【正文】 軟件通過接口函數(shù)控制硬件的數(shù)據(jù)采集，因此對(duì)硬件原理及其接口函數(shù)的掌握必須明確，這也是軟件編程的基礎(chǔ)，本章的目的也就在此。 MCI命令避免了用戶直接去與管理數(shù)據(jù)流的很多小的細(xì)節(jié)打交道，但其以犧牲某些靈活性為代價(jià)。波形音頻 ( waveform audio)是重新創(chuàng)建聲音波形的一種技術(shù)。錄音結(jié)束后選擇屬性進(jìn)行存儲(chǔ)。位數(shù)越大，量化就越精細(xì)，記錄 的音質(zhì)就越好，同時(shí)，量化信噪比也越高。 (3)數(shù) /模轉(zhuǎn)換芯片 聲音從原來的音源模擬信號(hào)轉(zhuǎn)成數(shù)字信號(hào)后，必須經(jīng)過聲卡的編輯處理，再經(jīng)由數(shù)模轉(zhuǎn)換，才可以從聲卡輸出，這一連串的轉(zhuǎn)換處理過程，都是由一塊數(shù) /模轉(zhuǎn)換芯片來完成的。但電腦的 CPU 只能處理瞬態(tài)購成的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，也就是不是連續(xù)的信號(hào)。一般測(cè)試儀器由信號(hào)采集、信號(hào)處理和結(jié)果顯示三大部分組成，這三部分均由硬件構(gòu)成。 MATLAB的應(yīng)用領(lǐng)域也不在不斷地?cái)U(kuò)展，無論是在信號(hào)處理，控制，仿真等傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域，還是在儀器控制和測(cè)量，虛擬儀器設(shè)計(jì)，金融等新的應(yīng)用領(lǐng)域，MATLAB 都推出了相關(guān)的工具箱和組件，為這些領(lǐng)域的用戶提供了高效的應(yīng)用工具。這就大大簡(jiǎn)短了虛擬儀器的開發(fā)周期、 消除了虛擬儀器編程的復(fù)雜過程。 測(cè)量中都需將模擬信號(hào)經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制的數(shù)字信號(hào)，分辨率就是將滿量程信號(hào)經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換后得到的二進(jìn)數(shù)的位數(shù)。這樣一來，可保證多家廠商產(chǎn)品的互操作性和系統(tǒng)的易集成性。通過特殊的協(xié)議， GPIB 可以采用握手方式將由別的計(jì)算機(jī)或儀器采集的數(shù)據(jù)引入計(jì)算機(jī)，而數(shù)據(jù)采集則將信號(hào)直接連接在計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)采集卡上。 信 號(hào) 調(diào) 理現(xiàn) 場(chǎng) 總 線 設(shè) 計(jì)G P I B 接 口 儀 器數(shù) 據(jù) 采 集 卡串 行 儀 器 / P L CG P I B 接 口 卡V X I 儀 器P C 機(jī) /工 作 站測(cè)控對(duì)象 圖 21 虛擬儀器基本結(jié)構(gòu)框圖 GPIB通用接口總線 VXI 總 線 一種高速計(jì)算機(jī)總線 硬件的選擇 虛擬儀器的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中非常重要的部分是測(cè)控功能硬件的選用和調(diào)試。在同等的性能條件下，相應(yīng)的虛擬儀器價(jià)格要低二分之一甚至更多。以便能更清楚地觀察波形的變化，使用者可以及時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，觀察和分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 虛擬儀器未來發(fā)展趨勢(shì) 虛擬儀器正在繼續(xù)迅速發(fā)展，它可以取代測(cè)量技術(shù)在傳統(tǒng)領(lǐng)域的各類儀器。維也納大學(xué) ( Wien University)研制了虛擬熱量計(jì)，可自動(dòng)采集特定氣壓和溫度下的數(shù)據(jù)進(jìn)行熱量測(cè)定。 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，儀器間一般無法互用 開放性、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 開發(fā)維護(hù)費(fèi)用低 開發(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)。 