基于声卡的数据采集

学学 院院 毕毕 业业 设设 计 论计 论 文 说文 说 明明 书书 题 目 基于声卡的数据采集 学 生 系 别 机电工程系 专 业 班 级 机械设计制造及自动化机电 03 1 班 学 号 指 导 教 师 学学 院院 毕业设计 论文 任务书毕业设计 论文 任务书 设计 论文 题目 基于声卡的数据采集基于声卡的数据采集 系 机 电 专业 机 电 班级 031 学号 学生 指导教师 接受任务时间 教研室主任 签名 系主任 签名 1 毕业设计 论文 的主要内容及基本要求 1 整体设计方案 2 声卡编程分析 3 程序设计 4 编写设计说明书 2 指定查阅的主要参考文献及说明 1 LabVIEW7 1 编写与虚拟仪器设计 2 LabVIEW 程序设计与应用 3 LabVIEW 基础教程 3 进度安排 设计 论文 各阶段名称起 止 日 期 1 查阅和搜集设计资料 在此基础上制定设 计方案 2007 3 5 2007 3 25 2 进行整体方案设计 2007 3 26 2007 4 2 3 声卡编程分析 2007 4 3 2007 5 3 4 程序设计 2007 5 4 2007 5 22 5 编写设计说明书 检查 2007 5 23 2007 6 5 6 准备毕业设计答辩及相关工作 2007 6 6 2007 6 24 学院毕业设计 论文 摘 要 当今 科学技术的不断进步 对测量技术的要求越来越高 并且测量技术在各个领 域得到了广泛的应用 本文采用虚拟仪器的思想 结合计算机的结构特点 提出了一 种以计算机为平台 基于声卡数据采集 显示与分析的虚拟仪器系统 介绍了声卡数 据采集系统的制作要点 运用 LabVIEW 程序开发系统 在普通配备有声卡的计算机上 实现了双通道数据采集系统 实验结果表明 系统能够正确采集声卡设计频率内的信号 可用于该范围内的一 般数据采集与应用 此方法生成的采集软件交互性好 性价比高 且实现简单 还可 以根据用户的需求进行功能扩充 为低成本构建数据采集系统提供了一种思路 在 LabVIEW 环境中简单 界面友好 实现了音频信号的采集分析及数据存盘重载 可以推 广到语音识别 环境噪声监测和实验室测量等多种领域 应用前景广阔 关键词关键词 LabVIEW 声卡 数据采集 虚拟仪器 信号分析 学院毕业设计 论文 Abstract Today with the development of science and technology the requirement measurement technology is getting more and more important The application electronic measurement technology has extended to more fields than before the paper design a data acquisition signal analysis and virtual instrument system based on computer Introduced the sound card data acquisition system manufacture main point utilizes the LabVIEW procedure development system has a Cardin the ordinary equipment on the computer has realized double channel data acquisition system Experiment results prove that the system can acquire signals in the frequency range designed for sound card correctly and can be applied in the domains of data acquisitions and general analysis In the range of voice frequency data saving and overloading is successful in LabVIEW If more sound cards configured in a PC it s feasible to build a muli channel real time DAQ system with high SNR With broad application prospect