畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于聲卡的虛擬儀器設(shè)計(jì)摘要現(xiàn)代科技發(fā)展日新月異，計(jì)算機(jī)尤其如此。計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的處理能力，使得它成為一種很好的工具，其應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣泛。雖然傳統(tǒng)儀器已經(jīng)得到迅猛的發(fā)展，儀器精度越來(lái)越高，功能越來(lái)越強(qiáng)，性能越來(lái)越好，但傳統(tǒng)儀器基本上沒(méi)有擺脫單獨(dú)使用、手動(dòng)操作的模式。聲卡A/D轉(zhuǎn)換性能優(yōu)越，技術(shù)成熟，配合MATLAB強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集與處理功能，可以構(gòu)建性價(jià)比相當(dāng)高的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。本文運(yùn)用普通的計(jì)算機(jī)聲卡代替商用數(shù)據(jù)采集卡，設(shè)計(jì)了一種雙通道數(shù)字存儲(chǔ)虛擬儀器。它具有16位的量化精度，最高采樣頻率為44KHZ。該系統(tǒng)能夠正確采集聲卡設(shè)計(jì)頻率范圍內(nèi)的信號(hào)。虛擬示波器是虛擬儀器技術(shù)的一種具體應(yīng)用，它將軟件和虛擬儀器硬件緊密結(jié)合在一起。虛擬示波器系統(tǒng)由信號(hào)采集、信號(hào)處理和結(jié)果顯示三大部分構(gòu)成，但是除了信號(hào)采集部分是由硬件實(shí)現(xiàn)外，其它兩部分都是由軟件實(shí)現(xiàn)。我們所設(shè)計(jì)的虛擬示波器總體上包括數(shù)據(jù)采集、對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理實(shí)現(xiàn)數(shù)字電壓表、頻譜儀、相位差計(jì)、頻率計(jì)等虛擬儀器的功能它除了通用功能外，又具有普通示波器所沒(méi)有的許多優(yōu)點(diǎn)，如波形可以存儲(chǔ)為數(shù)據(jù)文件，以便進(jìn)行永久保存、隨時(shí)調(diào)用數(shù)據(jù)，進(jìn)行波形實(shí)時(shí)顯示。因而用聲卡構(gòu)建低成本的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是切實(shí)可行的。關(guān)鍵詞虛擬儀器；虛擬示波器；聲卡ABSTRACTMODERNSCIENCEANDTECHNOLOGYDEVELOPMENTCHANGESWITHEACHNEWDAY,COMPUTERESPECIALLYSOPOWERFULCOMPUTERPROCESSINGCAPACITYHASMADEITANEXCELLENTTOOLANDITSAPPLICATIONHASBECOMEINCREASINGLYWIDESPREADWHILETRADITIONALEQUIPMENTHASGOTRAPIDDEVELOPMENT,THEINSTRUMENTACCURACYISMOREANDMOREHIGH,THEFUNCTIONISMOREANDMORESTRONG,ANDTHEPERFORMANCEISMOREANDMOREGOOD,BUTTHETRADITIONALINSTRUMENTBASICALLYHASNOTGOTTENRIDOFEXCLUSIVEUSEANDMANUALOPERATEDPATTERNSOUNDCARDA/DTRANSFORMATIONPERFORMANCEISSUPERIOR,ANDTHETECHNOLOGYISMATUREITMAYCONSTRUCTTHEQUITEHIGHCOSTPERFORMANCEDATAACQUISITIONSYSTEMTHISARTICLEDESIGNSAKINDOFDUALCHANNELVIRTUALDIGITALSTORAGEINSTRUMENTITHAS16QUANTIFICATIONPRECISIONS,THEHIGHESTSAMPLINGFREQUENCYIS44KHZTHISSYSTEMCANCORRECTLYGATHERTHESIGNALINTHESOUNDCARDDESIGNFREQUENCYRANGEVIRTUALOSCILLOGRAPHISTHEREALAPPLICATIONOFVIRTUALINSTRUMENTTECHNOLOGYITINTEGRATESHARDWAREWITHSOFTWARETOGETHERTIGHTLYVIRTUALOSCILLOGRAPHSYSTEMCOMPRISESSIGNALACQUISITION,SIGNALPROCESSINGANDOUTPUTDISPLAYEXCEPTSIGNALACQUISITIONISCOMPLETEDBYHARDWARE,THEOTHERSAREREALIZEDBYSOFTWAREVIRTUALOSCILLOGRAPHWEDESIGNEDCONSISTSOFDATAACQUISITION，THEDATAPROCESSINGANDREALIZINGDIGITALVOLTAGEMETER，SPECTRUMANALYZER，PHASEMETER，F(xiàn)REQUENCYMETER，ANDOTHERVIRTUALMACHINESFUNCTIONITHASSOMEMERITSWHICHCOMMONOSCILLOGRAPHDOESNTHAVE,SUCHASSAVINGWAVEFORMASPERMANENCEDATA,USINGDATAATANYMOMENT,REALTIMEDISPLAYTHUSCONSTRUCTINGTHELOWCOSTDATAACQUISITIONSYSTEMWITHTHESOUNDCARDISPRACTICALANDFEASIBLEKEYWORDSVIRTUALINSTRUMENTVIRTUALOSCILLOGRAPHSOUNDCARD目錄摘要IABSTRACTII第1章緒論111課題背景112虛擬儀器概述1121虛擬儀器的產(chǎn)生2122虛擬儀器的概念3123虛擬儀器的構(gòu)成3124虛擬儀器的優(yōu)點(diǎn)413虛擬儀器的發(fā)展5131國(guó)外虛擬儀器的發(fā)展及其現(xiàn)狀5132國(guó)內(nèi)虛擬儀器的發(fā)展及其現(xiàn)狀5133虛擬儀器未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)614本課題研究意義715本課題的主要工作7第2章虛擬儀器設(shè)計(jì)方案921虛擬儀器工作原理及系統(tǒng)構(gòu)成分析9211虛擬儀器的應(yīng)用9212虛擬儀器工作原理922軟件及硬件的選擇10221虛擬儀器的功能體系10222硬件的選擇10223軟件的選擇1323軟件設(shè)計(jì)方案15231MATLAB簡(jiǎn)介15232軟件設(shè)計(jì)16233儀器功能1724本章小結(jié)17第3章聲卡原理及其接口函數(shù)1931聲卡原理19311聲卡兩大基本功能簡(jiǎn)介19312聲卡的工作過(guò)程1932聲卡的技術(shù)參數(shù)及接口函數(shù)21321聲卡的技術(shù)參數(shù)21322聲卡主要函數(shù)操作2233本章小結(jié)23第4章虛擬儀器的模塊化設(shè)計(jì)2541聲卡設(shè)置模塊2542時(shí)域顯示模塊2743頻域顯示模塊2744相位測(cè)量模塊2945頻率測(cè)量模塊3146本章小結(jié)31結(jié)論33參考文獻(xiàn)35附錄1開(kāi)題報(bào)告37附錄2文獻(xiàn)綜述43附錄3英文翻譯47致謝65第1章緒論11課題背景現(xiàn)代科技發(fā)展日新月異，計(jì)算機(jī)尤其如此。計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的處理能力，使得它成為一種很好的工具，其應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣泛。雖然傳統(tǒng)儀器已經(jīng)得到迅猛的發(fā)展，儀器精度越來(lái)越高，功能越來(lái)越強(qiáng)，性能越來(lái)越好，但傳統(tǒng)儀器基本上沒(méi)有擺脫單獨(dú)使用手動(dòng)操作的模式。在工業(yè)自動(dòng)化測(cè)試及測(cè)量領(lǐng)域，傳統(tǒng)的方法有許多重復(fù)建設(shè)，使用起來(lái)很不方便，其局限性非常明顯，顯然己經(jīng)不能適應(yīng)時(shí)代發(fā)展的需要了。傳統(tǒng)臺(tái)式儀器是由廠家設(shè)計(jì)并定義好功能的一個(gè)封閉結(jié)構(gòu)，它有固定的輸人/輸出接口和儀器操作面板。每種儀器只能實(shí)現(xiàn)一類特定的測(cè)量功能，并以確定的方式提供給用戶。常用的數(shù)字示波器、數(shù)字萬(wàn)用表、信號(hào)發(fā)生器、數(shù)據(jù)記錄儀以及溫度和壓力監(jiān)控器就是傳統(tǒng)儀器的代表。