【正文】 基于以上考慮 ， 系統(tǒng)組成如圖 41 所示。而利用聲卡作為 A/ D 轉(zhuǎn)換工具 ， 經(jīng)過衰減和取樣電路得到的模擬信號送至聲卡的線路輸入端 LINEIN， 并利用 MATLAB 中提供的數(shù)據(jù)采集工具箱 ， 可滿足控制聲卡進行數(shù)據(jù)采集的要求。 MATLAB 513 及其以上版本中包含有數(shù)據(jù)采集工具箱 ， 它可以對聲卡以及其他數(shù)據(jù)采集設(shè)備進行控制。 第 4 章 虛擬儀器的模塊化設(shè)計 25 第 4 章 虛擬儀器的模塊化設(shè)計 聲卡設(shè)置模塊 MATLAB 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)。本次設(shè)計是基于硬件的軟件設(shè)計，因燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 24 次硬件便是設(shè)計的基礎(chǔ)。此外，它們允許對進行被緩沖的文件訪問。 (6)多媒體文件函數(shù) 包括一套文件函數(shù)，具有塊文件的特殊特征。通常，用戶從打開設(shè)備來開始一個操作，然后，就可以發(fā)送命令，如 MCI_PLAY或 MCI_STOP，使設(shè)備播放、停止、錄制或倒帶，最后關(guān)閉這個設(shè)備。多媒體 I/O(MMIO)命令理解標(biāo)準(zhǔn) RIFF格式文件的組織，同時還完成緩沖區(qū)操作，這對數(shù)據(jù)密集型多媒體程序來說是一種有用的優(yōu)化操作。命令串和命令消息完成相同的操作，但命令串可以用于定制系統(tǒng)，其中用戶可以寫入命令腳本來控制一個設(shè)備。高級函數(shù)可以播放MIDI文件、 電影及 CDROM，而且還可以錄制和播放波形聲音。高級命令提供相同種類的拉制，例如 wsprintf提供串輸出。由基本驅(qū)動程序定義的高級 API被稱為多媒體接口 (MCI)。 Windows 98提供了三個驅(qū)動程序：一個 MIDI序列發(fā)生器、一個 CD播放器和一個波形音頻播放器。 對于特殊設(shè)備，低級命令 與驅(qū)動程序交互作用。用戶將新的聲音與舊的聲音混合起來作為用戶的錄音結(jié)果、設(shè)置音高和回放速率、更改音量設(shè)置、錄制一首 MIDI歌曲以及發(fā)送由驅(qū)動程序定義的定制消息。例如，如果要錄制一個聲音，低級函第 3 章 聲卡原理及其接口函數(shù) 23 數(shù)要使用戶重復(fù)給設(shè)備發(fā)送一個空的緩沖區(qū)，并等待其全部充滿。低級和高級命令集控制相同的多媒體設(shè)備。在一個使用 WAV文件中，每毫秒含有大約 11個樣本點。在前面已經(jīng)講述，聲音以波的形式移動，通過定期地采集聲音，我們可以在波形上繪制更多的點，并能更準(zhǔn)確地重現(xiàn)聲音。格式相比，所消耗的磁盤空間較少。另一種更為緊湊的存儲格式是由 Musical Instrument Digital Interface (MIDI)定義的。 (3)聲音數(shù)據(jù)格式 數(shù)字化聲音通常具有三種普通形式中的一種。 Win32解釋多媒體命令的那個層被稱為 WinMM。例如，一套命令可以在任何波形設(shè)備上播放聲音。我們以 Windows 98操作系統(tǒng)為例，介紹多媒體服務(wù)及命令集。 聲卡主要函數(shù)操作 (1)Windows多媒體支持 Windows多媒體是處理音頻和視頻外設(shè)的功能集合，其目的 是將很多不同的數(shù)據(jù)格式集成為單一的系統(tǒng)環(huán)境。屬性選擇為：音頻格式 — PCM；采樣頻率 — 8KHz或 10KHz；采樣位數(shù) — 8位、 10位、 12位或 16位；聲道 — 單聲道。 采集語 音信號時，將話筒插入聲卡的 line in端，打開 windows的錄音機燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 22 開始錄音。 (5)聲道數(shù) 為 2 即單聲道和立體聲雙聲 道。 (4)復(fù) 音數(shù)量 聲卡能同時發(fā)出聲音的數(shù)量。在設(shè)定了聲卡的主要參數(shù)后，在利用聲卡的 DMA方式進行數(shù)據(jù)采集。 CPU保證在讀寫 8KB長度的內(nèi) 存緩沖區(qū)時，速度足夠快，并且不會被其他外來事件打斷。所以一般設(shè)定為 16位。位數(shù)越高，在定域內(nèi)能表示的聲波振幅的數(shù)目越多，記錄的音質(zhì)也就越高。一般聲卡的采 樣頻率從 8KHz一 96KHz分多個擋；采樣位數(shù) 8位、 16位、 32位可選；將聲音從模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號的二進制位 數(shù) (bit)。 (2)采樣位數(shù) 將模擬語 音量化的位數(shù)。目前 ，普通聲卡的最高頻率為 ，一般采樣頻率分為 4 檔，分別為 ，,， 8kHz。為了用聲卡采集數(shù)據(jù)必須先設(shè)定聲卡的主要技術(shù)參數(shù)： (1)采樣頻率 單位時間內(nèi)采集的語音樣本的數(shù)量。數(shù)據(jù)采集是一個很重要的前提工作，正是它才可使模擬信號變成數(shù)字信號，才可以被計算機處理和分析。 通過對聲卡工作過程的說明和理解，我們對聲卡的硬件組成部分，有了一個比較明確的概念。所以 DSP 可說是聲卡中非常重要的芯片，所有數(shù)字音源信號的處理，都可以說是 DSP的功能范圍。有些聲卡的 DSP 還有音源資料壓縮的功能。由于輸出的聲音與原始的音源有所差別，所以產(chǎn)生了所謂的失真 (Distorsior)現(xiàn)象。而 Line Out 與 Speaker Out 接口的區(qū)別也大致相同，如果聲卡輸出的聲音會透過具有功率擴大功能的音箱來播出的話，使用Line Out 就可以了，如果音箱沒有任何擴大功能而且也沒有使用外部的擴大器，建議你最好使用 Speaker Out 輸 出，因為通常聲卡會利用內(nèi)部的功率擴大功能將聲音從 Speaker Out 輸出，一般聲卡的最大輸出功率只有 4W 左右。麥克風(fēng)的信號一般較小，所以 MIC 的放大率會設(shè)計得較大。 (2)輸出輸入接口 聲卡通常都會有 Line In/ Line Out, MIC/ Speaker Out 倆組輸出 /輸入插孔及一個 15pin(針 )的游戲手柄 (或 MID 股 )接頭。借助 PCI 接口較高燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 20 的帶寬，聲卡可以實現(xiàn)更多的技術(shù)特性，如它可以將波表合成樣木存放在系統(tǒng)硬盤中，實現(xiàn)即用即取，這就使得波表面聲卡的成木大大減低。顧名思義， ISA卡用的總線是傳統(tǒng)的 ISA 總線。那么，聲卡的各部件是如何分擔(dān)這些工作的呢 ? (1)接口 聲卡接口主要負責(zé)聲卡與 CPU 進行數(shù)據(jù)交換，當(dāng) CPU 要聲卡處理聲音的時候，馬上會給聲卡發(fā)出相關(guān)的指令，而聲卡處理完畢后，也通過接口報告 CPU 就目前來說，聲卡的接口已經(jīng)完全過渡到 PCI。相反，聲卡將電腦中的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號的過程叫 Digital to Analog Conversion( DAC 數(shù)模轉(zhuǎn)換 )，這些模擬信號通過功率放大電路后，經(jīng)喇叭播出，大家就可以聽到各種聲音了。也就是說，自然界的聲音是模擬的信號，而電腦可以處理的聲音是數(shù)字信號，顯然兩者是不能直接交換的，那有什么辦法呢？人們想到了通過一個設(shè)備來進行轉(zhuǎn)換，這就是聲卡。