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)。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。北京：中國(guó)計(jì)量出版社 google, researchindex等網(wǎng)絡(luò)資源上的相關(guān)文獻(xiàn) 周 次 1— 4周 5— 8周 9— 12周 13— 16周 17— 18周 應(yīng) 完 成 的 內(nèi) 容 查閱資料 算法設(shè)計(jì) 軟件編程 軟件調(diào)試 算法優(yōu)化 結(jié)果分析 撰寫論文 指導(dǎo)教師：練秋生 職稱：副教授 年 月 日 系級(jí)教學(xué)單位審批： 年 月 日 摘要 III 摘 要 現(xiàn)代科技發(fā)展日新月異，計(jì)算機(jī)尤其如此。 基礎(chǔ)及應(yīng)用技巧。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)用范圍也越來越廣泛。 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。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。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。 虛擬任意波形發(fā)生器的輸出經(jīng)多功能卡送入電壓放大器，供給熒光燈；熒光燈的電流和電壓由多功能卡采集，送入運(yùn)行在計(jì)算機(jī)上的虛擬示波器和頻譜儀進(jìn)行諧波分析。國(guó)內(nèi)專家預(yù)測(cè)：未來的幾年內(nèi)，我國(guó)將有 50%的儀器為虛擬儀器，國(guó)內(nèi)將有大批企業(yè)使用虛擬儀器系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。本文利用普通聲卡作采集卡，以MATLAB 語言作開發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種方便的、靈活性強(qiáng)的虛擬儀器，該系統(tǒng)能夠正確采集聲卡設(shè)計(jì)頻率范圍內(nèi)的信號(hào) (如 ：聲音、脈搏、心電、腦電、電話等 )，對(duì)一些應(yīng)用領(lǐng)域是一種很好的選擇。 在儀器計(jì)量系統(tǒng)方面，示波器、頻譜儀、信號(hào)發(fā)生器、邏輯分析儀和電壓電流表是科研機(jī)關(guān)、企業(yè)研發(fā)實(shí)驗(yàn)室、大專院所的必備測(cè)量設(shè)備。虛擬儀器的硬件主體是電子計(jì)算機(jī)，通常是個(gè)人計(jì)算機(jī)，也可以是任何通用計(jì)算機(jī)。 系統(tǒng)中的儀器可以增加、減少或更換，只需對(duì)計(jì)算機(jī)的控制軟件作相應(yīng)的改動(dòng)。 PXI增加了用于多板同步的觸發(fā)總線和參考時(shí)鐘、精確定時(shí)的星型觸發(fā)總線、相鄰模塊間高速通信的局部總線等。采樣率的選擇，取決于被測(cè)量的信號(hào)的變化速度，根據(jù)奈奎斯特采樣定理，所需的采樣頻率應(yīng)為所測(cè)信號(hào)的最高頻率分量的兩倍以上，即應(yīng)選用 100kHz 的板卡才能完成最高頻率為 50kHz 的被測(cè)信號(hào)的測(cè)量工作。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 LabVIEW 的前面板可以包含旋鈕、刻度盤、開關(guān)、圖表和其他界面工具，允許用戶通過鍵盤或鼠標(biāo)獲取數(shù)據(jù)并顯示結(jié)果。為我們進(jìn)行軟件開發(fā)設(shè)計(jì)了一個(gè)良好的開發(fā)平臺(tái)，有利于編程工作者進(jìn)行編程設(shè)置。 MATLAB 的用戶在命令窗口中運(yùn)行demo 命令打開演示程序 界面，只要用鼠標(biāo)進(jìn)行選擇和點(diǎn)擊，就可瀏覽其中豐富多彩的內(nèi)容。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 第 3 章 聲卡原理及其接口函數(shù) 19 第 3 章 聲卡原理及其接口函數(shù) 聲卡原理 聲卡兩大基本功能簡(jiǎn)介 總的來說，聲卡的作用不外乎就是錄制聲音和播放聲音。麥克風(fēng)的信號(hào)一般較小，所以 MIC 的放大率會(huì)設(shè)計(jì)得較大。