西安交通大學(xué) 1 本本 科科 畢畢 業(yè)業(yè) 設(shè)設(shè) 計(jì)計(jì) 論論 文文 題題 目：目：基于基于 LABVIEWLABVIEW 虛擬示波器的設(shè)計(jì)虛擬示波器的設(shè)計(jì) 系系 別：別： 電電 氣氣 與與 信信 息息 工工 程程 專專 業(yè)：業(yè)： 測(cè)測(cè) 控控 技技 術(shù)術(shù) 與與 儀儀 器器 西安交通大學(xué)城市學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） I 摘要 I 摘 要 虛擬儀器技術(shù)是現(xiàn)在計(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。 本文采用計(jì)算機(jī)聲卡來(lái)代替工業(yè)用的數(shù)據(jù)采集卡。所設(shè)計(jì)出的虛擬儀器成 本低、通用性強(qiáng)，在對(duì)采樣頻率要求不高的情況下，可以用聲卡取代數(shù)據(jù)采集 卡進(jìn)行采樣充分利用了價(jià)格低廉的聲卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。文章闡述了虛擬儀器的 背景、概念、發(fā)展、組成等，重點(diǎn)介紹了采用圖形化編程軟件LABVIEW設(shè)計(jì)虛 擬示波器方法以及它的波形顯示、頻譜分析、參數(shù)顯示等功能，最終實(shí)現(xiàn)開發(fā) 一個(gè)能夠?qū)β曇粜盘?hào)進(jìn)行顯示的虛擬示波器。 本文所設(shè)計(jì)的虛擬示波器經(jīng)過(guò)測(cè)試可以對(duì)信號(hào)正確的采集和顯示，達(dá)到了 本次虛擬示波器的設(shè)計(jì)要求。 關(guān)鍵詞：虛擬儀器，LABVIEW，示波器 西安交通大學(xué)城市學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） II ABSTRACT I ABSTRACT Virtual instrument technology is now the computer system and instrumentation system combining the product of todays computer-aided testing is an important technology area. It advances towards the traditional digital instrumentation, intelligent, modular, network-based direction. In this paper, computer sound card to replace the industrial data acquisition card. The design of the virtual instrument, low cost, versatility, less demanding in the case of sampling frequency can be used to replace the sound card data acquisition card to sample the full advantage of the cheap sound card for data acquisition. Paper describes the background of virtual instruments, concepts, development, composition, focusing on the use of LABVIEW graphical programming software design method and its virtual oscilloscope waveform display, virtual spectrum analysis, parameter display and other functions, ultimately able to develop a sound signal shows a virtual oscilloscope. Designed in this paper tested the virtual oscilloscope can capture and display the correct signal, reaching the second virtual oscilloscope design requirements. KEY WORDS: Virtual instruments, LABVIEW ,Oscilloscope 西安交通大學(xué)城市學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） II 目錄 I 目 錄 1 緒論 1 1.1 虛擬儀器背景 1 1.1.1 虛擬儀器的產(chǎn)生 1 1.1.2 虛擬儀器的概念.1 1.1.3 虛擬儀器的構(gòu)成.2 1.1.4 虛擬儀器的優(yōu)點(diǎn).2 1.2 虛擬儀器的現(xiàn)狀 3 1.2.1 國(guó)外虛擬儀器的研究現(xiàn)狀 3 1.2.2 國(guó)內(nèi)虛擬儀器的研究現(xiàn)狀.4 1.2.3 虛擬儀器的發(fā)展方向.4 1.3 本文的研究?jī)?nèi)容 5 2 虛擬示波器設(shè)計(jì)理論7 2.1 虛擬示波器的基本原理 7 2.2 虛擬示波器的功能方框圖 7 2.3 虛擬示波器的聲卡采集原理 7 2.3.1 聲卡的作用.9 2.3.2 聲卡的硬件結(jié)構(gòu)10 2.3.3 聲卡的主要技術(shù)參數(shù)10 2.3.4 聲卡用于數(shù)據(jù)采集時(shí)的設(shè)置11 2.4 本章小結(jié) .12 3 虛擬示波器軟件設(shè)計(jì).15 3.1 LABVIEW 簡(jiǎn)介 .15 3.1.1 G 語(yǔ)言簡(jiǎn)介15 3.1.2 LABVIEW 程序組成 .16 3.1.3 LABVIEW 中有關(guān)聲卡函數(shù)介紹 .16 3.2 程序的流程圖 .18 3.3 程序的結(jié)構(gòu)框圖 .19 3.4 LABVIEW 虛擬示波器的程序設(shè)計(jì)19 3.4.1 前面板的設(shè)計(jì) .19 3.4.2 總程序的設(shè)計(jì) .20 3.5 數(shù)據(jù)采集和處理模塊 .20 西安交通大學(xué)城市學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） II 3.5.1 聲音輸入設(shè)置 .22 3.5.2 聲音輸入讀取24 3.5.3 聲音輸入清除 .25 3.6 測(cè)量模塊 .26 3.7 頻譜分析模塊 .28 3.8 參數(shù)顯示模塊 .29 3.9 本章小結(jié) .29 4 程序的調(diào)試與測(cè)試.31 4.1 虛擬示波器的性能指標(biāo) .31 4.1.1 采樣頻率 .31 4.1.2 采樣精度 .31 4.2 程序的調(diào)試結(jié)果 .31 4.2.1 波形顯示調(diào)試結(jié)果 .31 4.3 小結(jié) .33 5 總結(jié)與展望 .35 5.1 結(jié)論 .35 5.2 展望 .35 致謝.37 參考文獻(xiàn).39 1 緒論 1 1 緒論 1.1 虛擬儀器背景 1.1.1 虛擬儀器的產(chǎn)生 虛擬儀器技術(shù)是現(xiàn)在計(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、智能一起和虛擬儀器。