【本科优秀毕业设计】基于声卡的虚拟仪器设计

毕业设计（论文）基于声卡的虚拟仪器设计摘要现代科技发展日新月异，计算机尤其如此。计算机强大的处理能力，使得它成为一种很好的工具，其应用范围也越来越广泛。虽然传统仪器已经得到迅猛的发展，仪器精度越来越高，功能越来越强，性能越来越好，但传统仪器基本上没有摆脱单独使用、手动操作的模式。声卡A/D转换性能优越，技术成熟，配合MATLAB强大的数据采集与处理功能，可以构建性价比相当高的数据采集系统。本文运用普通的计算机声卡代替商用数据采集卡，设计了一种双通道数字存储虚拟仪器。它具有16位的量化精度，最高采样频率为44KHZ。该系统能够正确采集声卡设计频率范围内的信号。虚拟示波器是虚拟仪器技术的一种具体应用，它将软件和虚拟仪器硬件紧密结合在一起。虚拟示波器系统由信号采集、信号处理和结果显示三大部分构成，但是除了信号采集部分是由硬件实现外，其它两部分都是由软件实现。我们所设计的虚拟示波器总体上包括数据采集、对数据进行处理实现数字电压表、频谱仪、相位差计、频率计等虚拟仪器的功能它除了通用功能外，又具有普通示波器所没有的许多优点，如波形可以存储为数据文件，以便进行永久保存、随时调用数据，进行波形实时显示。因而用声卡构建低成本的数据采集系统是切实可行的。关键词虚拟仪器；虚拟示波器；声卡ABSTRACTMODERNSCIENCEANDTECHNOLOGYDEVELOPMENTCHANGESWITHEACHNEWDAY,COMPUTERESPECIALLYSOPOWERFULCOMPUTERPROCESSINGCAPACITYHASMADEITANEXCELLENTTOOLANDITSAPPLICATIONHASBECOMEINCREASINGLYWIDESPREADWHILETRADITIONALEQUIPMENTHASGOTRAPIDDEVELOPMENT,THEINSTRUMENTACCURACYISMOREANDMOREHIGH,THEFUNCTIONISMOREANDMORESTRONG,ANDTHEPERFORMANCEISMOREANDMOREGOOD,BUTTHETRADITIONALINSTRUMENTBASICALLYHASNOTGOTTENRIDOFEXCLUSIVEUSEANDMANUALOPERATEDPATTERNSOUNDCARDA/DTRANSFORMATIONPERFORMANCEISSUPERIOR,ANDTHETECHNOLOGYISMATUREITMAYCONSTRUCTTHEQUITEHIGHCOSTPERFORMANCEDATAACQUISITIONSYSTEMTHISARTICLEDESIGNSAKINDOFDUALCHANNELVIRTUALDIGITALSTORAGEINSTRUMENTITHAS16QUANTIFICATIONPRECISIONS,THEHIGHESTSAMPLINGFREQUENCYIS44KHZTHISSYSTEMCANCORRECTLYGATHERTHESIGNALINTHESOUNDCARDDESIGNFREQUENCYRANGEVIRTUALOSCILLOGRAPHISTHEREALAPPLICATIONOFVIRTUALINSTRUMENTTECHNOLOGYITINTEGRATESHARDWAREWITHSOFTWARETOGETHERTIGHTLYVIRTUALOSCILLOGRAPHSYSTEMCOMPRISESSIGNALACQUISITION,SIGNALPROCESSINGANDOUTPUTDISPLAYEXCEPTSIGNALACQUISITIONISCOMPLETEDBYHARDWARE,THEOTHERSAREREALIZEDBYSOFTWAREVIRTUALOSCILLOGRAPHWEDESIGNEDCONSISTSOFDATAACQUISITION，THEDATAPROCESSINGANDREALIZINGDIGITALVOLTAGEMETER，SPECTRUMANALYZER，PHASEMETER，FREQUENCYMETER，ANDOTHERVIRTUALMACHINESFUNCTIONITHASSOMEMERITSWHICHCOMMONOSCILLOGRAPHDOESNTHAVE,SUCHASSAVINGWAVEFORMASPERMANENCEDATA,USINGDATAATANYMOMENT,REALTIMEDISPLAYTHUSCONSTRUCTINGTHELOWCOSTDATAACQUISITIONSYSTEMWITHTHESOUNDCARDISPRACTICALANDFEASIBLEKEYWORDSVIRTUALINSTRUMENTVIRTUALOSCILLOGRAPHSOUNDCARD目录摘要IABSTRACTII第1章绪论111课题背景112虚拟仪器概述1121虚拟仪器的产生2122虚拟仪器的概念3123虚拟仪器的构成3124虚拟仪器的优点413虚拟仪器的发展5131国外虚拟仪器的发展及其现状5132国内虚拟仪器的发展及其现状5133虚拟仪器未来发展趋势614本课题研究意义715本课题的主要工作7第2章虚拟仪器设计方案921虚拟仪器工作原理及系统构成分析9211虚拟仪器的应用9212虚拟仪器工作原理922软件及硬件的选择10221虚拟仪器的功能体系10222硬件的选择10223软件的选择1323软件设计方案15231MATLAB简介15232软件设计16233仪器功能1724本章小结17第3章声卡原理及其接口函数1931声卡原理19311声卡两大基本功能简介19312声卡的工作过程1932声卡的技术参数及接口函数21321声卡的技术参数21322声卡主要函数操作2233本章小结23第4章虚拟仪器的模块化设计2541声卡设置模块2542时域显示模块2743频域显示模块2744相位测量模块2945频率测量模块3146本章小结31结论33参考文献35附录1开题报告37附录2文献综述43附录3英文翻译47致谢65第1章绪论11课题背景现代科技发展日新月异，计算机尤其如此。