【正文】 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 1 頁(yè) 共 38 頁(yè) 1 引言 課題研究背景及意義 虛擬儀器技術(shù)是以各專(zhuān)業(yè)學(xué)科知識(shí)為應(yīng)用背景，以計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)為核心，把傳感器技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)、數(shù)值分析技術(shù)有效整合在一起的現(xiàn)代測(cè)試技術(shù) ,是目前自動(dòng)測(cè)試與電子測(cè)量?jī)x器技術(shù)發(fā)展的重要方向 [1,2]。它基于個(gè)人電腦的測(cè)控設(shè)備或系統(tǒng)，通常由計(jì)算機(jī)、測(cè)控電路模塊和專(zhuān)門(mén)應(yīng)用軟件組成，通過(guò)人機(jī)交互來(lái)完成對(duì)信號(hào)的采集、分析、處理和顯示。虛擬儀器具有性能高、功能強(qiáng)、操作方便、自動(dòng)化程度高、開(kāi)發(fā)周期短以及易于實(shí)現(xiàn)軟硬件的系統(tǒng)集成和構(gòu)建多用途的測(cè)控系統(tǒng)等優(yōu)點(diǎn) [3]。其主要任務(wù)是通過(guò)軟件將計(jì)算機(jī)硬件與儀器硬件有機(jī)結(jié)合一起，將以前需硬件實(shí)現(xiàn)的相關(guān)技術(shù)通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，完成對(duì)被測(cè)信號(hào)的采集、分析、處理、判斷及顯示等一系列功能。 由于 虛擬示波器擁有了靈活、迅速和低成本等優(yōu)點(diǎn)，使得它逐漸代替了傳統(tǒng)的臺(tái)式儀器 [4]。 20 世紀(jì) 70 年代，由于個(gè)人電腦技術(shù)的出現(xiàn)，人們開(kāi)始考慮用電腦來(lái)處理傳統(tǒng)儀器測(cè)試的數(shù)據(jù)； 20 世紀(jì) 80 年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，計(jì)算機(jī)主板上有了多個(gè)擴(kuò)展槽，并出現(xiàn)了插在計(jì)算機(jī)里的數(shù)據(jù)采集卡，這樣的系統(tǒng)已經(jīng)可以進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)采集工作，將采集到的數(shù)據(jù)直接由計(jì)算機(jī)軟 件進(jìn)行處理，這就是虛擬儀器技術(shù)的雛形 [5]。憑借電腦強(qiáng)大的運(yùn)算及分析能力，配合相關(guān)的硬件及軟件，組合成自己所需的各種儀器，對(duì)一些信號(hào) (如周期信號(hào) )進(jìn)行處理，這正是虛擬儀器的興起 [6]。虛擬示波器是虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用，它使用下位機(jī)采集現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)，通過(guò)接口電路傳輸數(shù)據(jù)到計(jì)算機(jī)，再借助強(qiáng)大的監(jiān)控軟件模擬示波器的操作面板，實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集、分析、處理、存儲(chǔ)、顯示、打印輸出等功能 [7,9]。 世界上第一塊聲卡 —— 魔音卡，是由創(chuàng)新公司董事長(zhǎng)沈望傅先生發(fā)明的。這只聲卡在當(dāng)時(shí)引起了一場(chǎng)轟動(dòng)。有的人認(rèn)為，這是一個(gè)很好的開(kāi)端，因?yàn)?PC 終于可以 “ 說(shuō)話(huà) ” 了，并聯(lián)想到將來(lái)多媒體 PC 的模樣 ； 但另有一些人卻認(rèn)為，這只是一場(chǎng)鬧劇 (因?yàn)楫?dāng)時(shí)的聲卡根本不能夠發(fā)出很真實(shí)的聲音 )。但是， 10 年過(guò)后，正如前者所預(yù)料的，多媒體 PC 成了現(xiàn)今的標(biāo)準(zhǔn)，每個(gè)人都能利用自己的 PC 來(lái)聽(tīng) CD、玩有聲游戲、通過(guò) Iphone 等網(wǎng)絡(luò)電話(huà)來(lái)交談，幾乎每一樣事情都和 PC 音頻發(fā)生關(guān)系?，F(xiàn)在看起來(lái)， PC 如果沒(méi)有了聲卡，也就沒(méi)有了繽紛多彩的多媒體世界 [10]。 