基于FPGA的信號源與示波器虛擬一體機
2019年06月05日 11:05
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湖南省大學生研究性學習和創新性實驗劃
項 目 申 報 表
項目名稱:
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學校名稱
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長沙理工大學
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學生姓名
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學 號
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專 業
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性 別
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入 學 年 份
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文楨
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201620112015
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光電信息科學與工程
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男
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2016.
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陳益如
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201655110231
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電子科學與技術
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男
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2016
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李俊
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201656110115
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電子信息科學與技術
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男
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2016
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謝柳冰
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201655110206
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電子科學與技術
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女
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2016
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指導教師
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唐俊龍
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職稱
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副教授
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項目所屬
一級學科
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電子科學與技術
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項目科類(理科/文科)
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理科
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學生曾經參與科研的情況
項目組成員文楨在長沙理工大學創新實驗室學習兩年，學習并制作完成了數字頻率計、10M帶寬信號源、音響話筒、高精度電子稱等儀器、儀表。參加了2017全國大學生電子設計競賽，獲得長沙理工大學電子設計大賽物電杯一、二、三等獎；陳益如參加了2017年全國大學生電子設計競賽、湖南省大學生物理競賽、長沙理工大學數學競賽，獲長沙理工大學電子設計大賽物電杯一等獎、三等獎；謝柳冰參加了“挑戰杯”大學生課外學術科技作品競賽，“互聯網＋”，以及物電杯等競賽；李俊獲物電杯企業獎，校級物理競賽二等獎；
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指導教師承擔科研課題情況
主持國家科技支撐計劃項目教育網路實名制安全認證系統研發2014BAH28F04、教育廳項目2項， 教研教改項目3項；參與了國家重大基礎研究規劃項目(973)、國家自然科學基金項目、湖南省自然科學基金重點項目、國家重點實驗室開放項目、湖南省教育廳項目、長沙市科技局項目及橫向課題等項目。
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項目研究和實驗的目的、內容和要解決的主要問題：
1、項目研究和實驗的目的
示波器與信號源是電子技術領域常用到的電子儀器設備，很多用戶在工作、實驗過程中經常同時用到這兩種儀器。示波器可在電路實驗或電器維修時，觀察電路節點的信號波形，以判斷前、后級電路是否正常工作。在學習模擬電子技術時，信號源和示波器還可以幫助我們感性地認識放大器、濾波器、振蕩器等電路的特性。
目前傳統的測量儀器體積大、成本高、操作復雜，不利于學生的快速學習與使用，對在校學生來說，分別采購這兩種儀器設備，成本較高，且使用時占用空間大，操作不方便。如何設計出一塊低成本、輕便、易操作的一體機就是本項目研究的關鍵。基于此，便提出了設計一款體積小、成本低、操作簡單的，具有部分示波器和信號源的功能的一體機儀器設備。
2、項目研究和實驗的內容
采用虛擬儀器的架構，將傳統儀器的操控和顯示部分，轉移到了PC端上位機上。再將較為常用的示波器和信號源的功能，集成至一體，實現示波器與信號源的共同功能。
3、解決的主要問題
現有的儀器儀表上，不管是示波器還是信號源，在功能上都比較獨立，需要兩臺儀器分別操作，面向的人群要么是處于學習階段要么處于研發階段的。但是對于處于學習階段的人來說，學習使用儀器的成本比較高。基于FPGA的信號源與示波器虛擬一體機可以解決當前儀器功能過于獨立和體積大的問題，顯示功能和數據傳輸功能由上位機承擔，還可以解決當前儀器的操作復雜性，所測的信息數據難以在用戶間傳輸等問題。
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國內外研究現狀和發展動態
在21世紀的今天，作為信息產業的三大關鍵技術之一，測試測量行業已經成為電子信息產業的基礎和發展保障。 而測試儀器作為測試測量行業發展不可或缺的工具，在測試測量行業的發展中起到了巨大的作用。中國“十一五”期間，由于國家不斷增加基礎建設的投入力度，在旺盛市場需求的帶動下，對儀器需求不斷增加，同時測試儀器市場也正在快速發展。
一、國內外研究現狀
科學儀器的自主研發在創新型國家得到重視。歐美日等國家都把“發展一流的科學儀器支撐一流的科研工作”作為國家戰略，對科學儀器的裝備和創新給予重點扶持。如美國通過國家自然基金（NSF）和國家健康研究院等扶助科學儀器的研發，確保美國在世界科學儀器產業的領先地位；日本于2002年制定了高精密科學儀器振興計劃，在島津公司的田中耕一因為在儀器方面的杰出貢獻獲得2002年諾貝爾獎后，日本文部科學省決定，從2004年起斥巨資（100億日元）開發世界尖端的分析計算測量儀器，以催生更多諾貝爾獎級的科研成果；歐盟在“第六框架計劃”（2002-2006）中將“操縱和控制設備和儀器的開發”列為納米技術和納米科學領域的重點內容，在“第七框架計劃”（2007-2013年）中，斥資41億歐元主要用于輻射源、望遠鏡和數據庫等新型研究基礎設施建設；加拿大自然科學與工程研究理事會制定了“研究工具、儀器和設施計劃”等等。
在目前國內的學術研究中，已存在關于研究信號源與示波器集成設計的課題。在《基于頻率合成技術的信號源與示波器集成設計》一文中，研究設計了一種高精度信號源與示波器集成系統，可用以彌補國內大多數電子對抗以及雷達通信信號源系統的誤差，以及提高可視化效果。
隨著計算機、通信和電子技術的發展，越來越多的企業看好虛擬儀器這一市場． 目前虛擬儀器主要應用在測量、監控、工程處理、遠程教育以及報表生成技術等方面。虛擬儀器也成為科研者研究的對象。同時，石油化工等企業的生產安全也需要大量且精準的數據以分析生產的安全性，所以虛擬儀器的自動化也會成為今后的研究重點。虛擬儀器在教學系統中也具有明顯的優勢，隨著教育行業的發展，傳統的實驗設備已不能完全滿足需求。而虛擬儀器不受時間、空間和資源限制，以及其性價比高的優勢，恰恰能極大地解決了學時、設備不足致使學生不能更好地進行實驗的問題。
二、國內外技術發展趨勢
科學技術的飛速發展，促進科學儀器新技術、新成果層出不窮。目前，科學儀器已遠遠超出“光機電一體化”這個概念，除了加入計算機技術，還大量引進日新月異的高新技術，如納米、MEMS、芯片、網絡、自動化、免疫學、仿生學、基因工程等等新技術，同時，一些高精尖的軍用技術向民用技術轉移，大大提高了科學儀器的技術水平和更新換代速度。
