【正文】 .................. 17 第 3 章 聲卡原理及其接口函數(shù) ............................................................ 19 聲卡原理 ........................................................................................ 19 聲卡兩大基本功能簡(jiǎn)介 ........................................................ 19 聲卡的工作過(guò)程 .................................................................... 19 聲卡的技術(shù)參數(shù)及接口函數(shù) ........................................................ 21 聲卡的技術(shù)參數(shù) .................................................................... 21 聲卡主要函數(shù)操作 ................................................................ 22 本章小結(jié) ........................................................................................ 23 第 4 章 虛擬儀器的模塊化設(shè)計(jì) ............................................................ 25 聲卡設(shè)置模塊 ................................................................................ 25 時(shí)域顯示模塊 ................................................................................ 27 頻域顯示模塊 ................................................................................ 27 相位測(cè)量模塊 ................................................................................ 29 頻率測(cè)量模塊 ................................................................................ 31 本章小結(jié) ........................................................................................ 31 結(jié) 論 .......................................................................................................... 33 參考文獻(xiàn) .................................................................................................... 35 附錄 1 開(kāi)題報(bào)告 ..................................................................................... 37 附錄 2 文獻(xiàn)綜述 ..................................................................................... 43 附錄 3 英文翻譯 ..................................................................................... 47 致謝 ............................................................................................................ 65 第１章 緒論 1 第 1 章 緒論 課題背景 現(xiàn)代科技發(fā)展日新月異，計(jì)算機(jī)尤其如此。計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的處理能力，使得它成為一種很好的工具，其應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣泛。雖然傳統(tǒng)儀器已經(jīng)得到迅猛的發(fā)展，儀器精度越來(lái)越高，功能越來(lái)越強(qiáng)，性能越來(lái)越好，但傳統(tǒng)儀器基本上沒(méi)有擺脫單獨(dú)使用手動(dòng)操作的模式。在工業(yè)自動(dòng)化測(cè)試及測(cè)量領(lǐng)域，傳統(tǒng)的方法有許多重復(fù)建設(shè)，使用起來(lái)很不方便，其局限性非常明顯，顯然己經(jīng)不能適應(yīng)時(shí)代發(fā)展的需要了。傳統(tǒng)臺(tái)式儀器是由廠家設(shè)計(jì)并定義好功能的一個(gè)封閉 結(jié)構(gòu)，它有固定的輸人 /輸出接口和儀器操作面板。每種儀器只能實(shí)現(xiàn)一類特定的測(cè)量功能，并以確定的方式提供給用戶。常用的數(shù)字示波器、數(shù)字萬(wàn)用表、信號(hào)發(fā)生器、數(shù)據(jù)記錄儀以及溫度和壓力監(jiān)控器就是傳統(tǒng)儀器的代表。 一方面，目前我國(guó)高檔臺(tái)式儀器如數(shù)字示波器、頻譜分析儀、邏輯分析儀等還主要依賴進(jìn)口，這些儀器加工工藝復(fù)雜、對(duì)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)。因此，目前研制一種結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)單、操作方便、生產(chǎn)技術(shù)要求不高、費(fèi)用低的數(shù)字示波器是非常必要的。如何利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)提高效率則成為測(cè)量領(lǐng)域迫切需要解決的問(wèn)題 ]1[ 。 