计算机强大的处理能力，使得它成为一种很好的工具，其应用范围也越来越广泛。虽然传统仪器已经得到迅猛的发展，仪器精度越来越高，功能越来越强，性能越来越好，但传统仪器基本上没有摆脱单独使用手动操作的模式。在工业自动化测试及测量领域，传统的方法有许多重复建设，使用起来很不方便，其局限性非常明显，显然己经不能适应时代发展的需要了。传统台式仪器是由厂家设计并定义好功能的一个封闭结构，它有固定的输人/输出接口和仪器操作面板。每种仪器只能实现一类特定的测量功能，并以确定的方式提供给用户。常用的数字示波器、数字万用表、信号发生器、数据记录仪以及温度和压力监控器就是传统仪器的代表。一方面，目前我国高档台式仪器如数字示波器、频谱分析仪、逻辑分析仪等还主要依赖进口，这些仪器加工工艺复杂、对制造水平要求高，生产突破有困难。另一方面，用户可以将一些先进的数字信号处理算法应用于虚拟仪器的设计，提供传统台式仪器所不具备的功能，而且完全可以通过软件配置实现多功能集成的仪器设计。因此，目前研制一种结构简单、操作方便、生产技术要求不高、费用低的数字示波器是非常必要的。如何利用先进的计算机技术提高效率则成为测量领域迫切需要解决的问题。112虚拟仪器概述被测对象信号调理数据采集卡数据处理虚拟仪器面板图11常见的虚拟仪器组建方案虚拟仪器VIRTUALINSTRUMENT是基于计算机的仪器。计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。粗略地说这种结合有两种方式，一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统的仪器。另一种方式是将仪器装人计算机。以通用的计算机硬件及操作系统为依托，如图11所示。虚拟仪器的主要特点有1尽可能采用了通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件。2可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功强的仪器。3用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。虚拟仪器实际上是一个按照仪器需求组织的数据采集系统。虚拟仪器的研究中涉及的基础理论主要有计算机数据采集和数字信号处理。目前在这一领域内，使用较为广泛的计算机语言是美国NI公司的LABVIEW，以及MATLAB，CBUILDER等语言。其中MATLAB以其简明的程序化语言和图像化接口给广大科技工作者带来了巨大的方便。虚拟仪器技术指在包含数据采集设备的通用计算机平台上，根据需求可以高效率地构建形形色色的测量系统。对大多数用户而言，主要的工作变成了软件设计。虚拟仪器技术突破了传统仪器的局限，可以将许多信号处理的方法方便地应用于军事、航空、航天、等领域和科研院所，现在已经越来越多地出现在工厂及其他的民用场合。2121虚拟仪器的产生虚拟仪器技术是现代计算机系统和仪器系统相结合的产物，是当今计算机辅助测试领域的一项重要技术。它推动着传统仪器朝着数字化、智能化、模块化、网络化的方向发展。电子测量仪器发展至今，大体上可以分为四代模拟仪器、数字化仪器、智能仪器和虚拟仪器。第四代虚拟仪3器，它是现代计算机技术、通信技术和测量技术相结合的产物，是传统仪器观念的一次巨大变革，是将来仪器产业发展的一个重要方向。虚拟仪器VIRTUALINSTRUMENT，简称VI的概念，是美国国家仪器公司NATIONALINSTRUMENTSCORP简称NI于1986年提出的。NI公司时也提出了“软件即仪器”的口号，彻底打破了传统仪器只能由厂家定义，用户无法改变的局面，从而引起了仪器和自动化工业的一场革命。随着现代软件和硬件技术的飞速发展，仪器的智能化和虚拟化已经成为各级实验室以及研究结构发展的方向。虚拟仪器，它既具有传统仪器的功能，又有别于其他传统仪器。它能够充分利用和发挥现有计算机的先进技术，使仪器的测试和测量及自动化工业的系统测试和监控变得异常方便和快捷。122虚拟仪器的概念虚拟仪器是利用PC计算机显示器的显示功能模拟传统仪器的功能面板，以多种形式表达输出检测结果，利用PC计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析、处理，由I/O接口设备完成信号的采集、测量和调理，从而完成各种测试功能的一种计算机仪器系统。虚拟仪器以透明4的方式，通过软件对数据的分析处理、表达以及图形化用户接口，把计算机资源如微处理器、显示器等和仪器硬件如A/D、D/A、数字I/O、定时器、信号调理等的测量能力、控制能力结合在一起。