【正文】 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總?cè)〉贸绦蚩蚣?，便于提高開發(fā)速度； (6) 具有比較完備的代碼接口，可調(diào)用 Windows中的動態(tài)連接庫 (DLL)中的函數(shù)及 C語言程序，以彌補(bǔ)自身的某些不足； (7) 直接支持動態(tài)數(shù)據(jù)交換 (DDE)、對象連接與嵌入 (OLE)、結(jié)構(gòu)化查詢語言(SQL)，便于與其他 Windows應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)庫應(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 發(fā)了一系列與 LabVIEW配合使用的軟件包，如自動測試工具、可連接 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。 LabVIEW是當(dāng)今唯一帶有可以生產(chǎn)最佳編碼的編譯器的圖形化開發(fā)環(huán)境，運(yùn)行速度等同于編好的 C或 C++程序。 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，但其價格昂貴，在具體的應(yīng)用場合，有些功能可能并不實(shí)用。 計算機(jī)中的聲卡本身就是一個 A/D, D/A的轉(zhuǎn)化裝置，并且造價低廉，對于設(shè)計者而言，在 PC上完成虛擬示波器的設(shè)計任務(wù)，成本幾乎為 0；性能穩(wěn)定，在設(shè)計中完全可以滿足要求。 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，是計算機(jī)與外部的模擬量環(huán)境聯(lián)系的重要途徑。 聲卡的主要功能包括錄制與播放、編輯與合成處理、 MIDI接口 3個部分。注意，在錄制和回放時，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。 (3) MIDI(Musical Instrument Digital Interface樂器數(shù)字接口 )接口 通過 MIDI接口與波表合成，可以記錄和回放各種接近真實(shí)樂器原聲的音樂。 二、聲卡的硬件結(jié)構(gòu) 圖 31是一個聲卡的硬件結(jié)構(gòu)示意圖。其中，輸出接口有 2個，分別是 Wave Out和 SPK Outawave Out(或 Line Out)給出的信號沒有經(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給出的信號是通過功率放大的信號，可以直接接到喇叭上。 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，幅值大約為 ，顯然這個信號較易受干擾，因而常使用 Line In，它可以接入幅 值約不超過 。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通道短接成了一個通道。 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]。聲卡的位是指聲卡在采集和播放聲音文件時所使用的數(shù)字聲音信號的二進(jìn)制位數(shù)，它客觀地反映了數(shù)字聲音信號對輸入聲音信號描述的準(zhǔn)確度。比較一下，一段相同的音樂信息， 16位聲卡能把它分為 64000個精度單位進(jìn)行處理，而 8位聲卡只能處理 256個精度單位，最終采樣效果自然是無法相提并論的。對于民用聲卡，一 般將采樣頻率設(shè)為 4檔，分別是 , , 8kHz[12]。對 20kHz范圍內(nèi)的音頻信號，最高的 采樣頻率才 48kHz，雖然理論上沒問題，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。為了節(jié)省 CPU資源，計算機(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， 24 而是采用了緩沖區(qū)的工作方式 [11]。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，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)中斷的頻度，節(jié)省了系統(tǒng)資源。 一般聲卡使用的緩沖區(qū)長度的默認(rèn)值是 8KB(8192字節(jié) )。設(shè)置 8192字節(jié)或其整數(shù)倍 (例如 32768字節(jié) )大小的緩沖區(qū)，可以較好地保證聲卡與 CPU的協(xié)調(diào)工作。 四、聲卡的頻率范圍與頻率響 應(yīng) 人耳對頻率的感覺從 20Hz到 20KHz之間，而聲卡的頻率響應(yīng)上限范圍在 20kHz。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) [14,16,17]。 圖 32 音量控制窗口對話框 圖 33 音量控制屬性對話框 26 按圖 32所示，在“選項”菜單下選“屬性”，得到圖 33部分所示的對話框 ,在此對話框上選擇“錄音”，并配置列表中的選項即可。 (2) 硬件連接 硬件連接采用兩種連接線： 1一條一頭是 ，另外一頭是鱷魚夾的連。為測試聲卡的頻響特性，可使用測試線 2將聲卡的輸入端與輸出端連接起來，形成一個閉合的環(huán)路。如果測試輸入信號，則使用測試線 1把信號源連接到聲卡輸入端 Line In口；如果測試輸出信號，就把該測試線連接到聲卡輸出端 Line Out口。這些函數(shù)集中在圖 34所示的 Sound VI下。 圖 34 Sound VI 27 在本設(shè)計中主要運(yùn)用到的是 Sound Input這個子模板。 表 31 Sound Input函數(shù)簡介 圖標(biāo) 函數(shù)名稱 功能說明 SI Config 該函數(shù)的主要功能是設(shè)置聲卡中與數(shù)據(jù)采集相關(guān)的一些硬件參數(shù)，如采樣率，數(shù)據(jù)格式，緩沖區(qū)長度等。緩沖區(qū)長度可選默認(rèn)值。 