this solution can be extended to the field of speech recognition embient noise monitoring and laboratory measurement etc Key words LabVIEW Date acquisitions Sound card Virtual instrument Signal analysis 学院毕业设计 论文 目 录 中中 文文 摘摘 要要 英英 文文 摘摘 要要 第一章第一章 绪论绪论 1 1 11 1 问题的提出问题的提出 1 1 21 2 虚拟仪器虚拟仪器 LabVIEWLabVIEW 的概述的概述 1 1 2 1 虚拟仪器的产生 3 1 2 2 虚拟仪器概念 3 1 2 3 虚拟仪器的构成 4 1 2 4 虚拟仪器的优点 5 1 31 3 基于基于 LabVIEWLabVIEW 和声卡数据采集系统在国内外的发展动态和声卡数据采集系统在国内外的发展动态 5 1 3 1 LabVIEW 前景展望 5 1 3 2 声卡与数据采集系统的发展动态 6 1 3 3 国外虚拟仪器的现状 6 1 3 4 国内虚拟仪器的现状 7 1 3 5 虚拟仪器的发展趋势 8 1 41 4 本课题研究意义本课题研究意义 10 1 51 5 本次设计的主要内容本次设计的主要内容 10 第二章第二章 基于声卡数据采集系统的总体设计方案基于声卡数据采集系统的总体设计方案 12 2 12 1 硬件的选择硬件的选择 12 2 22 2 软件的实现软件的实现 12 第三章第三章 LabVIEWLabVIEW 编程环境介绍编程环境介绍 14 3 13 1 LabVIEWLabVIEW 简介简介 14 3 23 2 图形化的编程环境图形化的编程环境 14 3 2 1 G 语言简述 14 3 2 2 LabVIEW 程序组成 15 3 2 3 LabVIEW 的操作模板 16 3 33 3 声卡设置模块声卡设置模块 20 3 43 4 虚拟仪器创建过程虚拟仪器创建过程 21 第四章第四章 声卡声卡 22 4 14 1 从数据采集角度认识声卡从数据采集角度认识声卡 22 4 1 1 声卡工作原理及性能指标 22 4 1 2 声卡的作用 23 4 1 3 声卡的硬件结构设计 23 4 1 4 声卡的软件设计 25 4 24 2 声卡的主要技术参数声卡的主要技术参数 26 4 2 1 采样的位数 26 4 2 2 采样频率 26 4 2 3 缓冲区 26 4 2 4 没有基准电压 27 4 34 3 声卡用于数据采集时的一些设置声卡用于数据采集时的一些设置 27 第五章第五章 数据采集和数据采集卡数据采集和数据采集卡 29 5 15 1 数据采集系统的构成数据采集系统的构成 29 5 25 2 数据采集卡数据采集卡 30 学院毕业设计 论文 5 2 1 数据采集卡的功能简介 30 5 2 2 数据采集卡的软件配置 30 5 35 3 数据采集系统的测试与分析数据采集系统的测试与分析 32 第六章第六章 波形显示及其采样波形显示及其采样 34 6 16 1 波形输入设备波形输入设备 34 6 26 2 输入缓冲区的分配和管理输入缓冲区的分配和管理 34 6 36 3 波形的显示波形的显示 35 6 46 4 数据的存储数据的存储 35 6 56 5 波形输入设备的停止与关闭波形输入设备的停止与关闭 37 第七章第七章 信号分析与处理信号分析与处理 39 7 17 1 概述概述 39 7 27 2 信号的产生信号的产生 41 7 37 3 标准频率标准频率 43 7 47 4 数字信号处理数字信号处理 43 7 4 1 FFT 变换 43 7 4 2 单边 双边 FFT 45 7 57 5 谐波失真与频谱分谐波失真与频谱分析析 46 7 67 6 数字滤波数字滤波 48 7 77 7 IIRIIR 和和 FIRFIR 滤波器滤波器 50 7 87 8 信号分析与处理模块程序信号分析与处理模块程序 51 第八章第八章 结束语结束语 54 参考文献参考文献 55 致致 谢谢 56 附图附图 57 学院毕业设计 论文 1 第一章 绪论 1 1 问题的提出 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 LabVIEW laboratory virtual instrument engineering workbench 是美国NI 公司具有革命性的图形化编程语言和虚拟仪器开发环境 它广泛地被工业界 学术界 和研究试验室所接受 