【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 技術(shù)障礙）等。在創(chuàng)建開(kāi)發(fā)原型的過(guò)程中，開(kāi)發(fā)人員要與程序的最終使用人員進(jìn)行充分的交流。在此基礎(chǔ)上，程序開(kāi)發(fā)人員對(duì)所要解決的問(wèn)題有了大致的了解，甚至可以畫(huà)出一個(gè)系統(tǒng)的框圖，之后還要進(jìn)行程序的可行性分析，考慮選用器件的性價(jià)比、開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)等。（2）軟、硬件的選擇。程序開(kāi)發(fā)人員不必?fù)?dān)心操作系統(tǒng)的問(wèn)題，目前的 LABVIEW 是一個(gè)支持多個(gè)系統(tǒng)平臺(tái)的軟件，Windows、Power Macintosh、Sun SPARCA 工作站、HP 工作站、Linux 上都可以運(yùn)行。針對(duì)一些特殊的任務(wù)，LABVIEW 還提供一些附加的工具包，非常方便。選擇適當(dāng)?shù)墓ぞ甙鼘?huì)達(dá)到事半功倍的效果。在 LABVIEW 的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序庫(kù)中已經(jīng)包含了上千個(gè)免費(fèi)的驅(qū)動(dòng)程序（這些驅(qū)動(dòng)程序支持 NI 公司的硬件產(chǎn)品） ，還包括了世界上各大儀器廠商的大部分儀器的 LABVIEW 驅(qū)動(dòng)程序。如果沒(méi)有現(xiàn)成的驅(qū)動(dòng)程序，用戶也可以自己編寫。（3）設(shè)計(jì)用戶界面。 用戶界面也稱 GUI，即 graphical user interface。前面板必須簡(jiǎn)潔、易懂、設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該滿足復(fù)雜工作要求。前面板上使用的顏色方案，要兼顧一致和鮮明。一致性包括：①一個(gè) VI 程序的 GUI 之間要保持一致；②VI 的 GUI 要與平時(shí)大家用的應(yīng)用程序色調(diào)一致。鮮明就是說(shuō)：需要強(qiáng)調(diào)的部分一定要用顏色加以突出，體現(xiàn)測(cè)控系統(tǒng)程序的特點(diǎn)，減少用戶操作過(guò)程中犯錯(cuò)誤機(jī)會(huì)。（4）程序設(shè)計(jì)。拿到一個(gè)設(shè)計(jì)任務(wù)后，首先要分解任務(wù)，把待設(shè)計(jì)任務(wù)分割成幾個(gè)大的模塊，然后把大的模塊再分解為一系列的功能，甚至可以分解到要用那些函數(shù)的程度；然后是尋求例程，參考例程可以避免重復(fù)前人做過(guò)的工作；接下來(lái)就是根據(jù)項(xiàng)目的特點(diǎn)選擇程序設(shè)計(jì)方法，自上而下或者自下而上。（5）程序測(cè)試。測(cè)試過(guò)程是項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的重要組成部分。測(cè)試應(yīng)該從底層的 VI 開(kāi)始，然后再測(cè)試較大的模塊，最后進(jìn)行整體測(cè)試。測(cè)試中還要特別關(guān)注全局變量對(duì)程序的影響。此外，局部變量和屬性節(jié)點(diǎn)也要引起注意。對(duì)于高級(jí)程序員來(lái)說(shuō)，還要考慮程序的性能如何，能否滿足速度與響應(yīng)的要求以及內(nèi)存的使用情況。 設(shè)計(jì)方案的比較 軟件比較在給定計(jì)算機(jī)必要的儀器硬件后，構(gòu)成和使用虛擬儀器的關(guān)鍵在于軟件。軟件為用戶提供了集成開(kāi)發(fā)環(huán)境、高水平的儀器硬件接口和用戶接口。美國(guó)國(guó)家儀器公司提出的“軟件即儀器” （The Software is the Instrument）形象的概況了軟件在虛擬儀器技術(shù)中的重要作用。所以正確選擇軟硬件對(duì)程序開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)起著非常重要的作用。只有選擇了合適的軟硬件才能快速的開(kāi)發(fā)出應(yīng)用軟件，才能事半功倍。對(duì)于虛擬儀器應(yīng)用軟件的編寫，大致可以分為兩種方式：（1）通用編程軟件進(jìn)行編寫。主要有 Microsoft 公司的 Visual Basic 與 Visual C++，Borland 公司的 Delphi，Sybase 公司的 Power Builder。（2）用專業(yè)圖形化編程軟件開(kāi)發(fā)。如 HP 公司的 HPVEE，NI 公司的 LABVIEW Lab windows/CVI 等。具體選用哪一種軟件，應(yīng)該由編程者根據(jù)實(shí)際情況選擇。