【正文】 西安交通大學(xué)城市學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 38 參考文獻(xiàn) 39 參考文獻(xiàn) [1] 張健，韓薪莘，房曉溪，程學(xué)慶 .LABVIEW 圖形化編程與實(shí)例應(yīng)用 .北京：中國(guó)鐵道出版社， 2020： 159— 160 [2] 戴鵬飛，王勝開，王格芳，馬欣 .測(cè)試工程與 LABVEIW 應(yīng)用 .北京：電子工業(yè)出版社，2020： 64— 77 [3] 路林吉，等 .虛擬儀器的應(yīng)用 .電子技術(shù)， 2020： 40— 46 [4] 張毅，龍風(fēng)樂等 .測(cè)控系統(tǒng)中三種最新軟件的比較 .計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制， 2020： 21— 24 [5] National Instruments. LABVIEW 測(cè)試與自動(dòng)化的專業(yè)軟件， 2020： 7— 14 [6] 嚴(yán)奉蓮．基于 LabVlEW 虛擬示波器的數(shù)據(jù)采集與通信設(shè)計(jì) [J]．中國(guó)科技信息， 2020，(24)： 135— 137． [7] 劉君華．基于 LabVIEW 的虛擬示波器設(shè)計(jì)．北京：電子工業(yè)出版社。在此祝 愿我的母校越辦越好，祝愿老師工作順利、身體健康，希望同學(xué)們學(xué)業(yè)、事業(yè)有成。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，虛擬示波器的開發(fā)和研究將會(huì)獲得更大的推動(dòng)。隨著 PC 技術(shù)和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，虛擬儀器技術(shù)已成為一項(xiàng)前沿學(xué)科，代表著儀器發(fā)展的最新方向之一，不斷的被推向各個(gè)新的領(lǐng)域，在新的世紀(jì)將大行其道。因此需要選用各方面性能都較高的采集卡，這才能充分發(fā)揮虛擬 示波 器的優(yōu)點(diǎn)。 （ 4）在 相同的 硬件條件下， 本文設(shè)計(jì)的虛擬示波器還 可以通過修改和增加數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)回放模塊 ， 來增加虛擬示波器的功能 。由于聲卡的電壓要求為 1V 左右，所以對(duì)小信號(hào)要進(jìn)行放大，大于 1V的電壓信號(hào)要加入衰減電路。 設(shè)計(jì)出的示波器不僅具有波形顯示功能，而且還具有頻譜分析和參數(shù)顯示功能。 4 程序的調(diào)試與測(cè)試 33 圖 43 方波的波形顯示 調(diào)試結(jié)果： 從圖 4 圖 4 圖 43 中可以看到本文所設(shè)計(jì)的虛擬示波器可以對(duì)信號(hào)正確的采集和顯示，達(dá)到了本次虛擬示波器的設(shè)計(jì)要求。 西安交通大學(xué)城市學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 32 圖 41 正弦波的波形顯示 然后講函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的輸入波形改為三角波，其余參數(shù)均不變，點(diǎn)擊 “ 連續(xù)運(yùn)行 ” 按鈕 。 在最后的測(cè)試中 ，采用了函數(shù)信號(hào)發(fā)生器作為外部模擬信號(hào)輸入， 用設(shè)計(jì)的虛擬示波器 分別 顯示正弦波、三角波、方波的波形 。 其中 實(shí)時(shí)帶寬： 2KHz。 下面分別介紹 本設(shè)計(jì)中的采樣頻率和采樣精度。 本章 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 。 參數(shù)顯示模塊 參數(shù)顯示模塊如圖 319 所示。主要利用了 FFT Spectrum 函數(shù)。 頻譜分析模塊 的前面板 如圖 317 所示。其中采用的函數(shù)為 Extract Single Tone Information 函數(shù)。 Stat → Statistics 選擇 Statistics 函數(shù)。 Sound → Sound → Input → Clea r 選擇 clear 函數(shù)。 圖 312 聲音輸入清除 的前面板 聲音輸入清除 的后面板 如圖 313 所示。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)。 圖 310 聲音輸入讀取 的前面板 聲音輸入讀取 的后面板如圖 311 所示。 主要操作說明： 在 block diagram： 西安交通大學(xué)城市學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 Functions → Graphics amp。 3 虛擬示波器軟件設(shè)計(jì) 23 圖 38 聲音輸入設(shè)置 的前面板 聲音輸入設(shè)置 的后面板如圖 39 所示。對(duì)輸入簇 Cluster 進(jìn)行解包。 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。 主要操作說明； 在 block diagram： Functions → Graphics amp。所以在設(shè)計(jì)中我采用 stereo 16bit 進(jìn)行雙聲道采樣。 