【正文】 ，一方面，實(shí)現(xiàn)了部分儀器硬件的軟件話，節(jié)省了物質(zhì)資源，增加了系統(tǒng)的靈活性；一方面，通過(guò)軟件技術(shù)和相應(yīng)的數(shù)值算法、實(shí)時(shí)、直接的對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行各種分析和處理；另一方面，通過(guò)圖形用戶界面（Graph User Interface）技術(shù)，真正做到界面友好，人機(jī)交互。（4）基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和接口技術(shù)，使 VI 系統(tǒng)具有方便、靈活的互聯(lián)能力，廣泛支持諸如 CAN，F(xiàn)ield Bus，PROFIBUS 等各種工業(yè)總線標(biāo)準(zhǔn)。（5）基于計(jì)算機(jī)的開放式標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)。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] 。在美國(guó)虛擬儀器系統(tǒng)及其圖形編程語(yǔ)言，已作為各大學(xué)理工科學(xué)生的一門必修課程。近年來(lái)，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。LABVIEW 采用圖形化編程方案，是非常實(shí)用的開發(fā)軟件。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） 。西安交通大學(xué)城市學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）4虛擬儀器開發(fā)商不僅注意使虛擬儀器能夠適應(yīng)各種通用計(jì)算機(jī)總線系統(tǒng)，使之為虛擬儀器服務(wù)，而且也注意建立各種儀器專用的總線系統(tǒng)。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。 國(guó)內(nèi)虛擬儀器的研究現(xiàn)狀目前主流的虛擬儀器主要是 各種計(jì)算機(jī)總線和總線標(biāo)準(zhǔn)的各種插卡和儀器模塊間或有其它總線式的儀器模塊，工作方式多是插入各種總線機(jī)箱內(nèi)或直接插入計(jì)算機(jī)機(jī)箱內(nèi)，少數(shù)情況下是獨(dú)立模塊以接口形式接入計(jì)算機(jī)。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(lái)自測(cè)量和設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)直接發(fā)布到網(wǎng)上。近一、兩年來(lái)這些學(xué)校在原有的基礎(chǔ)上，又開發(fā)了一批新的虛擬儀器系統(tǒng)用于教學(xué)和科研。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。主要檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率特性、負(fù)荷特性等。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。國(guó)內(nèi)專家預(yù)測(cè)：未來(lái)幾年內(nèi)，我國(guó)將有 50%的儀器為虛擬儀器。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。 虛擬儀器的發(fā)展方向虛擬儀器正在繼續(xù)迅速發(fā)展。1 緒論5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。 ”虛擬儀器將會(huì)在科學(xué)技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。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]。硬件平臺(tái)主要完成對(duì)被測(cè)信號(hào)的進(jìn)行調(diào)理和采集。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(lái)說(shuō)，性價(jià)比以及實(shí)用程度顯的不高。因此在本設(shè)計(jì)中，虛擬示波器的數(shù)據(jù)采集裝置主要基于聲卡。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(wú)線電通信、雷達(dá)系統(tǒng)等領(lǐng)域不可缺少的一部分。具體內(nèi)容安排如下：第 1 章，緒論：介紹虛擬儀器的概念、構(gòu)成及其優(yōu)勢(shì)，發(fā)展的現(xiàn)狀和本文的研究?jī)?nèi)容。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(guò)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。第 5 章，總結(jié)與展望：對(duì)設(shè)計(jì)的虛擬示波器進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)將來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)給出了展望。系統(tǒng)軟件包括前面板生成框圖程序和圖標(biāo)連接端口。在完成各個(gè)功能時(shí)其實(shí)示波器就是利用電子射線的偏轉(zhuǎn)，來(lái)顯示電信號(hào)瞬時(shí)值圖象（常成為時(shí)間波形）的一種儀器。 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(guò)通道選擇，再進(jìn)行濾波器的濾波，最后將波形顯示出來(lái)。其功能方框圖如圖 21 所示信號(hào)采集通道選擇通道 通道 B 通道 A波形顯示 濾波器 數(shù)據(jù)保存參數(shù)測(cè)量 波形顯示 數(shù)據(jù)回放波形顯示圖 21 虛擬示波器功能方框圖 虛擬示波器的 聲卡采集原理模擬信號(hào)經(jīng)同軸電纜進(jìn)入采集卡的輸入通道，經(jīng)過(guò)前置濾波電路、衰減電路、可變?cè)鲆娴姆糯箅娐?，將信?hào)處理成 A/D 轉(zhuǎn)換器可以處理的標(biāo)準(zhǔn)電平，經(jīng)過(guò) A/D 采樣量化轉(zhuǎn)化成計(jì)算機(jī)可以處理的數(shù)字信號(hào)并緩存到卡上的存儲(chǔ)器。使用 LABVIEW 構(gòu)建基于聲卡的虛擬示波器的思路是很清晰的。聲卡數(shù)據(jù)采集流程如圖 22 所示，這個(gè)流程與一般數(shù)據(jù)采集卡并無(wú)多大差別，這也是本設(shè)計(jì)的最基本的骨干。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。虛擬示波器也是由這三大部分組成，但是除了信號(hào)采集部分是由硬件實(shí)現(xiàn)之外，其它兩部分都是由軟件實(shí)現(xiàn)。西安交通大學(xué)城市學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）10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)量頻譜分析圖 23 示波器的結(jié)構(gòu)框圖結(jié)構(gòu)框圖說(shuō)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(lái)。