被公认为是标准的数据采集和仪器控制软件 LabVIEW不仅提供 了与遵从GPIB VXI RS 232和RS 485协议的硬件及数据采集卡通行的全部功能 还内 置了支持TCP IP ActiveX等软件标准的库函数 而且其图形化的编程界面使编程过程 变的有趣生动 LabVIEW是一个功能强大且灵活的软件 利用它可以方便地建立自己的 虚拟仪器 以LabVIEW为代表的图形化程序语言 又称为 G 语言 使用这种语言编 程语言时 基本上不需要编写程序代码 而是 绘制 程序流程图 LabVIEW尽可能利 用工程技术人员构建自己的科学和工程系统能力 可为实现仪器编程和数据采集系统 提供便捷途径 1 2 虚拟仪器LabVIEW的概述 LabVIEW7 1版本增加的Express技术 简化了测试测量应用系统的开发进程 其灵 活性的交互式VI易与各种范围的I O信号连接 用户甚至只需要点击鼠标配置应用系统 即可完成搭建工作并开始运行 通过简单地修改Express VI的配置 可以快速的反复 第一章 绪论2 修改应用程序以适应新的测试测量需求 虚拟仪器 virtual instrument 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 简单的说 这种结合有两种方式 一种方式是将计 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 这类仪器的功能也越来越强大 目前已经出现含有嵌入式系统 的仪器 另一种方式是将仪器装入计算机 以通用的计算机硬件及操作系统为依托 实现各种仪器功能 虚拟仪器主要是指这种方式 如图1 1反映了常见的虚拟仪器组建 方案 被 测 对 象 信 号 调 理 数 据 采 集 卡 数 据 处 理 虚拟仪器面板 图1 1 常见的虚拟仪器组建方案 Fig1 1 virtual device precept of familiar 虚拟仪器的主要特点有 1 尽可能采用通用的硬件 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 可以创造出功能强大的仪器 3 用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器 数据采集系统的主要任务是将被测对象的各种参数做 A D 转换后送入计算机 并对 采集到的信号做相应的处理 数据采集系统分为软件和硬件两个部分 数据采集软件通常根据用户的要求进行编写 选择好的开发平台可以起到事半功倍的 效果 LabVIEW 是一个较好的图形化开发环境 它内置了信号采集 测量分析与数据显 示功能 提供超过 450 个内置函数用于分析测量数据及处理信号 将数据采集 分析 与显示功能集中在了同一个开方式的开发环境中 LabVIEW 的交互式测量 自动代码生 成以及与多种设备的简易连接功能 使它能够较好的完成数据采集 虚拟仪器的起源可以追朔到 20 世纪 70 年代 那时计算机测控系统在国防 航天 等领域已经有了相当的发展 PC 机出现以后 仪器级的计算机化成为可能 甚至 Microsoft 公司的 Windows 诞生之前 NI 公司已经在 Macintosh 计算机上推出了 LabVIEW2 以前的版本 对虚拟仪器和 LabVIEW 长期 系统 有效的研究开发使得该 公司成为业界公认的权威 学院毕业设计 论文 3 普通的 PC 有一些不可避免的弱点 用它构建的虚拟仪器或计算机测试系统性能不 可能太高 目前作为计算机化仪器的一个重要发展方向是制定了 VX 工标准 这是一种 插卡式的仪器 每一种仪器是一个插卡 为了保证仪器的性能 又采用了较多的硬件 但这些卡式仪器本身都没有面板 其面板仍然用虚拟的方式在计算机屏幕上出现 这 些卡插人标准的 VX 工机箱 再与计算机相连 就组成了一个测试系统 VXI 仪器价格 昂贵 目前又推出了一种较为便宜的 PXI 标准仪器 虚拟仪器研究的另一个问题是各种标准仪器的互连及与计算机的连接 目前使用 较多的是工 EEE488 或 GPIB 协议 未来的仪器也应当是网络化的 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 1 2 1 虚虚拟仪拟仪器的器的产产生生 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 第一代模拟仪器 这类仪器在某些实验室仍能看到 如指针式万 用表 晶体管电压表等 它们的基本结构是电磁机械式的 借助指针来显示最终结果 第二代数字化仪器 