虚拟仪器突破了传统仪器以硬件为主体的模式，实际上使用者是在操作具有测试软件的电子计算机进行测量，犹如操作一台虚设的电子仪器。虚拟仪器技术的实质是充分利用最新的计算机技术来实现和扩展传统仪器的功能。虚拟仪器是基于计算机的仪器。软件是虚拟仪器的关键，5当基本硬件确定以后，就可以通过不同的软件实现不同的功能。用户可以根据自己的需要，设计自己的仪器系统，满足多种多样的应用要求。利用计算机丰富的软、硬件资源，可以大大突破传统仪器在数据的分析、处理、表达、传递、储存等方面的限制，达到传统仪器无法比拟的效果。123虚拟仪器的构成用户应用程序计算机测控对象数据采集硬件图12虚拟仪器结构示意图虚拟仪器包括硬件和软件两个基本要素，如图12所示。硬件部分6包括通用计算机和数据采集硬件，其功能是获取被测的物理信号，提供信号传输的通道；软件部分是运行在计算机上的应用程序，实现数据采集、分析、处理和结果显示等功能。它们作为一个整体，实现传统仪器的功能，如图12所示。124虚拟仪器的优点一台性能优良的虚拟仪器不仅可以实现传统仪器的大部分功能，而且在许多方面有传统仪器无法比拟的优点，如使用灵活方便、功能丰富、78价格低廉、可一机多用、可重复开发等。与传统仪器相比虚拟仪器主要有以下优点1融合了计算机强大的硬件资源，突破了传统仪器在数据处理、显示、存储等方面的限制，大大增强了传统仪器的功能。而且高性能处理器、高分辨率显示器、大容量硬盘等已成为虚拟仪器的标准配置。2利用了计算机丰富的软件资源，一方面，实现了部分仪器硬件的软件化，节省了物质资源，增加了系统的灵活性，通过软件技术和相应的数值算法，实时、直接地对测量数据进行各种分析与处理；另一方面，通过图形用户界面GRAPHUSERINTERFACE技术，真正做到界面友好、人机交互。3基于计算机总线和模块化仪器总线，使仪器的硬件实现了模块化、系列化，大大缩小了系统的尺寸，可方便地构建模块化仪器。表11虚拟仪器与传统仪器比较虚拟仪器传统仪器价格低廉，可复用与可重配置性强价格较贵，仪器间一般无法互用开放性、灵活、可与计算机技术保持同步发展封闭，仪器之间配合较慢用户能够自定义仪器功能只有厂家才能定义能与周围设备及网络连接功能单一只能连接有限的独立设备核心是软件核心是硬件开发维护费用低开发维护费昂贵技术更新周期短更新周期长4基于计算机网络技术和接口技术，使VI系统具有方便、灵活的互联能力，广泛支持诸如CAN,FIELDBUS,PROFIBUS等各种工业总线标准。因此，利用VI技术可方便地构建自动测试系统实现测量、控制过程的网络化。5基于计算机的开放式标准体系结构。虚拟仪器的硬、软件都具有开放性、模块化、可重复使用及互换性等特点。因此，用户可根据自己的需要，选用不同厂家的产品，使仪器系统的开发更为灵活、效率更高，缩短了系统组建和维护时间。虚拟仪器与传统仪器的比较如表11所示。13虚拟仪器的发展131国外虚拟仪器的发展及其现状虚拟仪器技术目前在国外发展很快，以美国国家仪器公司NI公司为代表的一批厂商已经在市场上推出了基于虚拟仪器技术而设计的商品化仪器产品。在美国虚拟仪器系统及其图形编程语言，已作为各大学理工科学生的一门必修课程。虚拟仪器的概念使得现代计算机技术、通信技术和测量技术达到了前所未有的紧密结合，进而引发了传统仪器观念的一次巨大变革。9虚拟仪器应用越来越普及,虚拟仪器技术目前逐渐应用于实验教学。雅典国立技术大学NATIONALTECHNICALUNIVERSITYOFATHENS电子和计算机工程系用虚拟仪器系统代替传统实验系统用于荧光灯的谐波失真测试。测试系统包括计算机、NI的多功能卡ATMIO16E10、虚拟仪器软件包、电压放大器。虚拟仪器软件用LABVIEW编写，集传统实验系统中的任意波形发生器、数字示波器、频谱分析仪的功能于一体。虚拟任意波形发生器的输出经多功能卡送入电压放大器，供给荧光灯；荧光灯的电流和电压由多功能卡采集，送入运行在计算机上的虚拟示波器和频谱仪进行谐波分析。与传统的实验系统相比，虚拟仪器系统的成本大大降低。佩恩州立大学PENNSTATEUNIVERSITY利用虚拟仪器进行聚合体热量分析。维也纳大学WIENUNIVERSITY研制了虚拟热量计，可自动采集特定气压和温度下的数据进行热量测定。近年来，世界各国的虚拟仪器公司开发了不少虚拟仪器开发平台软件，以便使用者利用这些公司提供的开发平台软件组建自己的虚拟仪器或测试系统，并编制测试软件。最早和最具影响力的开发软件，是NI公司的LABVIEW软件和LABWINDOWS/CVI开发软件。LABVIEW采用图形化编程方案，是非常实用的开发软件。132国内虚拟仪器的发展及其现状在国内己有部分院校的实验室引人了虚拟仪器系统，上海复旦大学、上海交通大学、广州暨南大学、华中理工大学、四川联合大学等。近一、两年来这些学校在原有的基础上，又开发了一批新的虚拟仪器系统用于教学和科研。其中，华中理工大学机械学院工程测试实验室将其开发成果在网上公开展示。四川联合大学的教师基于虚拟仪器的设计思想，研制了“航空电台二线综合测试仪”将8台仪器集成于一体，组成虚拟仪器系统，使用方便、灵活。清华大学汽车系利用虚拟仪器技术构建的汽车发动机检测系统，用于汽车发动机的出厂检验。主要检测发动机的功率特性、负荷特性等。一台发动机检测完后，就可打印出完整的检测报告。