（机械电子工程专业论文）基于声卡的多功能虚拟示波器和虚拟函数发生器设计.pdf

摘要 随着微型计算机和软件技术的发展，虚拟仪器在智能化、处理能力、性能价格 比、可操作性等方面与传统仪器相比都具有明显的技术优势，将虚拟仪器引入高校 的实验教学不但可以提高测试效率和教学的质量，而且为降低实验仪器成本提供了 有效的途径和方法。示波器和函数发生器是实验的常用仪器，因此开发一种功能完 善、使用方便、成本低的的函数发生器和数字示波器对节约实验成本，提高实验质 量有着非常重要的意义。 声卡a d 转换性能优越，技术成熟，配合l a b v i e w 强大的数据采集与处理功能， 可以构建起性价比相当高的数据采集系统和发生系统。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示波器和函数发生器，该示波器 主要功能包括触发控制、通道控制、波形显示控制、参数测量、频谱分析、波形暂 停显示和波形存储、波形回放等，使用者可以及时进行数据处理，观察和分析实验 结果。它具有1 6 位a d 转换精度，最高采样频率为4 4 k h z 。虚拟示波器能采集声 卡设计频率范围内的音频信号。对l v 以上、2 4 v 以下的信号，能够通过设计的电 路衰减到合适的范围。虚拟函数发生器能够实现声卡频率范围内的常用波形输出、 幅值调节、直流偏置调节、频率扫描设置等功能。 关键词：虚拟实验仪器；l a b v i e w ；虚拟示波器；虚拟函数发生器； 声卡 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h em i c r o c o m p u t e r ，c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a l i n s t r u m e n t ，t h ev i r t u a li n s t r u m e n t sh a v et h eo b v i o u st e c h n i c a la d v a n t a g ei nk n o w l e d g e w a r e ，p r o c e s s i n gc a p a b i l i t y ，t h er a t i ob e t w e e nf u n c t i o na n dp r i c e ，a n dm a n e u v e ra b i l i t y t h ei n t r o d u c t i o no ft h ev i r t u a li n s t r u m e n tt ot h eu n i v e r s i t yc a nn o to n l yi n c r e a s et h e e f f i c i e n c ya n dq u a l i t yo ft e s t i n ga n dt e a c h i n g ，b u ta l s op r o v i d et h ee f f e c t i v em e t h o dt o r e d u c et h ec o s to ft h ee x p e r i m e n t a li n s t r u m e n t i th a st h ep e c u l i a r i t yo fl o wc o s t ，h i g h p e r f o r m a n c ea n dg r a d u a l l yp e r f e c tt e s tr e c a l l s o s c i l l o s c o p ea n df u n c t i o ng e n e r a t o ri s o f t e nu s e di nt h ee x p e r i m e n t s t h e r e f o r e ，t h ec u r r e n td e v e l o p m e n to fal o w - c o s td i g i t a l o s c i l l o s c o p ea n df u n a i o ng e n e r a t o rw h i c hh a sap e r f e c tf u n c t i o na n ds i m p l eo p e r a t i o nh a s av e r y i m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e f o rs a v i n g e x p e r i m e n t a lc o s t sa n d i m p r o v i n gt h e e x p e r i m e n t a lq u a l i t y s o u n dc a r d a dt r a n s f o r m a t i o np e r f o r m a n c ei ss u p e r i o r , a n dt h et e c h n o l o g yi s m a t u r e i tm a yc o n s t r u c tt h eq u i e th i g hc o s