基于LABVIEW和声卡的虚拟示波器设计

基于基于 Labview 和声卡的虚拟示波器设计和声卡的虚拟示波器设计The Design of Virtual Oscilloscope Based on Labview and Sound Card 学生姓名学生姓名 学学 号号 专业班级专业班级 指导教师指导教师 年月年月武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文）作者声明作者声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果，除了文中特别加以标注的地方外，究工作及取得的研究成果，除了文中特别加以标注的地方外，没有任何剽窃、抄袭、造假等违反学术道德、学术规范的行没有任何剽窃、抄袭、造假等违反学术道德、学术规范的行为，也没有侵犯任何其他人或组织的科研成果及专利。与我为，也没有侵犯任何其他人或组织的科研成果及专利。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如本毕业设计（论文）引起的法明确的说明并表示了谢意。如本毕业设计（论文）引起的法律结果完全由本人承担。律结果完全由本人承担。毕业设计（论文）成果归武汉工程大学邮电与信息工程毕业设计（论文）成果归武汉工程大学邮电与信息工程学院所有。学院所有。特此声明。特此声明。 作者专业：作者专业： 作者学号：作者学号： 作者签名：作者签名： _ _ _ _年年_月月_日日武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文）摘摘 要要虚拟仪器技术的提出和发展标志着二十一世纪自动测试虚拟仪器技术的提出和发展标志着二十一世纪自动测试与电子测量仪器领域技术发展的一个重要方向。该技术是在与电子测量仪器领域技术发展的一个重要方向。该技术是在通用的计算机平台上定义和设计仪器的测试功能，使用者在通用的计算机平台上定义和设计仪器的测试功能，使用者在操作这台计算机时就像在使用一台自己设计的专用的传统电操作这台计算机时就像在使用一台自己设计的专用的传统电子仪器。操作人员可通过友好的图形化用户界面和图形化编子仪器。操作人员可通过友好的图形化用户界面和图形化编程语言来控制仪器的启动、运行和结束，完成对被测信号的程语言来控制仪器的启动、运行和结束，完成对被测信号的数据采集、信号分析、谱图显示、波形图显示、故障诊断、数据采集、信号分析、谱图显示、波形图显示、故障诊断、数据存储以及控制输出等功能。数据存储以及控制输出等功能。在虚拟仪器系统中在虚拟仪器系统中,硬件解决信号的输入和输出硬件解决信号的输入和输出,软件可以软件可以方便地修改、改变仪器系统的功能方便地修改、改变仪器系统的功能,以适应不同使用者的需要。以适应不同使用者的需要。其中信号的输入部分一般使用数据采集卡实现。商用的数据其中信号的输入部分一般使用数据采集卡实现。商用的数据采集卡具有较大的通用性采集卡具有较大的通用性,但其价格昂贵但其价格昂贵,在具体的应用场合在具体的应用场合,有些功能可能并不实用。普通声卡有些功能可能并不实用。普通声卡,具有具有 16 位量化精度位量化精度,数据数据采集频率为采集频率为 44 kHz,完全可以满足特定应用范围内数据采集的完全可以满足特定应用范围内数据采集的需要需要,个别性能指标还优于商用数据采集卡个别性能指标还优于商用数据采集卡,而价格却为商用数而价格却为商用数据采集卡的十几分之一甚至几十分之一。据采集卡的十几分之一甚至几十分之一。论文利用普通声卡做采集卡论文利用普通声卡做采集卡,利用美国利用美国 NI 公司的虚拟仪公司的虚拟仪器软件器软件 LabVIEW 做开发平台做开发平台,设计实现了一个虚拟示波器。设计实现了一个虚拟示波器。该系统能够正确采集声卡设计频率范围内的信号该系统能够正确采集声卡设计频率范围内的信号,实现了基本实现了基本示波器的测量功能和频谱分析功能示波器的测量功能和频谱分析功能,可以用来测量音频范围的可以用来测量音频范围的武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文）信号。信号。关键词：虚拟仪器；声卡；关键词：虚拟仪器；声卡；labVIEW；虚拟示波器虚拟示波器武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文）AbstractThe proposal and development of virtual instrument technology marks the direction of the automatic test and electronic measurement at 21st century. This technology defines in general computer platforms and designs the test function of instrument, when users operating the computer like using a traditional electronic instrument. Operators can control to start, operate and end it through graphical user interface and graphical programming language, and then accomplish data acquisition, signal analysis