【正文】 程方式不同外，具有編程語言的所有特點(diǎn)，稱之為圖形化編程語言（簡稱 G語言）。 聲卡 參數(shù)設(shè)置 數(shù)據(jù)采集 頻譜分析 參數(shù)顯示 波形顯示 函數(shù)信號(hào)發(fā)生器 太原科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 29 G 語言是一種適合應(yīng)用于編程任務(wù)，具有擴(kuò)展函數(shù)庫的通用編程環(huán)境。和 BASIC和 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(yīng)用靈活性上不遜于任何高級(jí)語言，同時(shí) G 語言豐富的擴(kuò)展函數(shù)庫還為用戶編程提供了極大的方便。 G語言與傳統(tǒng)高級(jí)編程語言最大的差別在于編程方式一般高級(jí)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，熟練掌握 G 語言的編程要素和語法規(guī)則，是開發(fā) LABVIEW 應(yīng)用程序的最重要的基礎(chǔ)。 4． 3． 2 LABVIEW 程序組成 該環(huán)境包括三個(gè)部分：程序前面板、框圖程序和圖標(biāo) /連接端口。程序前面板用于設(shè)置輸入數(shù)值和觀察輸出量，用于模擬真實(shí)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產(chǎn)生或獲得的數(shù)據(jù)?？刂坪惋@示是以各種圖標(biāo)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。 一個(gè)程序前面板都對(duì)應(yīng)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?？驁D程序由節(jié)點(diǎn)（ Node）、數(shù)據(jù)連線（ Wire）構(gòu)成。節(jié)點(diǎn)是 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(diǎn)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(dòng)方向。節(jié)點(diǎn)之間、節(jié)點(diǎn)與前面板對(duì)象之間是同數(shù)據(jù)端口和數(shù)據(jù)連線來傳遞數(shù)據(jù)的。 數(shù)據(jù)端口是數(shù)據(jù)在前面板對(duì)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(diǎn)之間傳輸?shù)慕涌凇? LABVIEW 中有三種類型的數(shù)據(jù)端口：控制端口和指示端口以及節(jié)點(diǎn)端口?？刂贫丝诤椭甘径丝谟糜谇懊姘鍖?duì)象，當(dāng) VI 程序運(yùn)行時(shí)，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)再通過指示端口傳輸?shù)角懊姘鍖?duì)應(yīng)的指示中顯示。每個(gè)節(jié)點(diǎn)端口都有一個(gè)或數(shù)個(gè)數(shù)據(jù)端口用于輸入或輸出。 LABVIEW 采用的一種獲得專利的數(shù)據(jù)流編程模式。這不同于基于文本的編程語言的線形結(jié)構(gòu)，不同于執(zhí)行一個(gè)傳統(tǒng)的控制流方法。控制流執(zhí)行的是指令驅(qū)動(dòng)，而數(shù)據(jù)流執(zhí)行的是數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)或依賴數(shù)據(jù)的。 但一個(gè) 虛擬儀器的圖標(biāo)被放置在另一個(gè)虛擬儀器的流程圖中時(shí)，它就是一個(gè)子儀器。圖標(biāo)連接端口可以把 VI 變成一個(gè) Sub VI，然后象子程序一樣在其他程序中調(diào)用。圖標(biāo)是 Sub VI 的直觀標(biāo)記，是 Sub VI 在其他程序框圖中被調(diào)用的節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)形式，而連接端口則表示該 Sub VI 與調(diào)用它的 VI之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的輸入 /輸出口，就象傳統(tǒng)唐小清：基于 LABVIEW的虛擬示波器設(shè)計(jì) 30 編程語言子程序的參數(shù)。 4． 4 數(shù)據(jù)采集和處理模塊 數(shù)據(jù)采集模塊是虛擬示波器軟件的硬件驅(qū)動(dòng)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(shè)置、啟動(dòng)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任務(wù)。 具體的數(shù)據(jù)采集流程是：（ 1）初始化；對(duì)聲卡中與數(shù)據(jù)采集相關(guān)的一些硬件參數(shù)進(jìn)行設(shè)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(jìn)先出的緩沖區(qū)中；（ 3）當(dāng)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(gè)采樣數(shù)據(jù)集合，并在程序中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)停止采集外部數(shù)據(jù)，并進(jìn)一步清空緩存里的內(nèi)容。 