tp e r f o r m a n c ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m t h i s a r t i c l ed e s i g n sak i n do fd u a l - c h a n n e lv i r t u a ld i 舀t a l - s t o r a g eo s c i l l o s c o p e t h ef u n c t i o no f t h eo s c i l l o s c o p es y s t e mc o m p r i s e st h ec h a n n a ls e l e c t i o n ，s i g n a lo u t p u td i s p l a y , t r i g g e r , p a r a m e t e rm e a s u r e m e n t ，s p e c t r u ma n a l y s i s ，s i g n a ls t o r a g ea n ds i g n a lr e r e a d i n ge t e i th a s 16b i ta dc o n v e r s i o np r e c i s i o ma n di t sh i g h e s ts a m p l i n gf r e q u e n c yi s4 4 k i - i z t h i s s y s t e mc a na c c u r a t e l ya c q u i r et h es i g n a lw h o s ef r e q u e n c yi si nt h es o u n dc a r dd e s i g n e d f r e q u e n c yr a n g e t h es i g n a lf r o m1v o l tt o2 4 v o l tc a nb ea t t e n u a t e dt ot h ea p p r o p r i a t e s c o p et h r o u g ht h ed e s i g n e dc i r c u i t v i r t u a lf u n c t i o ng e n e r a t o rc a ng e n e r a t et h eb a s i c w a v e f o r m sw h o s ef r e q u e n c i e sa l ei nt h es o u n dc a r dd e s i g n e df r e q u e n c yr a n g e t h e f u n c t i o no ft h ev t r t u a lg e n e r a t o rs y s t e mc o m p r i s e sa m p l i t u d ea d j u s t m e n t ，d co f f s e ta n d f r e q u e n c ys w e 印e t c k e y w o r d s ：v i r t u a li n s t r u m e n t ；l a b v l e w ；v i r t u a lo s c i l l o s c o p e ；v h - t u a if u n c t i o n g e n e r a t o r ；s o u n dc a r d 学位论文独创性声明、学位论文知识产权权属声明 学位论文独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系本人在导师指导下独立完成的研究成果。文中 依法引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上 已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成 果。 本人如违反上述声明，愿意承担由此引发的一切责任和后果。 论文作者签名： 日期：掣年上月乙日 学位论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的学位论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。 学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校 后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为 青岛大学。 本学位论文属于： 保密口，在年解密后适用于本声明。 不保密酣 ( 请在以上方框内打“ ) 论文作者签名： 导师签名： 日期：磁年月2 日 日期：2 丑年月羔日 ( 本声明的版权归青岛大学所有，未经许可，任何单位及任何个人不得擅自使用) 6 1 第章绪论 1 1 虚拟仪器技术的概述 第一章绪论 虚拟仪器技术是以各专业学科知识为应用背景，以计算机软、硬件技术为核心， 把传感器技术、自动控制技术、现代网络技术、现代信号处理技术、数值分析技术 有效整合在一起的现代测试技术。