SI Read 該函數(shù)用于等待采樣數(shù)據(jù)緩沖區(qū)滿的消息。若計算機(jī)速度不夠快，使得緩沖區(qū)內(nèi)容被覆蓋，則會產(chǎn)生一個錯誤信息。 SI Stop 該函數(shù)用于通知聲卡停止采集外部數(shù)據(jù)。 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 在本章中將詳細(xì)介紹各個功能模塊及其生成過程。它類似于VisualBasic,Visual C++。 LabVIEW是一個多線程、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數(shù)據(jù)采集庫包含了許多有關(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。它能夠為集成式測量方案提供功能強(qiáng)大且完備的測量分析庫，這些軟件庫可以完成極限測試、頻率分析、濾波及信號生成等任務(wù)。 LabVIEW擁有完整的 Web服務(wù)器，可以隨時發(fā)布測量結(jié)果 [17]。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。 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 [21]。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 (簡稱 G語言 )。和 BASIC及 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語言，同時 G語言豐富的擴(kuò)展函數(shù)庫還為用戶編程提供極大的方便。 G語言是 LabVIEW的核心 [4]，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) [13]。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?？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 [3,7]?？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。節(jié)點(diǎn)式 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、節(jié)點(diǎn)與前面板對象之間是同數(shù)據(jù)端口和數(shù)據(jù) 連線來傳 31 遞數(shù)據(jù)的。 LabVIEW中有兩種類型的數(shù)據(jù)端口：控制端口和指示端口以及節(jié)點(diǎn)端口。每個節(jié)點(diǎn)端口都有一個或數(shù)個數(shù)據(jù)端口用于輸入或輸出 [14]?？刂屏鲌?zhí)行的是指令驅(qū)動，而數(shù)據(jù)流執(zhí)行的是數(shù)據(jù)流驅(qū)動或依賴數(shù)據(jù)的 [18]。圖標(biāo)連接端口可以把 VI變成一個 SubVI，然后像子程序一樣在其他程序中調(diào)用。 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等任務(wù) [24]。 如圖 42所示，為數(shù)據(jù)采集與處理模塊。另外，用單聲道采樣，左右聲道信號都相同，而且每個聲道的幅值只有原信號幅值的 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， 33 而且采樣的信號幅值與原幅值相同。所以這里設(shè)計中我采用的是 stereo 16bit進(jìn)行雙聲道采樣。而在采樣率的選擇方面，我采用了一個 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)。 (2) 主要操作說明： 在 block diagram中： 1) All Function→ Graphics amp。 2) Execution Control→ While Loop選擇 While循環(huán)。 4) 右鍵點(diǎn)擊 SI Config函數(shù)的 Sound Format輸入，選擇 create control，自動生成 Sound Format簇類型控鍵。 5) 右鍵點(diǎn)擊 SI Config函數(shù)的 Buffer Size輸入，選擇 create control，自動生成無符號長整數(shù)類型的控鍵。對輸入簇 Cluster 34 進(jìn)行解包。 觸發(fā)控制模塊 傳統(tǒng)示波器中，電子射線不停的掃描屏幕，屏幕上才會出現(xiàn)光跡。下圖是傳統(tǒng)示波器的典型的觸發(fā)同步電路方框圖 [17]： 內(nèi) 外 去掃描電路 外輸入 圖 43 傳統(tǒng)示波器的典型的觸發(fā)同步電路方框圖 (1) 觸發(fā)選送電路。 (2) 輸入偶合電路。 (3) 放大器。在這里附有極性變換電 路，可輸出兩個不同極性的觸發(fā)同步信號。用來形成觸發(fā)同步脈沖，常為微分尖脈沖，輸出到掃描發(fā)生器。 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。 圖 44 通道選擇與觸發(fā)控制模塊 程序說明： 從緩沖器的雙通道中選取一個通道中的數(shù)據(jù)，與電壓標(biāo)定的系數(shù)相除后作為 36 觸發(fā)子模塊的輸入。 觸發(fā)控制子模塊有四個輸入：數(shù)據(jù)輸入、“觸發(fā)否”判斷、“觸發(fā)沿”判斷、觸發(fā)電平。 子程序模塊 圖 45 觸發(fā)子程序控制面板 圖 46 觸發(fā)子程序模塊 程序說明： 37 這里 用到了 Array (數(shù)組子集函數(shù) )，如圖 47，該函數(shù)返回數(shù)組中從 Index開始的長度為 length的部分?jǐn)?shù)組元素 [34]。這是因為：聲卡的緩存深度是 8192字節(jié)，選擇 16位立體聲輸出，則其中一個聲道的波形數(shù)據(jù)長度是 8192247。 2=2048字節(jié)。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)組長度。 子子程