第一代模擬儀器，這類儀器在某些 實(shí)驗(yàn)室里還能看到，它是以電磁感應(yīng)基本定律為基礎(chǔ)的指針式儀器，如指針式 萬(wàn)用表、晶體管電壓表、指針式電流表等。第二代數(shù)字化儀器，這類儀器現(xiàn)在 相當(dāng)普遍，這類儀器將模擬信號(hào)的測(cè)量值轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，并以數(shù)字方式輸出 最終結(jié)果，適用于快速響應(yīng)和較高準(zhǔn)確度的測(cè)量，如數(shù)字萬(wàn)用表、數(shù)字頻率計(jì) 等。第三代智能儀器，這類儀器內(nèi)置微處理器，可以進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試和數(shù)據(jù)處理 功能，可能代替部分腦力老公，習(xí)慣上稱為智能儀器。它的功能模塊全部都是 以硬件或固定軟件的形式存在，無(wú)論是開發(fā)還是應(yīng)用，都缺乏靈活性。第四代 虛擬儀器，它是現(xiàn)在計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)、通信技術(shù)和測(cè)試技術(shù)高速發(fā)展孕育出的 一項(xiàng)革命性技術(shù)，其導(dǎo)致了傳統(tǒng)儀器的結(jié)構(gòu)、概念和設(shè)計(jì)觀點(diǎn)都發(fā)生了巨大的 變革，它的出現(xiàn)使得人類的測(cè)試技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展紀(jì)元。 1.1.2 虛擬儀器的概念 虛擬儀器是指通過(guò)應(yīng)用程序?qū)⒂?jì)算機(jī)、軟件的功能模塊和儀器硬件結(jié)合起 來(lái)，用戶可以通過(guò)友好的圖形界面（通常叫做虛擬前面板，簡(jiǎn)稱前面板）來(lái)操 作這臺(tái)計(jì)算機(jī)就像在操作自己定義、自己設(shè)計(jì)的一臺(tái)個(gè)人儀器一樣，從而完成 對(duì)被測(cè)信號(hào)的采集、分析、判斷、顯示、數(shù)字存儲(chǔ)等。虛擬儀器以透明的方式， 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)試能力和控制能力結(jié)合起來(lái)。虛擬一起突破了傳統(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。軟件是虛擬儀器的關(guān)鍵，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 西安交通大學(xué)城市學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 的數(shù)據(jù)的分析、處理、表達(dá)、傳遞、存儲(chǔ)等方面的限制，達(dá)到傳統(tǒng)儀器無(wú)法比 擬的效果。它不僅可以用于電子測(cè)量、測(cè)試、分析、計(jì)量等領(lǐng)域，而且還可以 用于進(jìn)行設(shè)備的監(jiān)控以及工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化。虛擬儀器還可以廣泛用于電力工程、 物礦勘探、醫(yī)療、振動(dòng)分析、聲學(xué)分析、故障診斷及教學(xué)科研等多個(gè)方面1。 1.1.3 虛擬儀器的構(gòu)成 虛擬儀器從構(gòu)成要素上講，由計(jì)算機(jī)、應(yīng)用軟件和儀器硬件等構(gòu)成；從構(gòu) 成分式上講則由以 DAQ 板和信號(hào)調(diào)理為儀器硬件而組成的 PC-DAQ 測(cè)試系統(tǒng)， 或已 GPIB，VXI，Serial 和 Field bus 等標(biāo)準(zhǔn)總線儀器為硬件組成的 GPIB 系統(tǒng)、 VXI 系統(tǒng)、串口系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)等多種形式2。虛擬儀器的構(gòu)成如圖 1-1 所示。 顯示器 信號(hào)分析及處理器入機(jī)接口各類接口 A/D 轉(zhuǎn) 換器 數(shù)據(jù) 發(fā)生器 信號(hào) 調(diào)理器 信號(hào) 調(diào)理器 輸入 信號(hào) D/A 轉(zhuǎn) 換器 信號(hào)調(diào) 理器 信號(hào) 輸出 圖 1-1 虛擬儀器的結(jié)構(gòu) 1.1.4 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、價(jià)格低廉、 可一機(jī)多用、可重復(fù)開發(fā)等。與傳統(tǒng)儀器相比虛擬儀器主要有以下幾個(gè)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。 1 緒論 3 （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，可方便的構(gòu)建模塊化儀器（Instrument on a Card） 。 （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)。因此， 利用 VI 技術(shù)可方便的構(gòu)建自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)（ATS，Automatic Test System） ，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)的開放式標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)。虛擬儀器的硬、軟件都具有開放 性、模塊化、可重復(fù)使用及互換性等特點(diǎn)。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。 1.2 虛擬儀器的現(xiàn)狀 1.2.1 國(guó)外虛擬儀器的研究現(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。美國(guó)的斯福坦大學(xué)的機(jī)械工程系要求三、四年級(jí)的學(xué)生在實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)用虛 擬儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和實(shí)驗(yàn)控制。 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。最早和最具有影響力的開發(fā)軟件，是 NI 公司的 LABVIEW 軟件和 Lab windows/CVI 開發(fā)軟件。LABVIEW 采用圖形化編程方案，是非常 實(shí)用的開發(fā)軟件。