它把模块化集成概念和方法的高效性、软件设计 平台的灵活性结合起来，依据用户不同的特殊需求创建出人机对话界面，实现并取 代各类特殊、昂贵的测试仪器的功能。虚拟仪器技术目前已成为测试理论和应用实 验研究的重要支撑l l j 。 2 0 世纪7 0 年代，因为个人电脑技术的出现，人们开始考虑用电脑来处理传统 仪器测试的数据，同时g p i b 技术也发展起来，促进了i e e e 4 8 8 2 标准的诞生；2 0 世纪8 0 年代，随着计算机技术的进一步发展，计算机主板上有了多个扩展槽，并出 现了插在计算机里的数据采集卡，这样的系统已经可以进行一些简单的数据采集工 作，将采集到的数据直接由计算机软件进行处理，这就是虚拟仪器技术的雏形；2 0 世纪9 0 年代，计算机总线速度进一步提高，p c i 总线的数据传输速率达到了 1 3 2 m b p s ，1 9 9 6 年底，m 公司在p c i 数据总线的基础上提出了第一代p x i ( p c i e x t e n s i o nf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) 系统的技术规澍。 据专家预测，到2 0 1 0 年全球将有2 0 0 0 0 多个虚拟仪器技术用户，我国将有一半 的仪器是虚拟仪器。虚拟仪器将在医疗、通信、电力、铁路、航空航天和石油行业 普及应用l z j 。 1 1 1 虚拟仪器的概念 信息时代的到来，使得仪器的开发和应用与计算机技术的结合越来越紧密，这 种结合可以分为两种方式，一种是以含嵌入式系统的仪器为代表，将处理器装入仪 器，实现对目标的测试和数据分析等功能。随着计算机体积的日趋缩小和功能的日 益强大，这类仪器的功能也越来越强大，应用领域也越来越广泛。另一种方式是以 虚拟仪器为代表，将仪器装入计算机，针对用户的具体需要，以通用的计算机硬件 及操作系统为依托，通过软件编程实现仪器各种功能。2 0 世纪8 0 年代中期， n l ( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ，美国国家仪器公司) 首先提出了“软件就是仪器”( t h e s o f t w a r ei st h ei n s t r u m e n t ) 的口号，为测试仪器赋予了全新的概念【3 】。所谓虚拟仪器 就是由i o 接口设备完成信号的采集、测量和调理，通过软件编程对信号数据进行运 算、分析、处理，利用计算机显示器的显示功能模拟传统仪器的功能面板，实现仪 青岛人 硕十学位论文 器与用户的变瓦并以多种形式表达输出椅测结果，从而充成各种测试任务的一种仪 器系统。虚拟仪器是基于计算机的仪器，总的来说，虚拟仪器技术就足利用高性能 的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化应用的一种技 术。 11 2 虚拟仪器的组成 一个完整的虚拟仪器系统主要构成要素包括：传感器，信号调理器，数据采集 设备和计算机。传感器的主要作用是将被测量的压力、温度、位移等各种物理信号 转换成电信号；信号调理器的主要作用是将传感器转化的电信号进行放大、滤波、 隔离等预处理；数据采集设备的主要功能是将模拟信号转化为数字信号使信号能 被计算机识别；汁算机在这早处丁核心地位，它的软硬件承载着仪器的全部功能。 图1j 形象的| 兑明了虚拟仪器的构成 4 。 f # ； 3 虚拟仪器的特点 图l l 虚拟仪器的构成 和传统仪器相比，虚拟仪器主要有以下特点6 州： ( 1 )可充分发挥计算机的能力。虚拟仪器技术是在计算机技术的基础上发展起来 的，它在信息的处理能力、存储容量和通信标准等方面完全继承了计算机发展的商 业优势，利用最新的商业技术成果来同步加速提高虚拟仪器的性能是虚拟仪器技术 的大特点和优点。 第一章绪论 ( 2 )仪器功能的实现简单，功能的扩展性强大。要搭建一个虚拟仪器系统，首先 要根据需要定义其功能，在此基础上选用合适的数据采集硬件，然后通过一定的程 序设计模式完成仪器的数据采集、数据的分析运算、存储和显示等功能。硬件只是 把信号输入到计算机，而仪器的全部功能都是通过软件实现的，这一点使得虚拟仪 器功能的实现相比于传统仪器要简单得多。用户要想增加一项功能，只需要为软件 添加一个功能模块便可以实现，而不需要改变硬件结构和整个大的程序架构。 ( 3 )可以根据需要创建个性化、多层次和可变性的仪器面板。在某种意义上讲， 仪器面板体现了仪器的功能。对传统仪器而言，功能越复杂，其面板的设计难度越 大，加工工艺越复杂。虚拟仪器具有可变性和多层次性，很好的解决了这一问题， 用户可以很方便的设计自己的个性化面板。 ( 4 ) 良好的连通性。利用现代网络技术，虚拟仪器很好的突破时空限制，即可以 远程控制单个仪器，也可以把多个单功能仪器组建成能够实现复杂功能的仪器系统。 ( 5 )开放性强。虚拟仪器是基于计算机的开放式标准体系结构实现的。虚拟仪器 的硬件采集设备和软件开发平台都具有模块化、开放性、互换性以及可重复使用等 特点。因此，用户可根据要设计的仪器功能的需要，选用不同厂家的产品来搭建自 己的仪器系统。虚拟仪器技术这种开放性的特点使得仪器系统的开发和维护灵活、 高效、周期更短。 虚拟仪器与传统仪器的比较如表1 1 。 