聲卡是計(jì)算機(jī)與外部 環(huán)境聯(lián)系的重要途徑，作為數(shù)據(jù)采集卡來(lái)使用，聲卡可以采集音頻范圍內(nèi)的信號(hào)。麥克風(fēng)輸入的信號(hào)和喇叭輸出的信號(hào)都是模中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 2 頁(yè) 共 38 頁(yè) 擬 信號(hào)，而計(jì)算機(jī)所能識(shí)別和處理的信號(hào)都是數(shù)字信號(hào)，聲卡的作用之一就是實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換 [11]。聲卡的組成部分主要包括：聲音控制 /處理芯片，聲音輸入輸出端口和功放芯片等，其中集成了采樣保持、音效處理、 A/D 轉(zhuǎn)換、 D/A 轉(zhuǎn)換等電路的聲音控制 /處理芯片是聲卡的核心，它對(duì)聲卡的性能和檔次起到了決定的作用，具有聲波采樣處理 MIDI 指令和回放控制等基本功能，有些聲音控制 /處理芯片還加進(jìn)了合聲、混響、音場(chǎng)調(diào)整等功能 [12]。 目前，在多數(shù)院校的電子學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，常用的仍然是功能固定的臺(tái)式示波器。對(duì)于一所高等院校而言，臺(tái)式示波器成本很高，而且對(duì)于剛接觸的學(xué)生來(lái)講，既難以調(diào)試，又容易損壞，使用起來(lái)極其不方便 ,而虛擬示波器是利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的資源使本來(lái)需要硬件實(shí)現(xiàn)的技術(shù)軟件化，以便最大限度的降低系統(tǒng)成本，同時(shí)提高系統(tǒng)的靈活性 [13]。虛擬示波器具有如下優(yōu)點(diǎn)： (1)由于虛擬示波器的內(nèi)容豐富，人機(jī)界面好，可以減輕教師的教學(xué)負(fù)擔(dān)，加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解。 (2)提高實(shí)驗(yàn)效率，降低教學(xué)成本，參數(shù)輸入簡(jiǎn)便，結(jié)果顯示明確。(3)借助虛擬示波器把儀器與計(jì) 算機(jī)相連接，可以充分利用實(shí)驗(yàn)資源 [14]。示波器是科研機(jī)關(guān)、企業(yè)研發(fā)實(shí)驗(yàn)室、大專(zhuān)院所的必備測(cè)量設(shè)備，傳統(tǒng)示波器缺乏相應(yīng)的計(jì)算機(jī)接口配合數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理比較困難。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，虛擬儀器技術(shù)得到飛快發(fā)展，虛擬示波器系統(tǒng)也就應(yīng)運(yùn)而生 [15]。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 測(cè)試儀器已經(jīng)有很久的歷史，早些時(shí)候的一起都是完全的測(cè)試設(shè)備，比如EEG(electroencephalo graph 腦電圖描記器 )記錄系統(tǒng)和示波器，它們包括電源，傳感器，數(shù)字轉(zhuǎn)換和演示，需要人工的參數(shù)設(shè)置 [16]。然而隨著 虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展，采用“虛擬儀器”來(lái)取代傳統(tǒng)儀器的新的測(cè)控方法正在取代傳統(tǒng)的測(cè)控系統(tǒng)，即利用數(shù)據(jù)采集卡、信號(hào)調(diào)理卡或其他計(jì)算機(jī)外圍硬件進(jìn)行信號(hào)的采集與檢測(cè)。然后由計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的處理、計(jì)算和分析以及測(cè)試結(jié)果的顯示 [17]。 LabWindows/CVI 是基于標(biāo)準(zhǔn) C 語(yǔ)言的集成軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，其開(kāi)發(fā)虛擬儀器的步驟主要是先確定程序的基本框架，創(chuàng)建用戶(hù)界面，然后完成程序代碼的編寫(xiě)，最后創(chuàng)建工程文件，將程序文件、頭文件、用戶(hù)界面文件加入工程中，編譯調(diào)試生成可執(zhí)行文件。