【正文】 所以，為了得到比較準(zhǔn)確的數(shù)組數(shù)據(jù)，選擇 1024字節(jié)的子數(shù)組長(zhǎng)度。這是因?yàn)椋郝暱ǖ木彺嫔疃仁?8192字節(jié)，選擇 16位立體聲輸出，則其中一個(gè)聲道的波形數(shù)據(jù)長(zhǎng)度是 8192247。 觸發(fā)控制子模塊有四個(gè)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。 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。在這里附有極性變換電 路，可輸出兩個(gè)不同極性的觸發(fā)同步信號(hào)。 (2) 輸入偶合電路。 觸發(fā)控制模塊 傳統(tǒng)示波器中，電子射線(xiàn)不停的掃描屏幕，屏幕上才會(huì)出現(xiàn)光跡。 5) 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(wú)符號(hào)長(zhǎng)整數(shù)類(lèi)型的控鍵。 2) Execution Control→ While Loop選擇 While循環(huán)。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)。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)， 33 而且采樣的信號(hào)幅值與原幅值相同。 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(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(mǎn)的消息、通知聲卡停止采集等等任務(wù) [24]?？刂屏鲌?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(lài)數(shù)據(jù)的 [18]。 LabVIEW中有兩種類(lèi)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)式 VI程序中的執(zhí)行元素，類(lèi)似于文本編程語(yǔ)言程序中的語(yǔ)句、函數(shù)或子程序?？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(kāi)關(guān)、按鈕、圖表、圖形等，這使得前面板直觀(guān)易懂 [3,7]。 G語(yǔ)言是 LabVIEW的核心 [4]，熟練掌握 G語(yǔ)言的編程要素和語(yǔ)法規(guī)則，是開(kāi)發(fā)LabVIEW應(yīng)用程序的最重要的基礎(chǔ) [13]。它除了編程方式不同外，具有編程語(yǔ)言的所有特點(diǎn)，稱(chēng)之為圖形化編程語(yǔ)言 (簡(jiǎn)稱(chēng) G語(yǔ)言 )。使用共享庫(kù)可以使開(kāi)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(kù)，這些軟件庫(kù)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(xiàn)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。 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(qǐng)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(shè)計(jì) 在本章中將詳細(xì)介紹各個(gè)功能模塊及其生成過(guò)程。若計(jì)算機(jī)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。緩沖區(qū)長(zhǎng)度可選默認(rèn)值。 圖 34 Sound VI 27 在本設(shè)計(jì)中主要運(yùn)用到的是 Sound Input這個(gè)子模板。如果測(cè)試輸入信號(hào)，則使用測(cè)試線(xiàn) 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(xiàn)連接到聲卡輸出端 Line Out口。 (2) 硬件連接 硬件連接采用兩種連接線(xiàn)： 1一條一頭是 ，另外一頭是鱷魚(yú)夾的連。一般來(lái)說(shuō)，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) [14,16,17]。 四、聲卡的頻率范圍與頻率響 應(yīng) 人耳對(duì)頻率的感覺(jué)從 20Hz到 20KHz之間，而聲卡的頻率響應(yīng)上限范圍在 20kHz。 一般聲卡使用的緩沖區(qū)長(zhǎng)度的默認(rèn)值是 8KB(8192字節(jié) )。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(mǎn)時(shí)，發(fā)出中斷給 CPU， CPU響應(yīng)中斷后一次性將緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)全部讀走。 (3) 緩沖區(qū) 與一般數(shù)據(jù)采集卡不同，聲卡面臨的 D/A和 A/D任務(wù)通常是連續(xù)狀態(tài)的。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(méi)問(wèn)題，但似乎余量不大。比較一下，一段相同的音樂(lè)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，最終采樣效果自然是無(wú)法相提并論的。 