Lab windows/CVI 是為熟悉 C 語(yǔ)言的開發(fā)人員準(zhǔn)備的、在 windows 環(huán)境下的標(biāo)準(zhǔn) ANSI C 開發(fā)環(huán)境，除了上述優(yōu)秀的開發(fā)軟件之外，美 國(guó) HP 公司的 HP-VEE 和 HPTIG 平臺(tái)軟件，美國(guó) Tektronix 公司的 Ez-Test 和 Tek-TNS 軟件，以及美國(guó)的 HEM Data 公司的 Snap-Master 平臺(tái)軟件，也是國(guó)際 上公認(rèn)的優(yōu)秀虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)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） 。世界各國(guó)的公司，特別是美國(guó) NI 公司，為使虛擬儀器能夠適應(yīng)上述各種總線的配置，開發(fā)了大量的軟件以及適 應(yīng)要求的硬件（插件） ，可以靈活的組建不同復(fù)雜程度的虛擬儀器自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。 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)。美國(guó) NI 公司 在 1997 年 9 月 1 日推出模塊化儀器的主流平臺(tái) PXI，這是與 Compact PCI 完全 兼容的系統(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。是目前已經(jīng)發(fā)布的最高傳輸速度4。 1.2.2 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 VXI.PX 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)。 它們多數(shù)屬于中低頻范圍，主要是工程應(yīng)用類儀器設(shè)備。 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。 國(guó)內(nèi)已有部分院校的實(shí)驗(yàn)室引入了虛擬儀器系統(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)室將其開發(fā)成果在網(wǎng)上公開展示。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)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)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。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 系列。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。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)的提出和發(fā)展，標(biāo)志著二十一世紀(jì)自動(dòng)測(cè)試與電子測(cè)試儀器領(lǐng)域 技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向5。 1.2.3 虛擬儀器的發(fā)展方向 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。 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。 “沒(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)域得到廣泛的應(yīng)用。 VXI 總線將成為未來(lái)虛擬儀器的理想硬件平臺(tái)，這是由 VXI 總線的性能決 定的；另一方面，基于 PCI-DAQ 的虛擬儀器系統(tǒng)由于性價(jià)比高、靈活性好而受 到大多數(shù)用戶的青睞，將得到高速的發(fā)展。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。 1.3 本文的研究?jī)?nèi)容 虛擬儀器由通用儀器硬件平臺(tái)（簡(jiǎn)稱硬件平臺(tái)）和應(yīng)用軟件兩大部分構(gòu)成。 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。儀器硬件可以是插入式數(shù)據(jù) 采集卡及必要的外圍電路（含信號(hào)調(diào)理電路、A/D 轉(zhuǎn)換器、數(shù)字 I/O、定時(shí)器、 D/A 轉(zhuǎn)換器等） ，或者是帶標(biāo)準(zhǔn)總線接口的儀器，如 GPIB、VXI、PXI、STD、PCI 總線儀器和網(wǎng)絡(luò)化儀器等。 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。進(jìn)而考 慮到計(jì)算機(jī)中的聲卡本身就是一個(gè) A/D，D/A 的轉(zhuǎn)化裝置，具有 16 位的量化精 度、數(shù)據(jù)采集頻率是 44.1kHz，完成可以滿足特定應(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)采集卡的十分之一 或者幾十分之一，在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中完全可以滿足要求。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。利用聲卡實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集，制作成一個(gè) 簡(jiǎn)易的示波器，示波器能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集、波形顯示、參數(shù)測(cè)量及頻譜分析四 大功能。 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。 本論文開發(fā)了一臺(tái)虛擬示波器。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 2 章，虛擬示波器的設(shè)計(jì)理論：本章主要講了示波器組成部分、波形顯 示原理，工作原理以及虛擬示波器在硬件平臺(tái)上的使用，詳細(xì)講述了硬件選擇 聲卡的理由。 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。 西安交通大學(xué)城市學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 第 4 章，程序測(cè)試與調(diào)試：本章給出了虛擬示波器系統(tǒng)性能的具體指標(biāo)， 進(jìn)行了系統(tǒng)調(diào)試，驗(yàn)證了虛擬示波器的實(shí)用性和優(yōu)越性。 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。 2 虛擬示波器設(shè)計(jì)理論 7 西安交通大學(xué)城市學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 2 虛擬示波器設(shè)計(jì)理論 2.1 虛擬示波器的基本原理 虛擬示波器主要由軟件來(lái)完成信號(hào)的采集、處理和輸出。