【正文】 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(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”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。，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。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，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)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?jī)?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。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,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)建用戶界面一個(gè)良好的交互界面能夠讓用戶對(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，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)用戶接口文件(*.uir) ，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)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(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。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。 對(duì)控件的Control進(jìn)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(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)。從用戶圖形界面窗口中選擇：CodeGenerateAll Code，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 Stereo)等等。點(diǎn)擊RunDebug就可以執(zhí)行程序，如果程序正確無(wú)誤，就會(huì)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(jiǎn)單介紹了設(shè)計(jì)軟件的環(huán)境LabWindows/CVI。先簡(jiǎn)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(lái)簡(jiǎn)單描述進(jìn)行虛擬儀器設(shè)計(jì)的一般步驟：設(shè)計(jì)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(jì)示波器是生產(chǎn)實(shí)踐和科學(xué)實(shí)驗(yàn)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(duì)使用者要求較高，而且生產(chǎn)傳統(tǒng)的臺(tái)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(gè)科研和學(xué)習(xí)場(chǎng)所中，這就使得虛擬示波器應(yīng)運(yùn)而生，虛擬示波器相對(duì)傳統(tǒng)示波器有很多的優(yōu)點(diǎn)。本文所設(shè)計(jì)的是基于聲卡的虛擬示波器，是在LabWindows/CVI 2009平臺(tái)下實(shí)現(xiàn)的，聲卡是一個(gè)非常優(yōu)秀的音頻信號(hào)采集系統(tǒng)，技術(shù)已經(jīng)非常的成熟，其數(shù)字信號(hào)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(hào)。在前人的基礎(chǔ)上，利用前輩們?cè)O(shè)計(jì)好的聲卡驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集和一系列的功能。由于作者的能力有限，只能實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)示波器的基本功能，但對(duì)于基本信號(hào)的測(cè)量和觀測(cè)，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(kāi)支和資源。為了方便設(shè)計(jì)和其他需要的朋友閱讀，我采取了模塊化設(shè)計(jì)的方法，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)模塊以及其他功能模塊等。 傳統(tǒng)儀器和虛擬儀器對(duì)比 信號(hào)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(jì)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(yùn)用LabWindows/CVI的函數(shù)庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。信號(hào)的是從聲卡輸入端接入的，而官方又沒(méi)有提供相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)，所以借用了參考書(shū)驅(qū)動(dòng)聲卡的方法[28]。聲卡的輸入端口有兩個(gè)：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(lè)信號(hào)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(hào)放大了