and spectrum chart shows, waveform figure shows, faults diagnosis, data storage and output control, and other functions of the measured signal. In virtual instrument system, hardware solve the problem of input signal and output signal, the software can be easily modifiing, changing the function of instrument system, in order to adapt to the needs of different users. Part of the input signal is generally realizing by the data acquisition card. Commercial data acquisition card is more general, more expensive but some functions may be unpractical. Ordinary soundcard, with 16 quantitative precision, 44 kHz data 武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文）acquisition frequency, can meet the need of data collection in specific application range, and the individual performance index is also better than commercial data acquisition card, but the prices of commercial data acquisition card is more expensive. This paper designes and realizes a virtual oscillograph with common audio card and LabVIEW virtual instrument software. The system can correctly acquisite the singal and realize the functions of measurement and spectrum analysis as basic oscilloscope.Key Words：Virtual instrument; Sound card; LabVIEW; Virtual oscilloscope武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文）目目 录录第第 1 章章 绪论绪论.11.1 虚拟仪器概述虚拟仪器概述.11.2 虚拟示波器研究的背景和意义虚拟示波器研究的背景和意义.21.3 论文主要工作论文主要工作.3第第 2 章章 系统的信号采集系统的信号采集.42.1 声卡的配置与连接声卡的配置与连接.42.2 声卡信号采集方法声卡信号采集方法.62.2.1 声卡信号采集流程声卡信号采集流程.72.2.2 声卡信号采集的实现声卡信号采集的实现.8第第 3 章章 系统功能设计及实现系统功能设计及实现.93.1 软件开发工具软件开发工具 LABVIEW 介绍介绍 .93.2 虚拟示波器总体设计虚拟示波器总体设计.123.2.1 虚拟示波器的工作原理虚拟示波器的工作原理.123.2.3 虚拟示波器的工作流程虚拟示波器的工作流程.123.3 虚拟示波器软件模块设计虚拟示波器软件模块设计.143.3.1 数据采集模块数据采集模块.143.3.2 测量模块测量模块.18第第 4 章章 系统的调试和程序显示系统的调试和程序显示.21武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文）4.1 虚拟示波器的性能虚拟示波器的性能.214.1.1 虚拟示波器的操作界面虚拟示波器的操作界面.214.1.2 虚拟示波器总程序框图虚拟示波器总程序框图.224.2 虚拟示波器波形显示虚拟示波器波形显示.24第第 5 章章 总结与展望总结与展望.26参考文献参考文献.27致谢致谢.28武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文）1第第 1 章章 绪论绪论1.1 虚拟仪器概述虚拟仪器概述所谓的虚拟仪器，就是利用高性能的模块化硬件，结合所谓的虚拟仪器，就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。灵高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。灵活高效的软件能帮助用户创建完全自定义的用户界面，模块活高效的软件能帮助用户创建完全自定义的用户界面，模块化的硬件能方便地提供全方位的系统集成，标准的软硬件平化的硬件能方便地提供全方位的系统集成，标准的软硬件平台能满足对同步和定时应用的需求。台能满足对同步和定时应用的需求。虚拟仪器的虚拟仪器的“虚拟虚拟”二字主要包含以下两个方面的含义：二字主要包含以下两个方面的含义：第一，第一， 虚拟仪器的面板是虚拟的。