系統(tǒng)軟件包括前 面板生成框圖程序和圖標(biāo)連接端口。儀器主要功能包括：通道選擇、時(shí)基幅值 控制、濾波器、信號(hào)發(fā)生器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與回放等。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。它能快速的把肉眼不能直接看見(jiàn)的電信號(hào)的時(shí)變規(guī)律，以可見(jiàn)的形 式，形象的顯示出來(lái)7。 2.2 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)。完成波形顯示后示波 器對(duì)其中的數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)測(cè)量。其功能方框圖如圖 2-1 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 2-1 虛擬示波器功能方框圖 2.3 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。其 支持軟件通過(guò) PC 機(jī)的 PCI 總線接口控制模擬通道的阻抗匹配、放大器的增益 2 虛擬示波器設(shè)計(jì)理論 9 選擇、啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換及轉(zhuǎn)換結(jié)束的識(shí)別，并將采集數(shù)據(jù)以 DMA 的方式傳輸?shù)?計(jì)算機(jī)內(nèi)存，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行分析處理、顯示、存儲(chǔ)及打印傳輸?shù)取?使用 LABVIEW 構(gòu)建基于聲卡的虛擬示波器的思路是很清晰的。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)存滿數(shù)據(jù)后，一方面將數(shù)據(jù)讀取到用戶程序的數(shù)組中，產(chǎn) 生一個(gè)采集數(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。 聲卡數(shù)據(jù)采集流程如圖 2-2 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。 2 圖 2-2 聲卡數(shù)據(jù)采集流程圖 虛擬示波器是采用基于計(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（GUI）來(lái)模仿示波器的操作面板，完成信號(hào)采集、調(diào)理、 分析處理和顯示輸出等功能8。 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。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，這三大部分均由硬件構(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)。 本文設(shè)計(jì)的虛擬示波器總體上包括數(shù)據(jù)采集、波形顯示、參數(shù)測(cè)量、頻譜 分析、等幾大模塊組成，虛擬示波器的結(jié)構(gòu)框圖如下 2-3 所示。 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 2-3 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)。 2.3.1 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)內(nèi)數(shù)據(jù)采集卡，是計(jì) 算機(jī)與外部的模擬量間環(huán)境聯(lián)系的重要途徑。LABVIEW 提供了操作聲卡的函 數(shù)。聲卡的主要功能包括錄制與播放、編輯與合成處理、MIDI 接口三個(gè)部分。 （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。注意，在錄制和回放時(shí)，不僅要進(jìn)行 D/A 和 A/D 轉(zhuǎn)換，還要進(jìn) 行壓縮和解壓縮處理。 （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。 （3）MIDI（Musical Instrument Digital Interface 樂(lè)器數(shù)字接口）接口通過(guò) MIDI 接口和波表合成，可以記錄和回放各種接近真實(shí)樂(lè)器原聲的音樂(lè)。 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。 2.3.2 聲卡的硬件結(jié)構(gòu) 圖 2-4 是一個(gè)聲卡的硬件結(jié)構(gòu)示意圖。一般聲卡有 4-5 個(gè)對(duì)外接口。其中， 輸出接口有 2 個(gè)，分別是 Ware Out 和 SPK Out。Ware Out（或 Line Out）給出 的信號(hào)沒(méi)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。這些接口可以用來(lái) 作為雙通道信號(hào)發(fā)生器的輸出。 Line In Mic In Wave Out SPK Out MIDI In A/D DSP D/A 波波表表 MIDI合合成成器器 圖 2-4 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 0.02-0.2V，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) 1.5V 的信號(hào)。注意，這兩個(gè)輸入端口都有隔直電容，這意味著 直流信號(hào)不能被聲卡所接受。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。另外這兩個(gè)通道是共地的10。 2.3.3 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。這個(gè)數(shù)值越大，解析度就越 高，錄制和回放的聲音也就越真實(shí)。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。例如，8 位代表；16 位的代表。2562864000216 比較之下，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，最終采樣效果當(dāng)然是無(wú)法相提并 論的。 （2）采樣頻率 目前,聲卡的最高采樣頻率為 44.1kHz，少數(shù)達(dá)到 48kHz。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 44.1kHz、22.05kHz、11.025kHz、8kHz。22.05kHz 只能達(dá)到 FM 廣播的聲音品質(zhì)； 44.1kHz 是理論上的 CD 音質(zhì)界限，48kHz 則更好一些。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)有問(wèn)題，但似乎余量不大。