學(xué)校名稱(chēng)

長(zhǎng)沙理工大學(xué)

學(xué)生姓名

學(xué)  號(hào)

專(zhuān)      業(yè)

性 別

入 學(xué) 年 份

文楨

201620112015

光電信息科學(xué)與工程

男

2016.

陳益如

201655110231

電子科學(xué)與技術(shù)

男

2016

李俊

201656110115

電子信息科學(xué)與技術(shù)

男

2016

謝柳冰

201655110206

電子科學(xué)與技術(shù)

女

2016

指導(dǎo)教師

唐俊龍

職稱(chēng)

副教授

項(xiàng)目所屬

一級(jí)學(xué)科

電子科學(xué)與技術(shù)

項(xiàng)目科類(lèi)(理科/文科)

理科

學(xué)生曾經(jīng)參與科研的情況

項(xiàng)目組成員文楨在長(zhǎng)沙理工大學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)兩年，學(xué)習(xí)并制作完成了數(shù)字頻率計(jì)、10M帶寬信號(hào)源、音響話筒、高精度電子稱(chēng)等儀器、儀表。參加了2017全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽，獲得長(zhǎng)沙理工大學(xué)電子設(shè)計(jì)大賽物電杯一、二、三等獎(jiǎng)；陳益如參加了2017年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽、湖南省大學(xué)生物理競(jìng)賽、長(zhǎng)沙理工大學(xué)數(shù)學(xué)競(jìng)賽，獲長(zhǎng)沙理工大學(xué)電子設(shè)計(jì)大賽物電杯一等獎(jiǎng)、三等獎(jiǎng)；謝柳冰參加了“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽，“互聯(lián)網(wǎng)＋”，以及物電杯等競(jìng)賽；李俊獲物電杯企業(yè)獎(jiǎng)，校級(jí)物理競(jìng)賽二等獎(jiǎng)；

指導(dǎo)教師承擔(dān)科研課題情況

主持國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目教育網(wǎng)路實(shí)名制安全認(rèn)證系統(tǒng)研發(fā)2014BAH28F04、教育廳項(xiàng)目2項(xiàng)， 教研教改項(xiàng)目3項(xiàng)；參與了國(guó)家重大基礎(chǔ)研究規(guī)劃項(xiàng)目(973)、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、湖南省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放項(xiàng)目、湖南省教育廳項(xiàng)目、長(zhǎng)沙市科技局項(xiàng)目及橫向課題等項(xiàng)目。

項(xiàng)目研究和實(shí)驗(yàn)的目的、內(nèi)容和要解決的主要問(wèn)題：

1、項(xiàng)目研究和實(shí)驗(yàn)的目的

示波器與信號(hào)源是電子技術(shù)領(lǐng)域常用到的電子儀器設(shè)備，很多用戶在工作、實(shí)驗(yàn)過(guò)程中經(jīng)常同時(shí)用到這兩種儀器。示波器可在電路實(shí)驗(yàn)或電器維修時(shí)，觀察電路節(jié)點(diǎn)的信號(hào)波形，以判斷前、后級(jí)電路是否正常工作。在學(xué)習(xí)模擬電子技術(shù)時(shí)，信號(hào)源和示波器還可以幫助我們感性地認(rèn)識(shí)放大器、濾波器、振蕩器等電路的特性。

  目前傳統(tǒng)的測(cè)量?jī)x器體積大、成本高、操作復(fù)雜，不利于學(xué)生的快速學(xué)習(xí)與使用，對(duì)在校學(xué)生來(lái)說(shuō)，分別采購(gòu)這兩種儀器設(shè)備，成本較高，且使用時(shí)占用空間大，操作不方便。如何設(shè)計(jì)出一塊低成本、輕便、易操作的一體機(jī)就是本項(xiàng)目研究的關(guān)鍵。基于此，便提出了設(shè)計(jì)一款體積小、成本低、操作簡(jiǎn)單的，具有部分示波器和信號(hào)源的功能的一體機(jī)儀器設(shè)備。

2、項(xiàng)目研究和實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容

   采用虛擬儀器的架構(gòu)，將傳統(tǒng)儀器的操控和顯示部分，轉(zhuǎn)移到了PC端上位機(jī)上。再將較為常用的示波器和信號(hào)源的功能，集成至一體，實(shí)現(xiàn)示波器與信號(hào)源的共同功能。

