【導讀】隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，儀器工業(yè)正在經(jīng)歷一場巨變。計算機強大的處理和。顯示能力，使它可以在數(shù)據(jù)采集、分析和表達中的任意一個方面提升儀器的性能。到了廣泛的應用。本文介紹了虛擬儀器的基本框架和總體設計思想。在此基礎上，提出了了基。文中重點講解了該簡易虛擬示波器各模。析、波形存儲以及坐標轉(zhuǎn)換等模塊，并給出了具體的設計方法和實驗結(jié)果。最后對虛擬示波器進行了系統(tǒng)測試和性能分析，達到了預先的設計要求。本設計的最大特點是成本低。該簡易示波器的Y軸通道采用計算機中的聲卡，左右的模擬帶寬，適合低頻數(shù)據(jù)采集應用場合。

　　

【正文】 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 要響應一次中斷， 24 而是采用了緩沖區(qū)的工作方式 [11]。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響應中斷的頻度，節(jié)省了系統(tǒng)資源。聲卡輸出聲音時的 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的， 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)，可以較好地保證聲卡與 CPU的協(xié)調(diào)工作。 (4) 沒有基準電壓 聲卡不提供基準電壓，因此無論是 A/D還是 D/A在使用時，都需要用戶自己參照基準電壓進行標定。 四、聲卡的頻率范圍與頻率響 應 人耳對頻率的感覺從 20Hz到 20KHz之間，而聲卡的頻率響應上限范圍在 20kHz。 五、聲卡用于數(shù)據(jù)采集時的一些設置 (1) 聲卡的設置 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 25 正常，需要檢查聲卡的設置。一般來說，這里的設置有兩層含義，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) [14,16,17]。下面介紹對 Line In和 Mic In的檢查和設置。 圖 32 音量控制窗口對話框 圖 33 音量控制屬性對話框 26 按圖 32所示，在“選項”菜單下選“屬性”，得到圖 33部分所示的對話框 ,在此對話框上選擇“錄音”，并配置列表中的選項即可。注意圖 32中的相關(guān)功能都不在靜音狀態(tài)。 (2) 硬件連接 硬件連接采用兩種連接線： 1一條一頭是 ，另外一頭是鱷魚夾的連。 2是雙頭為 (在市場上可以買到 )。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口與 SPK Out口，不要把它們當作 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。 LabVIEW 中有關(guān)聲卡函數(shù)簡介 LabVIEW中提供了一系列使用 Windows底層函數(shù)編寫的與聲卡有關(guān)的函數(shù) [13,14]。這些函數(shù)集中在圖 34所示的 Sound VI下。由于使用 Windows底層函數(shù) (不用更高級方便的 MCI函數(shù)以及 DirectX接口 )直接與聲卡 驅(qū)動程序打交道，因而封裝層次低，速度快，而且可以訪問，采集緩沖區(qū)中任意位置的數(shù)據(jù)，具有很大的靈活性，能夠滿足實時不間斷采集的需要。 圖 34 Sound VI 27 在本設計中主要運用到的是 Sound Input這個子模板。表 31是 Sound Input中提供的函數(shù)。 表 31 Sound Input函數(shù)簡介 圖標 函數(shù)名稱 功能說明 SI Config 該函數(shù)的主要功能是設置聲卡中與數(shù)據(jù)采集相關(guān)的一些硬件參數(shù)，如采樣率，數(shù)據(jù)格式，緩沖區(qū)長度等。聲卡的采樣率由內(nèi)部時鐘控制，只有 34種固定頻率 可選，一般將采樣頻率設置為 44100Hz，數(shù)據(jù)格式設置為16bit。緩沖區(qū)長度可選默認值。 SI Start 該函數(shù)用于通知聲卡開始采集外部數(shù)據(jù)，采集到的數(shù)據(jù)會被暫存在緩沖區(qū)中，這一過程無需程序干預，由聲卡硬件使用 DMA直接完成，保證了采集過程的連續(xù)性。 SI Read 該函數(shù)用于等待采樣數(shù)據(jù)緩沖區(qū)滿的消息。