【正文】 ) Waveform Graph 一次性等時(shí)間間隔地顯示數(shù)據(jù)點(diǎn)，可以顯示以前的所有數(shù) 據(jù) ,每一時(shí)刻只有一個(gè)數(shù)據(jù)值，類似單值函數(shù)。 圖 321 前面板和后面板 比較三種圖形顯示方式后，本設(shè)計(jì)采用 Waveform Graph 控件顯示圖形。 圖 41 波形選擇控件設(shè)置 (4) 一個(gè)輸出圖形顯示控件，用來顯示輸出的四種波形 如圖 42。 圖 46 聲 音 輸出模塊及有關(guān)控件端口參數(shù) 29 (3) 信號(hào)發(fā)生模塊 信號(hào)產(chǎn)生部分采用上面分析的 Express Ⅵ仿真信號(hào)發(fā)生器 Simulate Signal. vi，其中參數(shù)設(shè)置框中的采樣頻率應(yīng)設(shè)為 ,與聲卡保持一致。 圖 48， 49 分別為 雙通道，單通道 音頻信號(hào)發(fā)生器流程圖設(shè)計(jì)。工程上的采樣頻率一般為奈奎斯特采樣頻率的 2—3 倍。 在本次系統(tǒng)的開發(fā)過程中我充分感到了它的上述優(yōu)勢(shì)，圖形化界面，使我 可以發(fā)揮自己的想象設(shè)計(jì)界面； 利用 PC聲卡進(jìn)行采樣和輸出 可以不受實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所的限制，隨時(shí)開始投入工作， 且 節(jié)約了實(shí)驗(yàn)室設(shè)備 經(jīng)費(fèi) ； 這些都 使我對(duì)自主學(xué)習(xí)，自主 創(chuàng)新 設(shè)計(jì)電子系統(tǒng)產(chǎn)生了濃厚的興趣。當(dāng)輸入信號(hào)的頻率大于 22100 Hz（左、右聲道輸入頻率分別為 500 Hz、 22500 Hz）時(shí)，會(huì)出現(xiàn)如圖417 的錯(cuò)誤提示框。 圖 410 單聲道音頻信號(hào)發(fā)生器四種波形顯示 (2) 不同 輸入 參數(shù)的波形運(yùn)行結(jié)果顯示 按照表 41 中的所給的值設(shè)置發(fā)生器的各輸入?yún)?shù)，其結(jié)果顯示如圖 411。 由于16 位為聲卡把音頻信號(hào)的大小分為 65536（ 216） 個(gè)等級(jí)，程序中為了當(dāng)幅值設(shè)置為1V 時(shí) ,達(dá)到 16 位樣本最大值在幅值前乘以 32767（ 65536/21）。 圖 42 圖形顯示 模塊 power 27 (5) 上面只說明了音頻信號(hào)發(fā)生器單通道前面板的設(shè)計(jì)，雙通道與其方法一致， 只是多了聲音通道選擇控件。調(diào)用途徑 ControlsNumericDigital Control。 當(dāng) 繪制單曲線時(shí)，可接受兩種數(shù)據(jù)格式 ： a. 連接一維數(shù)組 ； b. 連接簇?cái)?shù)據(jù)類型 。右擊 Waveform Chart，選擇 Y Scale → Formatting，可設(shè)置數(shù)據(jù)的格式和精度。 (2) 當(dāng) 繪制單曲線時(shí) 可接受兩種數(shù)據(jù)格式，分別是標(biāo)量數(shù)據(jù)和數(shù)組。 SO Config. vi 和 SO Start. vi 分別用于配置和開啟聲卡， SO Clear. vi 用于釋放已經(jīng)打開的聲卡。這 6 個(gè)自變量含義及其設(shè)定方法如 圖 312 所示。需要指出的是本 VI 能夠附加的噪聲信號(hào)只有高斯白噪聲一種。在實(shí)際應(yīng)用中用其默認(rèn)值 (連續(xù)產(chǎn)生信號(hào) )的機(jī)會(huì)還是比較多，在這種情況下，我們利用循環(huán)就能夠產(chǎn)生一個(gè)連續(xù)的波形，而不至于在每次循環(huán)的開始時(shí)間點(diǎn)上出現(xiàn)一個(gè)波形跳變。 圖 34 信號(hào)類型和信號(hào)發(fā)生器 VI 對(duì)應(yīng)表 仿真信號(hào)發(fā)生器 Simulate Signal. vi 仿真信號(hào)發(fā)生器 Simulate Signal. vi 能夠產(chǎn)生單一的周期信號(hào)和單一的隨機(jī)信號(hào)(噪聲 )信號(hào)相加的波形。聲卡輸出信號(hào)的頻率范圍與聲卡的型號(hào)有關(guān)，其頻率一般在 1Hz20KHz之間。這個(gè)數(shù)值越大，解析度越高，錄制和回放的聲音就越真實(shí)。 