一方面，目前我國(guó)高檔臺(tái)式儀器如數(shù)字示波器、頻譜分析儀、邏輯分析儀等還主要依賴進(jìn)口，這些儀器加工工藝復(fù)雜、對(duì)制造水平要求高，生產(chǎn)突破有困難。另一方面，用戶可以將一些先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理算法應(yīng)用于虛擬儀器的設(shè)計(jì)，提供傳統(tǒng)臺(tái)式儀器所不具備的功能，而且完全可以通過(guò)軟件配置實(shí)現(xiàn)多功能集成的儀器設(shè)計(jì)。因此，目前研制一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、生產(chǎn)技術(shù)要求不高、費(fèi)用低的數(shù)字示波器是非常必要的。如何利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)提高效率則成為測(cè)量領(lǐng)域迫切需要解決的問(wèn)題。112虛擬儀器概述被測(cè)對(duì)象信號(hào)調(diào)理數(shù)據(jù)采集卡數(shù)據(jù)處理虛擬儀器面板圖11常見(jiàn)的虛擬儀器組建方案虛擬儀器VIRTUALINSTRUMENT是基于計(jì)算機(jī)的儀器。計(jì)算機(jī)和儀器的密切結(jié)合是目前儀器發(fā)展的一個(gè)重要方向。粗略地說(shuō)這種結(jié)合有兩種方式，一種是將計(jì)算機(jī)裝入儀器，其典型的例子就是所謂智能化的儀器。隨著計(jì)算機(jī)功能的日益強(qiáng)大以及其體積的日趨縮小，這類儀器功能也越來(lái)越強(qiáng)大，目前已經(jīng)出現(xiàn)含嵌入式系統(tǒng)的儀器。另一種方式是將儀器裝人計(jì)算機(jī)。以通用的計(jì)算機(jī)硬件及操作系統(tǒng)為依托，如圖11所示。虛擬儀器的主要特點(diǎn)有1盡可能采用了通用的硬件，各種儀器的差異主要是軟件。2可充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的能力，有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，可以創(chuàng)造出功強(qiáng)的儀器。3用戶可以根據(jù)自己的需要定義和制造各種儀器。虛擬儀器實(shí)際上是一個(gè)按照儀器需求組織的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。虛擬儀器的研究中涉及的基礎(chǔ)理論主要有計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集和數(shù)字信號(hào)處理。目前在這一領(lǐng)域內(nèi)，使用較為廣泛的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言是美國(guó)NI公司的LABVIEW，以及MATLAB，CBUILDER等語(yǔ)言。其中MATLAB以其簡(jiǎn)明的程序化語(yǔ)言和圖像化接口給廣大科技工作者帶來(lái)了巨大的方便。虛擬儀器技術(shù)指在包含數(shù)據(jù)采集設(shè)備的通用計(jì)算機(jī)平臺(tái)上，根據(jù)需求可以高效率地構(gòu)建形形色色的測(cè)量系統(tǒng)。對(duì)大多數(shù)用戶而言，主要的工作變成了軟件設(shè)計(jì)。虛擬儀器技術(shù)突破了傳統(tǒng)儀器的局限，可以將許多信號(hào)處理的方法方便地應(yīng)用于軍事、航空、航天、等領(lǐng)域和科研院所，現(xiàn)在已經(jīng)越來(lái)越多地出現(xiàn)在工廠及其他的民用場(chǎng)合。2121虛擬儀器的產(chǎn)生虛擬儀器技術(shù)是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和儀器系統(tǒng)相結(jié)合的產(chǎn)物，是當(dāng)今計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試領(lǐng)域的一項(xiàng)重要技術(shù)。它推動(dòng)著傳統(tǒng)儀器朝著數(shù)字化、智能化、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。電子測(cè)量?jī)x器發(fā)展至今，大體上可以分為四代模擬儀器、數(shù)字化儀器、智能儀器和虛擬儀器。第四代虛擬儀3器，它是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和測(cè)量技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是傳統(tǒng)儀器觀念的一次巨大變革，是將來(lái)儀器產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要方向。虛擬儀器VIRTUALINSTRUMENT，簡(jiǎn)稱VI的概念，是美國(guó)國(guó)家儀器公司NATIONALINSTRUMENTSCORP簡(jiǎn)稱NI于1986年提出的。NI公司時(shí)也提出了“軟件即儀器”的口號(hào)，徹底打破了傳統(tǒng)儀器只能由廠家定義，用戶無(wú)法改變的局面，從而引起了儀器和自動(dòng)化工業(yè)的一場(chǎng)革命。隨著現(xiàn)代軟件和硬件技術(shù)的飛速發(fā)展，儀器的智能化和虛擬化已經(jīng)成為各級(jí)實(shí)驗(yàn)室以及研究結(jié)構(gòu)發(fā)展的方向。虛擬儀器，它既具有傳統(tǒng)儀器的功能，又有別于其他傳統(tǒng)儀器。它能夠充分利用和發(fā)揮現(xiàn)有計(jì)算機(jī)的先進(jìn)技術(shù)，使儀器的測(cè)試和測(cè)量及自動(dòng)化工業(yè)的系統(tǒng)測(cè)試和監(jiān)控變得異常方便和快捷。122虛擬儀器的概念虛擬儀器是利用PC計(jì)算機(jī)顯示器的顯示功能模擬傳統(tǒng)儀器的功能面板，以多種形式表達(dá)輸出檢測(cè)結(jié)果，利用PC計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的軟件功能實(shí)現(xiàn)信號(hào)數(shù)據(jù)的運(yùn)算、分析、處理，由I/O接口設(shè)備完成信號(hào)的采集、測(cè)量和調(diào)理，從而完成各種測(cè)試功能的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。虛擬儀器以透明4的方式，通過(guò)軟件對(duì)數(shù)據(jù)的分析處理、表達(dá)以及圖形化用戶接口，把計(jì)算機(jī)資源如微處理器、顯示器等和儀器硬件如A/D、D/A、數(shù)字I/O、定時(shí)器、信號(hào)調(diào)理等的測(cè)量能力、控制能力結(jié)合在一起。虛擬儀器突破了傳統(tǒng)儀器以硬件為主體的模式，實(shí)際上使用者是在操作具有測(cè)試軟件的電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行測(cè)量，猶如操作一臺(tái)虛設(shè)的電子儀器。虛擬儀器技術(shù)的實(shí)質(zhì)是充分利用最新的計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)和擴(kuò)展傳統(tǒng)儀器的功能。虛擬儀器是基于計(jì)算機(jī)的儀器。軟件是虛擬儀器的關(guān)鍵，5當(dāng)基本硬件確定以后，就可以通過(guò)不同的軟件實(shí)現(xiàn)不同的功能。用戶可以根據(jù)自己的需要，設(shè)計(jì)自己的儀器系統(tǒng)，滿足多種多樣的應(yīng)用要求。利用計(jì)算機(jī)豐富的軟、硬件資源，可以大大突破傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)的分析、處理、表達(dá)、傳遞、儲(chǔ)存等方面的限制，達(dá)到傳統(tǒng)儀器無(wú)法比擬的效果。123虛擬儀器的構(gòu)成用戶應(yīng)用程序計(jì)算機(jī)測(cè)控對(duì)象數(shù)據(jù)采集硬件圖12虛擬儀器結(jié)構(gòu)示意圖虛擬儀器包括硬件和軟件兩個(gè)基本要素，如圖12所示。硬件部分6包括通用計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)采集硬件，其功能是獲取被測(cè)的物理信號(hào)，提供信號(hào)傳輸?shù)耐ǖ溃卉浖糠质沁\(yùn)行在計(jì)算機(jī)上的應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、分析、處理和結(jié)果顯示等功能。它們作為一個(gè)整體，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)儀器的功能，如圖12所示。