連續(xù)的聲音信號通過空氣傳到人的聽覺系統(tǒng)中。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 18 第 3 章 聲卡原理及其接口函數(shù) 19 第 3 章 聲卡原理及其接口函數(shù) 聲卡原理 聲卡兩大基本功能簡介 總的來說，聲卡的作用不外乎就是錄制聲音和播放聲音。除此之外，還比較詳細介紹了 MATLAB 的開發(fā)環(huán)境以及庫函數(shù)，使們對這個高級語言有了一定程度的認識。 本章小結(jié) 本章從理論上論述了虛擬儀器的應(yīng)用、基本原理、組成結(jié)構(gòu)，軟件的種類和硬件的類型。 (2)通過用戶編程模板，可任意組合用戶的數(shù)據(jù)處理和分析功能。且成本低廉，功能可根據(jù)應(yīng)用的需要不斷加強。 儀器功能 我們開發(fā)的虛擬儀器又具有普通儀器所沒有的許多優(yōu)點，如波形可長期存儲，有多種顯示方式，便于觀測單次過程和緩慢變化的信號，便于數(shù)據(jù)處理等等。虛擬示波器也是由這三大部分組成，但是除了信號采集部分是由硬件實現(xiàn)之外，其它兩部分都是由軟件實現(xiàn)。 觸發(fā)控制通道控制時基控制波形運算參數(shù)測量相位測量濾波數(shù) 據(jù) 采 集 數(shù) 據(jù) 處 理數(shù) 據(jù) 存 儲 圖 22 軟件框圖 我們所開發(fā)的虛擬儀器，是在數(shù)據(jù)采集硬件的支持下，配備一定功能第 2 章 虛擬儀器設(shè)計方案 17 的軟件，完 成波形的存儲、分析、顯示等功能。 MATLAB 的用戶在命令窗口中運行demo 命令打開演示程序 界面，只要用鼠標(biāo)進行選擇和點擊，就可瀏覽其中豐富多彩的內(nèi)容。 MATLAB 的 GUI 的基本圖像分為兩類：用戶界面控件對象和用戶面菜單對象，并將他們有機的組織在一起，使用戶界面操作和使用。 MATLAB 的圖形用戶界面 GUI 是指由各種圖形對象，如菜單欄，列表欄，控制按鈕等組成的用戶。 (3)MATLAB Version ()及其圖形用戶接口工具 ： 在 MATLAB 環(huán)境下 ， 為了方便對采集信號常規(guī)動態(tài)分析 ， 利用MATLAB 中的圖形用戶接口工具箱可以輕松地構(gòu)造一個類似 Windows 的圖形操作界面 ]21[ 。對存入 MATLAB工作空間的物理信號變量 ， 利用 MATLAB中信號處理與分析工具箱的信號分析處理函數(shù) ， 而無需對大量的常用信號處理算法進行編程 ， 即可方 便快捷地完成對信號的動態(tài)。MATLAB環(huán)境中 ， 利用這些函數(shù)可以快捷地構(gòu)造出數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) ， 實現(xiàn)對外部物理世界和生產(chǎn)過程信號的實時信號采集 。 (1)數(shù)據(jù)采集工具箱 Data Acquisition Toolbox Version ； MATLAB是一個數(shù)據(jù)分析和處理功能十分強大的工程實用軟件 ， 它的信號處理與分析工具箱為動態(tài)數(shù)據(jù)分析提供了十分豐富的函數(shù) ， 利用這些函數(shù)可以快捷而又方便地完成動態(tài)數(shù)據(jù)分析。它主要包括五個部分： (1)MATLAB 開發(fā)環(huán)境 (2)MATLAB 數(shù)學(xué)函數(shù)庫 (3)MATLAB 語言 (4)MATLAB 句柄圖形 (5)MATLAB 應(yīng)用程序接口 MATLAB 在不斷的改進和創(chuàng)新，無論在界面設(shè)計，計算方法，編程手段和工具方面等都有了巨大的突破，新版本的概念和方法，使 MATLAB 真正成為了具有全部高級語 言功能特征的新一代軟件開發(fā)平臺 ]20[ 。為我們進行軟件開發(fā)設(shè)計了一個良好的開發(fā)平臺，有利于編程工作者進行編程設(shè)置。 (9)為加強 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，如自動測試工具、可連結(jié) 25種數(shù)據(jù)庫的 SQL 工具、 SPC 分析函數(shù)工具、信號處理套件、 PID 控制工具、圖形控制工具等。 (7)直接支持動態(tài)數(shù)據(jù)交換 (DDE)、對象鏈接與嵌入 (OLE)、結(jié)構(gòu)化查詢語言 (SQL)，便于與其它 Windows 應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序接口。 (5)具有豐富的庫函數(shù)和例子，對于大多數(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。 (3)對象、框圖及其構(gòu)成的虛擬儀器在 Windows, Windows NT, UNIX 等多平臺之間和各種 PC 機及工作站間兼 容，便于軟件移植。 LabVIEW 作為開發(fā)壞境所具有的優(yōu)點總結(jié)如下所述： (1)圖形化編程，降低了對使用者編程經(jīng)驗的要求，易于工程師使用。而通用的編程軟件需利用組件技術(shù)實現(xiàn)軟面板的設(shè)計，這使程序設(shè)計變得非常麻煩。 LabVIEW 將軟件的界面設(shè)計與功能設(shè)計獨立開來，修改人機界面無需對整個程序進行調(diào)整， LabVIEW 是利用數(shù)據(jù)流框圖接收指令，使程序簡單明了，充分發(fā)揮了圖形化編程環(huán)境的優(yōu)點 ]18[ 。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 LabVIEW 的前面板可以包含旋鈕、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。如 HP 公司的 VEE， NI 公司的LabVIEW 和 Lab windows /CVI ]16[ 等。 Sybase公司的 Power Builder。 對于虛擬儀器應(yīng)用軟件的編寫，大致可分為兩種方式： (1)通用編程軟件進行編寫。所以正確選擇軟硬件對程序開發(fā)和設(shè)計起著非常重要的作用。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。分辨率越高，意味著可檢測出來的電壓變化越小，它和測量范圍 (可測量的最高電平和最高電平 )及增益 (板卡的放大倍數(shù) )一起決定了該板卡可測的最小電壓變化量，也稱為二進碼的寬度，現(xiàn)在產(chǎn)品中有 8 位、 12 位、 16 位的最多。在選取產(chǎn)品時需要注意以下幾點：可測通道數(shù)是否滿 足系統(tǒng)要求；在需要差分輸人測量時，板卡上有無差分輸人以及差分輸人的通道數(shù)；在測量通道數(shù)多時，應(yīng)注意產(chǎn)品能否擴展及最多可擴展的通道數(shù)。采樣率的選擇，取決于被測量的信號的變化速度，根據(jù)奈奎斯特采樣定理，所需的采樣頻率應(yīng)為所測信號的最高頻率分量的兩倍以上，即應(yīng)選用 100kHz 的板卡才能完成最高頻率為 50kHz 的被測信號的測量工作。 數(shù)據(jù)采集卡的選擇主要與采樣率、測量通道、分辨率和測量精度有關(guān)。采樣精度由轉(zhuǎn)換器的位數(shù)來決定，而采樣速度是與采樣 頻率不可分的。由于數(shù)據(jù)采集卡價格低廉、操作攜帶方便，因此大大的降低了每個通道的成本。 LabVIEW 中數(shù)據(jù)采集庫包含了許多有關(guān)采樣和生成數(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)采集卡是虛擬示波器的重要組成部件 ，其性能指標(biāo)直接影響著虛擬示波器的采樣速率、精度等主要指標(biāo)的因素