【文章內(nèi)容簡介】 示波器的思路是很清晰的。實際的數(shù)據(jù)采集流程是：（ 1）初始化：對聲卡中與數(shù)據(jù)采集相關(guān)的一些硬件參數(shù)進行設(shè)置；（ 2）然后，聲卡開始采集數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)暫存在先進先出的緩沖區(qū)中；（ 3）當(dāng) 緩沖區(qū)存滿數(shù)據(jù)后，一方面將數(shù)據(jù)讀取到用戶程序的數(shù)組中，產(chǎn)生一個采集數(shù)據(jù)集合，并在程序中對數(shù)據(jù)進行各種處理；（ 4）另一方面，得到緩沖區(qū)滿的消息后，通知聲卡暫時停止采集外部數(shù)據(jù)，并進一步清空緩存里的內(nèi)容。 聲卡數(shù)據(jù)采集流程 如圖 22所示，這個流程與一般數(shù)據(jù)采集卡并無多大差別，這也是本設(shè)計的最基本的骨干。 2 圖22 聲卡 數(shù)據(jù)采集流程圖 虛擬示波器是采用基于計算機的虛擬技術(shù)，用以模擬通用示波器的面板操作和處理功能，也就是使用個人計算機及接口電路來采集現(xiàn)場或?qū)嶒炇倚盘?，并通過圖形用戶界面（ GUI）來 模仿示波器的操作面板，完成信號采集、調(diào)理、分析處理和顯示輸出等功能 [8]。 本文 所設(shè)計的虛擬示波器，是在數(shù)據(jù)采集硬件的支持下，配備一定功能的軟件，完成波形的存儲、分析、顯示等功能。一般測試儀器由信號采集、信號處理和結(jié)果顯示三大部分組成，這三大部分均由硬件構(gòu)成。虛擬示波器也是由這三大部分組成，但是除了信號采集部分是由硬件實現(xiàn)之外，其它兩部分都是由軟件實現(xiàn)。 本 文 設(shè)計的虛擬示波器總體上包括數(shù)據(jù)采集、 波形顯示、參數(shù)測量、頻譜分析、等 幾 大模塊組成， 虛擬示波器的 結(jié)構(gòu)框圖如下 23 所示。 2 虛擬示波器設(shè)計理論 9 圖 23 示波器的結(jié)構(gòu)框圖 結(jié)構(gòu)框圖說明： 信號輸入是由計算機輸入一段聲音 ，然后由聲卡進行數(shù)據(jù)采集，聲卡將采集到的信號存入緩存區(qū)， LABVIEW 中的聲音函數(shù)從緩存區(qū)中讀取數(shù)據(jù)，讀取到數(shù)據(jù)以后點擊運行按鈕，示波器中就可以將信號的波形、參數(shù)測量和頻譜分析顯示出來。 聲卡的作用 從數(shù)據(jù)采集的角度看，聲卡是一種音頻范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)內(nèi)數(shù)據(jù)采集卡， 是計算機與外部的模擬量 間 環(huán)境聯(lián)系的重要途徑。 LABVIEW 提供了操作 聲卡的函數(shù)。聲卡的主要功能包括錄制與播放、編輯與合成處理、 MIDI 接口三 個部分。 （ 1）錄制與播放 通過聲卡，人們可將來自話筒、收錄機等外部音源的聲音錄入計算機，并轉(zhuǎn)換成數(shù)字文件進行存儲和編輯等操作；人們也可以將數(shù)字文件還原成聲音信號，通過揚聲器回放，例如為電子游戲配音，以及播放 CD、 VD、 DVD、 MP3 和卡拉 OK 等。注意，在錄制和回放時，不僅要進行 D/A 和 A/D 轉(zhuǎn)換，還要進行壓縮和解壓縮處理。 （ 2）編輯和合成處理 通過對聲音文件進行多種特技效果的處理，包括加入回聲，倒放，淡入淡出，往返放音以及左右兩個聲道交叉放音等，可以實現(xiàn)對各種聲源音量的控制和混合。 （ 3） MIDI（ Musical Instrument Digital Interface 樂器數(shù)字接口）接口通過MIDI 接口和波表合成，可以記錄和回放各種接近真實樂器原聲的音樂。 