使 用聲卡比較大的局限在于，它不允許用戶在最高采樣頻率之下隨意設(shè)定采樣頻 率，而只能分為 4 檔設(shè)定。這樣雖然可使制造成本降低，但卻不便于使用。用 戶基本上不可能控制整周期采樣，只能通過(guò)信號(hào)處理的方法來(lái)彌補(bǔ)非整周期采 樣帶來(lái)的問(wèn)題。 （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。 為了在一個(gè)簡(jiǎn)易的結(jié)構(gòu)下較好的完成某個(gè)任務(wù)，聲卡緩沖區(qū)的設(shè)計(jì)有其獨(dú)到之 處。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。在這種工作方式下，聲卡的 A/D、D/A 都對(duì)某一緩沖區(qū)進(jìn)行操作。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。計(jì)算機(jī)總線的數(shù)據(jù)傳 輸速率非常高，讀取緩沖區(qū)數(shù)據(jù)所用時(shí)間極短，不會(huì)影響 A/D 變換的連續(xù)性。 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。 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)） 。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(wèn)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。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)，可以較好的 保證聲卡與 CPU 的協(xié)調(diào)工作。 （4）沒(méi)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。 2.3.4 聲卡用于數(shù)據(jù)采集時(shí)的設(shè)置 （1）聲卡的設(shè)置 一般聲卡主要用于輸出聲音，輸入部分可能沒(méi)有處于正常工作狀態(tài)。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。 如果不正常，需要檢查聲卡的設(shè)置。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)。 2 虛擬示波器設(shè)計(jì)理論 13 下面介紹對(duì) Line In 和 Mic In 的檢查和設(shè)置。 按圖 2-5 所示，在“選項(xiàng)”菜單下選“屬性” ，得到圖 2-5（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。注意圖 2-5 中 的相關(guān)功能都不能處于靜音狀態(tài)。如圖 2-5（a）所示。 圖 2-5（a）音量控制窗口 圖 2-5（b）音量控制屬性 圖 2-5 音量控制窗口和音量控制屬性對(duì)話框 （2）硬件連接 硬件連接采用兩種連接線：1 一條一頭是 3.5mm 插孔，另一頭是鱷魚夾的 連接線，2 是雙頭為 3.5mm 插孔的音頻連接線（在市場(chǎng)上可以買的到） 。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。連接時(shí)要注意區(qū)分 Mic In 口和 SPK Out 口，不要把它們當(dāng)作 Line In 與 Line Out 接入。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。 西安交通大學(xué)城市學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 2.4 本章小結(jié) 本章主要介紹了虛擬示波器的工作原理及各個(gè)功能模塊的流程實(shí)現(xiàn)原理。 本文用聲卡代替數(shù)據(jù)采集卡來(lái)采集信號(hào)的。主要介紹了聲卡的各個(gè)功能，包括 聲卡的作用、硬件結(jié)構(gòu)，并對(duì)聲卡的技術(shù)參數(shù)做了詳細(xì)的介紹。最后介紹了聲 卡用于數(shù)據(jù)采集時(shí)的一些設(shè)置。 2 虛擬示波器設(shè)計(jì)理論 15 西安交通大學(xué)城市學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 3 虛擬示波器軟件設(shè)計(jì) 3.1 LABVIEW 簡(jiǎn)介 LABVIEW 是（實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工作平臺(tái)）是一個(gè)程序開發(fā)環(huán)境。它類似于 Visual Basic，Visual C+。但是 LABVIEW 的特點(diǎn)在于：它使用圖形化編程語(yǔ) 言 G 在流程圖中創(chuàng)建源程序，而沒(méi)有使用基于的文本語(yǔ)言來(lái)產(chǎn)生源程序代碼。 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。無(wú)論是使用基于計(jì)算機(jī)的插入式儀器設(shè)備，還是使用 GPIB，VXI，Ethernet 接口或是串口的獨(dú)立儀器設(shè)備，LABVIEW 內(nèi)置的驅(qū)動(dòng)程 序庫(kù)和具有工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)軟件都可以對(duì)儀器系統(tǒng)進(jìn)行全面的控制。 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。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。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 具有許多特性，能使測(cè)量和自動(dòng)化應(yīng)用方案完成適用于用戶企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)， 能將應(yīng)用方案以網(wǎng)頁(yè)的形式發(fā)表，或在互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用程序間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。 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。LABVIEW 專業(yè)版開發(fā) 系統(tǒng)包括應(yīng)用程序生成器（Application Builder） ，可以創(chuàng)建并發(fā)布獨(dú)立的可 執(zhí)行程序、共享庫(kù)或動(dòng)態(tài)連接庫(kù)（DLL） 。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。DLL 提供最大的靈活性，可以將 LABVIEW 與其他開發(fā)工具如 VB，VC 和 NI 的 Measurement Studio 結(jié)合起來(lái)。