124虛擬儀器的優(yōu)點(diǎn)一臺(tái)性能優(yōu)良的虛擬儀器不僅可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)儀器的大部分功能，而且在許多方面有傳統(tǒng)儀器無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，如使用靈活方便、功能豐富、78價(jià)格低廉、可一機(jī)多用、可重復(fù)開(kāi)發(fā)等。與傳統(tǒng)儀器相比虛擬儀器主要有以下優(yōu)點(diǎn)1融合了計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的硬件資源，突破了傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、顯示、存儲(chǔ)等方面的限制，大大增強(qiáng)了傳統(tǒng)儀器的功能。而且高性能處理器、高分辨率顯示器、大容量硬盤等已成為虛擬儀器的標(biāo)準(zhǔn)配置。2利用了計(jì)算機(jī)豐富的軟件資源，一方面，實(shí)現(xiàn)了部分儀器硬件的軟件化，節(jié)省了物質(zhì)資源，增加了系統(tǒng)的靈活性，通過(guò)軟件技術(shù)和相應(yīng)的數(shù)值算法，實(shí)時(shí)、直接地對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行各種分析與處理；另一方面，通過(guò)圖形用戶界面GRAPHUSERINTERFACE技術(shù)，真正做到界面友好、人機(jī)交互。3基于計(jì)算機(jī)總線和模塊化儀器總線，使儀器的硬件實(shí)現(xiàn)了模塊化、系列化，大大縮小了系統(tǒng)的尺寸，可方便地構(gòu)建模塊化儀器。表11虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器比較虛擬儀器傳統(tǒng)儀器價(jià)格低廉，可復(fù)用與可重配置性強(qiáng)價(jià)格較貴，儀器間一般無(wú)法互用開(kāi)放性、靈活、可與計(jì)算機(jī)技術(shù)保持同步發(fā)展封閉，儀器之間配合較慢用戶能夠自定義儀器功能只有廠家才能定義能與周圍設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)連接功能單一只能連接有限的獨(dú)立設(shè)備核心是軟件核心是硬件開(kāi)發(fā)維護(hù)費(fèi)用低開(kāi)發(fā)維護(hù)費(fèi)昂貴技術(shù)更新周期短更新周期長(zhǎng)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,FIELDBUS,PROFIBUS等各種工業(yè)總線標(biāo)準(zhǔn)。因此，利用VI技術(shù)可方便地構(gòu)建自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)測(cè)量、控制過(guò)程的網(wǎng)絡(luò)化。5基于計(jì)算機(jī)的開(kāi)放式標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)。虛擬儀器的硬、軟件都具有開(kāi)放性、模塊化、可重復(fù)使用及互換性等特點(diǎn)。因此，用戶可根據(jù)自己的需要，選用不同廠家的產(chǎn)品，使儀器系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)更為靈活、效率更高，縮短了系統(tǒng)組建和維護(hù)時(shí)間。虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較如表11所示。13虛擬儀器的發(fā)展131國(guó)外虛擬儀器的發(fā)展及其現(xiàn)狀虛擬儀器技術(shù)目前在國(guó)外發(fā)展很快，以美國(guó)國(guó)家儀器公司NI公司為代表的一批廠商已經(jīng)在市場(chǎng)上推出了基于虛擬儀器技術(shù)而設(shè)計(jì)的商品化儀器產(chǎn)品。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。虛擬儀器的概念使得現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和測(cè)量技術(shù)達(dá)到了前所未有的緊密結(jié)合，進(jìn)而引發(fā)了傳統(tǒng)儀器觀念的一次巨大變革。9虛擬儀器應(yīng)用越來(lái)越普及,虛擬儀器技術(shù)目前逐漸應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)。雅典國(guó)立技術(shù)大學(xué)NATIONALTECHNICALUNIVERSITYOFATHENS電子和計(jì)算機(jī)工程系用虛擬儀器系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)用于熒光燈的諧波失真測(cè)試。測(cè)試系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)、NI的多功能卡ATMIO16E10、虛擬儀器軟件包、電壓放大器。虛擬儀器軟件用LABVIEW編寫，集傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的任意波形發(fā)生器、數(shù)字示波器、頻譜分析儀的功能于一體。虛擬任意波形發(fā)生器的輸出經(jīng)多功能卡送入電壓放大器，供給熒光燈；熒光燈的電流和電壓由多功能卡采集，送入運(yùn)行在計(jì)算機(jī)上的虛擬示波器和頻譜儀進(jìn)行諧波分析。與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)相比，虛擬儀器系統(tǒng)的成本大大降低。佩恩州立大學(xué)PENNSTATEUNIVERSITY利用虛擬儀器進(jìn)行聚合體熱量分析。維也納大學(xué)WIENUNIVERSITY研制了虛擬熱量計(jì)，可自動(dòng)采集特定氣壓和溫度下的數(shù)據(jù)進(jìn)行熱量測(cè)定。近年來(lái)，世界各國(guó)的虛擬儀器公司開(kāi)發(fā)了不少虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)軟件，以便使用者利用這些公司提供的開(kāi)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。最早和最具影響力的開(kāi)發(fā)軟件，是NI公司的LABVIEW軟件和LABWINDOWS/CVI開(kāi)發(fā)軟件。LABVIEW采用圖形化編程方案，是非常實(shí)用的開(kāi)發(fā)軟件。132國(guó)內(nèi)虛擬儀器的發(fā)展及其現(xiàn)狀在國(guó)內(nèi)己有部分院校的實(shí)驗(yàn)室引人了虛擬儀器系統(tǒng)，上海復(fù)旦大學(xué)、上海交通大學(xué)、廣州暨南大學(xué)、華中理工大學(xué)、四川聯(lián)合大學(xué)等。近一、兩年來(lái)這些學(xué)校在原有的基礎(chǔ)上，又開(kāi)發(fā)了一批新的虛擬儀器系統(tǒng)用于教學(xué)和科研。其中，華中理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院工程測(cè)試實(shí)驗(yàn)室將其開(kāi)發(fā)成果在網(wǎng)上公開(kāi)展示。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。清華大學(xué)汽車系利用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)，用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的出廠檢驗(yàn)。主要檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率特性、負(fù)荷特性等。一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)完后，就可打印出完整的檢測(cè)報(bào)告。此外，國(guó)內(nèi)己有幾家企業(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。其主要產(chǎn)品有數(shù)字存儲(chǔ)示波器系列、任意波形發(fā)生器及頻率計(jì)系列、多通道大容量波形記錄儀系列。國(guó)內(nèi)專家預(yù)測(cè)未來(lái)的幾年內(nèi)，我國(guó)將有50的儀器為虛擬儀器，國(guó)內(nèi)將有大批企業(yè)使用虛擬儀器系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。