3、解決的主要問(wèn)題

  現(xiàn)有的儀器儀表上，不管是示波器還是信號(hào)源，在功能上都比較獨(dú)立，需要兩臺(tái)儀器分別操作，面向的人群要么是處于學(xué)習(xí)階段要么處于研發(fā)階段的。但是對(duì)于處于學(xué)習(xí)階段的人來(lái)說(shuō)，學(xué)習(xí)使用儀器的成本比較高?；贔PGA的信號(hào)源與示波器虛擬一體機(jī)可以解決當(dāng)前儀器功能過(guò)于獨(dú)立和體積大的問(wèn)題，顯示功能和數(shù)據(jù)傳輸功能由上位機(jī)承擔(dān)，還可以解決當(dāng)前儀器的操作復(fù)雜性，所測(cè)的信息數(shù)據(jù)難以在用戶間傳輸?shù)葐?wèn)題。

國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動(dòng)態(tài)

在21世紀(jì)的今天，作為信息產(chǎn)業(yè)的三大關(guān)鍵技術(shù)之一，測(cè)試測(cè)量行業(yè)已經(jīng)成為電子信息產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)和發(fā)展保障。 而測(cè)試儀器作為測(cè)試測(cè)量行業(yè)發(fā)展不可或缺的工具，在測(cè)試測(cè)量行業(yè)的發(fā)展中起到了巨大的作用。中國(guó)“十一五”期間，由于國(guó)家不斷增加基礎(chǔ)建設(shè)的投入力度，在旺盛市場(chǎng)需求的帶動(dòng)下，對(duì)儀器需求不斷增加，同時(shí)測(cè)試儀器市場(chǎng)也正在快速發(fā)展。

一、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

科學(xué)儀器的自主研發(fā)在創(chuàng)新型國(guó)家得到重視。歐美日等國(guó)家都把“發(fā)展一流的科學(xué)儀器支撐一流的科研工作”作為國(guó)家戰(zhàn)略，對(duì)科學(xué)儀器的裝備和創(chuàng)新給予重點(diǎn)扶持。如美國(guó)通過(guò)國(guó)家自然基金（NSF）和國(guó)家健康研究院等扶助科學(xué)儀器的研發(fā)，確保美國(guó)在世界科學(xué)儀器產(chǎn)業(yè)的領(lǐng)先地位；日本于2002年制定了高精密科學(xué)儀器振興計(jì)劃，在島津公司的田中耕一因?yàn)樵趦x器方面的杰出貢獻(xiàn)獲得2002年諾貝爾獎(jiǎng)后，日本文部科學(xué)省決定，從2004年起斥巨資（100億日元）開(kāi)發(fā)世界尖端的分析計(jì)算測(cè)量?jī)x器，以催生更多諾貝爾獎(jiǎng)級(jí)的科研成果；歐盟在“第六框架計(jì)劃”（2002-2006）中將“操縱和控制設(shè)備和儀器的開(kāi)發(fā)”列為納米技術(shù)和納米科學(xué)領(lǐng)域的重點(diǎn)內(nèi)容，在“第七框架計(jì)劃”（2007-2013年）中，斥資41億歐元主要用于輻射源、望遠(yuǎn)鏡和數(shù)據(jù)庫(kù)等新型研究基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)；加拿大自然科學(xué)與工程研究理事會(huì)制定了“研究工具、儀器和設(shè)施計(jì)劃”等等。

在目前國(guó)內(nèi)的學(xué)術(shù)研究中，已存在關(guān)于研究信號(hào)源與示波器集成設(shè)計(jì)的課題。在《基于頻率合成技術(shù)的信號(hào)源與示波器集成設(shè)計(jì)》一文中，研究設(shè)計(jì)了一種高精度信號(hào)源與示波器集成系統(tǒng)，可用以彌補(bǔ)國(guó)內(nèi)大多數(shù)電子對(duì)抗以及雷達(dá)通信信號(hào)源系統(tǒng)的誤差，以及提高可視化效果。