虛擬儀器概述 被測(cè)對(duì)象信號(hào)調(diào)理數(shù)據(jù)采集卡數(shù)據(jù)處理虛 擬 儀 器 面 板 圖 11常見(jiàn)的虛擬儀器組建方案 虛擬儀器 (virtual instrument)是基于計(jì)算機(jī)的儀器。計(jì)算機(jī)和儀器的密切結(jié)合是目前儀器發(fā)展的一個(gè)重要方向。粗略地說(shuō)這種結(jié)合有兩種方式，一種是將計(jì)算機(jī)裝入儀器，其典型的例子就是所謂智能化的儀器。隨著計(jì)算燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 機(jī) 功能的日益強(qiáng)大以及其體積的日趨縮小，這類儀器功能也越來(lái)越強(qiáng)大，目前已經(jīng)出現(xiàn)含嵌入式系統(tǒng)的儀器。另一種方式是將儀器裝人計(jì)算機(jī)。以通用的計(jì)算機(jī)硬件及操作系統(tǒng)為依托，如圖 11 所示。 虛擬儀器的主要特點(diǎn)有： (1)盡可能采用了通用的硬件，各種儀器的差異主要是軟件。 (2)可充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的能力，有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，可以創(chuàng)造出功強(qiáng)的儀器。 (3)用戶可以根據(jù)自己的需要定義和制造各種儀器。 虛擬儀器實(shí)際上是一個(gè)按照儀器需求組織的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。虛擬儀器的研究中涉及的基礎(chǔ)理論主要有計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集和數(shù)字信號(hào)處理。目前在這 一領(lǐng)域內(nèi)，使用較為廣泛的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言是美國(guó) NI 公司的 LabVIEW，以及 MATLAB， C++builder 等語(yǔ)言。其中 MATLAB 以其簡(jiǎn)明的程序化語(yǔ)言和圖像化接口給廣大科技工作者帶來(lái)了巨大的方便。 虛擬儀器技術(shù)指在包含數(shù)據(jù)采集設(shè)備的通用計(jì)算機(jī)平臺(tái)上，根據(jù)需求可以高效率地構(gòu)建形形色色的測(cè)量系統(tǒng)。對(duì)大多數(shù)用戶而言，主要的工作變成了軟件設(shè)計(jì)。虛擬儀器技術(shù)突破了傳統(tǒng)儀器的局限，可以將許多信號(hào)處理的方法方便地應(yīng)用于軍事、航空、航天、等領(lǐng)域和科研院所，現(xiàn)在已經(jīng)越來(lái)越多地出現(xiàn)在工廠及其他的民用場(chǎng)合 ]2[ 。 虛擬儀器的產(chǎn)生 虛擬儀器技術(shù)是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和儀器系統(tǒng)相結(jié)合的產(chǎn)物，是當(dāng)今計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試領(lǐng)域的一項(xiàng)重要技術(shù)。它推動(dòng)著傳統(tǒng)儀器朝著數(shù)字化、智能化、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。電子測(cè)量?jī)x器發(fā)展至今，大體上可以分為四代：模擬儀器、數(shù)字化儀器、智能儀器和虛擬儀器 ]3[ 。第四代虛擬儀器，它是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和測(cè)量技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是傳統(tǒng)儀器觀念的一次巨大變革，是將來(lái)儀器產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要方向。 虛擬儀器 (Virtual Instrument，簡(jiǎn)稱 VI)的概念，是美國(guó)國(guó)家儀器公司(National Instruments Corp 簡(jiǎn)稱 NI)于 1986 年提出的。 NI 公司時(shí)也提出了“軟件即儀器”的口號(hào)，徹底打破了傳統(tǒng)儀器只能由廠家定義，用戶無(wú)法改變的局面，從而引起了儀器和自動(dòng)化工業(yè)的一場(chǎng)革命。隨著現(xiàn)代軟件和硬件技術(shù)的飛速發(fā)展，儀器的智能化和虛擬化已經(jīng)成為各級(jí)實(shí)驗(yàn)室以及研究結(jié)構(gòu)發(fā)展的方向。虛擬儀器，它既具有傳統(tǒng)儀器的功能，又有別于其他傳統(tǒng)儀器。它能夠充分利用和發(fā)揮現(xiàn)有計(jì)算機(jī)的先進(jìn)技術(shù)，使儀器的測(cè)試和測(cè)第１章 緒論 3 量及自動(dòng)化工業(yè)的系統(tǒng)測(cè)試和監(jiān)控變得異常方便和快 捷。 虛擬儀器的概念 虛擬儀器是利用 PC 計(jì)算機(jī)顯示器的顯示功能模擬傳統(tǒng)儀器的功能面板，以多種形式表達(dá)輸出檢測(cè)結(jié)果，利用 PC 計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的軟件功能實(shí)現(xiàn)信號(hào)數(shù)據(jù)的運(yùn)算、分析、處理，由 I/O 接口設(shè)備完成信號(hào)的采集、測(cè)量和調(diào)理，從而完成各種測(cè)試功能的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng) ]4[ 。虛擬儀器以透明的方式，通過(guò)軟件對(duì)數(shù)據(jù)的分析處理、表達(dá)以及圖形化用戶接口，把計(jì)算機(jī)資源 (如微處理器、顯示器等 )和儀器硬件 (如 A/D、 D/A、數(shù)字 I/O、定時(shí)器、信號(hào)調(diào)理等 )的測(cè)量能力、控制能力結(jié)合 在一起。虛擬儀器突破了傳統(tǒng)儀器以硬件為主體的模式，實(shí)際上使用者是在操作具有測(cè)試軟件的電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行測(cè)量，猶如操作一臺(tái)虛設(shè)的電子儀器。 虛擬儀器技術(shù)的實(shí)質(zhì)是充分利用最新的計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)和擴(kuò)展傳統(tǒng)儀器的功能。虛擬儀器是基于計(jì)算機(jī)的儀器 ]5[ 。