報(bào)表生成子模板 ： 創(chuàng)建或操作 LabVIEW 報(bào)表文件。這里的群相當(dāng)于 C 語(yǔ)言中的結(jié)構(gòu)。 (注：只有打開了框圖程序窗口，才能出現(xiàn)功能模板。 布爾值子模塊：邏輯數(shù)值的控制和顯示。通過這些控制或功能子模板可以找到創(chuàng)建 程序所需的面板對(duì)象和框圖對(duì)象。 斷點(diǎn)工具：使用該工具在 VI 的框圖對(duì)象上設(shè)置斷點(diǎn)。 選擇工具：用于選擇、移動(dòng)或改變對(duì)象的大小。 8 圖 21 LabVIEW 前面板 圖 22 LabVIEW 流程圖 LabVIEW 模板分析 LabVIEW 是一種圖形化設(shè)計(jì)語(yǔ)言，在一 個(gè)虛擬儀器 VI 的開發(fā)過程中，主要利用模板創(chuàng)建和運(yùn)行程序。 LabVIEW 的結(jié)構(gòu) 所有的 LabVIEW 程序，即虛擬儀器 （ VIs） ,都包括前面板（ Front Panel） 和程序流程圖（ Block Diagram） 兩部分。這樣既節(jié)約了時(shí)間，又可提高測(cè)試的可控制性及測(cè)試速度 。用 LabVIEW 編寫程序的過程也就是多個(gè)圖標(biāo)用 線 連起來的過程，連線表示功能模塊之間存在數(shù)據(jù)的傳遞。其中 C/C++、 VC、 VB 等傳統(tǒng)軟件開發(fā)平臺(tái)為眾多編程人員所熟悉， 可以用來開發(fā)測(cè)試軟件，但這種開發(fā)方式對(duì)測(cè)試人員要求很高，需要自己將各種數(shù)據(jù)處理方法用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，還要對(duì)用于數(shù)據(jù)通信的各種連接總線（如RS23 GPIB、 USB 等）非常熟悉，絕大多數(shù)測(cè)試工程人員難以做到，或者需要花費(fèi)大量的時(shí)間來研究，而懂得這些編程方法的人員又不一定懂得測(cè)試，因此用這種平臺(tái)開發(fā)測(cè)試工程軟件難度大、周期長(zhǎng)、費(fèi)用高、可擴(kuò)展性差。 第三章 介紹了系統(tǒng)的整體 實(shí)現(xiàn) 方案 ，依據(jù)整體方案的各組成部分，對(duì)各部分的不同實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行了描述，并通過對(duì) 比分析確定各組成部分最終將采用的方案。這樣的信號(hào)發(fā)生器兼容性好、性能穩(wěn)定、靈活性高，值得在工程測(cè)量應(yīng)用及相關(guān)實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)一步推廣和擴(kuò)充，其應(yīng)用前景較為廣闊。 虛擬儀器一般由通用儀器硬件平臺(tái)和應(yīng)用軟件兩大部分構(gòu)成。而傳統(tǒng) 信號(hào)發(fā)生器電路復(fù)雜，抗干擾能力差，實(shí)現(xiàn)困難及設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)。此外，國(guó)內(nèi)已有幾家企業(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)到了一定的批量。 LabVIEW采用圖形化編程方案，是非常實(shí)用的開發(fā)軟件。 虛擬儀器具有與其它設(shè)備互聯(lián)的能力，通過網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)或 與 高檔外設(shè)的連接， 實(shí)現(xiàn)對(duì)其它外接設(shè)備的監(jiān)測(cè) 和管理，這種互聯(lián)能力使測(cè)控系統(tǒng)的功能顯著增加，應(yīng)用領(lǐng)域明顯擴(kuò)大。另一種方式是將儀器裝 入計(jì)算機(jī) ， 以通用的計(jì)算機(jī)硬件及操作系統(tǒng)為依托，實(shí)現(xiàn)各種儀器功能 。 儀器的基本功用就是：信號(hào)獲取、分析處理與控制和信息指示表達(dá)。 虛擬儀器概述 以及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 虛擬儀器概述 計(jì)算機(jī)與微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展推動(dòng)了儀器儀表業(yè) 劃 時(shí)代的革命，其產(chǎn)物從模擬儀器、數(shù)字化儀器、智能化儀器到今天的虛擬儀器，無(wú)一不顯示出計(jì)算機(jī)與微電子技術(shù)在儀器 的演化與發(fā)展過程中所起的重要作用?