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。 3.1.1 G 語(yǔ)言簡(jiǎn)介 LABVIEW 是一個(gè)功能比較完整的軟件開發(fā)環(huán)境，但它是為代替常規(guī)的 BASIC 和 C 語(yǔ)言設(shè)計(jì)的，它是一種編程語(yǔ)言而不僅僅是一個(gè)軟件開發(fā)環(huán)境。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） 。 G 語(yǔ)言是一種適合應(yīng)用于編程任務(wù)，具有擴(kuò)展函數(shù)庫(kù)的通用編程環(huán)境。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)言與傳統(tǒng) 高級(jí)編程語(yǔ)言最大的差別在于編程方式一般高級(jí)語(yǔ)言采用文本編程，而 G 語(yǔ)言 采用圖形化編程語(yǔ)言。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)。 3.1.2 LABVIEW 程序組成 該環(huán)境包括三個(gè)部分：程序前面板、框圖程序和圖標(biāo)連接端口。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。在 程序前面板上，輸入量被稱為控制（Controls） ，為虛擬儀器的框圖程序提供數(shù) 據(jù)；輸出量被稱為顯示（Indicators） ，顯示虛擬儀器流程圖中產(chǎn)生或獲得的數(shù)據(jù)。 控制和顯示是以各種圖標(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。 一個(gè)程序前面板都對(duì)應(yīng)著一段框圖程序?？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?？驁D程序由節(jié)點(diǎn)（Node） 、 數(shù)據(jù)連線（Wire）構(gòu)成。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)之間數(shù)據(jù)連線按照一定的邏輯關(guān)系相互連接， 可定義框圖程序內(nèi)的數(shù)據(jù)流動(dòng)方向。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。數(shù)據(jù)端口是數(shù)據(jù)在前面板對(duì)象和框圖程序之 間傳輸?shù)耐ǖ?，是?shù)據(jù)在框圖程序內(nèi)節(jié)點(diǎn)之間傳輸?shù)慕涌?3。 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。 控制端口和指示端口用于前面板對(duì)象，當(dāng) VI 程序運(yùn)行時(shí)，從控制輸入的數(shù)據(jù)通 過(guò)控制端傳遞到框圖程序，供其中的程序使用，產(chǎn)生的輸出數(shù)據(jù)再通過(guò)指示端 口傳輸?shù)角懊姘鍖?duì)應(yīng)的指示中顯示。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。 LABVIEW 采用的一種獲得專利的數(shù)據(jù)流編程模式。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?？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)或依賴數(shù)據(jù)的。 但一個(gè)虛擬儀器的圖標(biāo)被放置在另一個(gè)虛擬儀器的流程圖中時(shí)，它就是一 個(gè)子儀器。圖標(biāo)連接端口可以把 VI 變成一個(gè) Sub VI，然后象子程序一樣在其 他程序中調(diào)用。圖標(biāo)是 Sub VI 的直觀標(biāo)記，是 Sub VI 在其他程序框圖中被調(diào) 用的節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)形式，而連接端口則表示該 Sub VI 與調(diào)用它的 VI 之間進(jìn)行數(shù)據(jù) 交換的輸入/輸出口，就象傳統(tǒng)編程語(yǔ)言子程序的參數(shù)14。 3.1.3 LABVIEW 中有關(guān)聲卡函數(shù)介紹 LABVIEW 中提供了一系列使用 Windows 底層函數(shù)編寫的與聲卡有關(guān)的函 數(shù)。這些函數(shù)集中在圖 3-1 所示的為 LABVIEW 中 Graphics & Sound 的函數(shù)中 Sound 函數(shù)中的 Input 函數(shù)。由于使用 Windows 底層函數(shù)（不用更高級(jí)方便的 西安交通大學(xué)城市學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 MCI 函數(shù)以及 DirectX 接口）直接與聲卡驅(qū)動(dòng)程序打交道，因而封裝程序低， 速度快，而且可以訪問(wèn)，采集緩沖區(qū)中任意位置的數(shù)據(jù)，具有很大靈活性，能 夠滿足實(shí)時(shí)不間斷采集的需要。 圖 3-1 LABVIEW 中的 sound 函數(shù)的 Input 函數(shù) 在本設(shè)計(jì)中主要運(yùn)用到 LABVIEW 中 Graphics & Sound 的函數(shù)中 Sound 函數(shù)中的 Input 這個(gè)子模塊。表 3-1 是 LABVIEW 中 Graphics & Sound 的函數(shù)中 Sound 函數(shù)中的 Input 中提供的函數(shù)15。 表 3-1 Input 函數(shù)簡(jiǎn)介 函數(shù)名稱功能說(shuō)明 configure 該函數(shù)的主要功能是設(shè)置聲卡中與數(shù)據(jù)采集有關(guān)的一些硬件參數(shù)， 如采樣率，數(shù)據(jù)格式，緩沖區(qū)長(zhǎng)度等。聲卡的采樣率由內(nèi)部時(shí)鐘控 制，只有 3-4 種固定頻率可選，一般將采樣頻率設(shè)置為 44100HZ， 數(shù)據(jù)格式設(shè)置為 16bit。緩沖區(qū)長(zhǎng)度可選默認(rèn)值。 start 該函數(shù)用于通知聲卡開始采集外部數(shù)據(jù)。采集到的數(shù)據(jù)會(huì)被暫存在 緩沖區(qū)中，這一過(guò)程無(wú)需程序干預(yù)，由聲卡硬件使用 MDA 直接完成， 保證了采集過(guò)程的連續(xù)性。 3 虛擬示波器軟件設(shè)計(jì) 19 read 該函數(shù)用于等待采樣數(shù)據(jù)緩沖區(qū)滿的消息。當(dāng)產(chǎn)生這一消息時(shí)，它 將數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的內(nèi)容讀取到用戶程序的數(shù)組中，產(chǎn)生一個(gè)數(shù)據(jù)采樣 集合。若計(jì)算機(jī)的速度不夠快，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。這時(shí)應(yīng)調(diào)節(jié)緩沖區(qū)的大小，在采樣時(shí)間和數(shù)據(jù)讀取 之間找到一個(gè)理想的平衡點(diǎn)。 