虚拟仪器的面板是虚拟的。虚拟仪器面板上的各种虚拟仪器面板上的各种“控件控件”与传统仪器面板上的各与传统仪器面板上的各种种“器件器件”所完成的功能是相同的。如由各种开关、按键、所完成的功能是相同的。如由各种开关、按键、显示器等实现仪器电源的：显示器等实现仪器电源的：“通通” 、 “断断” ；被测信号的；被测信号的“输入输入通道通道” 、 “放大倍数放大倍数”等参数的设置；测量结果的等参数的设置；测量结果的“数值显示数值显示” 、“波形显示波形显示”等。传统仪器面板上的器件都是等。传统仪器面板上的器件都是“实物实物” ，而且，而且是由是由“手动手动” 、 “触摸触摸” 、来进行操作的，而虚拟仪器面板控件、来进行操作的，而虚拟仪器面板控件是外形与实物相象的是外形与实物相象的“图标图标” ，每个图标的，每个图标的“通通” 、 “断断” 、 “放放大大”等，对应着相应的软件程序。这些软件已经设计好，我等，对应着相应的软件程序。这些软件已经设计好，我们只需选用代表该种软件程序的图形们只需选用代表该种软件程序的图形“控件控件”即可。因此，即可。因此，设计虚拟仪器前面板设计虚拟仪器前面板, ,就是在前面板设计窗口中摆放所需的图就是在前面板设计窗口中摆放所需的图武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文）2标，然后对图标的属性进行设置。标，然后对图标的属性进行设置。第二第二, ,虚拟仪器测量功能是通过对图形化软件流程图的编虚拟仪器测量功能是通过对图形化软件流程图的编程来实现的。程来实现的。以以 PCPC 计算机为核心组成的硬件平台支持下，通过软件编计算机为核心组成的硬件平台支持下，通过软件编程来实现仪器的功能的。因为可以通过不同测试功能软件模程来实现仪器的功能的。因为可以通过不同测试功能软件模块的组合来实现多种测试功能，所以，在硬件平台确定后，块的组合来实现多种测试功能，所以，在硬件平台确定后，就有就有“软件就是仪器软件就是仪器”的说法的说法1。与传统仪器相比，虚拟仪器具有高效、易用、功能强大、与传统仪器相比，虚拟仪器具有高效、易用、功能强大、性价比高、可操作性好等优点，具体表现为：性价比高、可操作性好等优点，具体表现为：(1) 智能化程度高，处理能力强。虚拟仪器的处理能力智能化程度高，处理能力强。虚拟仪器的处理能力和智能化程度主要取决于仪器的软件水平。用户完全可以根和智能化程度主要取决于仪器的软件水平。用户完全可以根据实际应用需求，将先进的信号处理算法、人工智能技术和据实际应用需求，将先进的信号处理算法、人工智能技术和专家系统应用于仪器设计与集成，从而将智能仪器水平提高专家系统应用于仪器设计与集成，从而将智能仪器水平提高到一个新的层次。到一个新的层次。(2) 复用性强，系统费用低。采用虚拟仪器技术，可以复用性强，系统费用低。采用虚拟仪器技术，可以用相同的基本硬件构建多种不同功能的测量系统。这样形成用相同的基本硬件构建多种不同功能的测量系统。这样形成的测量系统更灵活、更高效、更开放、更便宜。的测量系统更灵活、更高效、更开放、更便宜。(3) 可操作性强，灵活易用。虚拟仪器面板可由用户定可操作性强，灵活易用。虚拟仪器面板可由用户定义，针对不同的应用可以设计不同的操作界面。计算机强大义，针对不同的应用可以设计不同的操作界面。计算机强大的多媒体处理能力使仪器操作变得更加直观、简便、易于理的多媒体处理能力使仪器操作变得更加直观、简便、易于理解。此外，测量完成后可以显示和打印所需的报表（或曲线）解。此外，测量完成后可以显示和打印所需的报表（或曲线） ，武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文）3可以把测量数据存入数据库系统或通过网络进行数据共享可以把测量数据存入数据库系统或通过网络进行数据共享2。1.2 虚拟示波器研究的背景和意义虚拟示波器研究的背景和意义传统台式示波器是由仪器厂家设计并定义好功能的一个传统台式示波器是由仪器厂家设计并定义好功能的一个封闭结构，它有特定的输入封闭结构，它有特定的输入/输出接口和仪器操作面板，具有输出接口和仪器操作面板，具有波形显示、参数测量等功能。当要实现更多的测量功能时，波形显示、参数测量等功能。当要实现更多的测量功能时，就要配置更多的仪器，这给用户的使用带来诸多不便，并且就要配置更多的仪器，这给用户的使用带来诸多不便，并且传统示波器的测量精度比较低，无法满足高精度的测量要求。传统示波器的测量精度比较低，无法满足高精度的测量要求。而且，传统示波器缺乏相应的计算机接口，配合数据采集及而且，传统示波器缺乏相应的计算机接口，配合数据采集及数据处理比较困难。数据处理比较困难。此外，传统示波器体积相对庞大，制造成本比较高，这此外，传统示波器体积相对庞大，制造成本比较高，这就增加了测量系统的开发成本。随着计算机技术和测量技术就增加了测量系统的开发成本。随着计算机技术和测量技术的发展，虚拟仪器技术得到飞快发展，虚拟示波器系统也就的发展，虚拟仪器技术得到飞快发展，虚拟示波器系统也就应运而生。虚拟示波器系统由用户定义仪器功能，桌面整洁，应运而生。虚拟示波器系统由用户定义仪器功能，桌面整洁，操作条理，不但使测量人员从繁复的仪器堆中解放出来，而操作条理，不但使测量人员从繁复的仪器堆中解放出来，而且具有测量精度高、测量速度快、系统组建时间短、可扩展且具有测量精度高、测量速度快、系统组建时间短、可扩展性强、技术更新快和仪器智能化等优点。此外，虚拟示波器性强、技术更新快和仪器智能化等优点。此外，虚拟示波器系统开发成本低，结合网络技术可以实现远程数据自动测量、系统开发成本低，结合网络技术可以实现远程数据自动测量、自动记录、自动数据处理。