这类仪器目前相当普及 如数字电压表 数字示波器 数字频率 计等 这类仪器将模拟信号的测量值转化为数字信号 并以数字方式输出最终结果 适用于快速响应和较高准确度的测量 第三代智能仪器 这类仪器内置微处理器 既 能进行自动测试又具有一定的数据处理能力 可取代部分脑脑力劳动 习惯上称为智 能仪器 它的功能块全部都是以硬件或固定软件的形式存在 无论是开发还是应用 都缺乏灵活性 第四代虚拟仪器 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 Virtual Instrument 简称 VI 的概念 是美国国家仪器公司 National Instruments 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 第一章 绪论4 1 2 2 虚虚拟仪拟仪器概念器概念 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 由工 0 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 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 它不仅可以用于电子测量 测试 分析 计量等领域 而且还可以用于进行设备 的监控以及工业过程自动化 虚拟仪器还可以广泛应用于电力工程 物矿勘探 医疗 振动分析 声学分析 故障诊断及教学科研等多个方面 1 2 3 虚虚拟仪拟仪器的构成器的构成 虚拟仪器从构成要素上讲 由计算机 应用软件和仪器硬件等构成 从构成方式上 讲 则由以 DAQ 板和信号调理为仪器硬件而组成的 PC DAQ 测试系统 或以 GPIB VXI Serial 和 Field bus 等标准总线仪器为硬件组成的 GPIB 系统 VX 工系统 串口系统和现场总线系统等多种形式 虚拟仪器的构成如图 1 2 所示 无论哪种 VI 系 统 都是将仪器硬件搭载到笔记本电脑 台式微机或工作站等各种计算机平台加应用 软件而构成的 学院毕业设计 论文 5 图 1 2 虚拟仪器的构成 Figure 1 2 Virtual instrument 1 2 4 虚虚拟仪拟仪器的器的优优点点 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 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 一方面 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 Graph User Interface 技术 真正做到界面友好 人机交互 1 3 基于LabVIEW和声卡数据采集系统在国内外的发展动态 1 3 1 LabVIEW前景展望前景展望 LabVIEW的概念开始来源于特鲁查德和柯德斯凯两人20世纪70年代末期在 ARL Applied Research Laboratory 应用研究实验室 完成的一个大型测试系统 该系统主要用于测试美国海军声呐探测器 也可以用该系统开展水声学试验研究 这 套测试系统的应用十分灵活 因为为各层次用户提供了不同的交互接口 通过几年的时间 柯德斯凯把从该测试系统得到的启示发展到测试系统软件由多 层虚拟仪器 Virtual Instruments 简称VI 构成的新概念 一个VI可以由更低层的 多个VI组成 底层VI代表了最基本的软件功能 计算与输入 输出 I O 操作 柯 第一章 绪论6 德斯凯特别重视多层软件的互连和嵌套 创造性地提出了各层VI都有相同结构形式的 思想 在硬件领域 将IC装配为电路板和将电路板装配为仪器是完全不同 在软件领 域 又语句组成的子程序和子程序组成程序也是有差别的 更不用说由多个程序构成 一个系统 所以柯德斯凯提出的所有层次VI一致性的结构和接口模型 极大地简化了 软件结构 是对传统结构化软件设计思想的一个新发展 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 其研究中涉及到的基 础理论主要是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 语言和开发环境是美国NI公司的LabVIEW 虚拟仪器的发展主要取决于三个重要因素 计算机是动力 软件是主宰 高质量 的A I 采集卡及调理放大器与传感器是关键C3610无沦哪种VI系统 都是将硬件仪器 传感器 调理放大器 A D 搭载到笔记本电脑 