stop 該函數(shù)用于通知聲卡停止采集外部數(shù)據(jù)。已采集而未被讀出的數(shù)據(jù) 會(huì)留在緩沖區(qū)中，可以使用 read 函數(shù)一次讀完。 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 MDA，緩沖區(qū)內(nèi)存，聲卡端口等） 。 3.2 程序的流程圖 程序流程框圖如圖 3-2 所示： 初始化 聲卡 信號(hào)采集 波形顯示 參數(shù)顯示 LABVIEW 模塊 圖 3-2 虛擬示波器程序流程圖 流程圖簡(jiǎn)介： 首先對(duì)設(shè)計(jì)中運(yùn)用到的模塊進(jìn)行初始化，然后通過(guò)聲卡對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采 集，把采集到的信號(hào)送入 LABVIEW 模塊中，通過(guò) LABVIEW 模塊的程序 運(yùn)行下，把采集到的信號(hào)通過(guò)圖形的形式，把波形顯示出來(lái)。通過(guò)波形的 顯示，最后把波形的其他參數(shù)以數(shù)字的形式都顯示出來(lái)。 西安交通大學(xué)城市學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 3.3 程序的結(jié)構(gòu)框圖 程序的結(jié)構(gòu)框圖如圖 3-3 所示： 聲卡參數(shù)設(shè)置數(shù)據(jù)采集 頻譜分析 參數(shù)顯示 波形顯示 函數(shù)信號(hào)發(fā)生器 圖 3-3 程序的結(jié)構(gòu)框圖 結(jié)構(gòu)框圖簡(jiǎn)介： 首先由函數(shù)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生特定的信號(hào)，進(jìn)入聲卡的緩存區(qū)，聲卡開 始進(jìn)行初始化的參數(shù)設(shè)置，設(shè)置號(hào)以后將緩存區(qū)的信號(hào)讀取出來(lái)，送給數(shù) 據(jù)采集卡，進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，最后對(duì)該信號(hào)進(jìn) 行頻譜分析、參數(shù)顯示和波形顯示。 3.4 LABVIEW 虛擬示波器的程序設(shè)計(jì) 3.4.1 前面板的設(shè)計(jì) 本論文設(shè)計(jì)的虛擬示波器控制面板如圖 3-4 所示： 圖 3-4 示波器的控制面板 控制前面板說(shuō)明： 本文的前面板可以顯示信號(hào)的波形、幅頻特性、相頻特性。以數(shù)字形 3 虛擬示波器軟件設(shè)計(jì) 21 式顯示的包括周期均方根、周期平均值、峰峰值、正峰值、負(fù)峰值、幅度、 頻率、相位值。 3.4.2 總程序的設(shè)計(jì) 最終設(shè)計(jì)出的程序的總框圖如圖 3-5： 圖 3-5 程序總框圖 總框圖說(shuō)明： 信號(hào)通過(guò)聲卡采集進(jìn)入虛擬儀器中，通過(guò)聲卡的基本設(shè)置，設(shè)置聲卡 的一些基本參數(shù)，聲卡的采樣頻率不能太低，如果頻率太低，采集過(guò)程中， 不能連續(xù)的采集，示波器的輸出就會(huì)中斷。聲卡采集完信號(hào)數(shù)據(jù)后，聲卡 開始讀取數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的讀取，虛擬示波器把波形顯示出來(lái)；在波形 顯示的過(guò)程中，虛擬示波器還能通過(guò)頻譜分析，對(duì)波形的幅頻和相頻分析， 顯示虛擬示波器的幅頻特性和相頻特性；最后再把頻率、幅頻、相頻的數(shù) 據(jù)通過(guò)數(shù)組的分析，也顯示出來(lái)。在讀區(qū)過(guò)程中，還能把虛擬示波器的周 期平均、峰峰值、負(fù)峰值、正峰值、周期均方根、直流、均方根的數(shù)值也 顯示出來(lái)。而聲卡的讀取過(guò)程是通過(guò)一個(gè) While 循環(huán)把這所有的過(guò)程連接 起來(lái)。讀取過(guò)程完后，經(jīng)過(guò)聲卡的清理后，再進(jìn)行下一次的讀取過(guò)程。在 聲卡的讀取過(guò)程中，如果聲卡觸發(fā)有差錯(cuò)的話，聲卡的讀取就會(huì)停止，聲 卡直接停止，While 循環(huán)也就結(jié)束了。 3.5 數(shù)據(jù)采集和處理模塊 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 西安交通大學(xué)城市學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 待采樣數(shù)據(jù)緩沖區(qū)滿的消息、通知聲卡停止采集等任務(wù)。圖3-6為數(shù)據(jù)采集模 塊的程序流程圖 開始 幅度調(diào)整位移調(diào)整速率調(diào)整 讀取數(shù)據(jù)送入緩存區(qū) 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 顯示波形 是否停止采樣 停止采樣 并釋放資源 參數(shù)測(cè)量 結(jié)束 否 圖 3-6 數(shù)據(jù)采集模塊的程序流程圖 具體的數(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)存滿數(shù)據(jù)后，一方面將數(shù)據(jù)讀取到用戶程序 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16。 如圖 3-7 所示，為數(shù)據(jù)采集和處理模塊。 圖 3-7 數(shù)據(jù)采集和處理模塊 程序說(shuō)明： 3 虛擬示波器軟件設(shè)計(jì) 23 在 LABVIEW 軟件中，對(duì)于聲卡的聲道可以分為 mono 8-bit（單聲道 8 位） ， mono 16-bit（單聲道 16 位） ，stereo 8-bit（立體聲 8 位）和 stereo 16-bit（立體 聲 16 位） 。其中，16 位聲道比 8 位聲道采樣信號(hào)的質(zhì)量好，立體聲（stereo） 比單聲道（mono）采樣信號(hào)好，最好的采樣通道形式是 stereo 16-bit，這樣采樣 的波形穩(wěn)定，而且干擾小。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)，而且采樣的信號(hào)幅值與原幅值相同。當(dāng)然，還有一個(gè) 重要的原因是，如果選擇 mono（單聲道） ，SI 出來(lái)的數(shù)據(jù)是標(biāo)量，不能組成數(shù) 組，進(jìn)而不便于數(shù)據(jù)的各種處理。所以在設(shè)計(jì)中我采用 stereo 16-bit 進(jìn)行雙聲道 采樣。聲卡的采樣頻率（rate）有 4 種選擇，即 8000Hz，11025Hz，22050Hz 和 44100Hz，采樣頻率不同，采到的波形的質(zhì)量也不同，應(yīng)視具體情況采用合 適的頻率，在設(shè)計(jì)中，為了得到良好的演示效果，我采用了 44100Hz 的采樣頻 率。而在采樣率的選擇方面，本文采用了一個(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)。