圖 37 數(shù)據(jù)采集和處理模塊 程序說明： 西安交通大學(xué)城市學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 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 16bit（單聲道 16 位）， stereo 8bit（立體聲 8 位）和 stereo 16bit（立體聲16 位）。在聲卡的讀取過程中，如果聲卡觸發(fā)有差錯(cuò)的話，聲卡的讀取就會(huì)停止，聲卡直接停止， While 循環(huán)也就結(jié)束了。聲卡采集完信號(hào)數(shù)據(jù)后，聲卡開始讀取數(shù)據(jù)，通過對(duì)數(shù)據(jù)的讀取，虛擬示波器把波形顯示出來；在波形顯示的過程中，虛擬示波器還能通過頻譜分析，對(duì)波形的幅頻和相頻分析，顯示虛擬示 波器的幅頻特性和相頻特性；最后再把頻率、幅頻、相頻的數(shù)據(jù)通過數(shù)組的分析，也顯示出來。 初始化 聲卡 信號(hào)采 集 波形顯示 參數(shù)顯示 LABVIEW 模塊 3 虛擬示波器軟件設(shè)計(jì) 19 程序的結(jié)構(gòu) 框 圖 程序的 結(jié)構(gòu) 框 圖如圖 33 所示： 圖 33 程序的結(jié)構(gòu) 框 圖 結(jié)構(gòu)框圖簡(jiǎn)介 ： 首先由函數(shù)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生特定的信號(hào)，進(jìn)入聲卡的緩存區(qū)，聲卡開始進(jìn)行初始化的參數(shù)設(shè)置，設(shè)置號(hào)以后將緩存區(qū)的信號(hào)讀取出來，送給數(shù)據(jù)采集卡，進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，最后對(duì)該信號(hào)進(jìn)行頻譜分析、參數(shù)顯示和波形顯示。 clear 該函數(shù)用于完成最終的清理工作。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。 start 該函數(shù)用于通知聲卡開始采集外部數(shù)據(jù)。 Sound 的函數(shù)中 Sound 函數(shù)中的 Input 中提供的函數(shù) [15]。由于使用 Windows 底層函 數(shù)（不用更高級(jí)方便的MCI 函數(shù)以及 DirectX 接口）直接與聲卡驅(qū)動(dòng)程序打交道，因而封裝程序低，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)，具有很大靈活性，能夠滿足實(shí)時(shí)不間斷采集的需要。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)編程語言子程序的參數(shù) [14]。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。 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。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。控制和顯示是以各種圖標(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。 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)。它除了編程方式不同外，具有編程語言的所有特點(diǎn)， 稱之為圖形化編程語言（簡(jiǎn)稱G 語言）。使用共享庫可以使開發(fā)的應(yīng)用程序代碼進(jìn)行重新使用。它能夠?yàn)榧墒綔y(cè)量方案提供功能強(qiáng)大且完備的測(cè)量分析庫，這些軟件庫可以完成極限測(cè)試、頻率分析、濾波及信號(hào)生成等任務(wù)。 LABVIEW 是 一個(gè)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。最后介紹了聲卡用于數(shù)據(jù)采集時(shí)的一些設(shè)置。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。 如圖 25（ a） 所示。一般來說，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)。 （ 4）沒有基準(zhǔn)電壓 聲卡不提供基準(zhǔn)電壓，因此無論是 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 [11]。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 ， 聲卡輸出聲音的 D/A 變換也是類似的。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。這樣雖然可使制造成本降低，但卻不便于使用。對(duì)于民用聲卡，一般將采樣頻率設(shè)為 4 檔，分別是 、 、 、 8kHz。聲卡的位 數(shù) 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。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。 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。 