虛擬儀器在性能上更具有靈活性用戶(hù)可根據(jù)自身需要定 制儀器的功能充分體現(xiàn)了它的優(yōu)越性徹底打破了傳統(tǒng)儀器由廠(chǎng)家定義用戶(hù)無(wú)法改變的模式 [18,19]。 1986 年，美國(guó)國(guó)家儀器公司 (National Instruments Crop.)首先 提出 了 “軟件就是儀器”中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 3 頁(yè) 共 38 頁(yè) 的概念。將虛擬儀器應(yīng)用于教學(xué)和科研，已成為當(dāng)今的發(fā)展趨勢(shì)。在采樣頻率不是很高的情況下，基于計(jì)算機(jī)聲卡的虛擬示波器將更加便宜和靈活，可以利用聲卡進(jìn)行采樣和輸出 ,可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量，這一點(diǎn)在 LabVIEW(包括 LabWindows)上已經(jīng)實(shí)現(xiàn) [20]?；谟?jì)算機(jī)的虛擬設(shè)備已經(jīng)得到很大發(fā)展，在某些程度可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的儀器儀表測(cè)試。設(shè)備的各個(gè)部分既可以分開(kāi)工作，又可以協(xié)作，具有很大的靈活性?；诼暱ǖ奶摂M示波器 巧妙地利用電腦聲卡的 AD/DA 轉(zhuǎn)換電路，把電腦變成一臺(tái)集信號(hào)發(fā)生器、數(shù)字存儲(chǔ)示波器、頻率計(jì)、萬(wàn)用表等多種功能于一體的儀器。在音頻范圍內(nèi)完全可以替代上述各種測(cè)量?jī)x器，甚至功能更強(qiáng)大 [21,22]。 虛擬儀器產(chǎn)業(yè)在國(guó)內(nèi)的現(xiàn)狀和發(fā)展態(tài)勢(shì)不容樂(lè)觀(guān)。我國(guó)高檔臺(tái)式儀器如數(shù)字示波器主要依靠進(jìn)口，一方面這些儀器加工工藝復(fù)雜、制造水平要求高，生產(chǎn)突破有困難；另 一方面，用戶(hù)可以將一些先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理算法應(yīng)用于虛擬儀器的設(shè)計(jì)，提供傳統(tǒng)臺(tái)式儀器所不具備的功能，而且完全可以通過(guò)軟件配置實(shí)現(xiàn)多功能集成的儀器設(shè)計(jì) [23]。而且我國(guó)的計(jì)算機(jī)技術(shù)通信電子等產(chǎn)業(yè)的起步比較晚，相對(duì)滯后與歐美國(guó)家，因此我國(guó)對(duì)虛擬儀器的研究起步也比較晚，發(fā)展比較緩慢。一些高等院校和附屬高科技公司，在研究和開(kāi)發(fā)儀器產(chǎn)品和虛擬式儀器設(shè)計(jì)平臺(tái)以及引進(jìn)消化 NI 公司、 HP 公司的產(chǎn)品等方面做了一系列有益工作，取得了一批矚目的成果，部分院校的實(shí)驗(yàn)室引入了虛擬儀器系統(tǒng)，上海復(fù)旦大學(xué)、上海交通大學(xué)、廣州暨南大學(xué)、華中 理工大學(xué)、四川聯(lián)合大學(xué)等 [24]。近一、兩年來(lái)這些學(xué)校在原有的基礎(chǔ)上，又開(kāi)發(fā)了一批新的虛擬儀器系統(tǒng)用于教學(xué)和科研。其中，華中理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院工程測(cè)試實(shí)驗(yàn)室將其開(kāi)發(fā)成果在網(wǎng)上公開(kāi)展示。四川聯(lián)合大學(xué)的教師基于虛擬儀器的設(shè)計(jì)思想，研制了航空電臺(tái)二線(xiàn)綜合測(cè)試儀將 8 臺(tái)儀器集成于一體，組成虛擬儀器系統(tǒng)，使用方便、靈活。清華大學(xué)汽車(chē)系利用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)，用于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的出廠(chǎng)檢驗(yàn)。此外，國(guó)內(nèi)己有幾家企業(yè)在研制 PC 虛擬儀器，哈工大儀器王電子有限責(zé)任公司就是其中之一，它的產(chǎn)品已達(dá)到一定的批量。其主要產(chǎn)品有 數(shù)字存儲(chǔ)示波器系列、任意波形發(fā)生器及頻率計(jì)系列、多通道大容量波形記錄儀系列 [25,26]。 