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。虛擬儀器技術(shù)的提出與發(fā)展，標(biāo)志著二十一世紀(jì)自動(dòng)測(cè)試與電子測(cè)量?jī)x器領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。10133虛擬儀器未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)虛擬儀器正在繼續(xù)迅速發(fā)展，它可以取代測(cè)量技術(shù)在傳統(tǒng)領(lǐng)域的各類儀器。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與經(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更新的測(cè)量課題和測(cè)量需求?！皼](méi)有測(cè)量就沒(méi)有鑒別，科學(xué)技術(shù)就不能前進(jìn)”。虛擬儀器將會(huì)在科學(xué)技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。圖形化編程平臺(tái)進(jìn)一步發(fā)展與完善是虛擬儀器發(fā)展的一個(gè)重要方向。1如何使用戶行少量的學(xué)習(xí)甚至不需要學(xué)習(xí)就可使用功能強(qiáng)大的虛擬儀器，如何使用構(gòu)成簡(jiǎn)單的虛擬儀器系統(tǒng)并完成復(fù)雜的測(cè)試內(nèi)容，如何幫助用戶對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析和判斷等內(nèi)容，是虛擬儀器技術(shù)的努力方向。我國(guó)12還基本處于傳統(tǒng)儀表與計(jì)算機(jī)化儀器互相分離的狀態(tài)，世界各大相關(guān)產(chǎn)品商家都在向中國(guó)這個(gè)巨大的市場(chǎng)進(jìn)軍。結(jié)合我國(guó)的實(shí)際情況，我們必須走引進(jìn)與自行開(kāi)發(fā)相結(jié)合的道路。一方面，大力引進(jìn)國(guó)外虛擬儀器方面的生產(chǎn)技術(shù)；另一方面，發(fā)展基于計(jì)算機(jī)的插卡式硬件模塊為主的測(cè)控技術(shù)，發(fā)展圖形化平臺(tái)的軟件產(chǎn)品，充分利用我們現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)及測(cè)控技術(shù)硬件，縮短與國(guó)際先進(jìn)水平的差距。14本課題研究意義在虛擬儀器系統(tǒng)中，硬件解決信號(hào)的輸入和輸出，軟件可以方便地修改、改變儀器系統(tǒng)的功能，以適應(yīng)不同使用者的需要。其中信號(hào)的輸入部分一般使用數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)，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，有些功能可能不實(shí)用。普通聲卡具有16位的量化精度、數(shù)據(jù)采集頻率是44KHZ，完全可以滿足特定應(yīng)用范圍內(nèi)數(shù)據(jù)采集的需要，個(gè)別性能指標(biāo)還優(yōu)于商用數(shù)據(jù)采集卡，而價(jià)格卻為商用數(shù)據(jù)采集卡的十幾分之一甚至幾十分之一。本文利用普通聲卡作采集卡，以MATLAB語(yǔ)言作開(kāi)發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種方便的、靈活性強(qiáng)的虛擬儀器，該系統(tǒng)能夠正確采集聲卡設(shè)計(jì)頻率范圍內(nèi)的信號(hào)如聲音、脈搏、心電、腦電、電話等，對(duì)一些應(yīng)用領(lǐng)域是一種很好的選擇。目前高精度、具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力的示波器，由于工藝復(fù)雜、技術(shù)要求高，因而價(jià)格昂貴，所以虛擬數(shù)字存儲(chǔ)示波器的設(shè)計(jì)有一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值；虛擬示波器充分發(fā)揮虛擬儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈活方便、功能豐富、價(jià)格低廉、一機(jī)多用、能重復(fù)開(kāi)發(fā)、可由用戶自定義的優(yōu)勢(shì)。13該虛擬示波器，不僅具有通用示波器的功能，還可同時(shí)顯示、記錄、存儲(chǔ)雙通道輸入的波形。以便能更清楚地觀察波形的變化，使用者可以及時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，觀察和分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。所以本課題具有一定的研究意義。15本課題的主要工作本文主要闡述如何由基于聲卡測(cè)試信號(hào)分析技術(shù)設(shè)計(jì)虛擬測(cè)試平臺(tái)，并通過(guò)MATLAB環(huán)境的軟件編程，控制聲卡進(jìn)行采集數(shù)據(jù)，并對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，包括電壓、頻域、相位差、頻率的測(cè)量。各章安排如下第二章主要介紹虛擬儀器的設(shè)計(jì)方案，分別介紹了虛擬儀器的工作原理及系統(tǒng)構(gòu)成，介紹了軟件和硬件選擇的優(yōu)缺點(diǎn)，最后介紹了具體的軟件設(shè)計(jì)方案，包括MATLAB的簡(jiǎn)單介紹，工具箱的介紹，還有儀器功能的一些介紹。第三章聲卡原理及接口函數(shù)。包括聲卡原理的介紹，這是我們軟件編程的基礎(chǔ)，在聲卡原理中分別對(duì)聲卡的基本功能和聲卡的工作過(guò)程有了介紹；還講了聲卡的技術(shù)參數(shù)和接口函數(shù)，分別從聲卡的技術(shù)參數(shù)，聲卡的主要函數(shù)操作來(lái)講述這個(gè)問(wèn)題。第四章虛擬儀器的模塊化設(shè)計(jì)。把本次畢業(yè)設(shè)計(jì)分成各個(gè)模塊進(jìn)行講解。包括聲卡的設(shè)置模塊，時(shí)域顯示模塊，頻域顯示模塊，相位測(cè)量模塊，頻率測(cè)量模塊。最后對(duì)論文進(jìn)行了總結(jié)。第2章虛擬儀器設(shè)計(jì)方案21虛擬儀器工作原理及系統(tǒng)構(gòu)成分析211虛擬儀器的應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于可由用戶定義自己的專用儀器系統(tǒng)，且功能靈活，很容易構(gòu)建，所以應(yīng)用面極為廣泛。尤其在科研、開(kāi)發(fā)、測(cè)量檢測(cè)、計(jì)量、測(cè)控等領(lǐng)域更是不可多得的好工具。虛擬儀器技術(shù)先進(jìn)，十分符合國(guó)際上流行的“硬件軟件化”的發(fā)展趨勢(shì)，因而常被稱作“軟件儀器”。在儀器計(jì)量系統(tǒng)方面，示波器、頻譜儀、信號(hào)發(fā)生器、邏輯分析儀和電壓電流表是科研機(jī)關(guān)、企業(yè)研發(fā)實(shí)驗(yàn)室、大專院所的必備測(cè)量設(shè)備。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在測(cè)繪系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)的儀器設(shè)備缺乏相應(yīng)的計(jì)算機(jī)接口，因而配合數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理十分困難。一套完整的實(shí)驗(yàn)測(cè)量設(shè)備少則幾萬(wàn)元，多則幾十萬(wàn)元。在同等的性能條件下，相應(yīng)的虛擬儀器價(jià)格要低二分之一甚至更多。虛擬儀器強(qiáng)大的功能和價(jià)格優(yōu)勢(shì)，使得它在儀器計(jì)量領(lǐng)域具有很強(qiáng)的生命力和十分廣闊的前景。212虛擬儀器工作原理虛擬儀器是在通用計(jì)算機(jī)上加上一些軟件或硬件，使得使用者在操作這臺(tái)計(jì)算機(jī)時(shí)就像操作一臺(tái)他自己設(shè)計(jì)的專用電子儀器。虛擬儀器的突出特點(diǎn)就是充分利用計(jì)算機(jī)的資源，將儀器的信號(hào)分析與處理、結(jié)果表達(dá)式與輸出放到計(jì)算機(jī)上來(lái)完成。用計(jì)算機(jī)屏幕可以形象、方便地模擬各種儀器控制面板，以各種形式表達(dá)輸出檢測(cè)結(jié)果；用計(jì)算機(jī)軟件可以實(shí)現(xiàn)各種各樣的信號(hào)分析、處理，完成多種多樣的測(cè)試功能，也可以把儀器的三大功能模塊全部放在計(jì)算機(jī)上來(lái)實(shí)現(xiàn)。