自动记录、自动数据处理。示波器、信号发生器、频谱分析仪是科研机关、企业研示波器、信号发生器、频谱分析仪是科研机关、企业研武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文）4发实验室、大专院所的必备测量设备，而虚拟示波器系统集发实验室、大专院所的必备测量设备，而虚拟示波器系统集成了示波器、信号发生器和频谱分析模块，具有很大的应用成了示波器、信号发生器和频谱分析模块，具有很大的应用价值，主要有：价值，主要有：(1) 可以加强实验室技术基础建设。虚拟示波器系统是可以加强实验室技术基础建设。虚拟示波器系统是计算机技术和测量技术的完美结合，不仅提高实验仪器的技计算机技术和测量技术的完美结合，不仅提高实验仪器的技术含量，还符合实验室仪器仪表现代化的教学要求。术含量，还符合实验室仪器仪表现代化的教学要求。(2) 缩短测量系统的开发时间。虚拟示波器系统提供良缩短测量系统的开发时间。虚拟示波器系统提供良好的性能扩展能力，用户可以通过自定义模块快速开发出一好的性能扩展能力，用户可以通过自定义模块快速开发出一整套测量系统，提高系统的开发效率。整套测量系统，提高系统的开发效率。(3) 远程数据测量。有的测量环境十分恶劣，用传统仪远程数据测量。有的测量环境十分恶劣，用传统仪器测量数据可能会使测量人员的人身安全受到威胁，用虚拟器测量数据可能会使测量人员的人身安全受到威胁，用虚拟示波器系统可以进行远程数据测量，使测量人员远离危险环示波器系统可以进行远程数据测量，使测量人员远离危险环境。境。(4) 仪器智能化。虚拟示波器系统是计算机技术与测量仪器智能化。虚拟示波器系统是计算机技术与测量技术的完美结合，利用它可以实现技术的完美结合，利用它可以实现 24 小时无人值守的参数测小时无人值守的参数测量、数据分析、数据存盘等功能，为数据的实时测量提供保量、数据分析、数据存盘等功能，为数据的实时测量提供保障障3。1.3 论文主要论文主要工作工作论文的目的是利用论文的目的是利用 LabVIEW 软件设计一虚拟示波器，软件设计一虚拟示波器，通过声卡作为音频信号的采集硬件，利用虚拟示波器显示采通过声卡作为音频信号的采集硬件，利用虚拟示波器显示采武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文）5集波形并完成波形分析等功能。具体设计要求如下：集波形并完成波形分析等功能。具体设计要求如下：(1) 具有声卡采集参数设定功能；具有录音和重放功能；具有声卡采集参数设定功能；具有录音和重放功能；可以实现声音数据的采集；能够完成功率谱信号的显示；可以实现声音数据的采集；能够完成功率谱信号的显示；(2) 声音采集数据能够储存并根据需要调用；声音采集数据能够储存并根据需要调用；(3) 具有声音信号滤波及处理功能；具有声音信号滤波及处理功能；(4) 基于基于 LABVIEW 的声卡虚拟示波器应具有美观实用的的声卡虚拟示波器应具有美观实用的用户界面。用户界面。武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文）6第第 2 章章 系统系统的信号采集的信号采集2.1 声卡的配置与连接声卡的配置与连接计计算算机机的的声声卡卡作作为为数数据据采采集集卡卡，其其 A/D 转转换换功功能能已已经经成成熟熟，而而且且计计算算机机无无需需添添加加额额外外配配件件便便能能完完成成所所有有音音频频信信号号的的采采集集功功能能，具具有有价价格格低低廉廉、采采样样精精度度高高，与与 LabVIEW结结合合编编程程简简单单等等优优点点，因因此此，利利用用声声卡卡可可以以构构成成一一个个较较高高采采样样精精度度、中中等等采采样样频频率率、灵灵活活性性好好的的信信号号采采集集系系统统。声声卡卡主主要要技技术术指指标标有有采采样样位位数数、采采样样频频率率、频频率率范范围围和和频频率率响响应应、基基准准电电压压等等。(1) 采采样样位位数数。采采样样位位数数可可以以理理解解为为声声卡卡处处理理声声音音的的解解析析度度。这这个个数数值值越越大大，解解析析度度就就越越高高，录录制制和和回回放放的的声声音音就就越越真真实实。如如今今市市面面上上所所有有的的主主流流产产品品 都都是是 1 16 6 位位的的声声卡卡，而而一一般般的的数数据据采采集集卡卡大大多多也也才才有有 1 12 2 位位，因因此此，声声卡卡相相较较于于常常用用的的数数据据采采集集卡卡毫毫不不逊逊色色4。( (2 2) ) 采采样样频频率率。采采样样频频率率是是指指录录音音设设备备在在一一秒秒钟钟内内对对声声音音信信号号的的采采样样次次数数，采采样样频频率率越越高高声声音音的的还还原原就就越越真真实实越越自自然然。在在当当今今的的主主流流民民用用声声卡卡上上，采采样样频频率率一一般般共共分分 为为 8 KHz 、11.025KHz、22.05KHz 和和 44.1KHz 四四个个等等级级，少少数数可可以以达达到到 48 KHz 。对对于于 20Hz20KHz 范范围围内内的的音音频频信信号号，如如果果采采用用 48 KHz 采采样样频频率率，虽虽然然理理论论上上是是可可行行的的，但但是是效效武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文）7果果已已经经不不是是最最好好。因因而而使使用用声声卡卡的的局局限限性性就就是是不不允允许许用用户户在在最最高高采采样样率率下下随随意意设设定定采采样样频频率率。