表1 1 虚拟仪器与传统仪器比较 虚拟仪器传统仪器 价格低廉，同一仪器可实现多种功能 价格较贵，仪器间一般无法互用 开放性强，可与计算机技术保持同步发封闭，仪器之间配合发展较慢 展 用户能够根据需要定义仪器功能，灵活只能由厂家定义功能，功能单一，缺 性强。乏灵活性 连通性强，能与周围设备及网络连接连通性差，只能连接有限的独立设备 核心是软件，更新周期短核心是硬件，更新周期长 开发维护费用低 开发维护费用高 1 2 虚拟仪器研究现状综述 虚拟仪器技术的特点决定它有着广泛的应用前景，从而引导着很多公司把大量 的财力、物力用于这一领域的开发，近几年不断有这方面的新技术和新产品问世。 青岛大学硕士学位论文 特别值得指出的是虚拟仪器概念提出者美国国家仪器公司，其l a b v i e w 开发平台 不断的升级完善，使得虚拟仪器技术与计算机商业新技术的结合更加紧密。2 0 0 7 年 该公司推出的l a b v i e w 8 5 版本是专用于测试、控制和嵌入式系统开发的l a b v i e w 图形化系统设计平台的最新版本。基于m 近十年来在多线程技术上的投资， l a b v i e w8 5 凭借其本质上的并行数据流特性，简化了多核以及f p g a ( 现场可编程 门阵列) 应用的开发。随着处理器厂商通过并行多核构架获得性能上的提升，运行在 这些新处理器上的l a b v i e w 8 5 可以提供更高的测试吞吐量、更有效的处理器密集 型的分析和更可靠的实时系统。l a b v i e w 8 5 还通过状态图设计模块对系统行为进 行建模和实现，并提供了专用于工业监控的全新i o 库和分析函数，从而将l a b v i e w 平台进一步扩展到嵌入式和工业应用。l a b v i e w 8 5 继承了之前版本的自动多线程 功能，可以随着处理核数量的增加提升应用性能，并带来更好的线程安全( t h r e a d s a f e ) 驱动和库来改进r f 、高速数字i o 以及混合信号测试应用的吞吐量。l 抽v i e w 8 5 还在l a b v i e w 实时环境中提供对称多线程处理( s m p ) ，嵌入式和工业系统的设计 人员可以自动地将均衡的任务量分配到各核上，而无需以确定性为代价。用户可以 手动将各部分代码分配到特定的处理器核上，来微调实时系统的性能，或者把时间 关键的代码部分隔离在专用核上。为了满足实时多核开发中更多高难度的调试和代 码优化要求，工程师和科学家们可以使用全新的n i 实时执行跟踪工具包2 o 版( n i r e a l - t i m ee x e c u t i o nt r a c et o o l k i t2 o ) ，可视化地显示代码以及各个线程间和执行代 码的处理器核间的定时关系。l a b v i e w 8 5 通过更高性能的f p g a 项目向导( f p g a p r o j e c tw i z a r d ) 继续简化f p g a 的编程，f p g ap r o j e c tw i z a r d 可自动化i 0 配置、 m 开发，并可以对通用i 0 、计数器定时器和编码器应用进行总体设置。工程师和 科学家们可以实现自动代码生成，或者更多复杂的高速d m a 数据传输代码。此外， l a b e w 8 5 还提供在机器自动化系统中常用的多通道滤波和p i d 控制函数，为高 通道应用极大地节省f p g a 资源。l a b v i e w 8 5 增加了全新的状态图模块帮助工程 师和科学家们使用他们熟悉的、基于统一建模语言( u n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e ， u m l ) 的高级状态符号，来设计并仿真基于事件的系统。l a b v i e w8 5 增加了一系 列i o ，以及在测量和显示的改进，适用于构建基于p a c 的工业系统，包括全新的 为l a b v i e w 用户扩展工业连接性的o p c 驱动库等，几乎将可兼容p l c 和工业设备 的数量增加一倍。 当前，面向不同应用环境的虚拟示波器和函数发生器的发展都很快，比如在面 向实验教学方面，n i 公司2 0 0 7 年推出了教学实验室虚拟仪器套件e l v i s ( e d u c a t i o n a l l a b o r a t o r y v m u a li n s t r u m e n t a t i o ns u i t e ) ，其中自带了虚拟示波器、虚拟函数发生器、 频谱分析仪等仪器，其数据采集卡的采样频率达到1 m h z 。2 0 0 9 年n i 又推出了 e l v i s 的升级版本e l v i si i ，对其中的虚拟示波器的数据采集硬件作了改进，使其 4 第一章绪论 采样频率高达1 2 5 m h z 。另外，n i 公司推出了各类l a b v i e w 附件，这些附件极大 地支持了包括控制器设计、动态系统仿真、系统定义和实时系统实现在内的控制设 计和机械电子理论的教学工作。 在我国，虚拟仪器的发展起步较晚，但是其发展势头强劲。许多企业和科研单 位采用虚拟仪器进行产品测试和系统的测控，己有部分院校的实验室引入了虚拟仪 器系统。以清华大学和华中科技大学为代表的一些在国内具有较强影响的理工科综 合性大学，在原有的科研教学应用基础上开发了一批面向工业过程监控和产品检测 的虚拟仪器产品。