【正文】 控要求儀器不僅能夠單獨測量某個量，而且希望它們之 間能夠相互通信，實現(xiàn)信息的共享，完成對被測信號的綜合分析與評估。 LabVIEW。在硬件上 還提出以 PC 聲卡代替昂貴商用數(shù)據(jù)采集卡，大大降低了生產(chǎn)成本， 實現(xiàn)了基于 LabVIEW 的常用周期信號的單通道和雙通道模擬輸出，使設計具有廣闊的開發(fā)價值和應用前景?；?LabVIEW 的音頻信號發(fā)生器 的 虛擬 儀器 設計 摘 要 ： 隨著計算機與微電子技術的發(fā)展，出現(xiàn)了虛擬儀器。本設計正是順應儀器發(fā)展的趨勢， 利用圖形化編程軟件 LabVIEW 來實現(xiàn) 虛擬音頻 信號發(fā)生器 ， 真正做到 “軟件即硬件 ”。 audio signal generator。 1 1 緒論 課題背景 隨著現(xiàn)代科學技術的日新月異 ，測控儀器正經(jīng)歷著一場翻天覆地的變化。 PC、半導體和軟件功能的進一步更新 使得 未來虛擬儀器技術的發(fā)展將為測試系統(tǒng)的設計提供一個極佳的模式，并且在測量和控制方面都有無以倫比的強大功能和靈活性。此外，新型筆記本電腦又把虛擬儀器的便攜性和強大功能推向一個新的水平 ， 所有這些必將加快虛擬儀器的發(fā)展，使它的功能和應用領域不斷增強和擴大 ， 本文設計的虛擬音頻信號發(fā)生器正是在這個背景下確立的。 它的 測量儀器模式為：獨立的機箱， 面板 式操作按鍵和旋鈕， 測量結(jié)果的顯示方式以 指針、表頭或數(shù)碼管窗口等 為主 。這種概念的提出為測量與控制領域中技術的發(fā)展帶來了空間，在解決 上述 傳統(tǒng)儀器面臨的問題方面輕松自如，同時 也使進入信息時代的人們在測量觀念上產(chǎn)生了更多的新思想和新概念。用戶可根據(jù)實際測量需求，在基本不改變硬件的情況下，設計出自己所需要的測量系統(tǒng)，達到一機多用的功效。隨著計算機功能的日益強大以及其體積的日趨縮小，這類儀器功能也越來越強大，目前已經(jīng)出現(xiàn)含嵌入式系統(tǒng)的儀器。 虛擬儀器所用的硬件很有限，它的功能不是由多少臺實際存在的儀器來決定，而主要由用戶根據(jù)需要所設計的軟件決定的。 (3) 系統(tǒng)的開放性強。在節(jié)省了硬件環(huán)節(jié)的同時，也減少了測試系統(tǒng)的開發(fā)成本和維護成本，所以經(jīng)濟實用。最早和最具有影響力的開發(fā)軟件，是 NI 公司的 LabVIEW 軟件和 LabWindows/CVI 開發(fā)軟件。虛擬儀器 的開發(fā)廠家，為擴大虛擬儀器的功能，在測量結(jié)果的數(shù)據(jù)處理、表達 及其變換方面也做了很多工作，發(fā)布了各種軟件，建立了數(shù)據(jù)處理的高級分析庫和工具開發(fā)庫（例如測量結(jié)果的譜分析、快速傅里葉變換、各種數(shù)據(jù)濾波器、卷積處理和相關函數(shù)處理、微積分、峰值 、閾值檢測、波形發(fā)生、回歸分析、數(shù)值運算、時域和頻域分析等），使虛擬儀器發(fā)展可以組建極為復雜自動檢測系統(tǒng)的儀器系統(tǒng)。一臺發(fā)動機檢測完后，就可打印出完整的檢測報 告。 國內(nèi)專家預測 :未來幾年內(nèi)，我國將有 50%的儀器為虛擬儀器。 課題的意義 信號發(fā)生器是一種常用的信號源，是電子工程師在進行各種測試和診斷時必備的工具，廣泛應用于電子技術實驗、自動控制系統(tǒng)和科學研究等諸多領域。 音頻信號發(fā)生器作為信號發(fā)生器的一種 ， 具有很廣泛的應用 ， 可應用 于 聲學，振動，電信等領域作為信號激勵源，也適用于工廠生產(chǎn)車間進行音頻信號測試和揚聲器聽音測試及純音檢測。 