這個(gè)在后面波形產(chǎn)生模塊中進(jìn)行 詳細(xì)解釋。 主要操作說(shuō)明； 在 block diagram： Functions Graphics & Sound Sound Sound Input 選擇 Sound Input 函 數(shù)。 1） Functions Structures While Loop 選擇 While 循環(huán)。 2） Functions Structure Case 選擇 Case 循環(huán)。 3） 右鍵點(diǎn)擊 SI Config 函數(shù)的 Sound Format 輸入，選擇 create control，自動(dòng)生 成 Sound Format 簇類型控鍵。其中包含三項(xiàng)數(shù)據(jù)，分別為：sound quality；rate；bits persample。 4） 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)類型的控鍵。 5）Functions Cluster Unbundle 選擇 Unbundle 函數(shù)。對(duì)輸入簇 Cluster 進(jìn)行解包。當(dāng)接入 cluster 輸入?yún)?shù)后，輸出端子數(shù)自動(dòng)調(diào)整為與 cluster 元 素?cái)?shù)目相同。 3.5.1 聲音輸入設(shè)置 聲音輸入設(shè)置的前面板是對(duì)聲卡參數(shù)的一些設(shè)置，這些設(shè)置必須能夠滿足 設(shè)計(jì)的需要。參數(shù)設(shè)置如圖 3-8 所示。 西安交通大學(xué)城市學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 圖 3-8 聲音輸入設(shè)置的前面板 聲音輸入設(shè)置的后面板如圖 3-9 所示。 圖 3-9 聲音輸入設(shè)置的后面板 程序說(shuō)明： 聲音輸入設(shè)置該函數(shù)的主要功能是設(shè)置聲卡中與數(shù)據(jù)采集有關(guān)的一些硬件 參數(shù)，如采樣率，數(shù)據(jù)格式，緩沖區(qū)長(zhǎng)度等。聲卡的采樣率由內(nèi)部時(shí)鐘控制， 只有 3 到 4 種固定頻率可選，一般將采樣頻率設(shè)置為 44100HZ，數(shù)據(jù)格式設(shè)置 為 16bit。緩沖區(qū)長(zhǎng)度可選默認(rèn)值。 主要操作說(shuō)明： 在 block diagram： 3 虛擬示波器軟件設(shè)計(jì) 25 Functions Graphics & Sound Sound Input Configure 選擇 configure 函數(shù)。 3.5.2 聲音輸入讀取 聲音輸入讀取的前面板為聲卡采集時(shí)的參數(shù)設(shè)置。 聲音輸入讀取的前面板如圖 3-10 所示。 圖 3-10 聲音輸入讀取的前面板 聲音輸入讀取的后面板如圖 3-11 所示。 圖 3-11 聲音輸入讀取的后面板 程序說(shuō)明： 該函數(shù)用于等待采樣數(shù)據(jù)緩沖區(qū)滿的消息。當(dāng)產(chǎn)生這一消息時(shí)，它將數(shù)據(jù)緩 西安交通大學(xué)城市學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 26 沖區(qū)的內(nèi)容讀取到用戶程序的數(shù)組中，產(chǎn)生一個(gè)數(shù)據(jù)采樣集合。若計(jì)算機(jī)的速 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。這時(shí)應(yīng)調(diào)節(jié)緩沖 區(qū)的大小，在采樣時(shí)間和數(shù)據(jù)讀取之間找到一個(gè)理想的平衡點(diǎn)。 主要操作說(shuō)明： 在 block diagram： Functions Graphics & Sound Sound Input Read 選擇 read 函數(shù)。 3.5.3 聲音輸入清除 聲音輸入清除的前面板如圖 3-12 所示。 圖 3-12 聲音輸入清除的前面板 聲音輸入清除的后面板如圖 3-13 所示。 圖 3-13 聲音輸入清除的后面板 程序說(shuō)明： 3 虛擬示波器軟件設(shè)計(jì) 27 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 MDA，緩沖區(qū)內(nèi)存，聲卡端口等） 。 主要操作說(shuō)明： 在 block diagram： Functions Graphics & Sound Sound Input Clear 選擇 clear 函數(shù)。 3.6 測(cè)量模塊 采樣點(diǎn)數(shù)測(cè)量模塊如圖 3-14 所示。 圖 3-14 采樣點(diǎn)數(shù)測(cè)量模塊 程序說(shuō)明： 采樣點(diǎn)數(shù)測(cè)量模塊主要用于獲得波形的采樣點(diǎn)數(shù)，其中采用的 Statistics 函 數(shù)，它是用來(lái)確定波形運(yùn)行時(shí)的采樣點(diǎn)數(shù)，取決于輸入的程序中設(shè)定的值。 主要操作說(shuō)明： 在 block diagram： Functions Mathematics Prob & Stat Statistics 選擇 Statistics 函數(shù)。 頻率測(cè)量模塊前面板如圖 3-15 所示。 西安交通大學(xué)城市學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 28 圖 3-15 頻率測(cè)量模塊前面板 頻率測(cè)量模塊的后面板如圖 3-16 所示。 圖 3-16 頻率測(cè)量模塊的后面板 程序說(shuō)明： 頻率測(cè)試模塊，主要用于測(cè)量信號(hào)波形的頻率。其中采用的函數(shù)為 Extract Single Tone Information 函數(shù)。它是用來(lái)獲取一個(gè)信號(hào)的，求出音頻信號(hào)的最 高幅度或者一個(gè)指定的頻率范圍，并返回一個(gè)單一的頻率、幅度、相位值。 主要操作說(shuō)明： 在 block diagram： Functions Signal Processing Wfm Measure Extract Single Tone Information 選擇 Extract Single Tone Information 函數(shù)。 3 虛擬示波器軟件設(shè)計(jì) 29 3.7 頻譜分析模塊 頻譜分析模塊的前面板是設(shè)置頻譜分析模塊的參數(shù)。 頻譜分析模塊的前面板如圖 3-17 所示。 3-17 頻譜分析模塊的前面板 頻譜分析模塊的后面板如圖 3-18 所示。 圖 3-18 頻譜分析模塊的后面板 程序說(shuō)明： 頻譜分析模塊，它的作用是對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析。實(shí)現(xiàn)一個(gè) FFT 運(yùn)算。主 要利用了 FFT Spectrum 函數(shù)。FFT Spectrum 函數(shù)的功能為計(jì)算一個(gè)時(shí)間信號(hào) 的平均 FFT Sp