當產(chǎn)生這一消息時，它將數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的內(nèi)容讀取到用戶程序的數(shù)組中，產(chǎn)生一個采樣數(shù)據(jù)集合。若計算機速度不夠快，使得緩沖區(qū)內(nèi)容被覆蓋，則會產(chǎn)生一個錯誤信息。這時應調(diào)節(jié)緩沖區(qū)大小，在采樣時間與數(shù) 據(jù)讀取之間找到一個理想的平衡點。 SI Stop 該函數(shù)用于通知聲卡停止采集外部數(shù)據(jù)。己采集而未被讀出的數(shù)據(jù)會留在緩沖區(qū)，可以使用 SI Read函數(shù)一次讀完。 SI Clear 該函數(shù)用于完成最終的清理工作，例如關(guān)閉聲卡采樣通道，釋放請求的一系列系統(tǒng)資源〔包括 DMA，緩沖區(qū)內(nèi)存，聲卡端口等 〕 28 第 4 章 軟件模塊設計 在本章中將詳細介紹各個功能模塊及其生成過程。下面是程序流程框圖： 圖 41 虛擬示波器程序流程框圖 初始化 信號采集 樣值送緩沖 觸發(fā)識別 是觸發(fā)點 顯示緩沖區(qū) 1024 個點 有按鍵 按鍵處理 Y N Y N 29 LabVIEW 簡介 LabVIEW(實驗室虛擬儀器工程平臺 )是一個程序開發(fā)環(huán)境。它類似于VisualBasic,Visual C++。但 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，而沒有使用基于文本的語言來產(chǎn)生源程序代碼 [16]。 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備，還是使用 GPIB， VXI， Ether 接口或是串口的獨立儀器設備， LabVIEW內(nèi)置 的驅(qū)動程序庫和具有工業(yè)標準的設備驅(qū)動軟件都可以對儀器系統(tǒng)進行全面的控制 [21]。 LabVIEW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。 LabVIEW具有許多特性，能使測量和自動化應用方案完全適用于用戶企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營，能將應用方案以網(wǎng)頁的形式發(fā)表，或在互聯(lián)網(wǎng)的應用程序間進行數(shù)據(jù)的傳遞。 LabVIEW擁有完整的 Web服務器，可以隨時發(fā)布測量結(jié)果 [17]。 LabVIEW專業(yè)版開發(fā)系統(tǒng)包括應用程序生成器 (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與其它開發(fā)工具如 VB， VC和 NI的 Measurement Studio結(jié)合起來。 LabVIEW應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 [21]。 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 30 語言而設計的，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語言是一種適合應用于任何編程任務，具有擴展函數(shù)庫的通用編程環(huán)境。和 BASIC及 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語言采用圖形化編程語言。 G語言是 LabVIEW的核心 [4]，熟練掌握 G語言的編程要素和語法規(guī)則，是開發(fā)LabVIEW應用程序的最重要的基礎 [13]。 LabVIEW 程序組成 該環(huán)境包含包括三個部分：程序前面板、框圖程序和圖標連接端口 [18]。程序前面板用于設置輸入數(shù)值和觀察輸出量，用于模擬真實儀表的前面板。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 擬儀器流程圖中獲得或產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。控制和顯示是以各種圖標形式出現(xiàn)在前面板上，如旋鈕、開關(guān)、按鈕、圖表、圖形等，這使得前面板直觀易懂 [3,7]。 一個程序前面板都對應著一段框圖程序?？驁D程序用 LabVIEW圖形編程語言編寫，可以把它理解成傳統(tǒng)程序的源代碼。框圖程序由節(jié)點 (Node)、數(shù)據(jù)連線 (Wire)構(gòu)成。節(jié)點式 VI程序中的執(zhí)行元素，類似于文本編程語言程序中的語句、函數(shù)或子程序。