虛擬儀器技術 的提出和飛快發(fā)展和傳統(tǒng)臺式音頻信號發(fā)生器表現(xiàn)出的弊端，使得虛擬音頻信號發(fā)生器 應運而生。 隨著 DSP技術的成熟，現(xiàn)在的 PC聲卡本身就是一個優(yōu)秀的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。 在聲卡性能越來越好，成本越來越低，普遍率越來越高的情況下，利用聲卡可在 音頻范圍內(nèi)代替專用的數(shù)據(jù)采集卡進行數(shù)據(jù)采集和輸出，不需要增加任何硬件就能使 5 計算機成為 音頻 信號發(fā)生器。 具體內(nèi)容分為幾個部分 ： (1) 學習 虛擬儀器 及 LabVIEW 語言 的有關知識； (2) 學習 常用 信號 生成 的基本 方法及信號波形的顯示 ； (3) 學習 聲卡的有關知識和 LabVIEW 的音頻處理模塊設置及運用 ； (4) 學習虛擬音頻信號發(fā)生器的相關調(diào)試； 具體 論文的結(jié)構如下 ： 第一章 緒論，簡要介紹 課題背景 ， 虛擬儀器的基 本概述 和 虛擬儀器的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及發(fā)展方向 。除此之外對系統(tǒng)所用硬件 —— 聲卡的工作原理，工作流程及各項指標做了介紹，為后面的編程奠定基礎 。 第六章 結(jié)論，主要是對本文所設計系統(tǒng) 進行總結(jié) 。 軟件 LabVIEW 概述 當今， C/C++、 VC、 VB 和美國國家儀器（ NI）公司的 LabVIEW 都可以作為虛擬儀器的軟件開發(fā)工具。它采用了簡單易用的圖形式開發(fā)環(huán)境和靈活強大的函數(shù)庫，為編程提供了一個直觀的環(huán)境，與測量硬件緊密結(jié)合，能讓工程師與科學家們迅速開發(fā)出有關數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析及顯示的解決方案。 LabVIEW 的基本編程單元是圖標，不同的圖標表示不同的功能模塊。 (2) 可重用性高。 LabVIEW 是一個帶有擴展功能庫和子程序庫的通用程序設計系統(tǒng)，提供數(shù)百種功能模塊（類似其他計算機語言的子程序或函數(shù)），包括算術運算、函數(shù)運算、信號采集、信號輸出、數(shù)據(jù)存取、信號分析處理、數(shù)據(jù)通 信等功能模塊，涵蓋了測試的各個環(huán)節(jié)，用戶通過拖放及簡單的連線，就 可以在極 短的時間內(nèi)設計好一個高效而使用的測試軟件，再配以 相 應的硬件就可以完成各 種測試任務。 (5) 網(wǎng)絡 功能強大。 由于 LabVIEW 虛擬儀器系統(tǒng)具有上述優(yōu)點，所以本設計將采用 LabVIEW 作為編程的開發(fā)平臺。用戶可以根據(jù)自己的需要在前面板上放置按鈕等控制模塊及顯示模塊 ， 如圖 21。 它和文本式開發(fā)平臺（如 VC++）中的 *.h、 *.cpp 等文件的作用是一樣的，只是 LabVIEW 流程圖的開發(fā)是圖形化的，更簡單、高效、直觀，如圖 22。 工具模板 （ Tools Palette） 工具模板如圖 23 所示，它為編程者提供了各種用于創(chuàng)建、 圖 23 工具模板 9 修改和調(diào)試 VI 程序的工具。使用它向數(shù)字或字符串控制中鍵入值時，工具會變成標簽工具的形狀。當創(chuàng)建自由標簽時它會變成相應形狀。 