Line In Mic In Wave Out SPK Out A/D DSP D/A 波表 MIDI 合成器 MIDI In 23 三、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 [1]。 圖 31 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 值約不超過(guò) 。 二、聲卡的硬件結(jié)構(gòu) 圖 31是一個(gè)聲卡的硬件結(jié)構(gòu)示意圖。注意，在錄制和回放時(shí)，不僅要進(jìn)行周 A/D和 D/A轉(zhuǎn)換，還要進(jìn)行壓縮和解壓縮處理。 一、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)采集卡，是計(jì)算機(jī)與外部的模擬量環(huán)境聯(lián)系的重要途徑。 聲卡采集數(shù)據(jù)的特點(diǎn) 商用的數(shù)據(jù)采集卡具有較大的通用性，但其價(jià)格昂貴，在具體的應(yīng)用場(chǎng)合，有些功能可能并不實(shí)用。 LabVIEW作為開(kāi)發(fā)環(huán)境所具有的優(yōu)點(diǎn)總結(jié)如下所述 [4,21,23,24]： (1) 圖形化編程，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蟮姆椒ê透拍?，有利于軟件的開(kāi)發(fā)和再利用； 20 (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(xiàn)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(kù) 函數(shù)和例子，對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用程序用戶(hù)可以從例子總?cè)〉贸绦蚩蚣?，便于提高開(kāi)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)連接庫(kù) (DLL)中的函數(shù)及 C語(yǔ)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)象連接與嵌入 (OLE)、結(jié)構(gòu)化查詢(xún)語(yǔ)言(SQL)，便于與其他 Windows應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)庫(kù)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，可遙控分布在其他機(jī)器上的虛擬儀器設(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公司開(kāi) 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(kù)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。LabVIEW將軟件的界面設(shè)計(jì)與功能設(shè)計(jì)獨(dú)立開(kāi)來(lái)，修改人機(jī)界面無(wú)需對(duì)整個(gè)程序進(jìn)行調(diào)整， LabVIEW是利用數(shù)據(jù)流框圖接收指令，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)。設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)易虛擬示波器，在設(shè)計(jì)中必須考慮以下因素：開(kāi)發(fā)成本低、執(zhí)行效率佳、程序彈性大、開(kāi)放性架構(gòu)易于擴(kuò)充。主要有 Microsoft公司的 Visual Basic與 19 VisualC++， Borland公司的 Delphi， Sybase公司的 PowerBuilder。美國(guó)國(guó)家儀器公 司提出的“軟件即儀器” (The Software is the Instrument)形象的概括了軟件在虛擬儀器技術(shù)中的重要作用。此外，局部變量和屬性節(jié)點(diǎn)也要引起注意。 (5) 程序測(cè)試。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 18 要與平時(shí)大家用的應(yīng)用程序的色調(diào)一致，鮮明。 (3) 設(shè)計(jì)用戶(hù)界面。針對(duì)一些特殊的任務(wù)， LabVIEW還提供了一些附加的工具包，非常方便。在創(chuàng)建開(kāi)發(fā)原型的過(guò)程當(dāng)中，開(kāi)發(fā)人員要于程序的最終使用人員進(jìn)行充分的交流。本章將詳細(xì)討論對(duì)虛擬示波器設(shè)計(jì)時(shí)幾種方案的比較，并詳細(xì)介紹聲卡采集的特點(diǎn)。一般測(cè)試儀器由信號(hào)采集、信號(hào)處理和結(jié)果顯示三大部分組成，這三部分均由硬件構(gòu)成。 實(shí)際的數(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(kāi)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(mǎn)數(shù)據(jù)后，一方面將數(shù)據(jù)讀取到用戶(hù)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(mǎn)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。