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正文內(nèi)容

虛擬儀器設(shè)計(jì)-數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)本科生畢業(yè)論文(編輯修改稿)

2024-08-19 18:45 本頁面
 

【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
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