此外，国内己有几家企业在研制PC虚拟仪器，哈工大仪器王电子有限责任公司就是其中之一，它的产品已达到一定的批量。其主要产品有数字存储示波器系列、任意波形发生器及频率计系列、多通道大容量波形记录仪系列。国内专家预测未来的几年内，我国将有50的仪器为虚拟仪器，国内将有大批企业使用虚拟仪器系统对生产设备的运行状况进行实时监测。随着微型计算机的发展，虚拟仪器将会逐步取代传统的测试仪器而成为测试仪器的主流。虚拟仪器技术的提出与发展，标志着二十一世纪自动测试与电子测量仪器领域技术发展的一个重要方向。10133虚拟仪器未来发展趋势虚拟仪器正在继续迅速发展，它可以取代测量技术在传统领域的各类仪器。虚拟仪器在组成和改变仪器的功能和技术性能方面具有灵活性与经济性，因而特别适应于当代科学技术迅速发展和科学研究不断深化所提出的更高更新的测量课题和测量需求。“没有测量就没有鉴别，科学技术就不能前进”。虚拟仪器将会在科学技术的各个领域得到广泛应用。图形化编程平台进一步发展与完善是虚拟仪器发展的一个重要方向。1如何使用户行少量的学习甚至不需要学习就可使用功能强大的虚拟仪器，如何使用构成简单的虚拟仪器系统并完成复杂的测试内容，如何帮助用户对测试结果进行分析和判断等内容，是虚拟仪器技术的努力方向。我国12还基本处于传统仪表与计算机化仪器互相分离的状态，世界各大相关产品商家都在向中国这个巨大的市场进军。结合我国的实际情况，我们必须走引进与自行开发相结合的道路。一方面，大力引进国外虚拟仪器方面的生产技术；另一方面，发展基于计算机的插卡式硬件模块为主的测控技术，发展图形化平台的软件产品，充分利用我们现有的计算机及测控技术硬件，缩短与国际先进水平的差距。14本课题研究意义在虚拟仪器系统中，硬件解决信号的输入和输出，软件可以方便地修改、改变仪器系统的功能，以适应不同使用者的需要。其中信号的输入部分一般使用数据采集卡实现，商用的数据采集卡具有较大的通用性，但其价格昂贵。在具体的应用场合，有些功能可能不实用。普通声卡具有16位的量化精度、数据采集频率是44KHZ，完全可以满足特定应用范围内数据采集的需要，个别性能指标还优于商用数据采集卡，而价格却为商用数据采集卡的十几分之一甚至几十分之一。本文利用普通声卡作采集卡，以MATLAB语言作开发平台，设计实现了一种方便的、灵活性强的虚拟仪器，该系统能够正确采集声卡设计频率范围内的信号如声音、脉搏、心电、脑电、电话等，对一些应用领域是一种很好的选择。目前高精度、具有数据存储能力的示波器，由于工艺复杂、技术要求高，因而价格昂贵，所以虚拟数字存储示波器的设计有一定的经济价值；虚拟示波器充分发挥虚拟仪器结构简单、灵活方便、功能丰富、价格低廉、一机多用、能重复开发、可由用户自定义的优势。13该虚拟示波器，不仅具有通用示波器的功能，还可同时显示、记录、存储双通道输入的波形。以便能更清楚地观察波形的变化，使用者可以及时进行数据处理，观察和分析实验结果。所以本课题具有一定的研究意义。15本课题的主要工作本文主要阐述如何由基于声卡测试信号分析技术设计虚拟测试平台，并通过MATLAB环境的软件编程，控制声卡进行采集数据，并对所采集的数据进行分析，包括电压、频域、相位差、频率的测量。各章安排如下第二章主要介绍虚拟仪器的设计方案，分别介绍了虚拟仪器的工作原理及系统构成，介绍了软件和硬件选择的优缺点，最后介绍了具体的软件设计方案，包括MATLAB的简单介绍，工具箱的介绍，还有仪器功能的一些介绍。第三章声卡原理及接口函数。包括声卡原理的介绍，这是我们软件编程的基础，在声卡原理中分别对声卡的基本功能和声卡的工作过程有了介绍；还讲了声卡的技术参数和接口函数，分别从声卡的技术参数，声卡的主要函数操作来讲述这个问题。第四章虚拟仪器的模块化设计。把本次毕业设计分成各个模块进行讲解。包括声卡的设置模块，时域显示模块，频域显示模块，相位测量模块，频率测量模块。最后对论文进行了总结。第2章虚拟仪器设计方案21虚拟仪器工作原理及系统构成分析211虚拟仪器的应用虚拟仪器技术的优势在于可由用户定义自己的专用仪器系统，且功能灵活，很容易构建，所以应用面极为广泛。尤其在科研、开发、测量检测、计量、测控等领域更是不可多得的好工具。虚拟仪器技术先进，十分符合国际上流行的“硬件软件化”的发展趋势，因而常被称作“软件仪器”。在仪器计量系统方面，示波器、频谱仪、信号发生器、逻辑分析仪和电压电流表是科研机关、企业研发实验室、大专院所的必备测量设备。随着计算机技术在测绘系统的广泛应用，传统的仪器设备缺乏相应的计算机接口，因而配合数据采集及数据处理十分困难。一套完整的实验测量设备少则几万元，多则几十万元。在同等的性能条件下，相应的虚拟仪器价格要低二分之一甚至更多。虚拟仪器强大的功能和价格优势，使得它在仪器计量领域具有很强的生命力和十分广阔的前景。212虚拟仪器工作原理虚拟仪器是在通用计算机上加上一些软件或硬件，使得使用者在操作这台计算机时就像操作一台他自己设计的专用电子仪器。虚拟仪器的突出特点就是充分利用计算机的资源，将仪器的信号分析与处理、结果表达式与输出放到计算机上来完成。用计算机屏幕可以形象、方便地模拟各种仪器控制面板，以各种形式表达输出检测结果；用计算机软件可以实现各种各样的信号分析、处理，完成多种多样的测试功能，也可以把仪器的三大功能模块全部放在计算机上来实现。