時(shí)基分頻電路也產(chǎn)生該脈沖，供讀地址計(jì)數(shù)器和顯示地址計(jì)數(shù)器，以產(chǎn)生穩(wěn)定的階梯掃描電壓 [24]。讀出數(shù)據(jù)送至垂直 D/A變換電路，用做示波器Y顯示。 RAM地址選擇器在 RAM進(jìn)行寫(xiě)操作時(shí)，將寫(xiě)地址輸出選做 RAM地址；讀操作時(shí)，則將讀地址輸出選做 RAM地址。若采用正弦內(nèi)插顯示，等效帶寬可達(dá) fs/[18]。取樣定理證明，對(duì)于一個(gè)最高頻率為 f0的信號(hào)，當(dāng)取樣頻率 fs≥ 2f0時(shí)，其取樣后所 得的脈沖系列將包括原信號(hào)的全部信息。 13 然后，再將這些“ 1”、“ 0”碼從 RAM中依次取出按順序排列起來(lái)，經(jīng) D/A轉(zhuǎn)換使其包絡(luò)重現(xiàn)輸入模擬信號(hào)，這就是“讀過(guò)程”。 圖 22 示波器的簡(jiǎn)化方框圖 數(shù)字示波器的基本原理 數(shù)字示波器用 A/D變換器把模擬波形轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后存儲(chǔ)在半導(dǎo)體存儲(chǔ) 器 RAM中，需要時(shí)，將 RAM中存儲(chǔ)內(nèi)容調(diào)出，通過(guò)相應(yīng)的 D/A變換器，再恢復(fù)為模擬量顯示在示波管屏幕上。掃描電壓⑦經(jīng) x軸放大器放大，產(chǎn)生推挽輸出⑨和⑩，加到示波管的 x軸偏轉(zhuǎn)板上。經(jīng)延遲級(jí)延遲 r1時(shí)間，到 Y2放大器。如果不 是整數(shù)倍，則每次出現(xiàn)的信號(hào)波形就不會(huì)重合，圖形將不斷移動(dòng)，不利于觀(guān)測(cè)。射線(xiàn)沿水平軸經(jīng)過(guò)的距離跟時(shí)間成正比。示波器的兩副偏轉(zhuǎn)板使電子束在兩個(gè)互相垂直的方向偏轉(zhuǎn)，這兩個(gè)方向可以看成是坐標(biāo)軸。 10 第 2 章 虛擬示波器的基本原理 示波器的基本原理 示波器是利用電子射線(xiàn)的偏轉(zhuǎn)，來(lái)復(fù) 現(xiàn)電信號(hào)瞬時(shí)值圖像 (常成為時(shí)間波形 )的一種儀器。 第三章，虛擬示波器的設(shè)計(jì)：本章講解了軟、硬件的選取方案，詳細(xì)陳述了軟件選擇 LabVIEW、硬件選擇聲卡的理由。 虛擬儀器的發(fā)展已經(jīng)具有 20多年的歷史，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(wú)線(xiàn)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(xiàn)接口的儀器等，其價(jià)格均不菲，以畢業(yè)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)?zāi)康膩?lái)說(shuō)，性?xún)r(jià)比以及實(shí)用程度顯得不高。虛擬儀器向節(jié)能、省電、輕便、小型化發(fā)展也是一個(gè)方向 [23]。多個(gè)模塊化的儀器軟件基于平臺(tái)軟件上運(yùn)行，共用平臺(tái)軟件提供的數(shù)據(jù)和頻譜值，分別實(shí)現(xiàn)各自?xún)x器的不同功能（如頻率計(jì)、阻尼計(jì)、轉(zhuǎn)速表、失真度計(jì)、索力計(jì)、聲級(jí)計(jì)、壓力計(jì)、溫度 計(jì)、應(yīng)變計(jì)、應(yīng)力計(jì)、示波器、頻譜儀、波譜雙顯儀、混疊演示儀、泄露顯示儀、信號(hào)發(fā)生器、數(shù)據(jù)多用表等）。虛擬儀器的核心是 軟件，而虛擬儀器軟件構(gòu)架的精髓是虛擬儀器庫(kù)技術(shù)。21 世紀(jì)的虛擬儀器主要 發(fā)展方向是網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器，它是將由單臺(tái)虛擬儀器實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)分析及圖形化顯示三大功能分開(kāi)處理，分別使用獨(dú)立的基本硬件模塊實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)儀器的三大功能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)信息資源的共享 [7]。許多行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)在硬件和軟件領(lǐng)域已產(chǎn)生，幾個(gè)虛擬儀器平臺(tái)已經(jīng)得到認(rèn)可并逐漸成為虛擬 儀器行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)工具。儀器硬件上出現(xiàn)了兩大技術(shù)進(jìn)步：一是插入式計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理卡（ plugin PCDAQ）；二是 VXI儀器總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的確立。由于 GPIB 總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的確立，計(jì)算機(jī)與外界通信成為可能，只需要把傳統(tǒng)儀器通過(guò) GPIB 和 RS232 同計(jì)算機(jī)連接起來(lái)，用戶(hù)就可以用計(jì)算機(jī)控制儀器。虛擬儀器開(kāi)創(chuàng)了儀器使用者可