我国目前有数十家专业从事虚拟仪器开发的公司，可以说，虚拟 仪器正在成为一个较大的产业正以更快地步伐向着更广阔的领域扩展。在测试测量 领域，虚拟仪器已经占领很大的市场份额，在一些重大测试项目和重要的测试环节， 越来越多的采用虚拟仪器技术，比如2 0 0 8 年北京奥运会的主会场鸟巢的结构安全检 测系统和奥运会期间的天气预报系统就是采用虚拟仪器技术实现的。 一方面生产发展的需要使得虚拟仪器的应用领域日趋广泛，另一方面科技的进 步为虚拟仪器的发展提供了坚实的技术支撑。虚拟仪器的特点决定着现代商业技术 的最新成果必将极大地提高虚拟仪器的总体性能，虚拟仪器将得到越来越多的技术 开发人员和普通用户的认可，从而使其进一步加快代替传统仪器的步伐，在可以预 见的未来，虚拟仪器将成为测试测量领域的主力军。 1 3 本课题研究意义 本文利用普通声卡作为信号采集硬件，以美国n i 公司的虚拟仪器软件l a b v i e w ； 作为开发平台，设计了两款仪器，一款是虚拟函数发生器，一款是具有频谱分析、 信号存储和回读等功能的多功能虚拟示波器。该虚拟函数发生器可以实现频率显示、 频率粗调和微调、幅值调节、直流偏置和频率扫描等功能；该示波器主要功能包括 触发控制、通道控制、波形显示控制、参数测量、游标精确测量、频谱分析、波形 暂停显示、波形存储和波形回放等。使用者可以及时进行数据处理，观察和分析实 验结果。该系统能够正确处理声卡设计频率范围内的音频信号，完全可以应用于实 验教学，对于经费紧缺的实验室来说具有很大的经济意义，与此同时，本设计采用 状态机和用户事件响应混合模式编程思想实现仪器功能，增强了功能的可扩展性， 具有创新性，对于虚拟仪器的开发有一定科研意义。综上所述，本课题具有一定的 研究意义。 1 4 本课题的主要工作和本文的主要内容 本课题主要工作是了解虚拟仪器特点、现状和实现方法，探索虚拟仪器发展方 5 青岛大学硕十学位论文 向，优化虚拟仪器的实现方式，并在此基础上，以普通的民用声卡作为信号采集硬 件，以n i 公司最新推出的l a b v i e w 8 5 作为软件开发平台设计了多功能虚拟示波器 和虚拟函数发生器。这两款仪器功能比较完善，完全满足实验教学。 本文的主要内容有： 第一章：针对本课题的主要工作，总体介绍了课题的特点、最新技术及产品 动态和意义等。 第二章：介绍了虚拟仪器的软件开发平台l a b v i e w 的特点及应用，并对本 课题所使用的数据采集硬件做了简单介绍。 第三章：叙述了基于声卡的多功能虚拟示波器的各个具体功能模块的设计过 程，介绍了虚拟仪器的软件编程模式及远程发布。 第四章：叙述了基于声卡的虚拟函数发生器的具体设计过程。 第五章：利用所设计的虚拟示波器和虚拟函数发生器组建综合测试系统，并 给出仪器测试效果。 6 第二章基丁声， 的虚拟仪器的开发软硬件选择 第二章基于声卡的虚拟仪器的开发软硬件选择 2 1 虚拟仪器开发软件平台的选择 虚拟仪器开发平台是开发虚拟仪器的工具和集成开发环境，由于虚拟仪器的功 能是由软件编程实现的，因此，开发平台的重要性是不言而喻的。本次设计选择的 开发平台是美国n i 公司最新推出的l a b v i e w 8 5 版本。 2 1 1l a b v l e w 简介 l a b e w 是一种基于图形化编程语言的测试系统软件开发平台，它是依托于虚 拟仪器技术的发展而诞生的，这一点决定着它是一种专用于虚拟仪器开发的平台。 另一方面，虚拟仪器技术作为测试领域的一个研究方向，它的发展整体上推动了测 试技术的发展，使得l a b v i e w 不再局限于虚拟仪器的开发，而是为大型复杂的测 试系统提供一个通用的开发平台。l a b v i e w 是一种基于图形化的软件编程平台。值 得一提的是，采用图标作为基本编程单元的图形化编程，开发人员能够把大部分精 力用在定义仪器功能和实现测试目的上，提高了编程效率，而不是否认其作为一门 编程语言所具有的开发能力。l a b v i e w 与h p v e e 、组态软件平台和t p s 平台等专 业性测试软件开发平台最大的不同就是专业测试平台的专用性太强，可扩展性和通 用性比较差。l a b v l e w 提供了丰富的用于数据采集、分析、表达及数据存储的函数 库，使得程序的编写更加方便，测试的可控性及测试速度更高。它继承和发展了模 块化和结构化的编程理念，使得它的程序具有较高的可重用性，仪器的功能扩展也 更加方便。它支持多种操作系统，保证了程序在不同的开发平台间的移植。它具有 强大的网络功能，能够方便的实现对测试系统的远程控制。n i 最新推出的l a b v i e w 8 5 又增加了一些新特性，比如：支持f r e e s c a l ec o l d f i r e 处理器和q n x 操作系统的 评估版套装；为基于团队的开发进行项目文件管理工具和图形化代码的整合；用于 性能优化的底层内存管理工具；全新优化的b l a s 线性代数库；用于视觉处理的边 缘检测，以及用于解调器和通道代码设置的多种优化算法；控制设计和仿真上的改 进，包括模型预测控制( m o d e lp r e d i c t i v ec o n t r o l ，m p c ) 和p i d 控制器的解析设计 等等。