在計(jì)算機(jī)上插數(shù)據(jù)采集卡，然后利用軟件在屏幕上生成儀器面板，用軟件來(lái)進(jìn)行信號(hào)的分析處理，實(shí)現(xiàn)儀器功能，這就是典型的虛擬儀器的工作原理。而體系結(jié)構(gòu)要根據(jù)具體儀器的不同要求來(lái)確定的。工作時(shí)先把由傳感器轉(zhuǎn)換來(lái)的電信號(hào)，輸入儀器的信號(hào)調(diào)理電路，經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行放大、整形，然后再經(jīng)數(shù)據(jù)采集電路存入內(nèi)存。整個(gè)過(guò)程由軟件控制，采集到的數(shù)據(jù)由軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理。就是說(shuō)，儀器功能的實(shí)現(xiàn)在很大程度上取決于應(yīng)用軟件功能的設(shè)計(jì)。通過(guò)不同功能模塊的執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)各種儀器的功能，如示波器、萬(wàn)用表、分析儀等。這就是“軟件就是儀器”的概念。22軟件及硬件的選擇虛擬儀器由儀器硬件和功能模塊軟件兩部分組成。虛擬儀器的硬件主體是電子計(jì)算機(jī)，通常是個(gè)人計(jì)算機(jī)，也可以是任何通用計(jì)算機(jī)。所設(shè)計(jì)的虛擬數(shù)字存儲(chǔ)示波器主要是有一塊PCI總線的聲卡和用MATLAB語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的功能模塊軟件組成。221虛擬儀器的功能體系虛擬儀器主要由硬件和軟件兩大部分構(gòu)成，虛擬儀器的構(gòu)成如圖21。信號(hào)調(diào)理現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)計(jì)GPIB接口儀器數(shù)據(jù)采集卡串行儀器/PLCGPIB接口卡VXI儀器PC機(jī)/工作站測(cè)控對(duì)象圖21虛擬儀器基本結(jié)構(gòu)框圖GPIB通用接口總線VXI總線一種高速計(jì)算機(jī)總線222硬件的選擇虛擬儀器的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中非常重要的部分是測(cè)控功能硬件的選用和調(diào)試。按照測(cè)控功能硬件的不同，虛擬儀器可分為DAQ,GPIB,VXI和PXI四種標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)。1DAQDATAACQUISITION數(shù)據(jù)采集卡，這種方式借助于插人計(jì)算機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)采集卡與專用的軟件如LABVIEW相結(jié)合注美國(guó)NI公司的LABVIEW是圖形化編程工具，它可以通過(guò)各種控件自己組建各種儀器。LABVIEW/CVI是基于文本編程的程序員提供高效的編程工具，通過(guò)三種編程語(yǔ)言VISUALC，VISUALBASIC,LABVIEW/CVI構(gòu)成測(cè)試系統(tǒng)，它充分利用計(jì)算機(jī)的總線、機(jī)箱、電源及軟件的便利，大大增加測(cè)試系統(tǒng)的靈活性和擴(kuò)展性。但是受PC機(jī)機(jī)箱和總線限制，且有電源功率不足，機(jī)箱內(nèi)部的噪聲電平較高，插槽數(shù)目也不多，插槽尺寸比較小，機(jī)箱內(nèi)無(wú)屏蔽等缺點(diǎn)。另外，ISA總線的虛擬儀器已經(jīng)淘汰，PCI總線的虛擬儀器價(jià)格比較昂貴。利用DAQ可方便快速的組建基于計(jì)算機(jī)的儀器COMPUTERBASEDINSTRUMENTS。在價(jià)格方面，比其它各種體系結(jié)構(gòu)有著明顯優(yōu)勢(shì)。142GPIBGENERALPURPOSEINTERFACEBUS通用接口總線，是計(jì)算機(jī)和儀器件的標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議。GPIB的硬件規(guī)格和軟件協(xié)議己經(jīng)納入國(guó)際工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)IEEE4881和IEEE4882，是最早的儀器總線。GPIB目前數(shù)以萬(wàn)計(jì)的儀器都配置了IEEE488的GPIB接口，在科學(xué)研究、自動(dòng)測(cè)試設(shè)備等各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。典型的GPIB測(cè)試系統(tǒng)包括一臺(tái)計(jì)算機(jī)、一塊GPIB接口卡和若干臺(tái)GPIB儀器。每臺(tái)GPIB儀器有單獨(dú)的地址，由計(jì)算機(jī)控制操作。系統(tǒng)中的儀器可以增加、減少或更換，只需對(duì)計(jì)算機(jī)的控制軟件作相應(yīng)的改動(dòng)。目前這種概念己經(jīng)被發(fā)展應(yīng)用于儀器內(nèi)部設(shè)計(jì)。雖然GPIB是將數(shù)據(jù)引人計(jì)算機(jī)的一種方法，但這與使用插人計(jì)算機(jī)中的卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集不同。通過(guò)特殊的協(xié)議，GPIB可以采用握手方式將由別的計(jì)算機(jī)或儀器采集的數(shù)據(jù)引入計(jì)算機(jī)，而數(shù)據(jù)采集則將信號(hào)直接連接在計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)采集卡上。3VXIVMEBUSEXTENSIONFORINSTRUMENTATION是高速VME計(jì)算機(jī)總線在儀器領(lǐng)域中的擴(kuò)展。是HP等公司于1987年提出，1992年成為IEEE1155標(biāo)準(zhǔn)。在該系統(tǒng)中圍繞機(jī)械、電氣、控制方式、通信協(xié)議、電磁兼容、軟面板、驅(qū)動(dòng)程序、I/O控制，乃至機(jī)箱、印刷電路板的結(jié)構(gòu)、通風(fēng)結(jié)構(gòu)等作了詳細(xì)的規(guī)定，使不同廠家的VXI總線產(chǎn)品相互兼容。1995年VXI總線聯(lián)合體將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議TCP和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議IP作為VXI總線14版本的補(bǔ)充規(guī)范，這樣基于VXI總線的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)可直接與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)連網(wǎng)，作為網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的測(cè)量服務(wù)器，共享網(wǎng)絡(luò)資源，執(zhí)行測(cè)量作業(yè)。VXI系統(tǒng)綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、GPIB技術(shù)、PC儀器技術(shù)、接口技術(shù)、VME總線和模塊化結(jié)構(gòu)技術(shù)的成果，1998年修訂的VXI20版本規(guī)范采用了VME總線的最新進(jìn)展，提供了64位的擴(kuò)展能力，數(shù)據(jù)傳輸率最高可達(dá)80MB/SOVXI系統(tǒng)最多可包含256個(gè)器件，可組成一個(gè)或多個(gè)子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)最多可包含13個(gè)插入式模塊，插入同一個(gè)機(jī)箱內(nèi)，在組建大、中規(guī)模自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)以及對(duì)速度、精度要求高的場(chǎng)合，具有其他儀器所無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，VXI總線支持即插即用，人機(jī)界面友好，資源利用率高，容易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成，大大地縮短了研制周期，且便于升級(jí)和擴(kuò)展。VXI系統(tǒng)具有穩(wěn)定可靠的電源、冷卻裝置、抗電磁干擾、模塊化結(jié)構(gòu)、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)吞吐量40MBLS，易于組網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)。