目前 ，普通聲卡的最高頻率為 ，一般采樣頻率分為 4 檔，分別為 ，,， 8kHz。 (5)聲道數(shù) 為 2 即單聲道和立體聲雙聲 道。另一種更為緊湊的存儲(chǔ)格式是由 Musical Instrument Digital Interface (MIDI)定義的。 Windows 98提供了三個(gè)驅(qū)動(dòng)程序：一個(gè) MIDI序列發(fā)生器、一個(gè) CD播放器和一個(gè)波形音頻播放器。此外，它們?cè)试S對(duì)進(jìn)行被緩沖的文件訪問。 MATLAB 513 及其以上版本中包含有數(shù)據(jù)采集工具箱 ， 它可以對(duì)聲卡以及其他數(shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)行控制。高級(jí)函數(shù)可以播放MIDI文件、 電影及 CDROM，而且還可以錄制和播放波形聲音。在一個(gè)使用 WAV文件中，每毫秒含有大約 11個(gè)樣本點(diǎn)。 聲卡主要函數(shù)操作 (1)Windows多媒體支持 Windows多媒體是處理音頻和視頻外設(shè)的功能集合，其目的 是將很多不同的數(shù)據(jù)格式集成為單一的系統(tǒng)環(huán)境。位數(shù)越高，在定域內(nèi)能表示的聲波振幅的數(shù)目越多，記錄的音質(zhì)也就越高。有些聲卡的 DSP 還有音源資料壓縮的功能。相反，聲卡將電腦中的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)的過程叫 Digital to Analog Conversion( DAC 數(shù)模轉(zhuǎn)換 )，這些模擬信號(hào)通過功率放大電路后，經(jīng)喇叭播出，大家就可以聽到各種聲音了。 儀器功能 我們開發(fā)的虛擬儀器又具有普通儀器所沒有的許多優(yōu)點(diǎn)，如波形可長(zhǎng)期存儲(chǔ)，有多種顯示方式，便于觀測(cè)單次過程和緩慢變化的信號(hào)，便于數(shù)據(jù)處理等等。MATLAB環(huán)境中 ， 利用這些函數(shù)可以快捷地構(gòu)造出數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) ， 實(shí)現(xiàn)對(duì)外部物理世界和生產(chǎn)過程信號(hào)的實(shí)時(shí)信號(hào)采集 。 LabVIEW 作為開發(fā)壞境所具有的優(yōu)點(diǎn)總結(jié)如下所述： (1)圖形化編程，降低了對(duì)使用者編程經(jīng)驗(yàn)的要求，易于工程師使用。軟件為用戶提供了集成開發(fā)環(huán)境、高水平的儀器硬件接口和用戶接口。數(shù)據(jù)采集卡是虛擬示波器的重要組成部件 ，其性能指標(biāo)直接影響著虛擬示波器的采樣速率、精度等主要指標(biāo)的因素。在該系統(tǒng)中圍繞機(jī)械、電氣、控制方式、通信協(xié)議、電磁兼容、軟面板、驅(qū)動(dòng)程序、 I/O 控制，乃至機(jī)箱、印刷電路板的結(jié)構(gòu)、通風(fēng)結(jié)構(gòu)等作了詳細(xì)的規(guī)定，使不同廠家的 VXI 總線產(chǎn)品相互兼容。Labview/cvi 是基于文本編程的程序員提供高效的編程工具，通過三種編程語言 Visual C++， Visual Basic,Labview/cvi 構(gòu)成測(cè)試系統(tǒng)，它充分利用計(jì)算機(jī)的總線、機(jī)箱、電源及軟件的便利，大大增加測(cè)試系統(tǒng)的靈活性和擴(kuò)展性。虛擬儀器的突出特點(diǎn)就是充分利用計(jì)算機(jī)的資源，將儀器的信號(hào)分析與處理、結(jié)果表達(dá)式與輸出放到計(jì)算機(jī)上來完成。各章安排如下： 第二章主要介紹虛擬儀器的設(shè)計(jì)方案，分別介紹了虛擬儀器的工作原理及系統(tǒng)構(gòu)成，介紹了軟件和硬件選擇的優(yōu)缺點(diǎn)，最后介紹了具體的軟件設(shè)計(jì)方案，包括 MATLAB的簡(jiǎn)單介紹，工具箱的介紹，還有儀器功能的一些介紹。虛擬儀器將會(huì)在科學(xué)技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。 LabVIEW 采用 圖形化編程方案，是非常實(shí)用的開發(fā)軟件。虛擬儀器的硬、軟件都具有開放性、模塊化、可重復(fù)使用及互換性等特點(diǎn)。 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)來實(shí)現(xiàn)和擴(kuò)展傳統(tǒng)儀器的功能。