在计算机上插数据采集卡，然后利用软件在屏幕上生成仪器面板，用软件来进行信号的分析处理，实现仪器功能，这就是典型的虚拟仪器的工作原理。而体系结构要根据具体仪器的不同要求来确定的。工作时先把由传感器转换来的电信号，输入仪器的信号调理电路，经信号调理电路进行放大、整形，然后再经数据采集电路存入内存。整个过程由软件控制，采集到的数据由软件进行数据分析和处理。就是说，仪器功能的实现在很大程度上取决于应用软件功能的设计。通过不同功能模块的执行，实现各种仪器的功能，如示波器、万用表、分析仪等。这就是“软件就是仪器”的概念。22软件及硬件的选择虚拟仪器由仪器硬件和功能模块软件两部分组成。虚拟仪器的硬件主体是电子计算机，通常是个人计算机，也可以是任何通用计算机。所设计的虚拟数字存储示波器主要是有一块PCI总线的声卡和用MATLAB语言开发的功能模块软件组成。221虚拟仪器的功能体系虚拟仪器主要由硬件和软件两大部分构成，虚拟仪器的构成如图21。信号调理现场总线设计GPIB接口仪器数据采集卡串行仪器/PLCGPIB接口卡VXI仪器PC机/工作站测控对象图21虚拟仪器基本结构框图GPIB通用接口总线VXI总线一种高速计算机总线222硬件的选择虚拟仪器的硬件系统设计中非常重要的部分是测控功能硬件的选用和调试。按照测控功能硬件的不同，虚拟仪器可分为DAQ,GPIB,VXI和PXI四种标准体系结构。1DAQDATAACQUISITION数据采集卡，这种方式借助于插人计算机内的数据采集卡与专用的软件如LABVIEW相结合注美国NI公司的LABVIEW是图形化编程工具，它可以通过各种控件自己组建各种仪器。LABVIEW/CVI是基于文本编程的程序员提供高效的编程工具，通过三种编程语言VISUALC，VISUALBASIC,LABVIEW/CVI构成测试系统，它充分利用计算机的总线、机箱、电源及软件的便利，大大增加测试系统的灵活性和扩展性。但是受PC机机箱和总线限制，且有电源功率不足，机箱内部的噪声电平较高，插槽数目也不多，插槽尺寸比较小，机箱内无屏蔽等缺点。另外，ISA总线的虚拟仪器已经淘汰，PCI总线的虚拟仪器价格比较昂贵。利用DAQ可方便快速的组建基于计算机的仪器COMPUTERBASEDINSTRUMENTS。在价格方面，比其它各种体系结构有着明显优势。142GPIBGENERALPURPOSEINTERFACEBUS通用接口总线，是计算机和仪器件的标准通讯协议。GPIB的硬件规格和软件协议己经纳入国际工业标准IEEE4881和IEEE4882，是最早的仪器总线。GPIB目前数以万计的仪器都配置了IEEE488的GPIB接口，在科学研究、自动测试设备等各个领域应用广泛。典型的GPIB测试系统包括一台计算机、一块GPIB接口卡和若干台GPIB仪器。每台GPIB仪器有单独的地址，由计算机控制操作。系统中的仪器可以增加、减少或更换，只需对计算机的控制软件作相应的改动。目前这种概念己经被发展应用于仪器内部设计。虽然GPIB是将数据引人计算机的一种方法，但这与使用插人计算机中的卡进行数据采集不同。通过特殊的协议，GPIB可以采用握手方式将由别的计算机或仪器采集的数据引入计算机，而数据采集则将信号直接连接在计算机中的数据采集卡上。3VXIVMEBUSEXTENSIONFORINSTRUMENTATION是高速VME计算机总线在仪器领域中的扩展。是HP等公司于1987年提出，1992年成为IEEE1155标准。在该系统中围绕机械、电气、控制方式、通信协议、电磁兼容、软面板、驱动程序、I/O控制，乃至机箱、印刷电路板的结构、通风结构等作了详细的规定，使不同厂家的VXI总线产品相互兼容。1995年VXI总线联合体将计算机网络传输协议TCP和网络协议IP作为VXI总线14版本的补充规范，这样基于VXI总线的自动测试系统可直接与计算机系统连网，作为网络内的测量服务器，共享网络资源，执行测量作业。VXI系统综合了计算机技术、GPIB技术、PC仪器技术、接口技术、VME总线和模块化结构技术的成果，1998年修订的VXI20版本规范采用了VME总线的最新进展，提供了64位的扩展能力，数据传输率最高可达80MB/SOVXI系统最多可包含256个器件，可组成一个或多个子系统，每个子系统最多可包含13个插入式模块，插入同一个机箱内，在组建大、中规模自动测量系统以及对速度、精度要求高的场合，具有其他仪器所无法比拟的优势，VXI总线支持即插即用，人机界面友好，资源利用率高，容易实现系统集成，大大地缩短了研制周期，且便于升级和扩展。VXI系统具有稳定可靠的电源、冷却装置、抗电磁干扰、模块化结构、强大的数据吞吐量40MBLS，易于组网等优点。但是价格相对过高，适合于尖端的测试领域。4PXIPCIEXTENSIONFORINSTRUMENTATION是PCI在仪器领域的扩展。NI公司于1997年发布了这种全新的开放性、模块化仪器总线规范。制定PXI规范的目的是为了将普通的PC机的性能价格比优势与PCI总线面向仪器领域的必要扩展完美地结合起来，形成一种主流的虚拟仪器测试平台。其核心是COMPACTPCI结构和MICROSOFTWINDOWS软件。PXI是在PCI内核技术上增加了成熟的技术规范和要求形成的。PXI增加了用于多板同步的触发总线和参考时钟、精确定时的星型触发总线、相邻模块间高速通信的局部总线等。以此来满足试验和测量用户的要求。PXI兼容COMPACTPCI机械规范，并增加了主动冷却、环境测试温度、湿度、振动和冲击试验等要求。