但是價(jià)格相對(duì)過(guò)高，適合于尖端的測(cè)試領(lǐng)域。4PXIPCIEXTENSIONFORINSTRUMENTATION是PCI在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展。NI公司于1997年發(fā)布了這種全新的開(kāi)放性、模塊化儀器總線規(guī)范。制定PXI規(guī)范的目的是為了將普通的PC機(jī)的性能價(jià)格比優(yōu)勢(shì)與PCI總線面向儀器領(lǐng)域的必要擴(kuò)展完美地結(jié)合起來(lái)，形成一種主流的虛擬儀器測(cè)試平臺(tái)。其核心是COMPACTPCI結(jié)構(gòu)和MICROSOFTWINDOWS軟件。PXI是在PCI內(nèi)核技術(shù)上增加了成熟的技術(shù)規(guī)范和要求形成的。PXI增加了用于多板同步的觸發(fā)總線和參考時(shí)鐘、精確定時(shí)的星型觸發(fā)總線、相鄰模塊間高速通信的局部總線等。以此來(lái)滿足試驗(yàn)和測(cè)量用戶的要求。PXI兼容COMPACTPCI機(jī)械規(guī)范，并增加了主動(dòng)冷卻、環(huán)境測(cè)試溫度、濕度、振動(dòng)和沖擊試驗(yàn)等要求。這樣一來(lái)，可保證多家廠商產(chǎn)品的互操作性和系統(tǒng)的易集成性。PXI系統(tǒng)的價(jià)格高于DAQ系統(tǒng)，低于GPIB和VXI系統(tǒng)，又具有良好的性能，是組建模塊化儀器系統(tǒng)的良好選擇。計(jì)算機(jī)與數(shù)據(jù)采集卡組成了虛擬示波器的硬件平臺(tái)的基礎(chǔ)。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。CPU的速度及計(jì)算機(jī)的內(nèi)存影響著示波器處理數(shù)據(jù)的速度；計(jì)算機(jī)的硬盤決定它的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的容量。LABVIEW中數(shù)據(jù)采集庫(kù)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(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品協(xié)同工作。數(shù)據(jù)采集卡是進(jìn)行高速直接控制以及低速控制的理想設(shè)備。由于數(shù)據(jù)采集卡價(jià)格低廉、操作攜帶方便，因此大大的降低了每個(gè)通道的成本。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的任務(wù)是采集原始的數(shù)字信號(hào)，其主要指標(biāo)有采樣精度、采樣速度。采樣精度由轉(zhuǎn)換器的位數(shù)來(lái)決定，而采樣速度是與采樣頻率不可分的。從提高精度的角度出發(fā)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的位數(shù)與采樣頻率之間是相互制約的。數(shù)據(jù)采集卡的選擇主要與采樣率、測(cè)量通道、分辨率和測(cè)量精度有關(guān)。采樣率即在單位時(shí)間內(nèi)的測(cè)量次數(shù)，一般用采樣頻率來(lái)表示。采樣率的選擇，取決于被測(cè)量的信號(hào)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(cè)信號(hào)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(cè)信號(hào)的測(cè)量工作。測(cè)量通道是整個(gè)系統(tǒng)所需測(cè)量的信號(hào)數(shù)量，產(chǎn)品不同，可測(cè)量的通道數(shù)也不同。在選取產(chǎn)品時(shí)需要注意以下幾點(diǎn)可測(cè)通道數(shù)是否滿足系統(tǒng)要求；在需要差分輸人測(cè)量時(shí)，板卡上有無(wú)差分輸人以及差分輸人的通道數(shù)；在測(cè)量通道數(shù)多時(shí)，應(yīng)注意產(chǎn)品能否擴(kuò)展及最多可擴(kuò)展的通道數(shù)。測(cè)量中都需將模擬信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制的數(shù)字信號(hào)，分辨率就是將滿量程信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后得到的二進(jìn)數(shù)的位數(shù)。分辨率越高，意味著可檢測(cè)出來(lái)的電壓變化越小，它和測(cè)量范圍可測(cè)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(cè)的最小電壓變化量，也稱為二進(jìn)碼的寬度，現(xiàn)在產(chǎn)品中有8位、12位、16位的最多。223軟件的選擇在給定計(jì)算機(jī)必要的儀器硬件之后，構(gòu)成和使用虛擬儀器的關(guān)鍵在于軟件。軟件為用戶提供了集成開(kāi)發(fā)環(huán)境、高水平的儀器硬件接口和用戶接口。美國(guó)國(guó)家儀器公司提出的“軟件即儀器”THESOFTWAREISTHEINSTRUMENT形象地概括了軟件在虛擬儀器技術(shù)中的重要作用。所以正確選擇軟硬件對(duì)程序開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)起著非常重要的作用。只有選擇了合適的軟硬件才能快速開(kāi)發(fā)出應(yīng)用軟件，才能事半功倍。對(duì)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(jìn)行編寫。主要有美國(guó)MATHWORKS公司的MATLAB，MICROSOFT公司的VISUALBASIC與VISUALC,BORLAND公司的DELPHI。SYBASE公司的POWERBUILDER。2用專業(yè)圖形化編程軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)。如HP公司的VEE，NI公司的LABVIEW和LABWINDOWS/CVI等。16LABVIEW是實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器集成環(huán)境LABORATORYVIRTUALINSTRUMENTENGINEERINGWORKBENCH的簡(jiǎn)稱，是美國(guó)國(guó)家儀器公司NI的創(chuàng)新軟件產(chǎn)品，也是目前應(yīng)用最廣泛、發(fā)展最快、功能最強(qiáng)的圖形化軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境。17LABVIEW的前面板可以包含旋鈕、刻度盤、開(kāi)關(guān)、圖表和其他界面工具，允許用戶通過(guò)鍵盤或鼠標(biāo)獲取數(shù)據(jù)并顯示結(jié)果。LABVIEW具有模塊化的特性，有利于程序的可重用性。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)。這就大大簡(jiǎn)短了虛擬儀器的開(kāi)發(fā)周期、消除了虛擬儀器編程的復(fù)雜過(guò)18程。而通用的編程軟件需利用組件技術(shù)實(shí)現(xiàn)軟面板的設(shè)計(jì)，這使程序設(shè)計(jì)變得非常麻煩。LABVIEW雖然是為計(jì)算機(jī)測(cè)控領(lǐng)域開(kāi)發(fā)的，但它的函數(shù)包含了一般高級(jí)計(jì)算機(jī)語(yǔ)言中的絕大多數(shù)程序控制功能。LABVIEW作為開(kāi)發(fā)壞境所具有的優(yōu)點(diǎn)總結(jié)如下所述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透拍睿欣谲浖拈_(kāi)發(fā)和再利用。3對(duì)象、框圖及其構(gòu)成的虛擬儀器在WINDOWS,WINDOWSNT,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，用戶可以從例子中取得程序框架，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)鏈接庫(kù)DLL中的函數(shù)以及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)象鏈接與嵌入OLE、結(jié)構(gòu)化查詢語(yǔ)言SQL，便于與其它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，可遙控分布在其他微機(jī)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公司又開(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、可連結(jié)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。