【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 信號(hào) 生成 的基本 方法及信號(hào)波形的顯示 ； (3) 學(xué)習(xí) 聲卡的有關(guān)知識(shí)和 LabVIEW 的音頻處理模塊設(shè)置及運(yùn)用 ； (4) 學(xué)習(xí)虛擬音頻信號(hào)發(fā)生器的相關(guān)調(diào)試； 具體 論文的結(jié)構(gòu)如下 ： 第一章 緒論，簡(jiǎn)要介紹 課題背景 ， 虛擬儀器的基 本概述 和 虛擬儀器的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及發(fā)展方向 。分析了本課題的研究目的和意義，介紹了本文的 課題內(nèi)容和論文結(jié)構(gòu)安排 。 第二章 描述了本課題所開發(fā)系統(tǒng)的基本功能和所用的軟硬件。 詳細(xì)介紹 了軟件編程平臺(tái) LabVIEW語言，重點(diǎn)分析了 LabVIEW的三種模板 。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) 。 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。 第四章 介紹音頻信號(hào)發(fā)生器系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)過程 ，包括系統(tǒng)的 前面板設(shè)計(jì)和流程框圖的設(shè)計(jì) ,并對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的 運(yùn)行 結(jié)果進(jìn)行 顯示 。 第五章 介紹對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行的調(diào)試和運(yùn)行結(jié)果的分析 。 第六章 結(jié)論，主要是對(duì)本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng) 進(jìn)行總結(jié) 。 6 2 系統(tǒng)基本功能描述及 軟硬件 概述 系統(tǒng)基本功能描述 該音頻信號(hào)發(fā)生器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)常用正弦，三角， 方波 ，鋸齒 四種 信號(hào)的生成和顯示，并用聲卡發(fā)聲。要求 使用 美國(guó)國(guó)家儀器（ NI）公司開發(fā)的 圖形化編程工具 LabVIEW作為 軟件開發(fā)平臺(tái)，開發(fā)出的系統(tǒng) 前面板 必須功能齊全、 美觀 。 可以在音頻范圍內(nèi) 調(diào)節(jié)輸出波形的頻率 、 幅值 和相位 的大小，當(dāng)用到方波時(shí)可以調(diào)節(jié)占空比。 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。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。順應(yīng)形勢(shì)的發(fā)展，一些專業(yè)測(cè)試開發(fā)平臺(tái)紛紛推向市場(chǎng)，如 HPVEE、組態(tài)軟件平臺(tái)、 TPS 平臺(tái)等，但這些平臺(tái)的專用性太強(qiáng)，可擴(kuò)展性、通用性比較差。 NI 公司的 LabVIEW 全稱叫 Laboratory Virtual Instrument Engineering Work Bench，它是一個(gè)高效的圖形化程序設(shè)計(jì)語言 。它采用了簡(jiǎn)單易用的圖形式開發(fā)環(huán)境和靈活強(qiáng)大的函數(shù)庫，為編程提供了一個(gè)直觀的環(huán)境，與測(cè)量硬件緊密結(jié)合，能讓工程師與科學(xué)家們迅速開發(fā)出有關(guān)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析及顯示的解決方案。 LabVIEW 是一個(gè)劃時(shí)代的圖形化編程系統(tǒng)，它提供了一種全新的程序編寫方法， 可通過交互式圖形 前面板進(jìn)行系統(tǒng)控制和結(jié)果顯示，即設(shè)計(jì)虛擬儀器的操作面板， 通過框圖模塊來指示各種功能。現(xiàn)今數(shù)以萬計(jì)的工程師、科學(xué)家及技術(shù)人員正在通過 LabVIEW 來構(gòu)建測(cè)量與自動(dòng)化解決方案。 概括的說， LabVIEW 作為測(cè)試軟件開發(fā)平臺(tái)有如下特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)： (1) 圖 形化編程環(huán)境。 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。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。被連接的對(duì)象之間的數(shù)據(jù)流控制著執(zhí)行程序，并允許有多個(gè)數(shù)據(jù)通路同步運(yùn)行。其編程過程近似人的思維過程，直觀易學(xué)，編程效率高，無須編寫任何文本格式的代碼，易為多數(shù)工程技術(shù)人員接受。 (2) 可重用性高。 LabVIEW 繼承并發(fā)展了結(jié)構(gòu)化和模塊化程序設(shè)計(jì)概念，使測(cè)試程序能夠很好地體現(xiàn)分層性、模塊化，即可以把任意一個(gè)測(cè)試程序當(dāng)作頂層程序， 7 也可將其當(dāng) 做其他測(cè)試程序的子程序，這樣用戶就可以把一個(gè)復(fù)雜的應(yīng)用任務(wù)分解為一系列、多層次的子任務(wù)。