对对于于高高于于 48KHz 的的采采样样频频率率人人耳耳已已无无法法辨辨别别出出来来了了，因因此此没没有有实实用用价价值值。( (3 3) ) 频频率率范范围围和和频频率率响响应应。前前者者是是指指音音响响系系统统能能够够回回放放的的最最低低有有效效回回放放频频率率与与最最高高有有效效回回放放频频率率之之间间的的范范围围；后后者者是是指指将将一一个个以以恒恒电电压压输输出出的的音音频频信信号号与与系系统统相相连连接接时时，音音箱箱产产生生的的声声压压随随频频率率的的变变化化而而发发生生增增大大或或衰衰减减、相相位位随随频频率率而而发发生生变变化化的的现现象象。以以声声卡卡作作为为虚虚拟拟测测试试仪仪器器的的硬硬件件设设备备必必须须对对其其频频率率特特性性有有所所了了解解。本本系系统统所所用用计计算算机机主主板板集集成成声声卡卡是是Reaktek 的的 ALC880 Codec，根根据据其其性性能能指指标标，设设置置采采样样率率为为 44.1KHz，采采样样位位数数为为双双通通道道，采采样样比比特特数数为为 16 位位，以以保保证证采采样样时时的的干干扰扰较较小小、波波形形稳稳定定。( (4 4) ) 基基准准电电压压。声声卡卡没没有有基基准准电电压压，因因此此无无论论是是 A/D还还是是 D/A 转转换换器器，都都需需要要用用户户参参照照基基准准电电压压进进行行标标定定5。声卡一般有声卡一般有 Line In 和和 Mic In 两个信号输入插孔，声音两个信号输入插孔，声音传感器（本文采用通用的麦克风）信号可通过这两个插孔连传感器（本文采用通用的麦克风）信号可通过这两个插孔连接到声卡。若由接到声卡。若由 Mic In 输入，由于有前置放大器，容易引入输入，由于有前置放大器，容易引入噪声且会导致信号过负荷，故推荐使用噪声且会导致信号过负荷，故推荐使用 Line In，其噪声干扰，其噪声干扰小且动态特性良好。声卡测量信号的引入应采用音频电缆或小且动态特性良好。声卡测量信号的引入应采用音频电缆或屏蔽电缆以降低噪声干扰。若输入信号电平高于声卡所规定屏蔽电缆以降低噪声干扰。若输入信号电平高于声卡所规定的最大输入电平，则应在声卡输入插孔和被测信号之间配置的最大输入电平，则应在声卡输入插孔和被测信号之间配置武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文）8一个衰减器，将被测信号衰减至不大于声卡最大允许输入电一个衰减器，将被测信号衰减至不大于声卡最大允许输入电平。此外，将声卡的平。此外，将声卡的 Line Out 端口接到耳机上还可以实时的端口接到耳机上还可以实时的监听声音信号。监听声音信号。LabVIEW 对声音采集的设置默认于其所处的操作系统，对声音采集的设置默认于其所处的操作系统，本文使用的是最普通的声卡，对于高级的声卡采集信号时，本文使用的是最普通的声卡，对于高级的声卡采集信号时，要注意关闭如混响之类的一些特效，避免影响测量结果的真要注意关闭如混响之类的一些特效，避免影响测量结果的真实性。实性。1. 声卡的配置声卡的配置一般声卡主要用于输出声音，输入部分可能没有处于正一般声卡主要用于输出声音，输入部分可能没有处于正常的工作状态。建议说先使用耳机和常的工作状态。建议说先使用耳机和 MIC（麦克风）检查声（麦克风）检查声卡的功能，特别是输入功能（录音功能）是否正常。如果不卡的功能，特别是输入功能（录音功能）是否正常。如果不正常，需要检查声卡的设置。下面介绍对正常，需要检查声卡的设置。下面介绍对 Line In 和和 Mic In 的检查和设置。打开音量控制对话框，如图的检查和设置。打开音量控制对话框，如图 2.1 所示，在所示，在“选项选项”菜单下选菜单下选“属性属性” ，得到如图，得到如图 2.2 所示的对话框，在所示的对话框，在此对话框上选择此对话框上选择“录音录音”并配置列表中的选项即可。注意并配置列表中的选项即可。注意 2.1图中的相关功能不在静音状态。图中的相关功能不在静音状态。武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文）9图图 2.1 音量控制窗口音量控制窗口图图 2.2 声卡的配置声卡的配置2. 硬件的连接硬件的连接硬件连接采用两种方法：硬件连接采用两种方法：(1)一条一端是一条一端是 3.5mm 插孔，另外一端是鳄鱼夹的连接插孔，另外一端是鳄鱼夹的连接线；线；(2)另一条是一条双端均为另一条是一条双端均为 3.5mm 插孔的音频连接线。插孔的音频连接线。武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文）10为了测试声卡的频响特性，可以使用测试线将声卡的输为了测试声卡的频响特性，可以使用测试线将声卡的输入与输出端连接起来，形成一个闭合的环路。连接时要注意入与输出端连接起来，形成一个闭合的环路。连接时要注意区分区分 Mic In 口与口与 SPK Out 口，不要把它们当作口，不要把它们当作 Line In 与与Line Out 接入。如果测试输入信号，则使用测试线把信号源接入。如果测试输入信号，则使用测试线把信号源连接到声卡输入端连接到声卡输入端 Line In 口；如果测试输入信号，就把该口；如果测试输入信号，就把该测试线连接到声卡输出端测试线连接到声卡输出端 Line Out 口。可以使用坏的立体声口。可以使用坏的立体声耳机做一个双通道的输入线，剪去耳机，保留线和插头即可。耳机做一个双通道的输入线，剪去耳机，保留线和插头即可。2.2 声卡信号采集声卡信号采集方法方法声声卡卡采采集集系系统统原原理理框框图图如如下下图图 2.3 所所示示。