这样一来，可保证多家厂商产品的互操作性和系统的易集成性。PXI系统的价格高于DAQ系统，低于GPIB和VXI系统，又具有良好的性能，是组建模块化仪器系统的良好选择。计算机与数据采集卡组成了虚拟示波器的硬件平台的基础。数据采集卡是虚拟示波器的重要组成部件，其性能指标直接影响着虚拟示波器的采样速率、精度等主要指标的因素。CPU的速度及计算机的内存影响着示波器处理数据的速度；计算机的硬盘决定它的存储数据的容量。LABVIEW中数据采集库包含了许多有关采样和生成数据的函数，它们与NI的插卡式或远程数据采集产品协同工作。数据采集卡是进行高速直接控制以及低速控制的理想设备。由于数据采集卡价格低廉、操作携带方便，因此大大的降低了每个通道的成本。数据采集系统的任务是采集原始的数字信号，其主要指标有采样精度、采样速度。采样精度由转换器的位数来决定，而采样速度是与采样频率不可分的。从提高精度的角度出发，模数转换器的位数与采样频率之间是相互制约的。数据采集卡的选择主要与采样率、测量通道、分辨率和测量精度有关。采样率即在单位时间内的测量次数，一般用采样频率来表示。采样率的选择，取决于被测量的信号的变化速度，根据奈奎斯特采样定理，所需的采样频率应为所测信号的最高频率分量的两倍以上，即应选用100KHZ的板卡才能完成最高频率为50KHZ的被测信号的测量工作。测量通道是整个系统所需测量的信号数量，产品不同，可测量的通道数也不同。在选取产品时需要注意以下几点可测通道数是否满足系统要求；在需要差分输人测量时，板卡上有无差分输人以及差分输人的通道数；在测量通道数多时，应注意产品能否扩展及最多可扩展的通道数。测量中都需将模拟信号经A/D转换成二进制的数字信号，分辨率就是将满量程信号经A/D转换后得到的二进数的位数。分辨率越高，意味着可检测出来的电压变化越小，它和测量范围可测量的最高电平和最高电平及增益板卡的放大倍数一起决定了该板卡可测的最小电压变化量，也称为二进码的宽度，现在产品中有8位、12位、16位的最多。223软件的选择在给定计算机必要的仪器硬件之后，构成和使用虚拟仪器的关键在于软件。软件为用户提供了集成开发环境、高水平的仪器硬件接口和用户接口。美国国家仪器公司提出的“软件即仪器”THESOFTWAREISTHEINSTRUMENT形象地概括了软件在虚拟仪器技术中的重要作用。所以正确选择软硬件对程序开发和设计起着非常重要的作用。只有选择了合适的软硬件才能快速开发出应用软件，才能事半功倍。对于虚拟仪器应用软件的编写，大致可分为两种方式1通用编程软件进行编写。主要有美国MATHWORKS公司的MATLAB，MICROSOFT公司的VISUALBASIC与VISUALC,BORLAND公司的DELPHI。SYBASE公司的POWERBUILDER。2用专业图形化编程软件进行开发。如HP公司的VEE，NI公司的LABVIEW和LABWINDOWS/CVI等。16LABVIEW是实验室虚拟仪器集成环境LABORATORYVIRTUALINSTRUMENTENGINEERINGWORKBENCH的简称，是美国国家仪器公司NI的创新软件产品，也是目前应用最广泛、发展最快、功能最强的图形化软件开发环境。17LABVIEW的前面板可以包含旋钮、刻度盘、开关、图表和其他界面工具，允许用户通过键盘或鼠标获取数据并显示结果。LABVIEW具有模块化的特性，有利于程序的可重用性。LABVIEW将软件的界面设计与功能设计独立开来，修改人机界面无需对整个程序进行调整，LABVIEW是利用数据流框图接收指令，使程序简单明了，充分发挥了图形化编程环境的优点。这就大大简短了虚拟仪器的开发周期、消除了虚拟仪器编程的复杂过18程。而通用的编程软件需利用组件技术实现软面板的设计，这使程序设计变得非常麻烦。LABVIEW虽然是为计算机测控领域开发的，但它的函数包含了一般高级计算机语言中的绝大多数程序控制功能。LABVIEW作为开发坏境所具有的优点总结如下所述1图形化编程，降低了对使用者编程经验的要求，易于工程师使用。2采用面向对象的方法和概念，有利于软件的开发和再利用。3对象、框图及其构成的虚拟仪器在WINDOWS,WINDOWSNT,UNIX等多平台之间和各种PC机及工作站间兼容，便于软件移植。4支持550多种标准总线设备及数据采集卡，如串行接口、GPIB,VXI等。5具有丰富的库函数和例子，对于大多数应用程序，用户可以从例子中取得程序框架，便于提高开发速度。6具有比较完备的代码接口，可调用WINDOWS中的动态链接库DLL中的函数以及C语言程序，以弥补自身的某些不足。7直接支持动态数据交换DDE、对象链接与嵌入OLE、结构化查询语言SQL，便于与其它WINDOWS应用程序和数据库应用程序接口。8支持TCP、UDP等网络协议，网络功能强大，可遥控分布在其他微机的虚拟仪器设备。9为加强LABVIEW的功能，适应各种工业应用的需要，NI公司又开发了一系列与LABVIEW配合使用的软件包，如自动测试工具、可连结25种数据库的SQL工具、SPC分析函数工具、信号处理套件、PID控制工具、图形控制工具等。由于LABVIEW有上面所列举的优点，因此使测量仪器的虚拟化得以实现。为我们进行软件开发设计了一个良好的开发平台，有利于编程工作者进行编程设置。