從一般意義上來看，上述功能主要是數(shù)據(jù)采集和信號處理，很自然的就可以信 號 輸 入 數(shù)據(jù)采集 數(shù)據(jù)處理 波形顯示 參數(shù)測量 頻譜分析 西安交通大學(xué)城市學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 聯(lián)想到用聲卡實現(xiàn)示波器、信號處理器、頻譜分析儀等虛擬儀器 [9]。 聲卡的硬件結(jié)構(gòu) 圖 24 是一個聲卡的硬件結(jié)構(gòu)示意圖。一般聲卡有 45 個對外接口。其中，輸出接口有 2 個，分別是 Ware Out 和 SPK Out。 Ware Out（或 Line Out）給出的信號沒有經(jīng)過放大，需要外 接功率放大器，例如可以接到有源音箱； SPK Out 給出的信號是通過功率放大的信號，可以直接接到喇叭上。這些接口可以用來作為雙通道信號發(fā)生器的輸出。 L i n e I nM i c I nW a v e O u tS P K O u tM I D I I nA / DD S P D / A波 表M I D I 合 成 器 圖 24 聲卡的硬件結(jié)構(gòu)示意圖 輸入接口 Line In 和 Mic In 的區(qū)別在于，后者可以接入較弱的信號， 幅值大約為 ，顯然這個信號較易受干擾，因而常使用 Line In，它可以接入幅值約為不超過 的信號。注意，這兩個輸入端口都有隔直電容，這意味著直流信號不能被聲卡所接受。多數(shù)聲卡的 輸入也是雙通道的，但接入插頭線往往將這兩個通道短接成一個通道。另外這兩個通道是共地的 [10]。 聲卡的主要技術(shù)參 數(shù) （ 1）采樣的位 數(shù) 采樣位數(shù)可以理解為聲卡處理聲音的解析度。這個數(shù)值越大，解析度就越高，錄制和回放的聲音也就越真實。聲卡的位 數(shù) 是指聲卡在采集和播放聲音文件時所使用的數(shù)字聲音信號的二進制位數(shù)，它客觀的反映了數(shù)字聲音信號對輸入聲音信號描述的準(zhǔn)確度。例如， 8 位代表 25628 ? ； 16 位的代表 64000216 ? 。比較之下，一段相同的音 樂信息， 16 位聲卡能把它分為 64000 個精度單位進行處理，而 8位聲卡只能處理 256 個精度單位，最終采樣效果當(dāng)然是無法相提并論的。 （ 2）采樣頻率 目前 ,聲卡的最高采樣頻率為 ，少數(shù)達到 48kHz。對于民用聲卡，一般將采樣頻率設(shè)為 4 檔，分別是 、 、 、 8kHz。 2 虛擬示波器設(shè)計理論 11 只能達到 FM 廣播的聲音品質(zhì)； 是理論上的 CD 音質(zhì)界限， 48kHz 則更好一些。對 20kHz 范圍內(nèi)的音頻信號，最高的采樣頻率才 48kHz，雖然理論上沒有問題，但似乎余量不大 。使用聲卡比較大的局限在于，它不允許用戶在最高采樣頻率之下隨意設(shè)定采樣頻率，而只能分為 4 檔設(shè)定。這樣雖然可使制造成本降低，但卻不便于使用。用戶基本上不可能控制整周期采樣，只能通過信號處理的方法來彌補非 整 周期 采樣帶來的問題。 （ 3）緩沖區(qū) 與一般數(shù)據(jù)采樣卡不同，聲卡面臨的 D/A 和 A/D 任務(wù)通常是連續(xù)狀態(tài)的。為了在一個簡易的結(jié)構(gòu)下較好的完成某個任務(wù)，聲卡緩沖區(qū)的設(shè)計有其獨到之 處。為了節(jié)省 CPU 資源， 計算機的 CPU 并不是每次聲卡 A/D 或 D/A 結(jié)束后都要響應(yīng)一次中斷，而是采用了緩沖區(qū)的工作方式。在這種工作方式下，聲卡的 A/D、 D/A都對某一緩沖區(qū)進行操作。以輸入聲音的 A/D 變換為例，每次轉(zhuǎn)換完畢后，聲卡控制芯片都將數(shù)據(jù)存放在緩沖區(qū)，待緩沖區(qū)滿時，發(fā)出中斷給 CPU， CPU 響應(yīng)中斷后一次性將緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)全部讀走。