它它主主要要由由声声源源、信信号号调调理理模模块块、计计算算机机声声卡卡以以及及安安装装于于计计算算机机机机上上的的L La ab bV VI IE EW W 软软件件等等几几部部分分组组成成。信号处理声音播放Mic inLine inLine out Lab 计VIEW 算 机图图 2.3 声声卡卡采采集集系系统统原原理理框框图图工工作作过过程程为为：输输入入时时，测测试试信信号号首首先先经经过过信信号号调调理理电电路路，武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文）11利利用用 PC 机机声声卡卡的的麦麦克克风风输输入入(mic in)或或线线路路输输入入(line in)作作为为信信号号的的输输入入端端口口，将将获获取取到到的的模模拟拟音音频频信信号号经经过过左左右右两两个个通通道道和和 A/D 转转换换后后送送入入计计算算机机，通通过过 LabVIEW 编编写写的的采采集集程程序序进进行行各各种种处处理理和和保保存存；输输出出时时，经经过过采采集集系系统统处处理理的的数数据据通通过过总总线线将将数数字字化化的的信信号号以以 PCM 方方式式送送到到 D/A 转转换换器器，编编程程模模拟拟的的音音频频信信号号由由线线路路输输出出 (line out)端端口口通通过过耳耳机机或或音音响响转转换换为为音音波波播播放放出出来来。在在信信号号进进入入声声卡卡之之前前必必须须经经过过信信号号调调理理，主主要要包包括括信信号号的的放放大大、滤滤波波、隔隔离离和和线线性性化化处处理理，以以使使其其能能够够被被声声卡卡正正确确的的识识别别。声声卡卡的的麦麦克克风风(mic in)输输入入端端具具有有高高增增益益放放大大器器，会会使使得得信信号号产产生生较较大大失失真真，所所以以选选择择线线路路 (line in)输输入入信信号号时时，其其输输入入电电压压应应为为-1+1V6。2.2.1 声声卡卡信信号号采采集集流流程程模拟信号经同轴电缆进入采集卡的输入通道，经过前置模拟信号经同轴电缆进入采集卡的输入通道，经过前置滤波电路、衰减电路、可变增益的放大电路，将信号处理成滤波电路、衰减电路、可变增益的放大电路，将信号处理成A/D 转换器可以处理的标准电平，经过转换器可以处理的标准电平，经过 A/D 采样量化转化成采样量化转化成计算机可以处理的数字信号并缓存到卡上的存储器。其支持计算机可以处理的数字信号并缓存到卡上的存储器。其支持软件通过软件通过 PC 机的机的 PCI 总线接口控制模拟通道的阻抗匹配、总线接口控制模拟通道的阻抗匹配、放大器的增益选择、启动放大器的增益选择、启动 A/D 转换及转换结束的识别，并将转换及转换结束的识别，并将采集数据以采集数据以 DMA 的方式传输到计算机内存，同时对数据信的方式传输到计算机内存，同时对数据信武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文）12号进行分析处理、显示、存储及打印传输等。号进行分析处理、显示、存储及打印传输等。声卡数据采集流程如图声卡数据采集流程如图 2.4 所示。所示。图图 2.4 声卡数据采集流程图声卡数据采集流程图2.2.2 声声卡卡信信号号采采集集的的实实现现LabVIEW 软软件件是是一一种种基基于于图图形形语语言言编编程程的的可可视视化化软软件件开开发发平平台台，与与 VC，VB 等等其其他他可可视视化化编编程程语语言言相相比比，其其函函数数库库丰丰富富、编编程程简简单单直直观观、调调试试方方便便，而而且且界界面面开开发发简简单单，界界面面风风格格与与传传统统仪仪器器相相似似。LabVIEW 是是一一个个外外观观和和操操作作能能模模仿仿实实际际的的仪仪器器的的程程序序开开发发环环境境，类类似似于于 C、BASIC 等等编编程程语语言言。但但 LabVIEW 的的特特点点在在于于，它它使使用用图图形形化化编编程程语语言言G 在在流流程程图图中中创创建建源源程程序序，而而非非使使用用基基于于文文本本的的语语言言来来产产生生源源程程序序代代码码。LabVIEW 还还整整合合了了诸诸如如满满足足GPIB、VXI、USB、RS-232 和和 RS-485 以以及及数数据据采采集集卡卡等等硬硬件件通通讯讯的的全全部部功功能能。内内置置了了便便于于 TCP/IP、Active X 等等软软SI ConfigSI Start数据处理SI ReadSI ClearSI Stop武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文）13件件标标准准的的库库函函数数。虽虽然然 LabVIEW 是是一一个个通通用用编编程程系系统统，但但是是它它也也包包含含了了数数据据采采集集和和仪仪器器控控制制等等特特别别设设计计的的函函数数库库和和开开发发工工具具。由由于于 LabVIEW 所所使使用用的的术术语语、图图标标和和概概念念都都是是技技术术人人员员、科科学学家家、工工程程师师所所熟熟悉悉的的，故故而而即即使使用用户户没没有有多多少少编编程程经经验验，同同样样也也能能利利用用 LabVIEW 来来开开发发自自己己的的应应用用程程序序7。以以 LabVIEW 为为基基础础的的本本声声卡卡信信号号采采集集系系统统主主要要完完成成了了信信号号采采集集、存存储储、回回放放和和频频域域分分析析等等功功能能。本本设设计计对对于于信信号号采采集集如如此此多多的的功功能能采采用用了了分分模模块块显显示示设设置置，这这样样使使得得主主程程序序前前面面板板简简单单明明了了，且且功功能能齐齐全全，方方便便了了用用户户的的操操作作。