通過為每個(gè)子任務(wù)設(shè)置不同的功能，并將這些測(cè)試子程序進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕M合、修改、交叉和合并等，就可以在頂層最終建成一個(gè)所有應(yīng)用功能的測(cè)試系統(tǒng) 。 (3) 開發(fā)功能高效、通用。 LabVIEW 是一個(gè)帶有擴(kuò)展功能庫和子程序庫的通用程序設(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)。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 。 (4) 支持 多種儀器和數(shù)采硬件的驅(qū)動(dòng)。 LabVIEW 提供了數(shù)百種儀器的源碼級(jí)驅(qū)動(dòng)程序，包括 DAQ、 GPIB（ IEEE488）、 PXI、 VXI、 RS232，根據(jù)需要還可以在 LabVIEW中自行開發(fā)各種硬件驅(qū)動(dòng)程序，也可以通過動(dòng)態(tài)鏈接庫（ DLL）利用其他語言開發(fā)函數(shù)庫，從而進(jìn)一步擴(kuò)展其功能 。 (5) 網(wǎng)絡(luò) 功能強(qiáng)大。 LabVIEW 支持常用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，如傳輸控制協(xié)議（ TCO/IP）和用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié) 議（ UDP），方便網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)的開發(fā)。 (6) 開放 性強(qiáng)。 LabVIEW 具有很強(qiáng)的開放性，是一個(gè)開放的開發(fā)環(huán)境，能和第三方軟件輕松連接，通過 LabVIEW 可以把現(xiàn)有的應(yīng)用程序和 NET 組件、 ActiveX、DLL 等相連，可以和 MATLAB 混合編程，也可以在 LabVIEW 中創(chuàng)建能在其他軟件環(huán)境中調(diào)用的獨(dú)立執(zhí)行程序或動(dòng)態(tài)鏈接庫。 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)。 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。前面板是 LabVIEW VI 的圖形用戶接口， 集成了用戶輸入和顯示輸出功能。前面板包括旋鈕、按鈕、圖形和其他的控制（ Controls）與顯示 (Indicators)模塊。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。 流程圖是指程序的內(nèi)部運(yùn)行結(jié)構(gòu)，是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)處理的流程，包含了虛擬儀器的圖形化源代碼。 流程圖由端口、節(jié)點(diǎn)、圖框和連線構(gòu)成。其中端口被用來同程序前面板的控制和顯示傳遞數(shù) 據(jù)，節(jié)點(diǎn)被用來實(shí)現(xiàn)函數(shù)和功能調(diào)用，圖框被用來實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化程序控制命令，而連線代表程序執(zhí)行過程中的數(shù)據(jù)流，定義了框圖內(nèi)的數(shù)據(jù)流動(dòng)方向。 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。 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。這些操作模板可以隨意在屏幕上移動(dòng)，并可以放置在屏幕的任意位置。操縱模板共有三類 : 工具 (Tools) 模板、控制 (Controls) 模板和功能 (Functions)模板或稱函數(shù)模板。 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。該模板可以在 windows 菜單下選擇 Show Tools Palette命令以顯示該模板。當(dāng)從模板內(nèi)選擇了任一種工具后，鼠標(biāo)箭頭就 會(huì)變成該工具相應(yīng)的形狀，它包括了以下工具包。 操作工具：使用該工具來操作前面板的控制和顯示。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。 選擇工具：用于選擇、移動(dòng)或改變對(duì)象的大小。當(dāng)它用于改變對(duì)象的連框大小時(shí)，會(huì)變成相應(yīng)形狀。 標(biāo)簽工具：用于輸入標(biāo)簽文本或者創(chuàng)建自由標(biāo)簽。當(dāng)創(chuàng)建自由標(biāo)簽時(shí)它會(huì)變成相應(yīng)形狀。 連線工具：用于在框圖程序上連接對(duì)象。如果聯(lián)機(jī)幫助的窗口被打開時(shí)，把該工具放在任一條連線上，就會(huì)顯示相應(yīng)的數(shù)據(jù)類型。 對(duì)象彈出菜單工具：用左鼠標(biāo)鍵可以彈出對(duì)象的彈出式菜單 。 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。 