由于LABVIEW有上面所列舉的優(yōu)點(diǎn)，因此使測(cè)量?jī)x器的虛擬化得以實(shí)現(xiàn)。為我們進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了一個(gè)良好的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，有利于編程工作者進(jìn)行編程設(shè)置。23軟件設(shè)計(jì)方案231MATLAB簡(jiǎn)介MATLAB是美國(guó)MATHWORKS公司推出的一套高性能的數(shù)值分析和計(jì)算軟件，它將矩陣運(yùn)算，數(shù)值分析，圖像處理，編程技術(shù)結(jié)合在一起，為用戶提供一個(gè)強(qiáng)有力的科學(xué)及工程問(wèn)題和程序設(shè)計(jì)工具。它主要包括五19個(gè)部分1MATLAB開(kāi)發(fā)環(huán)境2MATLAB數(shù)學(xué)函數(shù)庫(kù)3MATLAB語(yǔ)言4MATLAB句柄圖形5MATLAB應(yīng)用程序接口MATLAB在不斷的改進(jìn)和創(chuàng)新，無(wú)論在界面設(shè)計(jì)，計(jì)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(jí)語(yǔ)言功能特征的新一代軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)。MATLAB的應(yīng)用領(lǐng)域也不在不斷地?cái)U(kuò)展，無(wú)論是在信號(hào)處理，控制，20仿真等傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域，還是在儀器控制和測(cè)量，虛擬儀器設(shè)計(jì)，金融等新的應(yīng)用領(lǐng)域，MATLAB都推出了相關(guān)的工具箱和組件，為這些領(lǐng)域的用戶提供了高效的應(yīng)用工具。1數(shù)據(jù)采集工具箱DATAACQUISITIONTOOLBOXVERSION21；MATLAB是一個(gè)數(shù)據(jù)分析和處理功能十分強(qiáng)大的工程實(shí)用軟件，它的信號(hào)處理與分析工具箱為動(dòng)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(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)分析。而它的數(shù)據(jù)采集工具箱DAQTOOLBOX為在MATLAB中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集提供十分方便的數(shù)據(jù)采集函數(shù)。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(shí)現(xiàn)對(duì)外部物理世界和生產(chǎn)過(guò)程信號(hào)的實(shí)時(shí)信號(hào)采集。由該系統(tǒng)采集的物理信號(hào)可以作為變量直接存入MATLAB的工作空間,也可以作為數(shù)據(jù)文件直接寫入數(shù)據(jù)文件。對(duì)存入MATLAB工作空間的物理信號(hào)變量，利用MATLAB中信號(hào)處理與分析工具箱的信號(hào)分析處理函數(shù)，而無(wú)需對(duì)大量的常用信號(hào)處理算法進(jìn)行編程，即可方便快捷地完成對(duì)信號(hào)的動(dòng)態(tài)。2信號(hào)處理工具箱SIGNALPROCESSINGTOOLBOXVERSION51R121采集數(shù)據(jù)的分析處理通過(guò)信號(hào)處理工具箱和MATLAB中的相應(yīng)函數(shù)來(lái)完成，圖形用戶接口工具用來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集操作的圖形界面。3MATLABVERSION61R121及其圖形用戶接口工具在MATLAB環(huán)境下，為了方便對(duì)采集信號(hào)常規(guī)動(dòng)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(gè)類似WINDOWS的圖形操作界面。通過(guò)該圖形窗口即可實(shí)現(xiàn)一個(gè)虛擬的雙通道動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)分21析儀。MATLAB的圖形用戶界面GUI是指由各種圖形對(duì)象，如菜單欄，列表欄，控制按鈕等組成的用戶。在這種用戶界面下，用戶的命令和用戶對(duì)程序的控制是通過(guò)“選擇”各種對(duì)象來(lái)實(shí)現(xiàn)。MATLAB的GUI的基本圖像分為兩類用戶界面控件對(duì)象和用戶面菜單對(duì)象，并將他們有機(jī)的組織在一起，使用戶界面操作和使用。MATLAB為表現(xiàn)其基本功能而設(shè)計(jì)的演示程序DEMO是使用圖形界面的最好范例。MATLAB的用戶在命令窗口中運(yùn)行DEMO命令打開(kāi)演示程序界面，只要用鼠標(biāo)進(jìn)行選擇和點(diǎn)擊，就可瀏覽其中豐富多彩的內(nèi)容。232軟件設(shè)計(jì)虛擬儀器是基于計(jì)算機(jī)的虛擬技術(shù)，用以模擬通用示波器的面板操作和處理功能，也就是使用個(gè)人計(jì)算機(jī)及其接口電路來(lái)采集現(xiàn)場(chǎng)或?qū)嶒?yàn)室信號(hào)，并通過(guò)圖形用戶界面GU1來(lái)模仿萬(wàn)用表的操作面板，完成信號(hào)采集、調(diào)理、分析處理和顯示輸出等功能。觸發(fā)控制通道控制時(shí)基控制波形運(yùn)算參數(shù)測(cè)量相位測(cè)量濾波數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)存儲(chǔ)圖22軟件框圖我們所開(kāi)發(fā)的虛擬儀器，是在數(shù)據(jù)采集硬件的支持下，配備一定功能的軟件，完成波形的存儲(chǔ)、分析、顯示等功能。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。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)。我們所設(shè)計(jì)的虛擬儀器總體上包括數(shù)據(jù)采集、波形運(yùn)算、參數(shù)測(cè)量、觸發(fā)控制、波形存儲(chǔ)模塊組成，其具體軟件框圖如圖22所示。233儀器功能我們開(kāi)發(fā)的虛擬儀器又具有普通儀器所沒(méi)有的許多優(yōu)點(diǎn)，如波形可長(zhǎng)期存儲(chǔ)，有多種顯示方式，便于觀測(cè)單次過(guò)程和緩慢變化的信號(hào)，便于數(shù)據(jù)處理等等。我們開(kāi)發(fā)的虛擬數(shù)字存儲(chǔ)儀器，除了具有通用功能外，又具有普通儀器所沒(méi)有的許多優(yōu)點(diǎn)，如波形可存儲(chǔ)為數(shù)據(jù)文件，永久保存，隨時(shí)調(diào)用。且成本低廉，功能可根據(jù)應(yīng)用的需要不斷加強(qiáng)。其主要性能指標(biāo)為雙通道顯示波形，波形可存儲(chǔ)，隨時(shí)調(diào)出，與通用儀器比較，虛擬儀器系統(tǒng)功能有較大的加強(qiáng)1現(xiàn)場(chǎng)波形可以保存在磁盤中備份。2通過(guò)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。因此，虛擬儀器適合在工程應(yīng)用中對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行性能測(cè)試和故障診斷。24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。使從理論上對(duì)虛擬儀器有一個(gè)詳細(xì)的了解，并加深了我對(duì)“軟件就是儀器”這個(gè)概念直觀的理解，為后面的模塊化軟件編程打下了基礎(chǔ)。除此之外，還比較詳細(xì)介紹了MATLAB的開(kāi)發(fā)環(huán)境以及庫(kù)函數(shù)，使們對(duì)這個(gè)高級(jí)語(yǔ)言有了一定程度的認(rèn)識(shí)。對(duì)于軟件編程提供了一個(gè)詳細(xì)的說(shuō)明。第3章聲卡原理及其接口函數(shù)31聲卡原理311聲卡兩大基本功能簡(jiǎn)介總的來(lái)說(shuō)，聲卡的作用不外乎就是錄制聲音和播放聲音。錄制聲音的過(guò)程其實(shí)就是一個(gè)將聲音數(shù)字化的過(guò)程，相反，播放聲音的過(guò)程就是將聲音模擬化的過(guò)程。