第第 3 章章 系统功能设计及实现系统功能设计及实现3.1 软件开发工具软件开发工具 LabVIEW 介绍介绍LabVIEW是一种基于是一种基于G语言语言(Graphical programming language)的可视化（图形化）优秀开发平台，主要用于数的可视化（图形化）优秀开发平台，主要用于数据的采集、分析、处理和表达，总线接口、据的采集、分析、处理和表达，总线接口、VXI仪器以及仪器以及GPIB与串口仪器的驱动程序编制和驱动虚拟仪器。它与与串口仪器的驱动程序编制和驱动虚拟仪器。它与C、Pascal等传统编程语言有着诸多相似之处，如相似的数据等传统编程语言有着诸多相似之处，如相似的数据类型、数据流控制结构、程序调试工具等。与传统编程语言类型、数据流控制结构、程序调试工具等。与传统编程语言最大的区别是最大的区别是LabVIEW使用图形语言（即各种图标、图形符使用图形语言（即各种图标、图形符号、连线等）号、连线等） ，以框图的形式编写程序。络评估作为网络优化，以框图的形式编写程序。络评估作为网络优化武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文）14的第一步，工作范围包括通过对原有网络进行数据采集、现的第一步，工作范围包括通过对原有网络进行数据采集、现场检查，并对网络组网合理性、业务发展需求进行掌握和分场检查，并对网络组网合理性、业务发展需求进行掌握和分析，同时和客户保持双向沟通，良性互动，提出适合客户网析，同时和客户保持双向沟通，良性互动，提出适合客户网络发展的优化建议。络发展的优化建议。一个一个LabVIEW程序包括三个主要部分：前面板、框图程程序包括三个主要部分：前面板、框图程序、图标序、图标/接线端口。前面板是交互式图形化用户界面，用于接线端口。前面板是交互式图形化用户界面，用于设置输入数值和观察输出量。框图程序是利用图形语言对前设置输入数值和观察输出量。框图程序是利用图形语言对前面板的控制量和指示量进行控制。图标面板的控制量和指示量进行控制。图标/接线端口用于把接线端口用于把LabVIEW程序定义成一个子程序，以便在其它程序中加以调程序定义成一个子程序，以便在其它程序中加以调用用7。对虚拟示波器的设计和实现是建立在对虚拟示波器的设计和实现是建立在labVIEW和声卡采和声卡采集系统之上的。集系统之上的。LabVIEW 中有关声卡的函数主要包括声音输入函数、中有关声卡的函数主要包括声音输入函数、声音输出函数、分析函数和文件函数。声音输出函数、分析函数和文件函数。1. 声音输入函数声音输入函数(1) SI Config该函数的主要功能是设置声卡中与数据采集有关的一些该函数的主要功能是设置声卡中与数据采集有关的一些硬件参数，如采样率，数据格式，缓冲区长度等。声卡的采硬件参数，如采样率，数据格式，缓冲区长度等。声卡的采样率由内部时钟控制，只有样率由内部时钟控制，只有 34 种固定频率可选，一般将采种固定频率可选，一般将采样率设置为样率设置为 44100Hz 数据格式设置为数据格式设置为 16 位字长。缓冲区长位字长。缓冲区长度可取默认值。为声音输入功能设置一个声音驱动。当设置度可取默认值。为声音输入功能设置一个声音驱动。当设置武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文）15好了后，你可以使用好了后，你可以使用 SI Start VI 和和 SI Read VI 从设备中获从设备中获取声音。取声音。(2) SI Start该函数用于通知声卡开始采集外部数据。采集到的数据该函数用于通知声卡开始采集外部数据。采集到的数据会被暂存在缓冲区中，这一过程无需程序干预，由声卡硬件会被暂存在缓冲区中，这一过程无需程序干预，由声卡硬件使用使用 DMA 直接完成，保证了采集过程的连续性。命令声音直接完成，保证了采集过程的连续性。命令声音驱动开始堆积采集进来的数据。如果驱动已经运行了，命令驱动开始堆积采集进来的数据。如果驱动已经运行了，命令这个这个 VI 不要起作用。不要起作用。(3) SI Read该函数用于等待采样数据缓冲区满的消息。当产生这一该函数用于等待采样数据缓冲区满的消息。当产生这一消息时，它将数据缓冲区的内容读取到用户程序的数组中，消息时，它将数据缓冲区的内容读取到用户程序的数组中，产生一个采样数据集和。若计算机速度不够快，使得缓冲区产生一个采样数据集和。若计算机速度不够快，使得缓冲区的内容被覆盖，则会产生一个错误信息。这时应调节缓冲区的内容被覆盖，则会产生一个错误信息。这时应调节缓冲区的大小，在采样时间与数据读取之间找到一个理想的平衡点。的大小，在采样时间与数据读取之间找到一个理想的平衡点。从声音输入驱动中读取数据。当数据到达驱动的缓冲区从声音输入驱动中读取数据。当数据到达驱动的缓冲区时，数据缓冲后将获得数据，否则等待数据的到来，假如因时，数据缓冲后将获得数据，否则等待数据的到来，假如因为一些原因，未缓冲的数据被写入，将没有数据获得，替代，为一些原因，未缓冲的数据被写入，将没有数据获得，替代，一个溢出的错误被报告。一个溢出的错误被报告。(4) SI Stop该函数用于通知声卡停止采集外部数据。已采集而未被该函数用于通知声卡停止采集外部数据。已采集而未被武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文）16读出的数据就会留在缓冲区中，可以使用读出的数据就会留在缓冲区中，可以使用 SI Read 函数一次函数一次读完。命令声音输入驱动停止堆积采集进来的数据。