漫游工具：使用該工具就可以不需要使用滾動條而在窗口中漫游。 顏色提取工具：使用該工具來提取顏色用于編輯其他的對象。在這些頂層子模板中包含許多不同的控制或功能子模板。每個圖標代表一個子模板。 圖 24 控制 模板 10 以下介紹幾個常用的模板： 數(shù)值子模板：包含數(shù)值的控制和顯示。 修飾子模板：用于給前面板進行裝飾的各種圖形對象。若功能模板不出現(xiàn)，則可以用 Windows 菜單下的 Show Functions Palette 功能打開它，也可以在框圖程序窗口的空白處點擊鼠標右鍵以彈出功能模板。 數(shù)值運算子模板：包括各種常用的數(shù)值運算符，如 +、 等；以及各種常見的數(shù)值運算式，如 +1 運算；還包括數(shù)制轉(zhuǎn)換、三角函數(shù)、對數(shù)、 復數(shù)等運算，以 及各種數(shù)值常數(shù)。 群子模板：包括群的處理函數(shù)，以及群常數(shù)等。 信號處理子模板：包括信號發(fā)生 、時域及頻域分析功能模塊。 圖形與聲音子模板 ： 可顯示自定義圖象，輸入、輸出圖形文件的數(shù)據(jù)，也可播放聲音。計算機的 聲卡本身就是一個具有 A/D、 D/A的轉(zhuǎn)換裝置，本設計利用聲卡的 D/A功能，代替專用的數(shù)據(jù)采集卡在音頻范圍內(nèi)進行數(shù)據(jù)采樣和輸出，不需增加任何硬件就能使計算機成為信號發(fā)生器，具有成本低廉、兼容性好、靈活性強等特點。 聲卡主要技術指標 (1) 采樣位數(shù)：采樣位數(shù)可以理解為聲卡處理聲音的解析度。在當今的主流聲卡上，采樣頻率一般共分為8 KHz 、 、 ，少數(shù)可以達到 48 KHz 。 (4) 頻率范圍和頻率響應：前者是指音響系統(tǒng)能 夠回放的最低有效回放頻率與最高有效回放頻率之間的范圍。 波形發(fā)生部分方案設 計 在 LabVIEW 中產(chǎn)生一個仿真信號，相當于通過軟件實現(xiàn)了一個信號發(fā)生器的功能。 圖 34 表示了信號類型和信號發(fā)生器 VI 對應表。 然后設定信號的頻率、幅值、初始相角和 直流偏置，噪聲的均值、標準偏差等。 它決定了該 VI 每次運行的起點是從對話框的設定值開始，還是從該 VI 上一次運行結(jié)束點的狀態(tài)開始。 圖 38 仿真信號發(fā)生器 Simulate Signal . vi 端口圖 仿真信號發(fā)生器 Simulate Signal. vi 的使用還需要注意的是： a. 由于其本身只產(chǎn)生有限長度的信號 (數(shù)據(jù)量不大，持續(xù)時間很短 )，所以在應 用中一 般都是將其放置在循環(huán)中來產(chǎn)生比較長時間的信號； b. 用仿真信號發(fā)生器 Simulate Signal. vi 也可以產(chǎn)生單純的隨機噪聲。各端口的含義、設置 如圖 39， 這 和仿真信號發(fā)生器 Simulate Signal. vi 基本類似，只是設置的途徑略有不同。 其前面板和后面板如圖 310 和圖 311。 Formula Waveform. vi 給出了 6個自變量，用于描述公式。 21 聲音輸出部分 方案設計 (1) LabVIEW 有自帶的聲音輸出模塊， 它的調(diào)用路徑為 All Function/ Graphicsamp。所以，在程序中一旦對聲卡使用完畢，應立即釋放它。 聲卡播放數(shù)據(jù)的采樣速率有 8000Hz、 11025Hz、 22050Hz和 44100Hz,采樣 速率不同 輸出波形的質(zhì)量也不同，應視具體情況選擇合適的速率。 