台式机或工作站等各种计算机平台上 加上应用软件面板构成 实现使用计算机的全数字采集测试分析 VI的发展完全跟计 算机的发展同步 所以显示出VI的灵活性和强大的生命力 虚拟仪器的兴起是测试仪 器技术的一次 革命 是仪器领域的一个新的里程碑 未来的VI完全可以覆盖计算 机辅助测试的全部领域 几乎能替代所有的模拟测试设备 它的重要意义在于尚是一 块处女地 有待大家来开拓 基于计算机的全数字化测量分析是采集测试分析的未来 虚拟仪器必将在电子测量 电气工程 机电一体化 教育和关系国计民生的越来越多 的领域中广泛普及 标准化 通用化 系列比 模块化以及开放式的体系结构等 VXI 系统的观念将成为电测量仪器仪表变革的重要方向 数据采集 测试 过程控制 信 息传输与通信等现代信息技术汇聚在一起 将最终导致标准化 规范化卡式仪器和软 件化仪器的更广泛流行 虚拟仪器其发展将跟着通用计算机走 跟着通用软件走 跟 着网络走的指导思想 继 软件就是仪器 的概念之后 很可能出现 网络就是仪器 的新观念 1 3 2 声卡与数据采集系声卡与数据采集系统统的的发发展展动态动态 目前一般的声卡最高采样频率可达 96KHz 采样位数可达 16 位甚至 32 位 声道数 为 2 即立体声双声道 可同时采集两路信号 需要时还可选用多路输入的高档声卡或 配置多块声卡 每路输入信号的最高频率可达 22 05KHz 输出 16 位的数字音频信号 而 16 位数字系统的信噪比可达 96dB 当前的独立声卡或者板载声卡都包括有晶振 A D D A 转换芯片和数字信号处理芯片及其它辅助电路 因此它可作为数据采集卡使 用 现在的声卡一般都采用 PCI 接口 完全满足最高 16bit 的采样精度 44 1kHz 的采 样频率所需 705 6kb 的数据采集传输率要求 而且 声卡是用 DMA 方式进行数据采传 送的 这样就级大地降低 CPU 的占有率 学院毕业设计 论文 7 计算机采集卡是信号纪录仪器中的重要组成部分 主要起A D转换功能 目前市场 上主流的数据采集卡都包含了完整的数据采集电路和计算机的接口电路 但其价格与 性能成正比 如NI公司的E型数据采集卡 研华的数据采集卡等 一般都比较昂贵 随 着DSP 数字信号处理 技术走向成熟 PC声卡本身就成为一个优秀的数据采集系统 它同时具有A D和D A转换功能 不仅价格低廉 而且兼容性好 性能稳定 灵活通用 软件特别是驱动程序升级方便 ISA总线向PCI总线的过渡 解决了以往声卡与系统交 换数据的问题 同时充分发挥了DSP芯片的性能 而且声卡用DMA 直接内存读取 方 式传输数据 极大的降低了CPU的占有率 一般声卡16位的A D转换精度 比通常12位 A D卡的精度高 对于许多工程测量和科学试验来说都是足够高的 其价格却比后者便 宜很多 如果利用声卡作为数据采集设备 可以组成一个低成本高性能的数据采集系统 当然 它只适合采集音频域的信号 即输入信号频率必须在20 20000Hz的音频域范 围内 如果需要处理直流或缓变信号 则需要其他技术的配合 1 3 3 国外虚国外虚拟仪拟仪器的器的现现状状 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 美国的斯坦福 大学的机械工程系要求三 四年级的学生在实验时应用虚拟仪器进行数据采集和实验 控制 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 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Lab Windows 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 LabWindows CV工是为 熟悉C语言的开发人员准备的 在Windows环境下的标准ANSIC开发环境 除了上述的优 秀开发软件之外 美国HP公司的HP VEE和HPTIG平台软件 美国Tektronix公司Ez TestTek TNS软件 以及美国HEMData公司的Snap Master平台软件 也是国际上公认的 优秀虚拟仪器开发平台软件 当今虚拟仪器的系统开发采用的总线包括传统的RS232串行总线 GP工B通用接口 总线 VXI总线 以及己经被PC机广泛采用的USB通用串行总线和工EEE1394总线 即 Firewire 也叫做火线 世界各国的公司 特别是美国NI公司 为使虚拟仪器能够适 应上述各种总线的配置 开发了大量的软件以及适应要求的硬件 插件 可以灵活地 第一章 绪论8 组建不同复杂程度的虚拟仪器自动测试系统 