许多理工科高等院校在相关实验室也引进虚拟仪器系统，逐渐开发出专门的虚拟仪器系统来应用于教育和研究，使得虚拟仪器技术得到了更好的学习与推广。