連續(xù)的聲音信號(hào)通過(guò)空氣傳到人的聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)中。但電腦的CPU只能處理瞬態(tài)購(gòu)成的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，也就是不是連續(xù)的信號(hào)。也就是說(shuō)，自然界的聲音是模擬的信號(hào)，而電腦可以處理的聲音是數(shù)字信號(hào)，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(guò)一個(gè)設(shè)備來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這就是聲卡。在聲卡中，從音源傳來(lái)的聲音可以轉(zhuǎn)換成電腦可處理的數(shù)字信號(hào)，這個(gè)過(guò)程叫ANALOGYTODIGITALCONVERSIONADC模數(shù)轉(zhuǎn)換。相反，聲卡將電腦中的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)的過(guò)程叫DIGITALTOANALOGCONVERSIONDAC數(shù)模轉(zhuǎn)換，這些模擬信號(hào)通過(guò)功率放大電路后，經(jīng)喇叭播出，大家就可以聽(tīng)到各種聲音了。312聲卡的工作過(guò)程當(dāng)一個(gè)音源輸入后，會(huì)先經(jīng)過(guò)濾波器做預(yù)先的采樣、模擬/數(shù)字變換，再由數(shù)字信息處理芯片負(fù)責(zé)將此音源進(jìn)行各種音效處理，其中可能包括由FM芯片產(chǎn)生的音效，或者到WAVETABLE波表合成取出音源，更可以透過(guò)總線接口芯片BUSINTERFACECHIP必存取光盤或硬盤中的有效文件，這些經(jīng)過(guò)處理后的數(shù)字音源，再透過(guò)數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換而輸出到音箱或者其他聲音設(shè)備。那么，聲卡的各部件是如何分擔(dān)這些工作的呢21接口聲卡接口主要負(fù)責(zé)聲卡與CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，當(dāng)CPU要聲卡處理聲音的時(shí)候，馬上會(huì)給聲卡發(fā)出相關(guān)的指令，而聲卡處理完畢后，也通過(guò)接口報(bào)告CPU就目前來(lái)說(shuō)，聲卡的接口已經(jīng)完全過(guò)渡到PCI。PCI卡同ISA卡最大的區(qū)別就是它們用來(lái)傳輸數(shù)據(jù)的總線不同。顧名思義，ISA卡用的總線是傳統(tǒng)的ISA總線。這種總線已經(jīng)沿用了數(shù)十年，它的弊端很多，最大的缺點(diǎn)就是它的帶寬較低，僅提供166MB/S的數(shù)據(jù)傳輸帶寬，而PC最高可提供133MB/S的帶寬，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于ISA總線，因此PCI卡不會(huì)像ISA卡那樣因數(shù)據(jù)帶寬較低而成為系統(tǒng)運(yùn)行的“瓶頸”。借助PCI接口較高的帶寬，聲卡可以實(shí)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(shí)現(xiàn)即用即取，這就使得波表面聲卡的成木大大減低。在即插即用方面，PCI也要比ISA卡好得多。2輸出輸入接口聲卡通常都會(huì)有LINEIN/LINEOUT,MIC/SPEAKEROUT倆組輸出/輸入插孔及一個(gè)15PIN針的游戲手柄或MID股接頭。如果要輸入CD或卡帶中的音樂(lè)時(shí)，可以連接LINEIN接口，至于用MIC麥克風(fēng)接口則是用來(lái)輸入聲音的，這兩種輸入接口的差別在于信號(hào)的放大率不同。麥克風(fēng)的信號(hào)一般較小，所以MIC的放大率會(huì)設(shè)計(jì)得較大。并且會(huì)配合麥克風(fēng)的特性來(lái)修正，所以LINEIN及MCI能混用，以免造成失真或放大率不足的情形。而LINEOUT與SPEAKEROUT接口的區(qū)別也大致相同，如果聲卡輸出的聲音會(huì)透過(guò)具有功率擴(kuò)大功能的音箱來(lái)播出的話，使用LINEOUT就可以了，如果音箱沒(méi)有任何擴(kuò)大功能而且也沒(méi)有使用外部的擴(kuò)大器，建議你最好使用SPEAKEROUT輸出，因?yàn)橥ǔＢ暱〞?huì)利用內(nèi)部的功率擴(kuò)大功能將聲音從SPEAKEROUT輸出，一般聲卡的最大輸出功率只有4W左右。3數(shù)/模轉(zhuǎn)換芯片聲音從原來(lái)的音源模擬信號(hào)轉(zhuǎn)成數(shù)字信號(hào)后，必須經(jīng)過(guò)聲卡的編輯處理，再經(jīng)由數(shù)模轉(zhuǎn)換，才可以從聲卡輸出，這一連串的轉(zhuǎn)換處理過(guò)程，都是由一塊數(shù)/模轉(zhuǎn)換芯片來(lái)完成的。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。4數(shù)字音源處理器DSP芯片DSPDIGITALSIGNALPROCESSOR是數(shù)字信號(hào)處理芯片，DSP的功能通常包括了采樣頻率的控制，對(duì)聲音的錄制與播放控制，處理MIDI指令等等。有些聲卡的DSP還有音源資料壓縮的功能。另外，如果聲卡有混音芯片MIXERCHIP，就可以通過(guò)軟件的操作來(lái)對(duì)聲音進(jìn)行各種控制，例如音調(diào)的高低控制、音場(chǎng)效果調(diào)整等。所以DSP可說(shuō)是聲卡中非常重要的芯片，所有數(shù)字音源信號(hào)的處理，都可以說(shuō)是DSP的功能范圍。5音效合成裝置在聲音信號(hào)未經(jīng)過(guò)DA轉(zhuǎn)換之前都是數(shù)字式的，我們可以將幾個(gè)數(shù)字信號(hào)音源加以組合出各種聲占而產(chǎn)生音效，這就是一般所稱FMFREQUENCYMODULATION調(diào)頻。通過(guò)對(duì)聲卡工作過(guò)程的說(shuō)明和理解，我們對(duì)聲卡的硬件組成部分，有了一個(gè)比較明確的概念。聲卡是本次設(shè)計(jì)的重要組成部分，數(shù)據(jù)采集的工作就是由它來(lái)完成。數(shù)據(jù)采集是一個(gè)很重要的前提工作，正是它才可使模擬信號(hào)變成數(shù)字信號(hào)，才可以被計(jì)算機(jī)處理和分析。32聲卡的技術(shù)參數(shù)及接口函數(shù)321聲卡的技術(shù)參數(shù)麥克風(fēng)或線路輸入LINEIN獲取的音頻信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行播放、錄音等各種處理；輸出時(shí)，計(jì)算機(jī)通過(guò)總線將數(shù)字化的聲音信號(hào)以PCM脈沖編碼調(diào)制方式送到D/A轉(zhuǎn)換器，變成模擬的音頻信號(hào)，進(jìn)而通過(guò)功率放大器或線路輸出LINEOUT送到音箱等設(shè)備轉(zhuǎn)換為聲波。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(shí)間內(nèi)采集的語(yǔ)音樣本的數(shù)量。采樣頻率越大，語(yǔ)音的保真度就越高，要求的存儲(chǔ)空間也就越多。目前，普通聲卡的最高頻率為441KHZ，一般采樣頻率分為4檔，分別為441KHZ，2205KHZ,1102KHZ，8KHZ。根據(jù)采樣定理，采樣頻率應(yīng)為被測(cè)信號(hào)頻率的2倍以上。2采樣位數(shù)將模擬語(yǔ)音量化的位數(shù)。位數(shù)越大，量化就越精細(xì)，記錄的音質(zhì)就越好，同時(shí)，量化信噪比也越高。一般聲卡的采樣頻率從8KHZ一96KHZ分多個(gè)擋；采樣位數(shù)8位、16位、32位可選；將聲音從模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)的二進(jìn)制位數(shù)BIT。按位數(shù)分聲卡有8位聲卡、16位聲卡。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。例如，16位聲卡把音頻信號(hào)的大小分為65536個(gè)量化等級(jí)來(lái)實(shí)施上述轉(zhuǎn)換。所以一般設(shè)定為16位。3緩沖區(qū)一般聲卡使用的緩沖區(qū)為8KB8192字節(jié)，這是由于對(duì)X86系列處理器而言，在保護(hù)模式下，內(nèi)存以8KB為單位被分成了很多頁(yè)，對(duì)內(nèi)存的任何訪問(wèn)都是按頁(yè)進(jìn)行的。CPU保證在讀寫8KB長(zhǎng)度的內(nèi)