虚拟仪器开发商不仅注意使虚拟仪器能够适应各种通用计算机总线系统 使之为 虚拟仪器服务 而且也注意建立各种仪器专用的总线系统 美国NI公司在1997年9月1 日推出模块化仪器的主流平台PXI 这是与Compact PCI完全兼容的系统 这种虚拟仪 器模块化主流平台PX工 Compact PCI的传输速度己经达到100Mb s 是目前已经发布 的最高传输速度 虚拟仪器的开发厂家 为扩大虚拟仪器的功能 在测量结果的数据 处理 表达模式及其变换方面也做了许多工作 发布了各种软件 建立了数据处理的 高级分析库和开发工具库 例如测量结果的谱分析 快速傅立叶变换 各种数字滤波器 卷积处理和相关函数处理 微积分 峰值检测 波形发生噪声发生 回归分析 数值 运算 时域和频域分析等 使虚拟仪器发展成为可以组建极为复杂自动测试系统的仪 器系统 1 3 4 国内虚国内虚拟仪拟仪器的器的现现状状 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 1 3 5 虚虚拟仪拟仪器的器的发发展展趋势趋势 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 学院毕业设计 论文 9 域得到广泛应用 图形化编程平台的进一步发展与完善是虚拟仪器发展的一个重要方向 如何使用 户进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 我国还基本处于传统仪表与计算机化仪器互相分 离的态 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 VX工总线将成为未来虚拟仪器的理想硬件平台 这是由于VX工总线的性能决定的 另一方面 基于PC工 DAQ的虚拟仪器系统由于性价比高 灵活性好而受到大多数用户 的青睐 将得到高速的发展 随着计算机硬件 软件技术的迅速发展 虚拟仪器将向 高性能 多功能 集成化 网络化方向发展 所谓虚拟仪器是基于计算机的软硬件测试平台 它可代替传统的测量仪器 如示 波器 逻辑分析仪 信号发生器 频谱分析仪等 可集成于自动控制 工业控制系统 可自由构建成专有仪器系统 它由计算机 应用软件和仪器硬件组成 无论哪种虚拟 仪器系统 都是将仪器硬件搭载到笔记本电脑 台式Pe或工作站等各种计算机平台 甚 至可以是掌上电脑 加上应用软件而构成的 虚拟仪器通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机的融合为一体 从而把计算 机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量 控制能力结合在一起 大大缩小了仪器硬 件的成本和体积 并通过软件实现对数据的显示 存储以及分析处理 从发展史看 电子测量仪器经历了由模拟仪器 智能仪器到虚拟仪器 由于计算机性能以摩尔定律 每半年提高一倍 飞速发展 已把传统仪器远远抛到后面 并给虚拟仪器生产厂家带 来较高的技术更新速率 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 它功能强大 可实现示波器 逻辑分析仪 频谱仪 信号发生器等多种普通仪器全部功能 配以专用探头和软件还可检测特定系 统的参数 如汽车发动机参数 汽油标号 炉窑温度 血液脉搏波 心电参数等多种 数据 它操作灵活 完全图形化界面 风格简约 符合传统设备的使用习惯 用户不经 第一章 绪论10 培训既可迅速掌握操作规程 它集成方便 不但可以和高速数据采集设备构成自动测址 系统 而且可以和控制设备构成自动控制系统 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 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 而且 传统仪器体积相对庞大 多种数据测量时常感到捉襟见肘 手足 无措 我们常见到硬件工程师的工作台上堆着纷乱的仪器 交错的线缆和繁多待测器 件 然而在集成的虚拟测量系统中 我们见到的是整洁的桌面 条理的操作 不但使 测量人员从繁复的仪器堆中解放出来 而且还可实现自动测量 自动记录 自动数据 处理 其方便之极固不必多言 而设备成本的大幅降低却不可不提 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 在专用测量系统方面 虚拟仪器的发展空间更为广阔 环顾当今社会 信息技术 的迅猛发展 各行各业无不转向智能化 自动化 集成化 