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)。 探針工具：可以在框圖程序內(nèi)的數(shù)據(jù)流線上設(shè)置探針。程序調(diào)試員可以通過控 制探 針窗口來觀察該數(shù)據(jù)流線上的數(shù)據(jù)變化狀況。 顏色提取工具：使用該工具來提取顏色用于編輯其他的對(duì)象。 顏色工具：用來給對(duì)象定義顏色。它 顯示出對(duì)象的前景色和背景色。 與上述工具模板不同，控制和功能模板只顯示頂層子模板的圖標(biāo)。在這些頂層子模板中包含許多不同的控制或功能子模板。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。用鼠標(biāo)點(diǎn)擊頂層子模板圖標(biāo)就可以展開對(duì)應(yīng)的控制或功能子模板，只需按下控制或功能子模板左上角的大頭針就可以把對(duì)這個(gè)子模板變成浮動(dòng)板留在屏幕上。 控制模板 (Controls Palette) 用控制模板可以給前面板添加輸入控制和輸出顯示。每個(gè)圖標(biāo)代表一個(gè)子模板。如果控制模板不顯示，可以用 Windows菜單的 Show Controls Palette功能打開它，也可以在前面板的空白處，點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，以彈出控制模板。 注：只有當(dāng)打開前面板窗口時(shí)才能調(diào)用控制模板。 控制 模板如 圖 24 所示。 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。 布爾值子模塊：邏輯數(shù)值的控制和顯示。 數(shù)組和群子模板：復(fù)合型數(shù)據(jù)類型的控制和顯示。 圖形子模板：顯示數(shù)據(jù)結(jié)果的趨勢(shì)圖和曲線圖。 修飾子模板：用于給前面板進(jìn)行裝飾的各種圖形對(duì)象。 調(diào)用存儲(chǔ)在文件中的控制和顯示的接口。 功能模板 (Functions Palette) 功能模板是創(chuàng)建框圖程序的工具。該模板上的每一個(gè)頂層圖標(biāo)都表示一個(gè)子模板。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。 (注：只有打開了框圖程序窗口，才能出現(xiàn)功能模板。 ) 功能模板如圖 25 所示。以下介紹幾個(gè)常用的模板： 結(jié)構(gòu)子模板：包括程序控制結(jié)構(gòu)命令，例如循環(huán) 控制等，以及全局變量和局部變量。 數(shù)值運(yùn)算子模板：包括各種常用的數(shù)值運(yùn)算符，如 +、 等；以及各種常見的數(shù)值運(yùn)算式，如 +1 運(yùn)算；還包括數(shù)制轉(zhuǎn)換、三角函數(shù)、對(duì)數(shù)、 復(fù)數(shù)等運(yùn)算，以 及各種數(shù)值常數(shù)。 布爾邏輯子模板：包括各種邏輯運(yùn)算符以及布爾常數(shù)。 數(shù)組子模板 ： 包括數(shù)組運(yùn)算數(shù)組轉(zhuǎn)換函數(shù)，以及常數(shù)數(shù)組等。 字符串 子模板 ： 用于連接兩個(gè)或更多字符串，抽取字符串子集，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換圖 25 功能模板 11 為字符串以及格式化字符串，以便進(jìn)行文字處理或電子表格應(yīng)用。 群子模板：包括群的處理函數(shù)，以及群常數(shù)等。這里的群相當(dāng)于 C 語言中的結(jié)構(gòu)。 比較子模板：包括各種比較運(yùn)算函數(shù)，如大于、小于、等于。 時(shí)間和對(duì)話框子模板：包括對(duì)話框窗口、時(shí)間和出錯(cuò)處理函數(shù)等。 信號(hào)處理子模板：包括信號(hào)發(fā)生 、時(shí)域及頻域分析功能模塊。 “選擇? VI 子程序”子模板：包括一個(gè)對(duì)話框，可以選擇一個(gè) VI 程序作為子程序（ SUB VI）插入當(dāng)前程序中。 文件 I/O 子模板 ： 用于打開和關(guān)閉文件，向文件寫入或讀出字符串、數(shù)值、數(shù)組或簇，創(chuàng)建指定文件的地址或文件的地址信息。 應(yīng)用程序控制子模板 ： 通過本地計(jì)算機(jī)或網(wǎng)絡(luò)控制 VI，可同時(shí)控制多個(gè) VI。 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。 報(bào)表生成子模板 ： 創(chuàng)建或操作 LabVIEW 報(bào)表文件。 編制軟件時(shí)通過對(duì)控制和功能模 塊中子模塊的靈活調(diào)用，選取相應(yīng)的功能子模塊，分別置于前后面板內(nèi)，使用連線工具即可完成虛擬儀器設(shè)計(jì)。 硬件聲卡概述 本虛擬 音頻 信號(hào)發(fā)生器的硬件部分為一 具有聲卡的通用 PC機(jī) 。計(jì)算機(jī)的 聲卡本身就是一個(gè)具有 A/D、 D/A的轉(zhuǎn)換裝置，本設(shè)計(jì)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(jìn)行數(shù)據(jù)采樣和輸出，不需增加任何硬件就能使計(jì)算機(jī)成為信號(hào)發(fā)生器，具有成本低廉、兼容性好、靈活性強(qiáng)等特點(diǎn)。 聲卡工作原理 麥克風(fēng)、揚(yáng)聲器、耳機(jī)等所用的都是模擬信號(hào)，而電腦所能處理的