【正文】 得到飛快發(fā)展，虛擬示波器系統(tǒng)也就應(yīng)運而生[15]。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 測試儀器已經(jīng)有很久的歷史，早些時候的一起都是完全的測試設(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”來取代傳統(tǒng)儀器的新的測控方法正在取代傳統(tǒng)的測控系統(tǒng)，即利用數(shù)據(jù)采集卡、信號調(diào)理卡或其他計算機外圍硬件進行信號的采集與檢測。然后由計算機來實現(xiàn)對信號的處理、計算和分析以及測試結(jié)果的顯示[17]。LabWindows/CVI是基于標(biāo)準(zhǔn)C語言的集成軟件開發(fā)環(huán)境，其開發(fā)虛擬儀器的步驟主要是先確定程序的基本框架，創(chuàng)建用戶界面，然后完成程序代碼的編寫，最后創(chuàng)建工程文件，將程序文件、頭文件、用戶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)儀器由廠家定義用戶無法改變的模式[18,19]。1986年，美國國家儀器公司(National Instruments Crop.)首先提出了“軟件就是儀器”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。在采樣頻率不是很高的情況下，基于計算機聲卡的虛擬示波器將更加便宜和靈活，可以利用聲卡進行采樣和輸出,可以實現(xiàn)自動測量，這一點在LabVIEW(包括LabWindows)上已經(jīng)實現(xiàn)[20]?；谟嬎銠C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)的儀器儀表測試。設(shè)備的各個部分既可以分開工作，又可以協(xié)作，具有很大的靈活性。，把電腦變成一臺集信號發(fā)生器、數(shù)字存儲示波器、頻率計、萬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量儀器，甚至功能更強大[21,22]。虛擬儀器產(chǎn)業(yè)在國內(nèi)的現(xiàn)狀和發(fā)展態(tài)勢不容樂觀。我國高檔臺式儀器如數(shù)字示波器主要依靠進口，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，用戶可以將一些先進的數(shù)字信號處理算法應(yīng)用于虛擬儀器的設(shè)計，提供傳統(tǒng)臺式儀器所不具備的功能，而且完全可以通過軟件配置實現(xiàn)多功能集成的儀器設(shè)計[23]。而且我國的計算機技術(shù)通信電子等產(chǎn)業(yè)的起步比較晚，相對滯后與歐美國家，因此我國對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，在研究和開發(fā)儀器產(chǎn)品和虛擬式儀器設(shè)計平臺以及引進消化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，部分院校的實驗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、兩年來這些學(xué)校在原有的基礎(chǔ)上，又開發(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)機械學(xué)院工程測試實驗室將其開發(fā)成果在網(wǎng)上公開展示。四川聯(lián)合大學(xué)的教師基于虛擬儀器的設(shè)計思想，研制了航空電臺二線綜合測試儀將8臺儀器集成于一體，組成虛擬儀器系統(tǒng)，使用方便、靈活。清華大學(xué)汽車系利用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建的汽車發(fā)動機檢測系統(tǒng)，用于汽車發(fā)動機的出廠檢驗。此外，國內(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)品已達到一定的批量。其主要產(chǎn)品有數(shù)字存儲示波器系列、任意波形發(fā)生器及頻率計系列、多通道大容量波形記錄儀系列[25,26]。 本文的主要研究內(nèi)容利用計算機聲卡進行A/D轉(zhuǎn)換，將待測電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號，并在LabWindows/CVI下設(shè)計可視化操作界面，實時顯示采集到的信號及經(jīng)頻譜分析后的曲線，并能對波形進行控制。利用C語言編寫相應(yīng)的代碼，在LabWindows/CVI的環(huán)境下，實現(xiàn)對聲卡采集的信號進行顯示、分析、存儲等，實現(xiàn)對外界數(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。 主要章節(jié)安排本說明書主要包括以下幾個章節(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)生的原因以及國內(nèi)外發(fā)展情況的差距，并簡單介紹了聲卡的由來，最后簡要說明了本次設(shè)計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。它作為一門通用測試系統(tǒng)開發(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。這種將每個主要的功能分成一個模塊的方法，使得編程過程中條理清晰，易于發(fā)現(xiàn)錯誤，提高工作的效率。其中包括：信號采集模塊、波形顯示模塊、頻譜分析模塊、波形調(diào)節(jié)模塊、信號存儲模塊等。4)第四章為實驗驗證階段。利用臺式機進行測試：利用信號發(fā)生器產(chǎn)生信號，接入聲卡的Line In輸入端，并且將信號同時接到傳統(tǒng)數(shù)字存儲示波器，執(zhí)行程序，將電腦屏幕顯示的波形與示波器顯示波形進行比對，以此判斷出本測試系統(tǒng)的精度。 本章小結(jié)本章簡單介紹了課題研究的背景和意義，并且對聲卡的產(chǎn)生歷史、虛擬示波器的國內(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。下一章將對應(yīng)用軟件LabWindows/CVI進行簡單的描述。