隨著計(jì)算機(jī)、通信和電子技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的企業(yè)看好虛擬儀器這一市場(chǎng)． 目前虛擬儀器主要應(yīng)用在測(cè)量、監(jiān)控、工程處理、遠(yuǎn)程教育以及報(bào)表生成技術(shù)等方面。虛擬儀器也成為科研者研究的對(duì)象。同時(shí)，石油化工等企業(yè)的生產(chǎn)安全也需要大量且精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)以分析生產(chǎn)的安全性，所以虛擬儀器的自動(dòng)化也會(huì)成為今后的研究重點(diǎn)。虛擬儀器在教學(xué)系統(tǒng)中也具有明顯的優(yōu)勢(shì)，隨著教育行業(yè)的發(fā)展，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備已不能完全滿足需求。而虛擬儀器不受時(shí)間、空間和資源限制，以及其性價(jià)比高的優(yōu)勢(shì)，恰恰能極大地解決了學(xué)時(shí)、設(shè)備不足致使學(xué)生不能更好地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的問(wèn)題。

二、國(guó)內(nèi)外技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，促進(jìn)科學(xué)儀器新技術(shù)、新成果層出不窮。目前，科學(xué)儀器已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出“光機(jī)電一體化”這個(gè)概念，除了加入計(jì)算機(jī)技術(shù)，還大量引進(jìn)日新月異的高新技術(shù)，如納米、MEMS、芯片、網(wǎng)絡(luò)、自動(dòng)化、免疫學(xué)、仿生學(xué)、基因工程等等新技術(shù)，同時(shí)，一些高精尖的軍用技術(shù)向民用技術(shù)轉(zhuǎn)移，大大提高了科學(xué)儀器的技術(shù)水平和更新?lián)Q代速度。

當(dāng)今科學(xué)儀器發(fā)展總體上呈現(xiàn)出如下趨勢(shì)：一）常規(guī)科學(xué)儀器向多功能、自動(dòng)化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展；二）生命科學(xué)科學(xué)儀器向原位、在體、實(shí)時(shí)、在線、高靈敏度、高通量、高選擇性方向發(fā)展；三）用于復(fù)雜組分樣品檢測(cè)分析的科學(xué)儀器向聯(lián)用技術(shù)方向發(fā)展；四）用于環(huán)境、能源、農(nóng)業(yè)、食品、臨床檢驗(yàn)等國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的科學(xué)儀器向?qū)Ｓ谩⑿⌒突较虬l(fā)展；五）樣品前處理科學(xué)儀器向?qū)Ｓ?、快速、自?dòng)化方向發(fā)展；六）監(jiān)控工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的科學(xué)儀器向在線、原位分析方向發(fā)展。七）只用軟件、硬件及其它附加設(shè)備把計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)榭捎糜跍y(cè)試、測(cè)量和應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的虛擬儀器。傳統(tǒng)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(yōu)點(diǎn)就是其具有很強(qiáng)的靈活性。

我們?cè)O(shè)計(jì)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(hào)源的功能的一體機(jī)。低價(jià)的成本，拓寬了受眾面；輕小的體積，便于攜帶。在PC端上位機(jī)操控儀器的輸出與測(cè)量，簡(jiǎn)化了示波器與信號(hào)源的操作步驟，讓用戶一看便知如何使用。

本項(xiàng)目學(xué)生有關(guān)的研究積累和已取得的成績(jī)

1. 本項(xiàng)目組成員相關(guān)的研究積累

項(xiàng)目組負(fù)責(zé)軟件部分的成員已能精準(zhǔn)采集信號(hào)的幅值、頻率、相位等信息、基本完成對(duì)FPGA的學(xué)習(xí)，和上位機(jī)制作的學(xué)習(xí)。完成了0-10M帶寬信號(hào)源、硬件電路的原理設(shè)計(jì)、以及制作；完成了實(shí)驗(yàn)室課題10M寬頻帶高精度AGC電路的設(shè)計(jì)和小信號(hào)的高頻放大處理；

2. 本項(xiàng)目組成員已取得相關(guān)的成績(jī)

項(xiàng)目中組成員文楨、陳益如、謝柳冰參加了實(shí)驗(yàn)室“信號(hào)源、示波器、頻率計(jì)”項(xiàng)目的研究工作，掌握了信號(hào)源、頻率計(jì)制作方法，以及解決過(guò)相關(guān)方面的通信問(wèn)題。在國(guó)家電子設(shè)計(jì)大賽中，獲得了省級(jí)優(yōu)勝獎(jiǎng)。后來(lái)在校級(jí)電子設(shè)計(jì)大賽中，制作的頻率計(jì)得到相關(guān)老師、技術(shù)人員的指導(dǎo)，并且獲得了企業(yè)獎(jiǎng)。而且在校級(jí)數(shù)學(xué)競(jìng)賽中，文楨曾獲一等獎(jiǎng)，陳益如曾獲三等獎(jiǎng)。項(xiàng)目組所制作的高精度頻率計(jì)獲得物電杯企業(yè)組一等獎(jiǎng)；