計算機總線的數(shù)據(jù)傳輸速率非常高，讀取緩沖區(qū)數(shù)據(jù)所用時間極短，不會影響 A/D 變換的連續(xù)性。緩沖區(qū)的工作方式大大降低 了 CPU 響應(yīng)中斷頻度，節(jié)省了系統(tǒng)資源 ， 聲卡輸出聲音的 D/A 變換也是類似的。 一般聲卡使用的緩沖區(qū)長度的默認值是 8KB（ 8192 字 節(jié)）。這是由于對 x86系列處理器來說，在保護模式（ Windows 等系統(tǒng)使用的 CPU 工作方式）下，內(nèi)存以 8KB 為單位被分成很多頁，對內(nèi)存的任何訪問都是按頁進行， CPU 保證了讀寫8KB 長度的內(nèi)存緩沖區(qū)時，速度足夠快，并且一般不會被其他外來事件打斷。設(shè)置 8192 字節(jié)或其整數(shù)倍（例如 32768 字節(jié)）大小的緩沖區(qū)，可以較好的保證聲卡與 CPU 的協(xié)調(diào)工作。 （ 4）沒有基準(zhǔn)電壓 聲卡不提供基準(zhǔn)電壓，因此無論是 D/A 還是 A/D 在使用時，都需要用戶自己參照基準(zhǔn)電壓進行標(biāo)定 [11]。 聲卡用 于數(shù)據(jù)采集時的 設(shè)置 （ 1）聲 卡的設(shè)置 一般聲卡主要用于輸出聲音，輸入部分可能沒有處于正常工作狀態(tài)。建議首先使用耳機和 MIC 檢查聲卡的功能，特別是輸入功能（錄音功能）是否正常。如果不正常，需要檢查聲卡的設(shè)置。一般來說，這里的設(shè)置有兩層含義，首先是要配置所需的功能，其次是要保證已經(jīng)配置的功能不處于關(guān)閉（靜音）狀態(tài)。下面介紹對 Line In 和 Mic In 的檢查和設(shè)置。 按圖 25 所示 ，在“選項”菜單下選“屬性”，得到圖 25（ b）圖所示的對西安交通大學(xué)城市學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 話框，在此對話框上選擇“錄音”，并配置列表中的選項即可。注意圖 25 中的相關(guān)功能都不能處于靜音狀態(tài)。 如圖 25（ a） 所示。 圖 25（ a） 音量控制窗口 圖 25（ b） 音量控制屬性 圖 25 音量控制窗口和音量控制屬性對話框 （ 2）硬件連接 硬件連接采用兩種連接線： 1 一條一頭是 插孔，另一頭是鱷魚夾的連接線， 2 是雙頭為 插孔的音頻連接線（在市場上可以買的到）。為測試聲卡的頻響特性，可使用測試線 2 將聲卡的輸入端與輸出端連接起來，形成一個閉合的環(huán)路。連接時要注意區(qū)分 Mic In 口和 SPK Out 口，不要把它們當(dāng)作 Line In 與 Line Out 接入。如果測試輸入信號，則使用測試線 1 把信號源連接到聲卡輸入端 Line In 口；如果測試輸出信號，就把該測試線連接到聲卡輸出端 Line Out口。 本章小結(jié) 本章主要介紹了虛擬示波器的工作原理及各個功能模塊的流程實現(xiàn)原理。本2 虛擬示波器設(shè)計理論 13 文 用聲卡代替數(shù)據(jù)采集卡 來采集信號的。主要介紹了聲卡的各個功能，包括 聲卡的作用、硬件結(jié)構(gòu)，并對聲卡的技術(shù)參數(shù)做了詳細的介紹。最后介紹了聲卡用于數(shù)據(jù)采集時的一些設(shè)置。西安交通大學(xué)城市學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 3 虛擬示波器軟件設(shè)計 15 3 虛擬示波器 軟件 設(shè)計 LABVIEW 簡介 LABVIEW 是（實驗室虛擬儀器工作平臺）是一個程序開發(fā)環(huán)境。它類似于Visual Basic， Visual C++。但是 LABVIEW 的特點在于：它使用圖形化編程語言G 在流程圖中創(chuàng)建源程序，而沒有使用基于的文本語言來產(chǎn)生源程序代碼。 