2 LabWindows/CVI編程環(huán)境的介紹 LabWindows/CVI簡介本次畢業(yè)設(shè)計首先要了解所用軟件LabWindows/CVI的具體用法，通過對工具的介紹，逐步過渡到設(shè)計的思路和具體實現(xiàn)辦法。LabWindows/CVI是National Instruments公司推出的一套面向測控領(lǐng)域的軟件開發(fā)平臺，它以ANSI C為核心,將功能強大,使用靈活的C語言平臺與數(shù)據(jù)采集,交互式編程方法,豐富的控件和庫函數(shù)大大增強了C語言的功能,為熟悉C語言的開發(fā)人員建立檢測系統(tǒng)、自動測量環(huán)境、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、過程監(jiān)控系統(tǒng)等提供了一個理想的軟件開發(fā)環(huán)境，具有廣闊的開發(fā)前景和市場價值，正是由于這些優(yōu)點，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，各種關(guān)于虛擬儀器開發(fā)的報刊和書籍也蜂擁而至，這使得LabWindows/CVI應(yīng)用越來越廣泛。 創(chuàng)建用戶界面一個良好的交互界面能夠讓用戶對設(shè)計者開發(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，所以這對于開發(fā)者來說是必須關(guān)注的。打開軟件后，會出現(xiàn)軟件的許多選項，比如：打開、創(chuàng)建等。第一次使用時點擊創(chuàng)建新的工程，點擊NewProject，下一次打開進入時可以直接進入上次的工程，無需重新創(chuàng)建，就可繼續(xù)未完成的工作。進入后點擊FileNewUser Interface(*.uir)…創(chuàng)建一個用戶接口文件(*.uir) ，會出現(xiàn)一個默認(rèn)的面板，這樣可以在面板上添加所需部件了。 創(chuàng)建工程 面板創(chuàng)建結(jié)束后，就可以通過右鍵或者點擊工具欄的Create按鈕可以在面板上加入需要的控件，比如：Numeric，Text，Command Button等。根據(jù)個人的需要添加后，對控件的Control進行修改（具體的修改方式由個人需要而定）。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。 對控件的Control進行修改 添加相應(yīng)代碼在這里可以很明顯的看出LabWindows/CVI的強大之處了。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，對于每個填寫Callback function的控件都有生成的函數(shù)框架，另外還有主函數(shù)。從用戶圖形界面窗口中選擇：CodeGenerateAll Code，并且會選擇需要程序停止時使用哪個控件，非常的方便和人性化。這個時候即使什么都不做了，程序會顯示設(shè)計好的界面，并且有停止按鈕，要想實現(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，一個復(fù)雜的程序光有生成好的框架是不夠的，還需要通過其他方式，比如多線程編寫部分代碼，能夠使代碼簡潔，執(zhí)行效率高，更有效利用內(nèi)存。我在程序中寫了一些自己的函數(shù)，比如，int MyFunction(void *Data, int Resolution, int NumDataPerChannel, int Stereo)等等。點擊RunDebug就可以執(zhí)行程序，如果程序正確無誤，就會成功的執(zhí)行。 生成代碼 執(zhí)行程序 本章小結(jié)本章首先簡單介紹了設(shè)計軟件的環(huán)境LabWindows/CVI。先簡單描述下它的功能，這也就是為什么選擇這款軟件的主要原因之一；接下來簡單描述進行虛擬儀器設(shè)計的一般步驟：設(shè)計面板，生成并添加代碼，執(zhí)行程序。3 虛擬示波器的模塊化設(shè)計示波器是生產(chǎn)實踐和科學(xué)實驗等常用的儀器之一，具有不可替代的作用。但是傳統(tǒng)示波器外形笨重，對使用者要求較高，而且生產(chǎn)傳統(tǒng)的臺式示波器工藝復(fù)雜、技術(shù)要求比較高、生產(chǎn)成本大，不可能全面推廣到各個科研和學(xué)習(xí)場所中，這就使得虛擬示波器應(yīng)運而生，虛擬示波器相對傳統(tǒng)示波器有很多的優(yōu)點。本文所設(shè)計的是基于聲卡的虛擬示波器，是在LabWindows/CVI 2009平臺下實現(xiàn)的，聲卡是一個非常優(yōu)秀的音頻信號采集系統(tǒng)，技術(shù)已經(jīng)非常的成熟，其數(shù)字信號處理器包括模數(shù)變換器ADC(Analogue Digital Converter)和數(shù)模變換器DAC(Digital Analogue Converter)，本文只用到ADC，用于采集音頻信號。在前人的基礎(chǔ)上，利用前輩們設(shè)計好的聲卡驅(qū)動，實現(xiàn)信號的采集和一系列的功能。由于作者的能力有限，只能實現(xiàn)傳統(tǒng)示波器的基本功能，但對于基本信號的測量和觀測，已經(jīng)能夠滿足普通教學(xué)的需要，能為許多需要它的地方節(jié)省開支和資源。為了方便設(shè)計和其他需要的朋友閱讀，我采取了模塊化設(shè)計的方法，其中包括信號采集模塊、波形顯示模塊、頻譜分析模塊、波形調(diào)節(jié)模塊、信號存儲模塊以及其他功能模塊等。 傳統(tǒng)儀器和虛擬儀器對比 信號采集模塊本文的題目是基于聲卡的虛擬示波器，顧名思義，是在聲卡的基礎(chǔ)上設(shè)計的虛擬示波器，而不是常用的數(shù)據(jù)采集卡（DAQ），自然不能直接運用LabWindows/CVI的函數(shù)庫來實現(xiàn)。信號的是從聲卡輸入端接入的，而官方又沒有提供相應(yīng)的驅(qū)動，所以借用了參考書驅(qū)動聲卡的方法[28]。聲卡的輸入端口有兩個：分別是Line in端口和Mic in端口。Line in端口也就是線形輸入接口，將品質(zhì)較好的聲音、音樂信號輸入；Mic in端口用于連接麥克風(fēng)（話筒），也就是錄制聲音。但是我們這里只能用Line in，這是由于Mic in具有放大作用，在聲卡的前置放大器中將信號放