，F(xiàn)代測(cè) 控要求儀器不僅能夠單獨(dú)測(cè)量某個(gè)量，而且希望它們之 間能夠相互通信，實(shí)現(xiàn)信息的共享，完成對(duì)被測(cè)信號(hào)的綜合分析與評(píng)估。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(shí)現(xiàn)了基于 LabVIEW 的常用周期信號(hào)的單通道和雙通道模擬輸出，使設(shè)計(jì)具有廣闊的開發(fā)價(jià)值和應(yīng)用前景。本設(shè)計(jì)正是順應(yīng)儀器發(fā)展的趨勢(shì)， 利用圖形化編程軟件 LabVIEW 來實(shí)現(xiàn) 虛擬音頻 信號(hào)發(fā)生器 ， 真正做到 “軟件即硬件 ”。 1 1 緒論 課題背景 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的日新月異 ，測(cè)控儀器正經(jīng)歷著一場(chǎng)翻天覆地的變化。此外，新型筆記本電腦又把虛擬儀器的便攜性和強(qiáng)大功能推向一個(gè)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(yīng)用領(lǐng)域不斷增強(qiáng)和擴(kuò)大 ， 本文設(shè)計(jì)的虛擬音頻信號(hào)發(fā)生器正是在這個(gè)背景下確立的。這種概念的提出為測(cè)量與控制領(lǐng)域中技術(shù)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(shí) 也使進(jìn)入信息時(shí)代的人們?cè)跍y(cè)量觀念上產(chǎn)生了更多的新思想和新概念。隨著計(jì)算機(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越強(qiáng)大，目前已經(jīng)出現(xiàn)含嵌入式系統(tǒng)的儀器。 (3) 系統(tǒng)的開放性強(qiáng)。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。一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)完后，就可打印出完整的檢測(cè)報(bào) 告。 課題的意義 信號(hào)發(fā)生器是一種常用的信號(hào)源，是電子工程師在進(jìn)行各種測(cè)試和診斷時(shí)必備的工具，廣泛應(yīng)用于電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)、自動(dòng)控制系統(tǒng)和科學(xué)研究等諸多領(lǐng)域。 虛擬儀器技術(shù) 的提出和飛快發(fā)展和傳統(tǒng)臺(tái)式音頻信號(hào)發(fā)生器表現(xiàn)出的弊端，使得虛擬音頻信號(hào)發(fā)生器 應(yīng)運(yùn)而生。 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(jìn)行數(shù)據(jù)采集和輸出，不需要增加任何硬件就能使 5 計(jì)算機(jī)成為 音頻 信號(hào)發(fā)生器。除此之外對(duì)系統(tǒng)所用硬件 —— 聲卡的工作原理，工作流程及各項(xiàng)指標(biāo)做了介紹，為后面的編程奠定基礎(chǔ) 。 軟件 LabVIEW 概述 當(dāng)今， C/C++、 VC、 VB 和美國(guó)國(guó)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。 LabVIEW 的基本編程單元是圖標(biāo)，不同的圖標(biāo)表示不同的功能模塊。 LabVIEW 是一個(gè)帶有擴(kuò)展功能庫(kù)和子程序庫(kù)的通用程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)，提供數(shù)百種功能模塊（類似其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的子程序或函數(shù)），包括算術(shù)運(yùn)算、函數(shù)運(yùn)算、信號(hào)采集、信號(hào)輸出、數(shù)據(jù)存取、信號(hào)分析處理、數(shù)據(jù)通 信等功能模塊，涵蓋了測(cè)試的各個(gè)環(huán)節(jié)，用戶通過拖放及簡(jiǎn)單的連線，就 可以在極 短的時(shí)間內(nèi)設(shè)計(jì)好一個(gè)高效而使用的測(cè)試軟件，再配以 相 應(yīng)的硬件就可以完成各 種測(cè)試任務(wù)。 