LABVIEW 是 一個多線程、最佳化的圖形編譯器，它能在最大程度上優(yōu)化系統(tǒng)的性能。無論是使用基于計算機的插入式儀器設(shè)備，還是使用 GPIB， VXI， Ether 接口或是串口的獨立儀器設(shè)備， LABVIEW 內(nèi)置的驅(qū)動程序庫和具有工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備驅(qū)動軟件都可以對儀器系統(tǒng)進行全面的控制。 LABVIEW 的數(shù)據(jù)采集庫包含了許多有關(guān)采集和生成數(shù)據(jù)的函數(shù)，它們與 NI 的插卡式或遠程數(shù)據(jù)采集 產(chǎn)品協(xié)同工作。數(shù)據(jù)采集卡是進行高速直接控制以及低速控制的理想設(shè)備。它能夠為集成式測量方案提供功能強大且完備的測量分析庫，這些軟件庫可以完成極限測試、頻率分析、濾波及信號生成等任務(wù)。 LABVIEW 具有許多特性，能使測量和自動化應(yīng)用方案完成適用于用戶企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營，能將應(yīng)用方案以網(wǎng)頁的形式發(fā)表，或在互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用程序間進行數(shù)據(jù)傳遞。 LABVIEW 擁有完整的 Web 服務(wù)器，可以隨時發(fā)布測量結(jié)果。 LABVIEW 專業(yè)版開發(fā)系統(tǒng)包括應(yīng)用程序生成器（ Application Builder），可以創(chuàng)建并發(fā)布獨立的可執(zhí)行程序、共 享庫或動態(tài)連接庫（ DLL）。使用共享庫可以使開發(fā)的應(yīng)用程序代碼進行重新使用。 DLL 提供最大的靈活性，可以將 LABVIEW 與其他開發(fā)工具如 VB， VC 和 NI 的 Measurement Studio 結(jié)合起來。LABVIEW 應(yīng)用程序生成器可以創(chuàng)建安裝程序，以便在 Windows 環(huán)境中執(zhí)行可運行程序 [12]。 G 語言簡介 LABVIEW 是一個功能比較完整的軟件開發(fā)環(huán)境，但它是為代替常規(guī)的BASIC 和 C 語言設(shè)計的，它是一種編程語言而不僅僅是一個軟件開發(fā)環(huán)境。它除了編程方式不同外，具有編程語言的所有特點， 稱之為圖形化編程語言（簡稱G 語言）。 G 語言是一種適合應(yīng)用于編程任務(wù)，具有擴展函數(shù)庫的通用編程環(huán)境。和BASIC 和 C 語言一樣， G 語言也定義了數(shù)據(jù)類型、結(jié)構(gòu)類型和模塊調(diào)用語法規(guī)則等編程語言的基本要素，在功能完整性和應(yīng)用靈活性上不遜于任何高級語言，同時 G 語言豐富的擴展函數(shù)庫還為用戶編程提供了極大的方便。 G 語言與傳統(tǒng)高級編程語言最大的差別在于編程方式一般高級語言采用文本編程，而 G 語言西安交通大學(xué)城市學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 16 采用圖形化編程語言。 G 語言是 LABVIEW 的核心，熟練掌握 G 語言的編程要素和語法規(guī)則，是開發(fā) LABVIEW 應(yīng)用程序的最重要的 基礎(chǔ)。 LABVIEW 程序組成 該環(huán)境包括三個部分：程序前面板、框圖程序和圖標(biāo)連接端口。程序前面板用于設(shè)置輸入數(shù)值和觀察輸出量， 主要用來 模擬真實 儀器 的前面板。在程序前面板上，輸入量被稱為控制（ Controls），為虛擬儀器的框圖程序提供數(shù)據(jù)；輸出量被稱為顯示（ Indicators），顯示虛擬儀器流程