23软件设计方案231MATLAB简介MATLAB是美国MATHWORKS公司推出的一套高性能的数值分析和计算软件，它将矩阵运算，数值分析，图像处理，编程技术结合在一起，为用户提供一个强有力的科学及工程问题和程序设计工具。它主要包括五19个部分1MATLAB开发环境2MATLAB数学函数库3MATLAB语言4MATLAB句柄图形5MATLAB应用程序接口MATLAB在不断的改进和创新，无论在界面设计，计算方法，编程手段和工具方面等都有了巨大的突破，新版本的概念和方法，使MATLAB真正成为了具有全部高级语言功能特征的新一代软件开发平台。MATLAB的应用领域也不在不断地扩展，无论是在信号处理，控制，20仿真等传统应用领域，还是在仪器控制和测量，虚拟仪器设计，金融等新的应用领域，MATLAB都推出了相关的工具箱和组件，为这些领域的用户提供了高效的应用工具。1数据采集工具箱DATAACQUISITIONTOOLBOXVERSION21；MATLAB是一个数据分析和处理功能十分强大的工程实用软件，它的信号处理与分析工具箱为动态数据分析提供了十分丰富的函数，利用这些函数可以快捷而又方便地完成动态数据分析。而它的数据采集工具箱DAQTOOLBOX为在MATLAB中实现数据采集提供十分方便的数据采集函数。MATLAB环境中，利用这些函数可以快捷地构造出数据采集系统，实现对外部物理世界和生产过程信号的实时信号采集。由该系统采集的物理信号可以作为变量直接存入MATLAB的工作空间,也可以作为数据文件直接写入数据文件。对存入MATLAB工作空间的物理信号变量，利用MATLAB中信号处理与分析工具箱的信号分析处理函数，而无需对大量的常用信号处理算法进行编程，即可方便快捷地完成对信号的动态。2信号处理工具箱SIGNALPROCESSINGTOOLBOXVERSION51R121采集数据的分析处理通过信号处理工具箱和MATLAB中的相应函数来完成，图形用户接口工具用来实现数据采集操作的图形界面。3MATLABVERSION61R121及其图形用户接口工具在MATLAB环境下，为了方便对采集信号常规动态分析，利用MATLAB中的图形用户接口工具箱可以轻松地构造一个类似WINDOWS的图形操作界面。通过该图形窗口即可实现一个虚拟的双通道动态数据分21析仪。MATLAB的图形用户界面GUI是指由各种图形对象，如菜单栏，列表栏，控制按钮等组成的用户。在这种用户界面下，用户的命令和用户对程序的控制是通过“选择”各种对象来实现。MATLAB的GUI的基本图像分为两类用户界面控件对象和用户面菜单对象，并将他们有机的组织在一起，使用户界面操作和使用。MATLAB为表现其基本功能而设计的演示程序DEMO是使用图形界面的最好范例。MATLAB的用户在命令窗口中运行DEMO命令打开演示程序界面，只要用鼠标进行选择和点击，就可浏览其中丰富多彩的内容。232软件设计虚拟仪器是基于计算机的虚拟技术，用以模拟通用示波器的面板操作和处理功能，也就是使用个人计算机及其接口电路来采集现场或实验室信号，并通过图形用户界面GU1来模仿万用表的操作面板，完成信号采集、调理、分析处理和显示输出等功能。触发控制通道控制时基控制波形运算参数测量相位测量滤波数据采集数据处理数据存储图22软件框图我们所开发的虚拟仪器，是在数据采集硬件的支持下，配备一定功能的软件，完成波形的存储、分析、显示等功能。一般测试仪器由信号采集、信号处理和结果显示三大部分组成，这三部分均由硬件构成。虚拟示波器也是由这三大部分组成，但是除了信号采集部分是由硬件实现之外，其它两部分都是由软件实现。我们所设计的虚拟仪器总体上包括数据采集、波形运算、参数测量、触发控制、波形存储模块组成，其具体软件框图如图22所示。233仪器功能我们开发的虚拟仪器又具有普通仪器所没有的许多优点，如波形可长期存储，有多种显示方式，便于观测单次过程和缓慢变化的信号，便于数据处理等等。我们开发的虚拟数字存储仪器，除了具有通用功能外，又具有普通仪器所没有的许多优点，如波形可存储为数据文件，永久保存，随时调用。且成本低廉，功能可根据应用的需要不断加强。其主要性能指标为双通道显示波形，波形可存储，随时调出，与通用仪器比较，虚拟仪器系统功能有较大的加强1现场波形可以保存在磁盘中备份。2通过用户编程模板，可任意组合用户的数据处理和分析功能。因此，虚拟仪器适合在工程应用中对系统进行性能测试和故障诊断。24本章小结本章从理论上论述了虚拟仪器的应用、基本原理、组成结构，软件的种类和硬件的类型。使从理论上对虚拟仪器有一个详细的了解，并加深了我对“软件就是仪器”这个概念直观的理解，为后面的模块化软件编程打下了基础。除此之外，还比较详细介绍了MATLAB的开发环境以及库函数，使们对这个高级语言有了一定程度的认识。对于软件编程提供了一个详细的说明。第3章声卡原理及其接口函数31声卡原理311声卡两大基本功能简介总的来说，声卡的作用不外乎就是录制声音和播放声音。录制声音的过程其实就是一个将声音数字化的过程，相反，播放声音的过程就是将声音模拟化的过程。连续的声音信号通过空气传到人的听觉系统中。但电脑的CPU只能处理瞬态购成的二进制数字信号，也就是不是连续的信号。也就是说，自然界的声音是模拟的信号，而电脑可以处理的声音是数字信号，显然两者是不能直接交换的，那有什么办法呢人们想到了通过一个设备来进行转换，这就是声卡。