本文的主要研究?jī)?nèi)容 利用計(jì)算機(jī) 聲卡進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換 ， 將待 測(cè) 電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號(hào)，并在LabWindows/CVI下 設(shè)計(jì)可視化操作界面 ， 實(shí)時(shí)顯示采 集到的信號(hào)及經(jīng)頻譜分析后的曲線(xiàn)，并能對(duì)波形進(jìn)行控制。 利用 C 語(yǔ)言編寫(xiě)相應(yīng)的代碼，在 LabWindows/CVI 的環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 4 頁(yè) 共 38 頁(yè) 對(duì)聲卡采集 的信號(hào)進(jìn)行顯示、分析、存儲(chǔ)等， 實(shí)現(xiàn) 對(duì)外界數(shù)據(jù)的采集和處理 ，模擬傳統(tǒng)示波器的功能，完成基于聲卡的虛擬示波器設(shè)計(jì)。 主要章節(jié)安排 本說(shuō)明書(shū)主要包括以下幾個(gè)章節(jié)： 1)第一章為引言，主要介紹了 虛擬儀器（主要是虛擬示波器） 的產(chǎn)生的原因以及 國(guó)內(nèi)外發(fā)展情況的差距， 并 簡(jiǎn)單介紹了聲卡的由來(lái)， 最后 簡(jiǎn)要說(shuō)明 了 本次設(shè)計(jì)的 主要目的和要完成的 內(nèi)容。 2)第二章 介紹如何使用 LabWindows/CVI。 它作為一門(mén)通用測(cè)試系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具，已經(jīng)為很多工程師和科學(xué)家所接受。 所以， 通過(guò)描述它的使用方法，更容易了解所編程序的步驟和思路。 3)第三章為 虛擬示波器的模塊化設(shè)計(jì) 。這種 將每個(gè)主要的功能分成一個(gè)模塊 的方法，使得編程過(guò)程中條理清晰，易于發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，提高工作的效率 。其中包括：信號(hào)采集模塊、波形顯示模塊、頻譜分析模塊、波形調(diào)節(jié)模塊、信號(hào)存儲(chǔ)模塊等。 4)第四章 為實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證階段。利用臺(tái)式機(jī)進(jìn)行測(cè)試：利用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生信號(hào)，接入聲卡的 Line In 輸入端，并且將信號(hào)同時(shí)接到傳統(tǒng)數(shù)字存儲(chǔ)示波器，執(zhí)行程序，將電腦屏幕顯示的波形與示波器顯示波形進(jìn)行比對(duì)，以此判斷出本 測(cè)試系統(tǒng)的 精 度 。 本章小結(jié) 本章簡(jiǎn)單介紹了課題研究的 背景 和意義，并且對(duì) 聲卡的產(chǎn)生 歷史 、 虛擬示波器的 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 以及本次 課題的主要 研究 內(nèi)容和組成 也做了一些 介紹 。 下一章將對(duì) 應(yīng)用軟件LabWindows/CVI 進(jìn)行 簡(jiǎn)單的 描述 。 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 5 頁(yè) 共 38 頁(yè) 2 LabWindows/CVI 編程環(huán)境的介紹 LabWindows/CVI 簡(jiǎn)介 本次 畢業(yè)設(shè)計(jì)首 先要 了解 所用軟件 LabWindows/CVI 的具體用法，通過(guò)對(duì)工具的介紹 ，逐步過(guò)渡到設(shè)計(jì)的思路和具體實(shí)現(xiàn)辦法。 LabWindows/CVI 是 National Instruments 公司推出的一套面向測(cè)控領(lǐng)域的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái) ， 它以 ANSI C 為核心 ,將功能強(qiáng)大 ,使用靈活的 C語(yǔ)言平臺(tái)與數(shù)據(jù)采集 ,分析和表達(dá)的測(cè)控專(zhuān)業(yè)工具有機(jī)地接和起來(lái) .