設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)易數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)中必須考慮以下因素：開(kāi)發(fā)成本低、執(zhí)行效率佳、程序彈性大、開(kāi)放性架構(gòu)易于擴(kuò)充。LABVIEW 是實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工作平臺(tái)（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）的簡(jiǎn)稱，是美國(guó)國(guó)家儀器公司（NI）的創(chuàng)新軟件產(chǎn)品，也是目前應(yīng)用最廣泛、發(fā)展最快、功能最強(qiáng)的圖形化軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境。LABVIEW 的前面板可以包括旋鈕、刻度盤、開(kāi)關(guān)、圖表和其他界面工具，允許用戶通過(guò)鍵盤或鼠標(biāo)獲取數(shù)據(jù)并顯示結(jié)果。LABVIEW 具有模塊化特性，有利于程序的可重用性。LABVIEW 將軟件的界面設(shè)計(jì)和功能設(shè)計(jì)獨(dú)立開(kāi)來(lái)，修改人機(jī)界面無(wú)需對(duì)整個(gè)程序進(jìn)行調(diào)整，LABVIEW 是利用數(shù)據(jù)流框圖接受指令，使程序簡(jiǎn)單明了，充分發(fā)揮了圖形化編程環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)。這就大大縮短了虛擬儀器的開(kāi)發(fā)周期、消除了虛擬儀器編程的復(fù)雜過(guò)程。而通用的編程軟件需利用組件技術(shù)實(shí)現(xiàn)軟面板的設(shè)計(jì)，這使程序設(shè)計(jì)變得非常麻煩。LABVIEW 雖然是為計(jì)算機(jī)測(cè)控領(lǐng)域開(kāi)發(fā)的，但它的函數(shù)包含了一般高級(jí)計(jì)算機(jī)語(yǔ)言中的絕大多數(shù)程序控制功能。LABVIEW 作為開(kāi)發(fā)環(huán)境具有的優(yōu)點(diǎn)總結(jié)如下所述：（1）圖形編程化，降低了對(duì)使用者編程經(jīng)驗(yàn)的要求，易于工程師使用；（2）采用面向?qū)ο蟮姆椒ê透拍睿欣谲浖拈_(kāi)發(fā)和再利用；（3）對(duì)象、框圖及其構(gòu)成的虛擬儀器在 Windows，Windows NT、UNIX 等多平臺(tái)之間和各種 PC 機(jī)及工作站間兼容，便于軟件移植；（4）支持 550 多種標(biāo)準(zhǔn)總線設(shè)備及數(shù)據(jù)采集卡，如串行接口、GPIB、VXI 等；（5）具有豐富的庫(kù)函數(shù)和例子，對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用程序，用戶可以從例子中取得程序框架，便于提高開(kāi)發(fā)速度；（6）具有比較完備的代碼接口，可調(diào)用 Windows 中的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)（DLL）中的函數(shù)以及 C 語(yǔ)言程序，以彌補(bǔ)自身的某些不足；（7）直接支持動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換（DDE） 、對(duì)象聯(lián)接與嵌入（OLE） 、結(jié)構(gòu)化查詢語(yǔ)言（SQL） 、便于與其他 Windows 應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用程序接口；（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)上的虛擬儀器設(shè)備；（9）為加強(qiáng) LABVIEW 的功能，適應(yīng)各種工業(yè)應(yīng)用的需要，NI 公司又開(kāi)發(fā)了一系列與LABVIEW 配合使用的軟件包，如自動(dòng)測(cè)試工具、可連接 25 種數(shù)據(jù)庫(kù)的 SQL 工具、SPC 分析函數(shù)工具、信號(hào)處理套件、PID 控制工具、圖形控制工具等。在許多應(yīng)用程序中，運(yùn)行速度是至關(guān)重要的。LABVIEW 是至今唯一帶有可以生產(chǎn)最佳編碼的編譯器的圖形化開(kāi)發(fā)環(huán)境，運(yùn)行速度等同于編好的 C 或 C++程序。因此用 LABVIEW來(lái)做數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)是很好的選擇。 聲卡采集數(shù)據(jù)的特點(diǎn)商用數(shù)據(jù)采集卡具有較大的通用性，但其價(jià)格比較昂貴，在具體的應(yīng)用場(chǎng)合，有些功能可能并不實(shí)用。