在声卡中，从音源传来的声音可以转换成电脑可处理的数字信号，这个过程叫ANALOGYTODIGITALCONVERSIONADC模数转换。相反，声卡将电脑中的数字信号转换成模拟信号的过程叫DIGITALTOANALOGCONVERSIONDAC数模转换，这些模拟信号通过功率放大电路后，经喇叭播出，大家就可以听到各种声音了。312声卡的工作过程当一个音源输入后，会先经过滤波器做预先的采样、模拟/数字变换，再由数字信息处理芯片负责将此音源进行各种音效处理，其中可能包括由FM芯片产生的音效，或者到WAVETABLE波表合成取出音源，更可以透过总线接口芯片BUSINTERFACECHIP必存取光盘或硬盘中的有效文件，这些经过处理后的数字音源，再透过数字/模拟转换而输出到音箱或者其他声音设备。那么，声卡的各部件是如何分担这些工作的呢21接口声卡接口主要负责声卡与CPU进行数据交换，当CPU要声卡处理声音的时候，马上会给声卡发出相关的指令，而声卡处理完毕后，也通过接口报告CPU就目前来说，声卡的接口已经完全过渡到PCI。PCI卡同ISA卡最大的区别就是它们用来传输数据的总线不同。顾名思义，ISA卡用的总线是传统的ISA总线。这种总线已经沿用了数十年，它的弊端很多，最大的缺点就是它的带宽较低，仅提供166MB/S的数据传输带宽，而PC最高可提供133MB/S的带宽，远远高于ISA总线，因此PCI卡不会像ISA卡那样因数据带宽较低而成为系统运行的“瓶颈”。借助PCI接口较高的带宽，声卡可以实现更多的技术特性，如它可以将波表合成样木存放在系统硬盘中，实现即用即取，这就使得波表面声卡的成木大大减低。在即插即用方面，PCI也要比ISA卡好得多。2输出输入接口声卡通常都会有LINEIN/LINEOUT,MIC/SPEAKEROUT俩组输出/输入插孔及一个15PIN针的游戏手柄或MID股接头。如果要输入CD或卡带中的音乐时，可以连接LINEIN接口，至于用MIC麦克风接口则是用来输入声音的，这两种输入接口的差别在于信号的放大率不同。麦克风的信号一般较小，所以MIC的放大率会设计得较大。并且会配合麦克风的特性来修正，所以LINEIN及MCI能混用，以免造成失真或放大率不足的情形。而LINEOUT与SPEAKEROUT接口的区别也大致相同，如果声卡输出的声音会透过具有功率扩大功能的音箱来播出的话，使用LINEOUT就可以了，如果音箱没有任何扩大功能而且也没有使用外部的扩大器，建议你最好使用SPEAKEROUT输出，因为通常声卡会利用内部的功率扩大功能将声音从SPEAKEROUT输出，一般声卡的最大输出功率只有4W左右。3数/模转换芯片声音从原来的音源模拟信号转成数字信号后，必须经过声卡的编辑处理，再经由数模转换，才可以从声卡输出，这一连串的转换处理过程，都是由一块数/模转换芯片来完成的。由于输出的声音与原始的音源有所差别，所以产生了所谓的失真DISTORSIOR现象。4数字音源处理器DSP芯片DSPDIGITALSIGNALPROCESSOR是数字信号处理芯片，DSP的功能通常包括了采样频率的控制，对声音的录制与播放控制，处理MIDI指令等等。有些声卡的DSP还有音源资料压缩的功能。另外，如果声卡有混音芯片MIXERCHIP，就可以通过软件的操作来对声音进行各种控制，例如音调的高低控制、音场效果调整等。所以DSP可说是声卡中非常重要的芯片，所有数字音源信号的处理，都可以说是DSP的功能范围。5音效合成装置在声音信号未经过DA转换之前都是数字式的，我们可以将几个数字信号音源加以组合出各种声占而产生音效，这就是一般所称FMFREQUENCYMODULATION调频。通过对声卡工作过程的说明和理解，我们对声卡的硬件组成部分，有了一个比较明确的概念。声卡是本次设计的重要组成部分，数据采集的工作就是由它来完成。数据采集是一个很重要的前提工作，正是它才可使模拟信号变成数字信号，才可以被计算机处理和分析。32声卡的技术参数及接口函数321声卡的技术参数麦克风或线路输入LINEIN获取的音频信号通过A/D转换器转换成数字信号，送到计算机进行播放、录音等各种处理；输出时，计算机通过总线将数字化的声音信号以PCM脉冲编码调制方式送到D/A转换器，变成模拟的音频信号，进而通过功率放大器或线路输出LINEOUT送到音箱等设备转换为声波。为了用声卡采集数据必须先设定声卡的主要技术参数1采样频率单位时间内采集的语音样本的数量。采样频率越大，语音的保真度就越高，要求的存储空间也就越多。目前，普通声卡的最高频率为441KHZ，一般采样频率分为4档，分别为441KHZ，2205KHZ,1102KHZ，8KHZ。根据采样定理，采样频率应为被测信号频率的2倍以上。2采样位数将模拟语音量化的位数。位数越大，量化就越精细，记录的音质就越好，同时，量化信噪比也越高。一般声卡的采样频率从8KHZ一96KHZ分多个挡；采样位数8位、16位、32位可选；将声音从模拟信号转化为数字信号的二进制位数BIT。按位数分声卡有8位声卡、16位声卡。位数越高，在定域内能表示的声波振幅的数目越多，记录的音质也就越高。例如，16位声卡把音频信号的大小分为65536个量化等级来实施上述转换。所以一般设定为16位。3缓冲区一般声卡使用的缓冲区为8KB8192字节，这是由于对X86系列处理器而言，在保护模式下，内存以8KB为单位被分成了很多页，对内存的任何访问都是按页进行的。CPU保证在读写8KB长度的内