如圖 43所示，為數(shù)據(jù)采集和處理模塊。 圖 43 數(shù)據(jù)采集和處理模塊 程序說 明： 在 LABVIEW 軟件中，對(duì)于聲卡的聲道可以分為 mono 8bit（單聲道 8 位）， mono 太原科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 31 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位聲道采樣信號(hào)的質(zhì)量好，立體聲（ stereo）比單聲道（ mono）采樣信號(hào)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(hào)都相同，而且每個(gè)聲道的幅值只有原信號(hào)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(hào)，而且采樣的信號(hào)幅值與原幅值相同。 當(dāng)然，還有一個(gè)重要的原因是，如果選擇 mono（單聲道）， SI 出來的數(shù)據(jù)是標(biāo)量，不能組成數(shù)組，進(jìn)而不便于數(shù)據(jù)的各種處理。所以在設(shè)計(jì)中我采用 stereo 16bit 進(jìn)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(yīng)視具體情況采用合適的頻率，在設(shè)計(jì)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(gè) 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(gè)在后面波形產(chǎn)生模塊中進(jìn)行詳細(xì)解釋。 主要操作說明； 在 block diagram： Functions → Graphics amp。 Sound → Sound → Sound Input 選擇 Sound Input 函數(shù)。 1） Functions → Structures → While Loop 選擇 While 循環(huán)。 2） Functions → Structure → Case 選擇 Case 循環(huán)。 3） 右鍵點(diǎn)擊 SI Config 函數(shù) 的 Sound Format 輸入，選擇 create control，自動(dòng)生成 Sound Format 簇類型控鍵。其中包含三項(xiàng)數(shù)據(jù)，分別為： sound quality； rate；bits persample。 4） 右鍵點(diǎn)擊 SI Config 函數(shù)的 Buffer Size 輸入，選擇 create control，自動(dòng)生成無符號(hào)長整數(shù)類型的控鍵。 5） Functions → Cluster → Unbundle 選擇 Unbundle 函數(shù)。對(duì)輸入簇 Cluster 進(jìn)行解包。當(dāng)接入 cluster 輸入?yún)?shù)后，輸出端子數(shù) 自動(dòng)調(diào)整為與 cluster 元素?cái)?shù)目相同。 4． 4． 1 Sound Input Configure .VI Sound Input Configure .Vi 的前面板如圖 44所示。 Sound Input Configure .Vi 的前面板是對(duì)聲卡參數(shù)的一些設(shè)置，這些設(shè)置必須能夠滿足設(shè)計(jì)的需要。 參數(shù)設(shè)置 如圖 44所示。 唐小清：基于 LABVIEW的虛擬示波器設(shè)計(jì) 32 圖 44 Sound Input Configure .Vi 的前面板 Sound Input Configure .Vi 的后面板如圖 45所示。 圖 45 Sound Input Configure .Vi 的后面板 程序說明： Sound Input Configure， 該函數(shù)的主要功能是設(shè)置聲卡中與數(shù)據(jù)采集有關(guān)的一些太原科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 33 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(shí)鐘控制，只有 34 種固定頻率可選，一般將采樣頻率設(shè)置為 44100HZ，數(shù)據(jù)格式設(shè)置為 16bit。緩沖區(qū)長度可選默認(rèn)值。 主要操作說明： 在 block diagram： Functions → Graphics amp。 Sound → Sound → Input → Configure 選擇configure 函數(shù)。 4． 4． 2 Sound Input Read .VI Sound Input Read .VI 的前面板如圖 46所示。 Sound Input Read .VI 的前面板為聲卡采集時(shí)的參數(shù)設(shè)置。 圖 46 Sound Input Read .VI 的前面板 Sound Input Read .VI 的后面板如圖 47 所示。 唐小清：基于 LABVIEW的虛擬示波器設(shè)計(jì) 34 圖 47 Sound Input Read .VI的后面板 程序說明： 該函數(shù)用于等待采樣數(shù)據(jù)緩沖區(qū)滿的消息。