普通聲卡，具有 16 位的量化精度、數(shù)據(jù)采集頻率是 ，完全可以滿足特定應(yīng)用范圍內(nèi)數(shù)據(jù)采集的需要，個(gè)別性能指標(biāo)還優(yōu)于商用數(shù)據(jù)采集卡，而價(jià)格卻為商用數(shù)據(jù)采集卡的十幾分之一甚至幾十分之一。計(jì)算機(jī)中的聲卡本身就是一個(gè) A/D，D/A 的轉(zhuǎn)化裝置，并且造價(jià)低廉，對(duì)于設(shè)計(jì)者而言，在 PC 上完成數(shù)據(jù)采集的任務(wù)，成本幾乎為 0；性能穩(wěn)定，在設(shè)計(jì)中完全可以滿足要求。因此在本設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)采集裝置主要基于聲卡和數(shù)據(jù)模擬波形。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(jì)算機(jī)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(gè)部分。（1）錄制與播放通過(guò)聲卡，人們可將來(lái)自話筒、收錄機(jī)等外部音源的聲音錄入計(jì)算機(jī)，并轉(zhuǎn)換成數(shù)字文件進(jìn)行存儲(chǔ)和編輯等操作；人們也可以將數(shù)字文件還原成聲音信號(hào)，通過(guò)揚(yáng)聲器回放，例如為電子游戲配音，以及播放 CD、VCD、DVD、MP3 和卡拉 OK 等。注意，在錄制和回放時(shí)，不僅要進(jìn)行 D/A 和 A/D 轉(zhuǎn)換，還要進(jìn)行壓縮和解壓縮處理。（2）編輯和合成處理通過(guò)對(duì)聲音文件進(jìn)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(gè)聲道交叉放音等，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各種聲源音量的控制和混合。（3）MIDI（Musical Instrument Digital Interface 樂(lè)器數(shù)字接口）接口通過(guò) MIDI 接口和波表合成，可以記錄和回放各種接近真實(shí)樂(lè)器原聲的音樂(lè)。從一般意義上來(lái)看，上述功能主要是數(shù)據(jù)采集和信號(hào)處理，很自然的就可以聯(lián)想到用聲卡實(shí)現(xiàn)示波器、信號(hào)處理器、頻譜分析儀等虛擬儀器。聲卡的硬件結(jié)構(gòu) 圖 21 是一個(gè)聲卡的硬件結(jié)構(gòu)示意圖。一般聲卡有 45 個(gè)對(duì)外接口。其中，輸出接口有 2 個(gè)，分別是 Ware Out 和 SPK Out。Ware Out（或 Line Out）給出的信號(hào)沒(méi)有經(jīng)過(guò)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(hào)是通過(guò)功率放大的信號(hào)，可以直接接到喇叭上。這些接口可以用來(lái)作為雙通道信號(hào)發(fā)生器的輸出。圖 21 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(hào)，幅值大約為，顯然這個(gè)信號(hào)較易受干擾，因而常使用 Line In，它可以接入幅值約為不超過(guò) 的信號(hào)。注意，這兩個(gè)輸入端口都有隔直電容，這意味著直流信號(hào)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(gè)通道短接成一個(gè)通道。另外這兩個(gè)通道是共地的。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(gè)數(shù)值越大，解析度就越高，錄制和回放的聲音也就越真實(shí)。聲卡的位是指聲卡在采集和播放聲音文件時(shí)所使用的數(shù)字聲音信號(hào)的二進(jìn)制位數(shù)，它客觀的反映了數(shù)字聲音信號(hào)對(duì)輸入聲音信號(hào)描述的準(zhǔn)確度。例如，8 位代表 ；16 位的代表 。比較之下，一段相同的音樂(lè)信息，162568?64021?位聲卡能把它分為 64000 個(gè)精度單位進(jìn)行處理，而 8 位聲卡只能處理 256 個(gè)精度單位，最終采樣效果當(dāng)然是無(wú)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(dá)到 48kHz。對(duì)于民用聲卡，一般將采樣頻率設(shè)為 4 檔，分別是 、8kHz。 