无所不在的计算机应用为 虚拟仪器的推广提供了良好的基础 虚拟仪器的概念就是用专用的软硬件配合计算机 实现专有设备的功能 并使其自动化 智能化 因此 虚拟仪器适合于一切需要计算 机辅助进行数据存储 数据处理 数据传输的计量场合 测量与处理 结果与分析相 税节的面貌将大为改观 数据的拾取 存储 处理 分析一条龙操作 既有条不紊又 迅捷快速 推而广之 一切计量系统 只要技术上可行 都可用虚拟仪器代替 由此 可见虚拟仪器应用空间是多么的宽广 在自动控制和工业控制领域 虚拟仪器同样应用广泛 决大部分闭环控制系统要 长精确的采样 及时的数据处理和快速的数据传输 虚拟仪器系统恰恰符合上述特点 十分适合测控一体化的设计 尤其在制造业 虚拟仪器的卓越计算能力和巨大数据吞 生能力必将使其在温控系统 在线监测系统 电力仪表系统 流程控制系统等工控领 或发挥更大的作用 1 4 本课题研究意义 在声卡数据采集系统设计中 硬件解决信号的输人和输出 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 其中信号的输人部分一般使用数据 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44kH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 学院毕业设计 论文 11 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 美国NI公司的虚拟仪器软件LabV工EW作开发平台 设计实现了一种方便的 灵活性强 的虚拟示波器 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 虚拟示波器能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 基于声卡的数据采集 声卡输入信号的同时 还可同时显示 记录 采集 存储 处理等功能 对存储的曲线可通过 回放功能 显示在屏幕上 回放 过程可暂停 波形扫描 以便能更清楚地观察波形的变化 以便使用者能及时进行数据处理 观察 和分析实验结果 所以本课题具有一定的研究意义 1 5 本次设计的主要内容主要内容 本设计首先要进行声卡数据采集总体方案设计 由于技术条件有限 所以本次设计 采用单通道的数据采集方式 设计中应掌握虚拟仪器的软件编程环境LabVIEW的使用 熟悉声卡的使用 进行示波器硬件模块的设计 用图形化编程语言LabVIEW实现虚拟示 波器的声卡设置模块 核心是数据采集程序的实现 其中也包括数据存盘与重载 波 形显示及采样 信号分析与处理等几个环节 本设计各章的安排如下 第二章是基于声卡数据采集的总体设计方案 主要介绍以下几个方面的内容 声卡 和数据采集卡的选择 对其信号A D转换和分辨率做出了分析 第三章主要介绍了从数据采集角度认识声卡 声卡的工作原理 在硬件和软件方 面的实现 最后讲述了声卡主要技术参数的设置 第四章是本论文的关键部分 详细地介绍了声卡数据采集最核心的部分 数据采 集和数据采集卡 通过对数据采集功能模块的描述 说明了数据采集系统的构成 测 试与分析 最后通过LabVIEW程序来实现数据的采集 第五章主要介绍了波形的显示及采样 这章主要介绍了数据存盘与重载 波形输 入设备功能简介 采样试验等功能 第六章首先是对LabVIEW信号分析与处理函数功能作了初步的简介 主要是对采集 出来的声音信号噪音与波形的分析 最后运用LabVIEW程序编写了信号处理与分析的程 序框图 最后 对论文进行了总结 设计内容流程图为 基于声卡数据采集 的总体设计方案 第一章 绪论12 图1 3 设计内容流程图 Fig1 3 Design contents flow chart 声卡的 认识 数据采集 和数据采 集卡 波形显示及 采样 信号处理与 分析 程序的实现 第二章 基于声卡数据采集系统的总体设计方案13 第二章 基于声卡数据采集系统的总体设计方案 2 1 硬件的选择 目前的独立声卡或者板载声卡都包括有晶振 A D D A 转换芯片和数字信号处理 芯片及其它辅助电路 因此它可作为数据采集卡使用 现在的声卡一般都采用 PCI 接 口 完全满足最高 16bit 的采样精度 44 1kHz 的采样频率所需 705 6kb 的数据采集传 输率要求 而且 声卡是用 DMA 方式进行数据采传送的 这样就级大地降低 CPU 的 占有率 LabVIEW对声音采集的设置默认于其所处的操作系统 本文使用的是最普通的声卡 计算机配置为AMD2400 512M内存 