節(jié)點之間數(shù)據(jù)連線按照一定的邏輯關(guān)系相互連接，可定義框圖程序內(nèi)的數(shù)據(jù)流動方向。節(jié)點之間、節(jié)點與前面板對象之間是同數(shù)據(jù)端口和數(shù)據(jù) 連線來傳 31 遞數(shù)據(jù)的。數(shù)據(jù)端口是數(shù)據(jù)在前面板對象和框圖程序之間傳輸?shù)耐ǖ?，是?shù)據(jù)在框圖程序內(nèi)節(jié)點之間傳輸?shù)慕涌凇? LabVIEW中有兩種類型的數(shù)據(jù)端口：控制端口和指示端口以及節(jié)點端口?？刂贫丝诤椭甘径丝谟糜谇懊姘鍖ο?，當 VI程序運行時，從控制輸入的數(shù)據(jù)通過控制端傳遞到框圖程序，供其中的程序使用，產(chǎn)生的輸出數(shù)據(jù)在通過指示端口傳輸?shù)角懊姘鍖闹甘局酗@示。每個節(jié)點端口都有一個或數(shù)個數(shù)據(jù)端口用于輸入或輸出 [14]。 LabVIEW采用的一種獲得專利的數(shù)據(jù)流編程模式，這不同于一些基于文本的編程語言的線性結(jié)構(gòu)，不同于執(zhí)行 一個傳統(tǒng)的控制流方法?？刂屏鲌?zhí)行的是指令驅(qū)動，而數(shù)據(jù)流執(zhí)行的是數(shù)據(jù)流驅(qū)動或依賴數(shù)據(jù)的 [18]。 但一個虛擬儀器的圖標被放置在另一個虛擬儀器的流程圖中時，它就是一個子儀器 (SubVI)[19]。圖標連接端口可以把 VI變成一個 SubVI，然后像子程序一樣在其他程序中調(diào)用。圖標是 SubVI的直觀標記，是 SubVI在其他程序框圖中被調(diào)用的節(jié)點表現(xiàn)形式：而連接端口則表示該 SubVI與調(diào)用它的 VI之間進行數(shù)據(jù)交換的輸入/輸出口，就像傳統(tǒng)編程語言子程序的參數(shù)。 數(shù)據(jù)采集與處理模塊 數(shù)據(jù)采集模塊是虛擬示波器軟件的硬 件驅(qū)動部分，在這里主要是利用 LabVIEW 里面的聲卡函數(shù)完成聲卡的硬件參數(shù)設置、啟動聲卡采集數(shù)據(jù)、等待采樣數(shù)據(jù)緩沖區(qū)滿的消息、通知聲卡停止采集等等任務 [24]。 具體的數(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 32 緩沖區(qū)中； (3)當緩沖區(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)生一個采樣數(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。 如圖 42所示，為數(shù)據(jù)采集與處理模塊。 圖 42 數(shù)據(jù)采集與處理模塊 (1) 程序說明： 在 LabVIEW軟件中，對于聲卡的聲道可以分為 mono 8bit(單聲道 8位 )， mono 16bit(單聲道 16位 )， stereo 8bit(立體聲 8位 )和 stereo 16bit(立體聲 16位 ),其中， 16位聲道比 8位聲道采樣的信號質(zhì)量好，立體聲 (stereo)比單聲道 (mono)采樣信號好，最好的采樣通道形式是 stereo 16bit，這樣采樣的波形穩(wěn)定 ，而且干擾小。另外，用單聲道采樣，左右聲道信號都相同，而且每個聲道的幅值只有原信號幅值的 1/2；采用立體聲采樣，左右聲道互不干擾，可以采兩路不同的信號， 33 而且采樣的信號幅值與原幅值相同。 當然，還有一個更重要的原因是，如果選擇 mono(單聲道 )， SI出來的數(shù)據(jù)是 標量，不能組成數(shù)組，進而不便于數(shù)據(jù)的各種處理。所以這里設計中我采用的是 stereo 16bit進行雙聲道采樣。 聲卡的采樣頻率 (rate)有 4種選擇，即 8000Hz, 11025Hz, 22050Hz和 44100Hz,采樣頻率不同，采到的波形的質(zhì) 量也不同，應視具體情況而采用合適的頻率，在本設計中，為了得到良好的演示效果，我采用了 44100Hz的采樣頻率。而在采樣率的選擇方面，我采用了一個 case循環(huán)，目的是在采樣率為 44100Hz的條件下，在循環(huán)內(nèi)產(chǎn)生波形數(shù)據(jù)。這個在后面波形產(chǎn)生模塊中進行詳細解釋。 (2) 主要操作說明： 在 block diagram中： 1) All Function→ Graphics amp。 Sound→ Sound→ Sound Input選擇 Sound Input函數(shù)。 2) Execution Control→ While Loop選擇 While循環(huán)。 