所有这些，使得l a b v i e w 已经成为测试领域应用最广泛和最有发展前途的 软件开发平台之一【l 。 2 1 2l a b v i e w 应用程序结构 l a b v l e w 是一种针对性比较强的图形化程序设计语言，无论语言针对的主要用 7 青岛大学硕士学位论文 户对象和应用领域，还是语言的使用和编程风格，都与传统的文本式程序设计语言 有很大的差别。源于虚拟仪器技术的l a b v i e w 程序设计语言，从被创建开始就是 面向测量和控制应用的，并且绝大多数采用l a b v i e w 开发的应用程序都同测控仪 器等硬件设备紧密结合，多数测量系统的应用程序框架基本分为8 个部分，如图2 1 所示，各部分的功能如下： 显示数据 图2 1 测量系统的l a b v i e w 程序架构 ( 1 )初始化。主要用于初始化系统中的软、硬件系统，如将控件中的值清空、进 行仪器自检工作、系统复位等。 ( 2 ) 打开会话。主要用于和仪器建立通信，准备获取数据，也可以将寄存器清空， 及时释放上次因为异常等原因没有释放的资源。 ( 3 )获取数据。用于得到测量数据，可以通过各种渠道获取，如数据采集硬件设 备等，这是至关紧要的一步，因为数据的可靠性和实时性都直接影响到整个测试的 效果。根据实际情况，可以决定是否需要进行信号调理，以完成信号的硬件预处理， 获得更加真实的信号。 ( 4 )分析数据。一般而言，直接获取的数据并不都是有效数据，也不能直接表达 实际的物理意义和量纲。因此需要后期为其赋予具体的物理意义，如电压、电流等， 甚至通过比较复杂的数据处理过程，如借助d s p 、小波分析等高级数学工具，才能 提取真正有价值的数据。 ( 5 ) 显示数据。为了能够将数据简单明了地传递给用户，这一步是必不可少的， 在l a b v i e w 中提供了多种显示控件，对波形而言，可以使用w a v e f o r mg r a p h ， w a v e f o r mc h a r t ，x yg r a p h ，i n t e n s i t yc h a r t 等显示结果。 ( 6 )数据存储。测量的数据需要通过各种方式被存储起来，如数据库、存储介质、 网络等，便于以后查看和分析，当然也可以打印出相应的测试报表。 ( 7 )关闭对话。这个步骤是不可忽略的，在前面的操作中，程序会使用操作系统 分配的各种资源，如文件句柄、仪器句柄等。这些资源在使用完后并不会自动释放， 窭；囱 第二章基t 卢# 的虚拟仪器的) f 发软1 _ ! l ! 什选扦 而需要及时手动铺毁，否则会使应用程序占用更多的系统资源，甚至导致内存泄露。 ( 8 )退出程序。在完成了所有的工作后，需要退 l j 麻用样序，并释放系统资源。 2 13l a b v i e w 编程环境 利用l a b v i e w 开发的应用程序被称为v i ( v i r t u a li n s t r u m e n t ) 。一个v i 由前面 板和背面板组成：前面板为程序界面放置控制控件和显示控件，背面扳用来编写程 序框图。 ( 1 ) 前面板简介 前面扳是由输入控件和显示控件组成的，它模拟传统物理仪器的操作面板，是 用户和v i 交互的仪器界面。输入控件用来向程序写入数据，程序的运行结果通过显 示控件提供给用户。输入控件和显示控件可以相互转化，二者的数据流向恰好相反。 l a b v i e w 的数据类型包括数值型、布尔型、字符串、数组、簇和波形数据等等，每 个数据类型对应着相应的一些控件【i ”。当在一个v i 的前面板上单击右键，便会弹 出如图2 2 所示的控件面板。用鼠标把需要的控件一拖入| j i 面板，便可以画出自 己所需的多层次、个性化的仪器面板。选中控件，然后通过右键快捷菜单便可方便 的修改控件的属性 q s - d = n n - 矗i 8 ，b o d e r n 塞 到幽| 垦 圈到 j - - “n s 口1 q p t ha r t , v , h t，t t t b l l 画固崮訇剧r 只廿“鼍生! ，。川m e h ； 吖l1 8 笪 v l 一“ i s 一 v 图2 2l a b v l e w 控件模板 ( 2 ) 程序框图简介 程序框图是编程的关键，它实际上就是v 1 的程序代码，应用程序的创建、修改和维 护是通过程序框图实现的前面板只是用来让用户根据操作仪器的需要搭建控件集 合，它并不能实现用户所定义的功能。前面板窗口和程序框图窗u 可以通过快捷键 “c t d + e ”实现切换。 当切换叠程序框图时，硒数模板便会自动弹f l 如果因为某些原因没有弹f 由 青岛人学顺士学位论文 数模版，可以通过在框图中点击右键或者在“窗几”菜单中选择“显示函数模板” 子菜单打开函数模板。l a b v i e w 的函数横板如图2 3 所示。在函数模板里的圈标分 别代表一类函数子模板。例如s t r u c v a r e s 代表结构函数模板，n u m e r i c 代表数字函数 模板。点击函数模板的图标，便可看到该函数模板的所有子模板，每一个函数于模 都有其对应的功能和作用。 图2 3l a b v i e w 函数模板 程序框图的主要对象有节点、端口和连线，其作用如下： ( 1 )节点。节点可以被称为实现一定功能的基本单位。