板载C Media AC97声卡 对于高级的声卡采集信号 时 要注意关闭如混响之类的一些特效 避免影响测量结果的真实性 LabVIEW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 商用的数据采集卡虽具有较大的通用性 但其价格昂贵 在具体的应用场合 有 些功能可能并不实用 普通声卡 具有16位的量化精度 数据采集频率是44 kHz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普通商用数据采集卡 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 本文选用普通声卡作采集 卡大大降低了成本 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H 即采样频率来表示 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100kH的板卡才能完成最高频率为50kHz的被测信号的 侧量工作 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 2 2 软件的实现 第一章 绪论14 如图2 1所示 这个流程与一般数据采集卡并无多大差别 这也是本设计的最基本 的骨干 图 2 1 声卡数据采集流程图 Fig2 1 Audio card dates collect procedure flow chart 声卡数据采集虚拟示波器是采用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 GUI 来模仿示波器的操作面板 完成信号采集 调理 分析处理 和显示输出等功能 我所设计的虚拟示波器 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样实现之外 其它两部分都是由软件实现 总体设计方案软件方面的实现 图2 2 设计方案软件流程图 数据采集程序 模块 数据存盘程序模 块 信号和谱分析程 序模块 初 始 化 配 置 声 卡 采 样 释 放 声 卡 RI FF 波 形 块 格 式 子 块 数 据 子 块 信 号 采 集 存 储 时 域 图 实 显 示 加 窗 和 功 率 谱 分 析 学院毕业设计 论文 15 Fig Design project software flow chart 第三章 LabVIEW 编程环境介绍16 第三章 LabVIEW编程环境介绍 3 1 LabVIEW简介 LabVIEW是一种图形化的编程语言和开发环境 它广泛地被工业界和研究实验室所 接受 被公认为是标准的数据采集控制软件 不仅提供了与遵从GPIB VXI RS 232和 RS 485协议的硬件及数据采集卡通信的全部功能 还内置了支持TCP IP ActiveX等软 件标准的库函数 而且其图形化的编程界面使编程过程变得生动有趣 LabVIEW是一个 功能大而且灵活的软件 利用它可以很方便地建立自己的虚拟仪器 利用LabVIEW 可 以产生独立运行的可执行文件 LabVIEW是真正的32位编译器 像其他的软件一样 提 供了LabWindows Linux和Macintosh等多种版本 3 2 图形化的编程环境 3 2 1 G语语言言简简述述 LabVIEW是一种图形化的编程语言 G语言 与Visual C Visual Basic LabWindows CVI等编侧吾言不同 LabVIEW用图标 连线和框图代替传统的程序 代码 并且LabVIEW所运用的设备图标与科学家 工程师们常用的大部分图标基本一致 这使得编程过程和思维过程非常地相似 G语言是一种适合应用于任何编程任务 具有扩展函数库的编程语言 和Basic或C 语言一样 G语言定义了数据模型 结构类型和模块调用语法规则等编程语言的基本要 素 在功能完整和应用灵活上不逊于任何高级语言 同时G语言丰富的扩展函数库还为 用户编程提供了极大的方便 这些扩展函数库主要面向数据采集 GPIB和串行仪器控 制以及数据分析 数据显示和数据存储 G语言还包含常用的程序调试工具 比如允许 设置断点 单步调试 数据探针和动态显示执行流程等功能 G语言与传统编程语言最 大的差别在于编程方式 一般高级语言采用文本编程 而G语言采用图形化编程方式 G语言的典型代表LabVIEW是带有可扩展函数库和子程序库的通用程序设计系统 它提供了用于GPIB设备控制 VX工总线控制 串行口设备控制 数据分析 显示和存 储的应用程序模块