3) Execution Control→ Case Structure選擇 Case循環(huán)。 4) 右鍵點擊 SI Config函數(shù)的 Sound Format輸入，選擇 create control，自動生成 Sound Format簇類型控鍵。其中包含三項數(shù)據(jù)，分別為： sound quality； rate； bits per sample。 5) 右鍵點擊 SI Config函數(shù)的 Buffer Size輸入，選擇 create control，自動生成無符號長整數(shù)類型的控鍵。 6) All Functions→ Cluster→ Unbundle選擇 Unbundle函數(shù)。對輸入簇 Cluster 34 進行解包。當接入 cluster輸入?yún)?shù)后，輸出端子數(shù)自動調(diào)整為與 cluster含元素數(shù)目相同。 觸發(fā)控制模塊 傳統(tǒng)示波器中，電子射線不停的掃描屏幕，屏幕上才會出現(xiàn)光跡。為了保證在屏幕上出現(xiàn)穩(wěn)定的波形圖象， x軸通道必須能選擇適當?shù)耐交蛘哂|發(fā)信號，這個信號用于產(chǎn)生線性掃描電壓的閘門 (稱時基閘門 )，在這時基閘門控制下產(chǎn)生穩(wěn)定的線性掃描電壓。下圖是傳統(tǒng)示波器的典型的觸發(fā)同步電路方框圖 [17]： 內(nèi) 外 去掃描電路 外輸入 圖 43 傳統(tǒng)示波器的典型的觸發(fā)同步電路方框圖 (1) 觸發(fā)選送電路。用來選送垂直系統(tǒng)的被測信號，作為內(nèi)觸發(fā)同步信號。 (2) 輸入偶合電路。用來選擇不同的偶合方式，以使在有不同的觸發(fā)同步信號輸入時，都能獲得良好的同步。 (3) 放大器。用來放大觸發(fā)同步信號。在這里附有極性變換電 路，可輸出兩個不同極性的觸發(fā)同步信號。 (4) 脈沖發(fā)生器。用來形成觸發(fā)同步脈沖，常為微分尖脈沖，輸出到掃描發(fā)生器。 觸發(fā)選送 放大器 脈沖發(fā)生器 輸入耦合 35 此脈沖與觸發(fā)同步信號成同步或分頻關(guān)系。 觸發(fā)控制模塊 在虛擬示波器中的觸發(fā)同步與傳統(tǒng)示波器的觸發(fā)同步有某些相同，也有很多不同地方?；痉椒ㄊ牵簭木彌_器的雙通道中選取一個通道中的數(shù)據(jù) ( )，并把這組數(shù)、設定的某個作為觸發(fā)電平的值進行比較，滿足觸發(fā)條件時，啟動觸發(fā)，并輸出數(shù)組中對應元素的索引值，在設定子數(shù)組長度 (1024)的情況下，把從該元素起的 1024個元素 組成一個新的數(shù)組 ( )，并把這組數(shù)據(jù)作為波形數(shù)據(jù)的 Y值。 圖 44 通道選擇與觸發(fā)控制模塊 程序說明： 從緩沖器的雙通道中選取一個通道中的數(shù)據(jù)，與電壓標定的系數(shù)相除后作為 36 觸發(fā)子模塊的輸入。這里電壓標定的系數(shù)決定了后面波形數(shù)據(jù)的幅度。 觸發(fā)控制子模塊有四個輸入：數(shù)據(jù)輸入、“觸發(fā)否”判斷、“觸發(fā)沿”判斷、觸發(fā)電平。一個輸出：觸發(fā)后數(shù)據(jù)輸出。 子程序模塊 圖 45 觸發(fā)子程序控制面板 圖 46 觸發(fā)子程序模塊 程序說明： 37 這里 用到了 Array (數(shù)組子集函數(shù) )，如圖 47，該函數(shù)返回數(shù)組中從 Index開始的長度為 length的部分數(shù)組元素 [34]。 圖 47 Array subset 在子程序中，把子子程序“ slope”的輸出作為 Index值，而數(shù)組長度選擇 1024。這是因為：聲卡的緩存深度是 8192字節(jié)，選擇 16位立體聲輸出，則其中一個聲道的波形數(shù)據(jù)長度是 8192247。 2247。 2=2048字節(jié)?？紤]到聲卡采集數(shù)據(jù)的不穩(wěn)定，波形上可能會有一些鋸齒：①如果選擇上升沿觸發(fā)，觸發(fā)點處的下一個數(shù)據(jù)低于觸發(fā)點處的值，而上 一個數(shù)據(jù)高于這個值，那么就會得到這個值往回 1024字節(jié)的數(shù)組數(shù)據(jù)；②如果觸發(fā)點處的下一個數(shù)據(jù)高于于觸發(fā)點處的值，而上一個數(shù)據(jù)低于這個值，那么就會得到這個值往后 1024字節(jié)的數(shù)組數(shù)據(jù)。所以，為了得到比較準確的數(shù)組數(shù)據(jù)，選擇 1024字節(jié)的子數(shù)組長度。輸入的數(shù)據(jù)進入“內(nèi)部判斷”后，進行觸發(fā)判斷。 子子程序模塊