l a b v i e w 节点包括 函数节点、属性节点、结构节点、调用库函数节点、包含节点和子程序节点。 一般把l a b v i e w 函数模版自带的函数称为函数节点，把用户自己定义的子程序 称为子程序节点，把控制程序的执行结构方式的节点称为结构节点。 ( 2 )端口。在用l a b v i e w 进行程序开发时，每当在前面板添加一个输入控 件或者显示控件，在背面板便会出现一个拄件或者指示器的端口。所谓端口就 是数据流入或者流出的地方，l a b v i e w 是基于数据流编程的，就是通过端口来 控制着数据流向的。它类似于文本编程中的参数和变量。 ( 3 ) 数据连线。l a b v i e w 中对象间的数据传递是通过连线来实现的，连线 是编写l a b v i e w 程序的一项非常重要工作。不同的数据类型问的连线具有不同 的线型和颜色。只能在相同的数据类型或者可匕上转化的数据类型之自j 连线，否 则便会出现错误，导致程序的无法执行。 2 2 硬件的选择 在虚拟仪器系统中，信号的输入和输出任务是由硬件完成的，仪器要真正实 现的功能则由软件来保障。这罩的硬件主要是指数据采集硬件，木课题的设计是基 第二章基于声卡的虚拟仪器的开发软硬件选择 于声卡的，之所以选择声卡作为数据采集硬件，因为与声卡相比，通用数据采集卡 价格昂贵，在具体的应用场合，有些功能还可能不实用。普通声卡的量化精度是1 6 位，其数据采集频率晟高达到4 4 k h z ，完全可以满足某些应用领域的数据采集的需 要，有些性能指标还要好于商用数据采集卡。本次设计的示波器和函数发生器是面 向实验教学的，因此采用声卡作为数据采集设备是非常经济和实用的。 2 2 1 声卡的工作原理 声卡是计算机与外部的模拟量环境联系的重要途径，作为数据采集卡来使用， 声卡可以采集音频范围内的信号。麦克风输入的信号和喇叭输出的信号都是模拟信 号，而计算机所能识别和处理的信号都是数字信号，声卡的作用之一就是实现模拟 信号和数字信号之间的转换。声卡的工作流程图如图2 3 所示【r 7 1 。声卡的组成部分 主要包括：声音控制处理芯片，声音输输出端口和功放芯片等，其中集成了采样 保持、音效处理、a d 转换d a 转换等电路的声音控制处理芯片是声卡的核心，它 对声卡的性能和档次起到了决定的作用【1 8 【1 9 1 。它具有声波采样处理m i d i 指令和回 放控制等基本功能，有些声音控制处理芯片还加进了合声、混响、音场调整等功能。 声音输人输出端口是用来采集信号和输出信号的端口，包括内接端口和外接端口。 内接端口是内部输人输出端口，通过3 - 4 针音频线连接。它主要作为c d 音频信号 的输入输出接口。外接输入端口包括线性输入端口“l i n ei n ”和麦克风输入端口 m i c ”。外接输出端口包括喇叭输出端口“s p ko u t ”和线性输出端口“w a v eo u t ( 或 l i n eo u t ) 。外接端口还包括用于连接电子乐器和游戏控制器的m i d i 端口等。用于 外部音频信号的输入的端口包括m i c 接口和l i n ei n 接口，前者因为具有声音放大 电路，因此可以接入较弱的信号。功放芯片的主要功能是把信号的功率放大从而推 动喇叭发出声音。声卡具有连续的d a 和a d 转换功能，1 6 位的采样精度和4 4 k h z 的最高采样频率。声卡不能任意设置采样频率，只能设置为4 4 1 k h z 、2 2 0 5 k h z 、 1 1 0 2 5 k h z 和8 k h z 。 主 机 总 线 图2 4 声卡工作流程图 柳扬声器 - 1 3 - 岣人子耿t 予世似义 2 2 2 声卡的技术参数 ( 1 )声卡采样位数 声卡处理声音的解析度称为采样位数。采样位数越大，解析度就越高，通过声 卡录制和回放的声音也就越真实。声卡在采集和播放声音文件时所使用的数字声音 信号的二进制位数称为声卡的位。声卡的位数概念与数据采集卡中的位数概念完全 一致。它反映了数字声音信号对输入声音信号描述的准确剧2 0 】。当采集一段相同的 音频信号时，8 位的声卡能区分的最小信号变化量为u 2 5 6 ( u 为音频信号幅值) ，而 1 6 位声卡能区分的最小信号变化量为u 6 5 5 3 6 ( u 为音频信号幅值) ，可见1 6 位的声 卡比8 位的声卡采集到的信号更能接近原信号。 一 ( 2 ) 声卡采样频率 市面上流行的声卡一般最高采样频率为4 4 1 k h z 。有些昂贵的声卡采样频率也达 到了4 8 k h z 。理论上的c d 音质界限是4 4 1 k h z ，4 8 k h z 的的音质要更好一些。一般 民用声卡都将其频率分为4 档：4 4 1 k h z 、2 2 0 5 k h z 、1 1 0 2 5 k h z 和8 k h z 。所以这就 给使用声卡带来较大的局限性，也就是它不允许用户在最高采样频率之下随意设定 采样频率，而只能分为4 档设定。从而给用户带来了极大的不便，用户不能通过设 定采样频率来控制整周期采样，只能通过后边信号处理方法来弥补非周期采样带来 的问题。声卡的这个特点虽然给用户带来不便，但是却降低了成本，对于面向实验 教学的虚拟仪器开发，选择声卡作为数据采集卡还是很明智的，毕竟它的价格远远 低于其他通用的数据采集卡。 ( 3 ) 声卡缓冲区 为了节约c p u 资源，声卡缓冲区的设计有其独到之处。在声卡采集音频信号的 过程中，其d a 和a d 任务通常是连续状态的，采用缓冲区的工作方式。以输出声 音为例，所谓缓冲区的工作方式就是通过声卡控制芯片数据被暂时存放在缓冲区， 只有缓冲区存满时，才给c u p 一个中断申请，当c p u 响应中断后，缓冲区内的数 据一次性被全部读走，从而将信号输出。一般的数据采集卡采集数据时，每次a d 或d a 结束后都要响应一次中断。缓冲区的工作方式极大的降低了c p u 响应中断 的频度，从而有效的节省了系统资源。计算机总线的数据传输速率非常高，缓冲区 数据被一次性读出的时间极短，a d 变换的连续性不会受到影响。声卡缓冲区的长 度默认设置是8 k b ( 8 1 9 2 字节) 或其整数倍( 例如3 2 7 6 8 字节) 。因为在保护模式 ( w i n d o w s 等系统使用的c p u5 1 2 作方式下) 下工作的x 8 6 系列的c p u ，其内存都是以 页为单位来分的，每一页的大小是8 k b ，c u p 按页访问内存。将声卡的缓冲区大小 设置为8 k b 的整数倍，保证了在c p u 读写8 k b 长度的内存缓冲区时的速度足够快。 这样中断响应一般不会被其他外来事件打断，从而可以较好地保证声卡与c p u 的协 1 2 第二章基于声卡的虚拟仪器的开发软硬件选择 调工作【2 2 1 。 ( 4 )声卡无基准电压 一般数据采集卡在a d 还是d a 转换时都提供了基准电压，而计算机的声卡并 没有给转换基准电压，因此通过声卡采集的信号的幅值与真实信号的幅值并不是完 全吻合。在利用声卡进行信号采集的过程中，用户需要自己参照基准电压进行标定。 ( 5 )声卡频率范围与频率响应 声卡的最高采样频率是4 4 1 k h z ，根据采样定理，理论上声卡可以较好的采集 0 k h z 2 2 0 5 k h z 的信号。但是在声卡实际工作中，从其频率响应曲线来看，声卡在 2 0 0 h z 5 k h z 之间的频率响应曲线比较平坦的，其余频率范围内信号通过声卡采集 后有较多衰减。所以在合适的信号频率范围内，声卡的采集效果并不逊色于一般的 数据采集卡。 2 2 3 声音信号衰减装置一虚拟示波器探头 声卡一般最高只能测量l v 左右的信号，如果输入信号过大容易损坏声卡，因此 测量大于1 v 的信号的设备，就需要设计衰减电路来保护声卡的输入端口。本文设 计的虚拟示波器和函数发生器信号衰减装置使用上海域醇科技公司生产的p 6 0 1 虚 拟声卡示波器探头，它的前端与普通示波器探头完全一样，尾端则连有一个r c a 管 形插头。它可直接与带有r c a 输入输出插座的声卡相连，或通过立体声- - 2 r c a 或 单声道一1 i 比a 转换器与普通声卡相连。该探头内置保护电路，分为三个衰减档位， 连上声卡时的输入阻抗分别为l 千欧+ 声卡输入阻抗、2 0 1 千欧+ 声卡输入阻抗、 1 0 0 0 1 兆欧+ 声卡输入阻抗( 声卡输入阻抗话筒输入或者线路输入因声卡而异，通常 在6 0 0 欧到5 0 千欧之间) 。在+ 2 4 v 范围内能保护声卡和电脑在误操作情况下( 例 如衰减档位放错) 免遭损坏。使用该探头后，声卡的测量范围可扩大到从d n 低于 1 v 到大到2 4 v 。探头信号衰减电路图如图2 5 所示。 z p r o b e _ u i o _ 吨= 卜- t _ ou o _ l i l z s c l 图2 5 探头衰减电路 1 3 青岛大学硕+ 学位论文 衰减电路中，输出电压u o 和输入电压u i 的比值为：u o a j i = z s c ( z p r o b c + z s c ) 其中z p r o b e = 1 千欧、2 0 1 千欧、l o 0 0 1 兆欧，分别对应于探头的l 、2 、3 档： z s c 的范围为6 0 0 欧 - - 5 0 千欧，其具体数值取决于所用的声卡和所用的通道( 话筒 输入或线路输入) 。 p 6 0 1 虚拟声卡示波器探头还可用于虚拟信号发生器作信号输出。l 、2 、3 档位 的输出阻抗分别为l 千欧、2 0 1 千欧和l o 0 0 1 兆欧。 1 4 第三章虚拟示波器的设计 第三章虚拟示波器的设计 本课题设计的多功能虚拟示波器，是结合n i 声卡驱动函数，在l a b v i e w 8 5 开 发平台下实现的。其主要功能包括触发控制、通道控制、波形显示控制、参数测量、 频谱分析、波形暂停显示和波形存储、波形回放等。在主程序设计过程中，采用状 态机和用户事件响应混合设计模式，使得程序不仅运行快捷、高效，而且功能的可 扩展性强。 3 1 虚拟示波器简介 示波器是生产实践和科学研究中应用最为广泛的测量仪器之一。传统示波器外 型笨重，功能单一，一些高性能的示波器加工工艺复杂，技术要求高，价格昂贵。 随着虚拟仪器技术的发展，基于虚拟仪器技术的示波器也应运而生。虚拟示波器充 分利用计算机的信息处理能力，能够实现对多路输入信号的实时采集和存储，并且 可以进行数据的离线分析和处理。与传统示波器比较，其优点主要表现在以下方面 【2 3 】【2 4 】 o ( 1 )存储方便。捕捉的波形可以保存在磁盘中或从打印机打印出来备份。 ( 2 )测量精确。采用自动测量和游标精确测量，能减少