當今科學儀器發展總體上呈現出如下趨勢：一）常規科學儀器向多功能、自動化、智能化、網絡化方向發展；二）生命科學科學儀器向原位、在體、實時、在線、高靈敏度、高通量、高選擇性方向發展；三）用于復雜組分樣品檢測分析的科學儀器向聯用技術方向發展；四）用于環境、能源、農業、食品、臨床檢驗等國民經濟領域的科學儀器向專用、小型化方向發展；五）樣品前處理科學儀器向專用、快速、自動化方向發展；六）監控工業生產過程的科學儀器向在線、原位分析方向發展。七）只用軟件、硬件及其它附加設備把計算機轉變為可用于測試、測量和應用于工業自動化領域的虛擬儀器。傳統儀器一般是有廠家將儀器的功能定義好，而且儀器比較單一，固定不變。虛擬儀器的最大優點就是其具有很強的靈活性。
我們設計的就是一款成本低、體積小、可在PC端操控的虛擬儀器，具有部分示波器和信號源的功能的一體機。低價的成本，拓寬了受眾面；輕小的體積，便于攜帶。在PC端上位機操控儀器的輸出與測量，簡化了示波器與信號源的操作步驟，讓用戶一看便知如何使用。
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本項目學生有關的研究積累和已取得的成績
1. 本項目組成員相關的研究積累
項目組負責軟件部分的成員已能精準采集信號的幅值、頻率、相位等信息、基本完成對FPGA的學習，和上位機制作的學習。完成了0-10M帶寬信號源、硬件電路的原理設計、以及制作；完成了實驗室課題10M寬頻帶高精度AGC電路的設計和小信號的高頻放大處理；
2. 本項目組成員已取得相關的成績
項目中組成員文楨、陳益如、謝柳冰參加了實驗室“信號源、示波器、頻率計”項目的研究工作，掌握了信號源、頻率計制作方法，以及解決過相關方面的通信問題。在國家電子設計大賽中，獲得了省級優勝獎。后來在校級電子設計大賽中，制作的頻率計得到相關老師、技術人員的指導，并且獲得了企業獎。而且在校級數學競賽中，文楨曾獲一等獎，陳益如曾獲三等獎。項目組所制作的高精度頻率計獲得物電杯企業組一等獎；
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項目的創新點和特色
本項目虛擬一體機是一種具有信號源、示波器等功能的儀器，充分利用空間，降低了制造和使用成本，使用更加方便。解決了這兩個獨立儀器分別攜帶和工作帶來的成本較高、占用空間大、操作不方便等缺點。受眾面廣。系統測試數據可以在PC端記錄、分析、傳遞。
1. 信號源、示波器的一體化。本項目通過實現信號源、示波器的一體化，使學生在實驗學習的過程中更加方便、高效，同時，體積小的優點也解決了示波器與信號源占用空間大、攜帶不方便等問題。
2. 2.儀器虛擬化。本項目以上位機作為操作與顯示端，通過軟件對儀器進行控制與測量，對比傳統信號源及示波器，省去了傳統顯示屏與旋鈕，簡化了示波器與信號源的使用步驟，提高了用戶對儀器的可操作性，同時降低了儀器的制造成本。
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項目的技術路線及預期成果
1.技術路線：
本系統以FPGA為系統主控芯片，以DDS芯片為波形發生芯片，對于信號源方面，上位機控制輸出波形制作信號源;對于示波器方面，系統通過FFT等算法采集經過濾波后的待測信號，將獲得信號幅值、頻率等信息數據，并將該信息數據通過FPGA串口通信傳送到上位機，最終在上位機上可直接得到待測信號的頻率、幅值、相位等相關信息，完成示波器的功能實現。
基于FPGA的信號源與示波器虛擬一體機系統整體結構圖如圖1所示，分為信號輸出和信號采集兩部分。
1) 信號采集： 輸入信號，先經過濾波，再由A/D轉換成數字信號傳送到FPGA， 經過DSP處理，將數據發送到上位機顯示與儲存。
2) 信號輸出：利用DDS波形發生技術，由上位機發送頻率控制字到FPGA，再傳送到相位累加器，然后通過DAC輸出濾波后的信號;
圖1 系統整體結構
2.預期成果：
1) 提交虛擬一體機系統開發研究報告；
2) 提交利用該平臺開發的實際應用案例一套；
3) 發表相關論文1篇。
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年度目標和工作內容（分年度寫）
2018年度
4月-10月：調試相關硬件電路，學習上位機、FPGA以及兩者之間的通信，完成相關程序的編程；
11月-12月：搭建出系統整體架構模型，完成系統平臺的搭建；
2019年度:
1月-6月：調試FPGA系統以及上位機，將整套系統調試完畢，發表小論文；
7月-12月：在本校相關實驗室投入使用收集反饋信息，完善項目作品不足之處，優化軟件。整理資料完成結題。
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指導教師意見
該項目基于FPGA的示波器與信號源虛擬一體機具有創新性，研究內容具體，技術路線可行，預期成果明確，同意申報湖南省大學生研究性學習和創新性實驗計劃。
簽字： 唐俊龍 日期：2018.4.28
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