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，很自然的就可以信 號(hào) 輸 入 數(shù)據(jù)采集 數(shù)據(jù)處理 波形顯示 參數(shù)測(cè)量 頻譜分析 西安交通大學(xué)城市學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 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 [9]。 （ 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、 VD、 DVD、 MP3 和卡拉 OK 等。 2 虛擬示波器設(shè)計(jì)理論 9 圖 23 示波器的結(jié)構(gòu)框圖 結(jié)構(gòu)框圖說明： 信號(hào)輸入是由計(jì)算機(jī)輸入一段聲音 ，然后由聲卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，聲卡將采集到的信號(hào)存入緩存區(qū)， LABVIEW 中的聲音函數(shù)從緩存區(qū)中讀取數(shù)據(jù)，讀取到數(shù)據(jù)以后點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕，示波器中就可以將信號(hào)的波形、參數(shù)測(cè)量和頻譜分析顯示出來。 本文 所設(shè)計(jì)的虛擬示波器，是在數(shù)據(jù)采集硬件的支持下，配備一定功能的軟件，完成波形的存儲(chǔ)、分析、顯示等功能。 使用 LABVIEW 構(gòu)建基于聲卡的虛擬示波器的思路是很清晰的。 虛擬 示波器的功能方框圖 本文設(shè)計(jì)的示波器 的能首先是完成信號(hào)的采集，然后將采集到的信號(hào)經(jīng)過通道選擇，再進(jìn)行濾波器的濾波，最后將波形顯示出來。系統(tǒng)軟件包括前面板生成 框圖程序和圖標(biāo)連接端口 。 第 3 章 ， 本章講解 虛擬示波器的軟件 設(shè)計(jì)：本章是重點(diǎn)，詳細(xì)講述了各個(gè)功能模塊具體的實(shí)現(xiàn)過程，包括數(shù)據(jù)采集和處理、 波形顯示、參數(shù)測(cè)量、頻譜分析等模塊。 虛擬儀器的發(fā)展已經(jīng)具有快 30 年的歷史，虛擬示波器作為虛擬儀器中的一種典型儀器，是儀器儀表、 無線電通 信 、雷達(dá)系統(tǒng)等領(lǐng)域不可缺少的一部分。 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。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 [6]。虛擬儀器在組成和改變儀器的功能和技術(shù)性能方面具有靈活性和經(jīng)濟(jì)性，因而特別適應(yīng)于當(dāng)代科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展和科學(xué)研究不斷深化所提出的更高跟新的測(cè)量課題和測(cè)量需要。隨著微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展，虛擬儀器將會(huì) 逐步取代傳統(tǒng)的測(cè)試儀器而成為測(cè)試儀器的主流。此外，國(guó)內(nèi)已有幾家 企業(yè)在研制 PC 虛擬儀器，哈工大儀器王電子有限責(zé)任公司就是其中之 一，它的產(chǎn)品已達(dá)到一定的批量。四川聯(lián)合大學(xué)的教師基于虛擬儀器的設(shè)計(jì)思想，研制了“航空電臺(tái)二線綜合測(cè)試儀”將 8 臺(tái)儀器集成于一體，組成虛擬儀器系統(tǒng)，使用方便、靈活。 我國(guó) VXI 總線技術(shù)是反映我國(guó)目前虛擬儀器水平的一個(gè)方面，互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)使數(shù)據(jù)共享進(jìn)入新階段，加速了虛擬儀器的新網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，而這些技術(shù)是傳統(tǒng)儀器不可能實(shí)現(xiàn)的，虛擬儀器很好的利用了互聯(lián)網(wǎng)的功能，因此可以把來自測(cè)量和設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)直接發(fā)布到網(wǎng)上。這種虛擬儀器模塊化主流平臺(tái) PXI/Compact PCI 的傳輸速度已經(jīng)達(dá)到100Mb/s。 當(dāng)今虛擬儀器的系統(tǒng)開發(fā)采用的總線包括傳統(tǒng)的 RS232 串行總線、 GPIB 通用接口總線、 VXI 總線，以及已經(jīng)被 PC 機(jī)廣泛采用的 USB 串行總線和 IEEE1394總線（即 Fire wire，也叫做火線）。 近年來，世界各 國(guó)的虛擬儀器 公司開發(fā)了不少虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)軟件，以便使用者利用這些公司提供的開發(fā)平臺(tái)軟件組建自己的虛擬儀器或測(cè)試系統(tǒng)，并編制測(cè)試軟件。因此，用戶可以根據(jù)自己的需要選擇不同廠家的產(chǎn)品，使儀器系統(tǒng)的開發(fā)更為靈活、效率更高，縮短了系統(tǒng)組建和維修的時(shí)間 [3]。