LABVIEW 提供了操作聲卡的函數(shù)。（1）錄制與播放通過(guò)聲卡，人們可將來(lái)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(guò)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）編輯和合成處理通過(guò)對(duì)聲音文件進(jìn)行多種特技效果的處理，包括加入回聲，倒放，淡入淡出，往返放音以及左右兩個(gè)聲道交叉放音等，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各種聲源音量的控制和混合。從一般意義上來(lái)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2 虛擬示波器設(shè)計(jì)理論11以聯(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]。一般聲卡有 45 個(gè)對(duì)外接口。Ware Out（或 Line Out）給出的信號(hào)沒有經(jīng)過(guò)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(guò)功率放大的信號(hào)，可以直接接到喇叭上。L i n e I nM i c I nW a v e O u tS P K O u tM I D I I nA / DD S P D / A波 表M I D I 合 成 器圖 24 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，它可以接入幅值約為不超過(guò) 的信號(hào)。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。 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。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。2568?64021?比較之下，一段相同的音樂信息，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，最終采樣效果當(dāng)然是無(wú)法相提并論的。對(duì)于民用聲卡，西安交通大學(xué)城市學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）12一般將采樣頻率設(shè)為 4 檔，分別是、8kHz。對(duì) 20kHz 范圍內(nèi)的音頻信號(hào)，最高的采樣頻率才 48kHz，雖然理論上沒有問題，但似乎余量不大。這樣雖然可使制造成本降低，但卻不便于使用。（3）緩沖區(qū)與一般數(shù)據(jù)采樣卡不同，聲卡面臨的 D/A 和 A/D 任務(wù)通常是連續(xù)狀態(tài)的。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。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(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。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。這是由于對(duì) x86系列處理器來(lái)說(shuō)，在保護(hù)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(yè)，對(duì)內(nèi)存的任何訪問都是按頁(yè)進(jìn)行，CPU 保證了讀寫 8KB 長(zhǎng)度的內(nèi)存緩沖區(qū)時(shí)，速度足夠快，并且一般不會(huì)被其他外來(lái)事件打斷。（4）沒有基準(zhǔn)電壓聲卡不提供基準(zhǔn)電壓，因此無(wú)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]。建議首先使用耳機(jī)和 MIC 檢查聲卡的功能，特別是輸入功能（錄音功能）是否正常。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)。按圖 25 所示，在“選項(xiàng)”菜單下選“屬性” ，得到圖 25（b）圖所示的對(duì)話框，在此對(duì)話框上選擇“錄音” ，并配置列表中的選項(xiàng)即可。如圖 25（a）所示。為測(cè)試聲卡的頻響特性，可使用測(cè)試線 2 將聲卡的輸入端與輸出端連接起來(lái)，形成一個(gè)閉合的環(huán)路。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。本文用聲卡代替數(shù)據(jù)采集卡來(lái)采集信號(hào)的。最后介紹了聲卡用于數(shù)據(jù)采集時(shí)的一些設(shè)置。它類似于Visual Basic，Visual C++。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。LABVIEW 的數(shù)據(jù)采集庫(kù)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(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品協(xié)同工作。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 擁有完整的 Web 服務(wù)器，可以隨時(shí)發(fā)布測(cè)量結(jié)果。使用共享庫(kù)可以使開發(fā)的應(yīng)用程序代碼進(jìn)行重新使用。LABVIEW 應(yīng)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(yùn)行程序[12]。它除了編程方式不同外，具有編程語(yǔ)言的所有特點(diǎn)，稱之為圖形化編程語(yǔ)言（簡(jiǎn)稱 G 語(yǔ)言） 。和BASIC 和 C 語(yǔ)言一樣，G 語(yǔ)言也定義了數(shù)據(jù)類型、結(jié)構(gòu)類型和模塊調(diào)用語(yǔ)法規(guī)則等編程語(yǔ)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(yǔ)言，同時(shí) G 語(yǔ)言豐富的擴(kuò)展函數(shù)庫(kù)還為用戶編程提供了極大的方便。G 語(yǔ)言是 LABVIEW 的核心，熟練掌握 G 語(yǔ)言的編程要3 虛擬示波器軟件設(shè)計(jì)17素和語(yǔ)法規(guī)則，是開發(fā) LABVIEW 應(yīng)用程序的最重要的基礎(chǔ)。程序前面板用于設(shè)置輸入數(shù)值和觀察輸出量，主要用來(lái)模擬真實(shí)儀器的前面板?？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?？驁D程序用 LABVIEW 圖形編程語(yǔ)言編寫，可以把它理解成傳統(tǒng)程序的源代碼。節(jié)點(diǎn)是 VI 程序中的執(zhí)行元素，類似于文本編程語(yǔ)言程序中的語(yǔ)句、函數(shù)或子程序。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(lái)傳遞數(shù)據(jù)的。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。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。這不同于基于文本的編程語(yǔ)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。但一個(gè)虛擬儀器的圖