其中 MATLAB 以其簡(jiǎn)明的程序化語言和圖像化接口給廣大科技工作者帶來了巨大的方便。 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。 聲卡 A/D 轉(zhuǎn)換性能優(yōu)越，技術(shù)成熟，配合 MATLAB 強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集與處理功能，可以構(gòu)建性價(jià)比相當(dāng)高的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。 參 考 資 料 ，高西全。因而用聲卡構(gòu)建低成本的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是切實(shí)可行的。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越強(qiáng)大，目前已經(jīng)出現(xiàn)含嵌入式系統(tǒng)的儀器。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，是將來儀器產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要方向。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。雅典國(guó)立技術(shù)大學(xué) (National Technical University of Athens)電子和計(jì)算機(jī)工程系用虛擬儀器系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)用于熒光燈的諧波失真測(cè)試。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。其中信號(hào)的輸入部分一般使用數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)，商用的數(shù)據(jù)采集卡具有較大的通用性，但其價(jià)格昂貴。 第 2 章 虛擬儀器設(shè)計(jì)方案 9 第 2 章 虛擬儀器設(shè)計(jì)方案 虛擬儀器工作原理及系統(tǒng)構(gòu)成分析 虛擬儀器的應(yīng)用 虛擬儀器技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于可由用戶定義自己的專用儀器系統(tǒng)，且功能靈活，很容易構(gòu)建，所以應(yīng)用面極為廣泛。通過不同功能模塊的執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)各種儀器的功能，如示波器、萬用表 、分析儀等。 GPIB 目前數(shù)以萬計(jì)的儀器都配置了 IEEE 488 的 GPIB 接口，在科學(xué)研究、自動(dòng)測(cè)試設(shè)備等各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。制定 PXI規(guī)范的目的是為了將普通的 PC機(jī)的性能價(jià)格比優(yōu)勢(shì)與 PCI總線面向儀器領(lǐng)域的必要擴(kuò)展完美地結(jié)合起來，形成一種主流的虛擬儀器測(cè)試平臺(tái)。從提高精度的角度出發(fā)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的位數(shù)與采樣頻率之間是相第 2 章 虛擬儀器設(shè)計(jì)方案 13 互制約的 。 (2)用專業(yè)圖形化編程軟件進(jìn)行開發(fā)。 (8)支持 TCP、 UDP 等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)功 能強(qiáng)大，可遙控分布在其他微機(jī)的虛擬儀器設(shè)備。在這種用戶界面下，用戶的命令和用戶對(duì)程序的控制是通過“選擇”各種對(duì)象來實(shí)現(xiàn)。使從理論上對(duì) 虛擬儀器有一個(gè)詳細(xì)的了解，并加深了我對(duì)“軟件就是儀器”這個(gè)概念直觀的理解，為后面的模塊化軟件編程打下了基礎(chǔ)。在即插即用方面， PCI 也要比 ISA 卡好得多。 第 3 章 聲卡原理及其接口函數(shù) 21 聲卡的技術(shù)參數(shù)及接口函數(shù) 聲卡的技術(shù)參數(shù) 麥克風(fēng)或線路輸入 (Line In)獲