由于 LabVIEW 虛擬儀器系統(tǒng)具有上述優(yōu)點(diǎn)，所以本設(shè)計(jì)將采用 LabVIEW 作為編程的開發(fā)平臺(tái)。 它和文本式開發(fā)平臺(tái)（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(jiǎn)單、高效、直觀，如圖 22。使用它向數(shù)字或字符串控制中鍵入值時(shí)，工具會(huì)變成標(biāo)簽工具的形狀。 漫游工具：使用該工具就可以不需要使用滾動(dòng)條而在窗口中漫游。在這些頂層子模板中包含許多不同的控制或功能子模板。 圖 24 控制 模板 10 以下介紹幾個(gè)常用的模板： 數(shù)值子模板：包含數(shù)值的控制和顯示。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(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵以彈出功能模板。 群子模板：包括群的處理函數(shù)，以及群常數(shù)等。 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。 聲卡主要技術(shù)指標(biāo) (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。 (4) 頻率范圍和頻率響應(yīng)：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。 圖 34 表示了信號(hào)類型和信號(hào)發(fā)生器 VI 對(duì)應(yīng)表。 它決定了該 VI 每次運(yùn)行的起點(diǎn)是從對(duì)話框的設(shè)定值開始，還是從該 VI 上一次運(yùn)行結(jié)束點(diǎn)的狀態(tài)開始。各端口的含義、設(shè)置 如圖 39， 這 和仿真信號(hào)發(fā)生器 Simulate Signal. vi 基本類似，只是設(shè)置的途徑略有不同。 Formula Waveform. vi 給出了 6個(gè)自變量，用于描述公式。所以，在程序中一旦對(duì)聲卡使用完畢，應(yīng)立即釋放它。 Waveform Chart (1) Waveform Chart 是逐點(diǎn)（或者一次多個(gè)點(diǎn)）顯示的實(shí)時(shí)趨勢(shì)圖控件，它 有 一個(gè)緩沖區(qū) ，長(zhǎng)度可設(shè)置 ，有三種更新模式（ Strip Chart、 Scope Chart 、 Sweep Chart ）?？潭韧瑯涌? 用標(biāo)簽工具進(jìn)行修改。 (2) 可繪制一條或多條曲線，數(shù)據(jù)組織 格式不同。 26 4 音頻信號(hào)發(fā)生器系統(tǒng)的 設(shè)計(jì)與 結(jié)果顯示 音頻信號(hào)發(fā)生器 前面板的設(shè)計(jì) (1) 五個(gè)輸入型數(shù)字控件，五個(gè)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。本設(shè)計(jì)選用 Waveform Graph 顯示 ， 調(diào)用途徑 ControlsGraph indictorsWaveform Graph。 波形選擇用 case 結(jié)構(gòu)，由數(shù)值型控件“波形選擇”作為控制條件，結(jié)構(gòu)里放置仿真 信號(hào)發(fā)生器子程序。 圖 48 雙通道音 頻信號(hào) 發(fā)生器 流程圖設(shè)計(jì) 31 圖 49 單通道 音頻信號(hào)發(fā)生器流程圖設(shè)計(jì) 音頻信號(hào)發(fā)生器 運(yùn)行結(jié)果 顯示 單聲道 音頻信號(hào)發(fā)生器 運(yùn)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。 由于本設(shè)計(jì)中聲卡采用的的采樣頻率為44100Hz， 所以 理論上 當(dāng) 發(fā)生的信號(hào)頻率高于 22100Hz 就會(huì)有失真，但是實(shí)際中不可能實(shí)現(xiàn)理想采樣，故引起波形失真的信號(hào)最小頻率會(huì)低于 22100Hz。 38 參考文獻(xiàn)