只能達(dá)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(duì) 20kHz 范圍內(nèi)的音頻信號(hào)，最高的采樣頻率才 48kHz，雖然理論上沒(méi)有問(wèn)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(guò)信號(hào)處理的方法來(lái)彌補(bǔ)非整周期采樣帶來(lái)的問(wèn)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(gè)簡(jiǎn)易的結(jié)構(gòu)下較好的完成某個(gè)任務(wù)，聲卡緩沖區(qū)的設(shè)計(jì)有其獨(dú)到之處。為了節(jié)省 CPU 資源，計(jì)算機(jī)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(duì)某一緩沖區(qū)進(jìn)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(shí)，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(jì)算機(jī)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(shí)間極短，不會(huì)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。聲卡輸出聲音是的 D/A 變換也是類似的。一般聲卡使用的緩沖區(qū)長(zhǎng)度的默認(rèn)值是 8KB（8192 字節(jié)） 。這是由于對(duì) x86 系列處理器來(lái)說(shuō)，在保護(hù)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(yè)，對(duì)內(nèi)存的任何訪問(wèn)都是按頁(yè)進(jìn)行，CPU 保證了讀寫 8KB 長(zhǎng)度的內(nèi)存緩沖區(qū)時(shí)，速度足夠快，并且一般不會(huì)被其他外來(lái)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(méi)有基準(zhǔn)電壓聲卡不提供基準(zhǔn)電壓，因此無(wú)論是 D/A 還是 A/D 在使用時(shí)，都需要用戶自己參照基準(zhǔn)電壓進(jìn)行標(biāo)定。聲卡的頻率范圍與頻率響應(yīng)人耳對(duì)頻率的感覺(jué)從 20Hz 到 20kHz 之間，而聲卡的頻率響應(yīng)上限范圍在 20kHz。聲卡用于數(shù)據(jù)采集時(shí)的一些設(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(méi)有處于正常工作狀態(tài)。建議首先使用耳機(jī)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(lái)說(shuō)，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(duì) Line In 和 Mic In 的檢查和設(shè)置。按圖 22 所示，在“選項(xiàng)”菜單下選“屬性” ，得到圖 22（b）圖所示的對(duì)話框，在此對(duì)話框上選擇“錄音” ，并配置列表中的選項(xiàng)即可。注意圖 32 中的相關(guān)功能都不能處于靜音狀態(tài)。如圖 22（a）所示。圖 22 （a）音量控制窗口圖 22 音量控制窗口和音量控制屬性對(duì)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(yú)夾的連接線，2 是雙頭為 插孔的音頻連接線（在市場(chǎng)上可以買的到） 。為測(cè)試聲卡的頻響特性，可使用測(cè)試線 2 將聲卡的輸入端與輸出端連接起來(lái)，形成一個(gè)閉合的環(huán)路。連接時(shí)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(cè)試輸入信號(hào)，則使用測(cè)試線 1 把信號(hào)源連接到聲卡輸入端 Line In 口；如果測(cè)試輸出信號(hào)，就把該測(cè)試線連接到聲卡輸出端 Line Out 口。3 軟件模塊的設(shè)計(jì)在本章中詳細(xì)介紹各個(gè)功能模塊及其生成過(guò)程。 程序的流程圖程序流程框圖如圖 31 所示：初始化聲卡信號(hào)采集波形顯示低通濾波LABVIEW 模塊圖 31 數(shù)據(jù)采集程序流程圖流程圖簡(jiǎn)介：首先對(duì)設(shè)計(jì)中運(yùn)用到的模塊進(jìn)行初始化，然后通過(guò)聲卡對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，把采集到的信號(hào)送入 LABVIEW 模塊中，通過(guò) LABVIEW 模塊的程序運(yùn)行下，把采集到的信號(hào)通過(guò)圖形的形式，把波形顯示出來(lái)。通過(guò)波形的顯示，最后把波形的其他參數(shù)以數(shù)字的形式都顯示出來(lái)。 程序的結(jié)構(gòu)圖程序的結(jié)構(gòu)圖如圖 32 所示：聲卡