軟件是虛擬儀器的關(guān)鍵，當(dāng)基本硬件確定以后，就可以通過(guò)不同的軟件實(shí)現(xiàn)不同的功能。用戶可以根據(jù)自己的需要，設(shè)計(jì)自己的儀器系統(tǒng)，滿足多種多樣的應(yīng)用要求。利用計(jì)算機(jī)豐富的軟、硬件資源，可以大大突破傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)的分析、處理、表達(dá)、傳遞、儲(chǔ)存 等方面的限制，達(dá)到傳統(tǒng)儀器無(wú)法比擬的效果。 虛擬儀器的構(gòu)成 用 戶 應(yīng) 用 程 序計(jì) 算 機(jī)測(cè) 控 對(duì) 象 數(shù) 據(jù) 采 集 硬 件 圖 12 虛擬儀器結(jié)構(gòu)示意圖 虛擬儀器包括硬件和軟件兩個(gè)基本要素 ]6[ ，如圖 12 所示。硬件部分包括通用計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)采集硬件，其功能是獲取被測(cè)的物理信號(hào)，提供信號(hào)傳輸?shù)耐ǖ溃卉浖糠质沁\(yùn)行在計(jì)算機(jī)上的應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、分析、處理和結(jié)果顯示等功能。它們作為一個(gè)整體，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)儀器的功能，燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 如圖 12 所示。 虛擬儀器的優(yōu)點(diǎn) 一 臺(tái)性能優(yōu)良的虛擬儀器不僅可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)儀器的大部分功能，而且在許多方面有傳統(tǒng)儀器無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn) ]7[ ]8[ ，如使用靈活方便、功能豐富、價(jià)格低廉、可一機(jī)多用、可重復(fù)開(kāi)發(fā)等。與傳統(tǒng)儀器相比虛擬儀器主要有以下優(yōu)點(diǎn)： (1)融合了計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的硬件資源，突破了傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、顯示、存儲(chǔ)等方面的限制，大大增強(qiáng)了傳統(tǒng)儀器的功能。而且高性能處理器、高分辨率顯示器、大容量硬盤等已成為虛擬儀器的標(biāo)準(zhǔn)配置。 (2)利用了計(jì)算機(jī)豐富的軟件資源，一方面 ，實(shí)現(xiàn)了部分儀器硬件的軟件化，節(jié)省了物質(zhì)資源，增加了系統(tǒng)的靈活性，通過(guò)軟件技術(shù)和相應(yīng)的數(shù)值算法，實(shí)時(shí)、直接地對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行各種分析與處理；另一方面，通過(guò)圖形用戶界面 (Graph User Interface)技術(shù)，真正做到界面友好、人機(jī)交互。 (3)基于計(jì)算機(jī)總線和模塊化儀器總線，使儀器的硬件實(shí)現(xiàn)了模塊化、系列化，大大縮小了系統(tǒng)的尺寸，可方便地構(gòu)建模塊化儀器。 表 11 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器比較 虛擬儀器 傳統(tǒng)儀器 價(jià)格低廉，可復(fù)用與可重配置性強(qiáng) 價(jià)格較貴，儀器間一般無(wú)法互用 開(kāi)放性、靈活、可與計(jì)算機(jī)技術(shù)保持同步發(fā)展 封閉，儀器之間配合較慢 用戶能夠自定義儀器功能 只有廠家才能定義 能與周圍設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)連接 功能單一只能連接有限的獨(dú)立設(shè)備 核心是軟件 核心是硬件 開(kāi)發(fā)維護(hù)費(fèi)用低 開(kāi)發(fā)維護(hù)費(fèi)昂貴 技術(shù)更新周期短 更新周期長(zhǎng) (4)基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和接口技術(shù)，使 VI 系統(tǒng)具有方便、靈活的互聯(lián)能力，廣泛支持諸如 CAN, Field Bus, PROFIBUS 等各種工業(yè)總線標(biāo)準(zhǔn)。因此，利用 VI 技術(shù)可方便地構(gòu)建自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)測(cè)量、控制過(guò)程的網(wǎng)絡(luò)化。 (5)基于計(jì)算機(jī)的開(kāi)放式 標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)。虛擬儀器的硬、軟件都具有開(kāi)放性、模塊化、可重復(fù)使用及互換性等特點(diǎn)。因此，用戶可根據(jù)自己的需第１章 緒論 5 要，選用不同廠家的產(chǎn)品，使儀器系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)更為靈活、效率更高，縮短了系統(tǒng)組建和維護(hù)時(shí)間。虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較如表 11 所示。 虛擬儀器的發(fā)展 國(guó)外虛擬儀器的發(fā)展及其現(xiàn)狀 虛擬儀器技術(shù)目前在國(guó)外發(fā)展很快，以美國(guó)國(guó)家儀器公司 (NI 公司 )為代表的一批廠商已經(jīng)在市場(chǎng)上推出了基于虛擬儀器技術(shù)而設(shè)計(jì)的商品化儀器產(chǎn)品。在美國(guó)虛擬儀器系統(tǒng)及其圖形編程語(yǔ)言，已作為各大學(xué)理工科學(xué)生的一門必修課程。虛擬儀 器的概念使得現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和測(cè)量技術(shù)達(dá)到了前所未有的緊密結(jié)合，進(jìn)而引發(fā)了傳統(tǒng)儀器觀念的一次巨大變革 ]9[ 。 虛擬儀器應(yīng)用越來(lái)越普及 ,虛擬儀器技術(shù)目前逐漸應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)。雅典國(guó)立技術(shù)大