【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 器的理想硬件平臺(tái)，這是由 VXI 總線的性能決定的；另一方面，基于 PCIDAQ 的虛擬儀器系統(tǒng)由于性價(jià)比高、靈活性好而受到 大多數(shù)用戶的青睞，將得到高速的發(fā)展。隨著計(jì)算機(jī)硬件、軟件技術(shù)的迅速發(fā)展，虛擬儀器將向高性能、多功能、集成化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。 本文的研究?jī)?nèi)容 虛擬儀器由通用儀器硬件平臺(tái)（簡(jiǎn)稱硬件平臺(tái)）和應(yīng)用軟件兩大部分構(gòu)成。硬件平臺(tái)主要完成對(duì)被測(cè)信號(hào)的進(jìn)行調(diào)理和采集。儀器硬件可以是插入式數(shù)據(jù)采集卡及必要的外圍電路（含信號(hào)調(diào)理電路、 A/D 轉(zhuǎn)換器 、數(shù)字 I/O、定時(shí)器、 D/A 轉(zhuǎn)換器等 ） ，或者是帶標(biāo)準(zhǔn)總線接口的儀器，如 GPIB、 VXI、 PXI、 STD、 PCI 總線儀器和網(wǎng)絡(luò)化儀器等。 目前市場(chǎng)上的 A/D 采集卡和數(shù)據(jù)采集卡以及帶 標(biāo)準(zhǔn)總線接口的儀器等，其價(jià)格均不菲，以畢業(yè)設(shè)計(jì)的目的來說，性價(jià)比以及實(shí)用程度顯的不高。 進(jìn)而考慮到計(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，具有 16 位的量化精度、數(shù)據(jù)采集頻率是 ，完成可以滿足特定應(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)采集卡的十分之一或者幾十分之一，在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)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 labview 模擬數(shù)據(jù)采集 。 利用聲卡實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集，制作成一個(gè)簡(jiǎn)易的 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) ，能夠 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、 模擬采集 數(shù)據(jù)、波形顯示、 進(jìn)行低頻濾波 四大功能。 虛擬儀器的發(fā)展已經(jīng)具有快 30 年的歷史， 聲卡采集是不可缺少的內(nèi)容 。本論文具體內(nèi)容安排如下： 第一章，緒論：介紹虛擬儀器的概念、構(gòu)成，發(fā)展的現(xiàn)狀，和本文的研究?jī)?nèi)容。 第二章， 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ：首先講述 Labview 軟件創(chuàng)建過程 ，過度到 設(shè)計(jì)方案的比較 ，進(jìn)而講述了 聲卡采集數(shù)據(jù)的特點(diǎn) 。 第三章， 軟件模塊的設(shè)計(jì) ： 主要介紹了各個(gè)功能模塊具體設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，包括：數(shù)據(jù)采集和處理模塊、數(shù)據(jù)模擬模塊、低通濾波模塊、波形顯示模塊等 。 第四章， 程序設(shè)計(jì)顯示 ：本章是重點(diǎn)， 主要介紹 程序的使用方法 和 程序的調(diào)試結(jié)果 。 第五章， 總結(jié)與展望 和 設(shè)計(jì)中遇到的問題 。 2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 的設(shè)計(jì) 數(shù)據(jù)采集由 硬件和功能模塊軟件兩部分組成。本章將詳細(xì)討論對(duì) 數(shù)據(jù)采集 時(shí)幾種方案的比較。 Labview 軟件 創(chuàng)建過程 創(chuàng)建 Labview 軟件 的過程大體分為以下五步： （ 1） 需求分析。需求分析是借用軟件工程中的概念，其含義包括創(chuàng)建開發(fā) 原型 （明確實(shí)質(zhì)要解決的問題） 、分析程序的可行性（包括成本、性能、風(fēng)險(xiǎn)和技術(shù)障礙）等。 在創(chuàng)建開發(fā)原型的過程中，開發(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，程序開發(fā)人員對(duì)所要解決的問題有了大致的了解，甚至可以畫出一個(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、開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)等。 （ 2）軟、硬件的選擇 。程序開發(fā)人員不必?fù)?dān)心操作系統(tǒng)的問題，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； ② VI 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：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)前人做過的工作；接下來就是根據(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)試過程是項(xiàng)目開發(fā)的重要組成部分。測(cè)試應(yīng)該從底層的 VI 開始，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)程序員來說，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發(fā)環(huán)境、高水平的儀器硬件接口和用戶接口。美國國家儀器公司提出的“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：開發(fā)成本 低、執(zhí)行效率佳、程序彈性大、開放性架構(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，是美國國家儀器公司（ 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)的圖形化軟件開發(fā)環(huán)境。 LABVIEW 的前面板可以包括旋鈕、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。 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 開來，修改人機(jī)界面無需對(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發(fā)周期、消除了虛擬儀器編程的復(fù)雜過程。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)域開發(fā)的， 但它的函數(shù)包含了一般高級(jí)計(jì)算機(jī)語言中的絕大多數(shù)程序控制功能。 LABVIEW 作為開發(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?方法和概念，有利于軟件的開發(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（ DLL）中的函數(shù)以及 C 語言程序，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)化查詢語言（ SQL） 、便于與其他 Windows 應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)庫應(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 通過聲卡，人們可將來自話筒、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(shí)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(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(hào)是通過功率放大的信號(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 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 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(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(hào)處理的方法來彌補(bǔ)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(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