Waveform Chart (1) Waveform Chart 是逐點（或者一次多個點）顯示的實時趨勢圖控件，它 有 一個緩沖區(qū) ，長度可設置 ，有三種更新模式（ Strip Chart、 Scope Chart 、 Sweep Chart ）。 a. 將每條曲線的一個新數(shù)據(jù)點（數(shù)值類型）打包成簇，然后輸入到波 形 Chart 中，這時波形 Chart 將所有曲線同時推進一個點； b. 將每條曲線的一個數(shù)據(jù)點打包成簇，若干個這樣的簇作為元素構建數(shù) 組，再把數(shù)組傳送到波形 Chart 中。刻度同樣可 用標簽工具進行修改。Mapping 子菜單設定刻度的映射方式，有線性（ linear）關系和對數(shù)（ logarithmic）關系。 (2) 可繪制一條或多條曲線，數(shù)據(jù)組織 格式不同。游標圖例元素 包括 游標名稱 、 游標橫坐標、游標縱坐標 、移動控制按鈕、顯示控制按鈕、鎖定控制按鈕、游標移動器 。 26 4 音頻信號發(fā)生器系統(tǒng)的 設計與 結(jié)果顯示 音頻信號發(fā)生器 前面板的設計 (1) 五個輸入型數(shù)字控件，五個輸入型數(shù)字 控件提供使用者鍵入生成 四種 波的頻 率、幅值、相位、占空比。 (3) 一個指示型數(shù)字旋鈕控件，用于選擇四種不同的波形。本設計選用 Waveform Graph 顯示 ， 調(diào)用途徑 ControlsGraph indictorsWaveform Graph。 圖 43 單通道 音頻信號發(fā)生器前面板設 計 圖 44 雙通道 音頻信號發(fā)生器前面板設計 ON 28 音頻信號發(fā)生器流程圖設計 本程序的流程圖由電源及聲道控制、 聲音輸出 、 信號產(chǎn)生及顯示部分組成。 波形選擇用 case 結(jié)構，由數(shù)值型控件“波形選擇”作為控制條件，結(jié)構里放置仿真 信號發(fā)生器子程序。對于雙通道音頻信 號發(fā)生器需要加一個 case 結(jié)構選擇左右聲音通道，并分別用“ LEFT CHANNEL”和“ RIGHT CHANNEL” 對應的布爾控件 作為 case 結(jié)構的選擇條件 。 圖 48 雙通道音 頻信號 發(fā)生器 流程圖設計 31 圖 49 單通道 音頻信號發(fā)生器流程圖設計 音頻信號發(fā)生器 運行結(jié)果 顯示 單聲道 音頻信號發(fā)生器 運行結(jié)果 顯示 (1) 頻率 200Hz,振幅 1，相位 30，四種波形顯示（矩形波的占空比 50） ，如圖 410。 33 圖 412 雙通道音頻信號發(fā)生器左右聲道一起運行 圖 413 只運行左聲道的雙通道音頻信號發(fā)生器 圖 414 只運行右聲道的雙通道音 頻信號發(fā)生器 34 5 音頻信號發(fā)生器系統(tǒng)的調(diào)試和結(jié)果分析 利用雙聲道音頻信號發(fā)生器可以 兩個聲道 同時產(chǎn)生信號并發(fā)聲的特點，可以 為 波形 設置兩個不同的 頻率，幅值，相位 值使其分別在左右聲道運行，通過 對比 可以觀察出信號參數(shù)的變化對信號波形的影響。 由于本設計中聲卡采用的的采樣頻率為44100Hz， 所以 理論上 當 發(fā)生的信號頻率高于 22100Hz 就會有失真，但是實際中不可能實現(xiàn)理想采樣，故引起波形失真的信號最小頻率會低于 22100Hz。 使用 LabVIEW作為該類設計的開發(fā)平臺 , 不僅 使 我感到 它功能強大，函數(shù)庫豐富，提供了數(shù)百種功能模塊 ， 支持多種儀器和數(shù)采硬件的驅(qū)動 ，如本設計用到 的 PC聲卡 。 38 參考文獻