它的集成化開(kāi)發(fā)平臺(tái) ,交互式編程方法 ,豐富的控件和庫(kù)函數(shù)大大增強(qiáng)了 C語(yǔ)言的功能 ,為熟悉 C語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)人員建立檢測(cè)系統(tǒng) 、 自動(dòng)測(cè)量環(huán)境 、 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 、 過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)等提供了一個(gè)理想的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境 ，具有廣闊的開(kāi)發(fā)前景和市場(chǎng)價(jià)值，正是由于這些優(yōu)點(diǎn)，它早就已經(jīng)被許許多多的工程師和科學(xué)家所接受 和喜愛(ài) ，各種關(guān)于虛擬儀器開(kāi)發(fā)的報(bào)刊和書(shū)籍也蜂擁而至， 這 使得LabWindows/CVI 應(yīng)用越來(lái)越廣泛。 創(chuàng)建用戶(hù)界面 一個(gè)良好的交互界面能夠讓用戶(hù)對(duì)設(shè)計(jì)者開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)產(chǎn)生更大的興趣，提高工作和學(xué)習(xí)的效率，增加了一種美感，所以這對(duì)于開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)是必須關(guān)注的。 打開(kāi)軟件后， 會(huì)出現(xiàn)軟件的許多選項(xiàng)，比如：打開(kāi)、創(chuàng)建等。第一次使用時(shí)點(diǎn)擊 創(chuàng)建新的工程，點(diǎn)擊 NewProject，如圖 ， 下一次打開(kāi)進(jìn)入時(shí)可以直接進(jìn)入上次的工程，無(wú)需重新創(chuàng)建，就可繼續(xù)未完成的工作。 進(jìn)入后點(diǎn)擊 FileNewUser Interface(*.uir)… 創(chuàng)建一個(gè)用戶(hù)接口文件 (*.uir) ，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)默認(rèn)的面板， 如圖 ， 這樣可以在面板上添加所需部件了。 圖 創(chuàng)建工程 圖 創(chuàng)建界面 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 6 頁(yè) 共 38 頁(yè) 面板創(chuàng)建結(jié)束后，就 可以通過(guò)右鍵或者點(diǎn)擊工具欄的 Create 按鈕可以在面板上加入需要的控件，比如： Numeric， Text， Command Button 等，如圖 。根據(jù)個(gè)人的需要添加后，對(duì)控件的 Control 進(jìn)行修改（具體的修改方式由個(gè)人需要而定）。比如：修改 Graph 的橫縱坐標(biāo)，修改 Command Button 的標(biāo)簽，或者加入 Ring Dial 的索引等等，如圖 。 圖 添加控件 圖 對(duì)控件的 Control 進(jìn)行修改 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 7 頁(yè) 共 38 頁(yè) 添加相應(yīng)代碼 在這里可以很明顯的看出 LabWindows/CVI 的強(qiáng)大之處了。 這是由于：設(shè)置好界面后，利用 LabWindows/CVI 可以直接生成代碼框架，對(duì)于每個(gè) 填寫(xiě) Callback function 的控件都有生成的函數(shù)框架，另外還有主函數(shù)。 從用戶(hù)圖形界面窗口中選擇： CodeGenerateAll Code， 如圖 ， 并且會(huì)選擇需要程序停止時(shí)使用哪個(gè)控件，非常的方便和人性化 。 這個(gè)時(shí)候即使什么都不做了，程序會(huì)顯示設(shè)計(jì)好的界面，并且有停止按鈕，要想實(shí)現(xiàn)設(shè)定好的其他按鈕功能，比如：觸發(fā)，光標(biāo)定位等，就需要望函數(shù)中添加代碼。當(dāng)然，一個(gè)復(fù)雜的程序光有生成好的框架是不夠的，還需要 通過(guò)其他方式，比如多線(xiàn)程編寫(xiě)部分代碼，能夠使代碼簡(jiǎn)潔，執(zhí)行效率高，更有效利用內(nèi)存 。 我在程序中寫(xiě)了一些自己的函數(shù)，比如， int MyFunction(void *Data, int Resolution, int NumDataPerChannel, int