當(dāng)產(chǎn)生這一消息時(shí)，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(gè)數(shù)據(jù)采樣集合。若計(jì)算機(jī)的速度不夠快，使得緩沖區(qū)內(nèi)容被覆蓋，則會(huì)產(chǎn)生一個(gè)錯(cuò)誤信息。這時(shí)應(yīng)調(diào)節(jié)緩沖區(qū)的大小，在采樣時(shí)間和數(shù)據(jù)讀取之間找到一個(gè)理想的平衡點(diǎn)。 主要操作說明： 在 block diagram： Functions → Graphics amp。 Sound → Sound → Input → Read 選擇 read 函數(shù)。 4． 4． 3 Sound Input Clear .VI Sound Input Clear .VI 的前面板如圖 48 所示。 太原科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 35 圖 48 Sound Input Clear .VI 的前面板 Sound Input Clear .VI 的后面板 如圖 49 所示。 圖 49 Sound Input Clear .VI 的后面板 唐小清：基于 LABVIEW的虛擬示波器設(shè)計(jì) 36 程序說明： 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(qǐng)求的一系列系統(tǒng)資源（包括 MDA，緩沖區(qū)內(nèi)存，聲卡端口等）。 主要操作說明： 在 block diagram： Functions → Graphics amp。 Sound → Sound → Input → Clear 選擇 clear 函數(shù)。 4． 5 測(cè)量模塊 采樣點(diǎn)數(shù)測(cè)量模塊如圖 410 所示。 圖 410 采樣點(diǎn)數(shù)測(cè)量模塊 程序說明： 采樣點(diǎn)數(shù)測(cè)量模塊主要用于獲得波形的采樣點(diǎn)數(shù)，其中采用的 Statistics 函數(shù)，它是用來確定波形運(yùn)行時(shí)的采樣點(diǎn)數(shù)，取決于輸入的程序中設(shè)定的值。 主要操作說明： 在 block diagram： Functions → Mathematics → Prob amp。 Stat → Statistics 選擇 Statistics 函數(shù)。 頻率測(cè)量模塊 前面板 如圖 411 所示。 太原科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 37 圖 411 頻率測(cè)量模塊 前面板 頻率測(cè)量模塊 的后面板如圖 412 所示。 圖 412 頻率測(cè)量模塊的后面板 唐小清：基于 LABVIEW的虛擬示波器設(shè)計(jì) 38 程序說明： 頻率測(cè)試模塊，主要用于測(cè)量信號(hào)波形的頻率。其中采用的函數(shù)為 Extract Single Tone Information 函數(shù)。它是用來獲取一個(gè)信號(hào)的，求出音頻信號(hào)的最高幅度或者一個(gè)指定的頻率范圍，并返回一個(gè)單一的頻率、幅度、相位值。 主要操作說明： 在 block diagram： Functions → Signal Processing → Wfm Measure → Extract Single Tone Information 選擇 Extract Single Tone Information 函數(shù)。 4． 6 頻譜分析模塊 頻譜分析模塊 的前面板 如圖 413 所示。 頻譜分析模塊的前面板是設(shè)置頻譜分析模塊的參數(shù)。 413 頻譜分析模塊 的前面板 頻譜分析模塊的后面板如圖 414 所示。 太原科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 39 圖 414 頻譜分析模塊的后面板 程序說明： 頻譜分析模塊，它的作用是對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析。實(shí)現(xiàn)一個(gè) FFT 運(yùn)算。主要利用了 FFT Spectrum 函數(shù)。 FFT Spectrum 函數(shù)的功能為 計(jì)算一個(gè)時(shí)間信號(hào)的平均 FFT Spectrum 。其結(jié)果是返回一個(gè)幅值或相位值。 主要操作說明： 在 block diagram： Functions → Signal Processing → Wfm Measure → FFT Spectrum 選擇 FFT Spectrum 函數(shù)。 4． 7 參數(shù)顯示模塊 參數(shù)顯示模塊如圖 415 所示。 唐小清：基于 LABVIEW的虛擬示波器設(shè)計(jì) 40 圖 415 參數(shù)顯示模塊 程序說明： 參數(shù)顯示模塊，它的作用是對(duì)信號(hào)的參數(shù)顯示出來。參數(shù)中包括周期平均，峰峰值，正峰值，負(fù)峰值，周期均方根，直流，均方根。 參數(shù)顯示是以數(shù)子的方式顯示。 4． 8 小結(jié) 本章是 設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，主要介紹了虛擬示波器的各個(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、測(cè)量模塊、頻譜分析模塊、 參數(shù)顯示模塊等 。將這些模塊在主 VI 的框圖程序中按照一定的邏輯關(guān)系組合起來，就形成了一個(gè)完整的虛擬示波器。這將在下一章中具