項(xiàng)目的創(chuàng)新點(diǎn)和特色

本項(xiàng)目虛擬一體機(jī)是一種具有信號(hào)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(gè)獨(dú)立儀器分別攜帶和工作帶來(lái)的成本較高、占用空間大、操作不方便等缺點(diǎn)。受眾面廣。系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)可以在PC端記錄、分析、傳遞。

1. 信號(hào)源、示波器的一體化。本項(xiàng)目通過(guò)實(shí)現(xiàn)信號(hào)源、示波器的一體化，使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的過(guò)程中更加方便、高效，同時(shí)，體積小的優(yōu)點(diǎn)也解決了示波器與信號(hào)源占用空間大、攜帶不方便等問(wèn)題。

2. 2.儀器虛擬化。本項(xiàng)目以上位機(jī)作為操作與顯示端，通過(guò)軟件對(duì)儀器進(jìn)行控制與測(cè)量，對(duì)比傳統(tǒng)信號(hào)源及示波器，省去了傳統(tǒng)顯示屏與旋鈕，簡(jiǎn)化了示波器與信號(hào)源的使用步驟，提高了用戶對(duì)儀器的可操作性，同時(shí)降低了儀器的制造成本。

項(xiàng)目的技術(shù)路線及預(yù)期成果

1.技術(shù)路線：

本系統(tǒng)以FPGA為系統(tǒng)主控芯片，以DDS芯片為波形發(fā)生芯片，對(duì)于信號(hào)源方面，上位機(jī)控制輸出波形制作信號(hào)源;對(duì)于示波器方面，系統(tǒng)通過(guò)FFT等算法采集經(jīng)過(guò)濾波后的待測(cè)信號(hào)，將獲得信號(hào)幅值、頻率等信息數(shù)據(jù)，并將該信息數(shù)據(jù)通過(guò)FPGA串口通信傳送到上位機(jī)，最終在上位機(jī)上可直接得到待測(cè)信號(hào)的頻率、幅值、相位等相關(guān)信息，完成示波器的功能實(shí)現(xiàn)。

基于FPGA的信號(hào)源與示波器虛擬一體機(jī)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，分為信號(hào)輸出和信號(hào)采集兩部分。

1) 信號(hào)采集： 輸入信號(hào)，先經(jīng)過(guò)濾波，再由A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳送到FPGA， 經(jīng)過(guò)DSP處理，將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)顯示與儲(chǔ)存。

2) 信號(hào)輸出：利用DDS波形發(fā)生技術(shù)，由上位機(jī)發(fā)送頻率控制字到FPGA，再傳送到相位累加器，然后通過(guò)DAC輸出濾波后的信號(hào);

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

2.預(yù)期成果：

1) 提交虛擬一體機(jī)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)研究報(bào)告；

2) 提交利用該平臺(tái)開(kāi)發(fā)的實(shí)際應(yīng)用案例一套；

3) 發(fā)表相關(guān)論文1篇。

年度目標(biāo)和工作內(nèi)容（分年度寫(xiě)）  

2018年度

4月-10月：調(diào)試相關(guān)硬件電路，學(xué)習(xí)上位機(jī)、FPGA以及兩者之間的通信，完成相關(guān)程序的編程；

11月-12月：搭建出系統(tǒng)整體架構(gòu)模型，完成系統(tǒng)平臺(tái)的搭建；

2019年度:

1月-6月：調(diào)試FPGA系統(tǒng)以及上位機(jī)，將整套系統(tǒng)調(diào)試完畢，發(fā)表小論文；

7月-12月：在本校相關(guān)實(shí)驗(yàn)室投入使用收集反饋信息，完善項(xiàng)目作品不足之處，優(yōu)化軟件。整理資料完成結(jié)題。

指導(dǎo)教師意見(jiàn)

該項(xiàng)目基于FPGA的示波器與信號(hào)源虛擬一體機(jī)具有創(chuàng)新性，研究?jī)?nèi)容具體，技術(shù)路線可行，預(yù)期成果明確，同意申報(bào)湖南省大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃。

簽字：   唐俊龍      日期：2018.4.28