采集到读完。命令声音输入驱动停止堆积采集进来的数据。采集到的数据存储在系统的缓冲器中，并且数据能用的数据存储在系统的缓冲器中，并且数据能用 SI Read VI 收收集到。如果驱动不再运行，命令这个集到。如果驱动不再运行，命令这个 VI 不要作用。不要作用。(5) SI Clear该函数用于完成最终的清理工作，例如关闭声卡采样通该函数用于完成最终的清理工作，例如关闭声卡采样通道，释放请求的一系列系统资源（包括道，释放请求的一系列系统资源（包括 DMA 缓冲区内存缓冲区内存 声卡等）声卡等） 。关闭声音输入驱动联合。关闭声音输入驱动联合 task ID in 和释放驱动使用和释放驱动使用的计算机系统得所有资源。的计算机系统得所有资源。2. 声音输出函数声音输出函数(1) SO Config该函数用于设置一个声音输出设备，并且开创一个声音该函数用于设置一个声音输出设备，并且开创一个声音ID 输出任务。利用这个输出任务。利用这个 VI 来配置这个声音设备后，这个设来配置这个声音设备后，这个设备就将存在于暂停模式中，且可以利用备就将存在于暂停模式中，且可以利用 SO Write （声音输（声音输出写入）和出写入）和 SO Start （声音输出开始）（声音输出开始）VI 虚拟模块来完成虚拟模块来完成这个数据的应用程序。这个数据的应用程序。(2) SO Write该函数需要联合该函数需要联合 task ID in 向声音输出设备写入数据。向声音输出设备写入数据。如果这个设备已经开始运行，则数据会立刻转移到缓冲器中。如果这个设备已经开始运行，则数据会立刻转移到缓冲器中。如果设备正处于暂停状态，则数据不会开始转移直到如果设备正处于暂停状态，则数据不会开始转移直到 SO Start 声音输出开始键开始运行为止。声音输出开始键开始运行为止。(3) SO Pause要暂停一个声音输出设备需要联合要暂停一个声音输出设备需要联合 task ID in 端子的设端子的设武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文）17置。如果这个设备正处于暂停模式中，我们则叫这个置。如果这个设备正处于暂停模式中，我们则叫这个 VI 不不工作。当你用这个工作。当你用这个 VI 时，将没有数据丢失，并且这个正确时，将没有数据丢失，并且这个正确的位置将会被保存。这时我们要用的位置将会被保存。这时我们要用 SO Start VI（输出声音开（输出声音开始模块）来再次启动输出。始模块）来再次启动输出。Mac OS 这个这个 VI 则可能不可以立则可能不可以立刻停止声音的录入。刻停止声音的录入。(4) SO Clear关闭输出声音设备与关闭输出声音设备与 task ID in 端子相关联，并且任何端子相关联，并且任何设备运用的资源要释放都必须送到计算机系统中去。设备运用的资源要释放都必须送到计算机系统中去。3. 分析函数分析函数(1) Butterworth Filter通过利用通过利用 Butterworth Coefficients VI 来生成数字滤波功来生成数字滤波功能。能。(2) Scaled Time Domain Window将时域信号应用于选择的窗口：选择将时域信号应用于选择的窗口：选择 0、Uniformu 不变不变窗；窗；1、Hanning 汉宁窗；汉宁窗；2、Hamming 海明窗；海明窗；3、Blackman-Harris 布莱克曼哈里斯窗；布莱克曼哈里斯窗；4、Exact Blackman 准确的布莱克曼窗；准确的布莱克曼窗；5、Blackman 布莱克曼窗；布莱克曼窗；6、Flat Top 水平顶窗；水平顶窗；7、Four Term Blackman-Harris 四四组布莱克曼哈里斯窗；组布莱克曼哈里斯窗；8、Seven Term Blackman-Harris 七七组布莱克曼哈里斯窗；组布莱克曼哈里斯窗；9、Low Sidelobe 低斜窗。低斜窗。(3) Auto Power Spectrum计算单极性，多极性时域信号的功率谱分析。计算单极性，多极性时域信号的功率谱分析。(4) Power & Frequency 计算一个时域信号频谱中估计的频率峰值。计算一个时域信号频谱中估计的频率峰值。4. 文件函数文件函数Simple Error Handler：它主要是指示是否有错误发生。：它主要是指示是否有错误发生。如果一个错误发生，这个如果一个错误发生，这个 VI 将会获得这个错误的一个描述，将会获得这个错误的一个描述，并且会随意地显示一个对话框。这个并且会随意地显示一个对话框。这个 VI 叫做通用错误处理叫做通用错误处理武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文）18器，并且它包括作为通用错误处理器的相同的基础功能除了器，并且它包括作为通用错误处理器的相同的基础功能除了少许选项少许选项8。3.2 虚拟示波器总体设计虚拟示波器总体设计3.2.1 虚虚拟拟示示波波器器的的工工作作原原理理模拟信号经同轴电缆进入采集卡的输入通道，经过前置模拟信号经同轴电缆进入采集卡的输入通道，经过前置滤波电路、衰减电路、可变增益的放大电路，将信号处理成滤波电路、衰减电路、可变增益的放大电路，将信号处理成A/D 转换器可以处理的标准电平，经过转换器可以处理的标准电平，经过 A/D 采样量化转化成采样量化转化成计算机可以处理的数字信号并缓存到卡上的存储器。其支持计算机可以处理的数字信号并缓存到卡上的存储器。其支持软件通过软件通过 PC 机的机的 PCI 总线接口控制模拟通道的阻抗匹配、总线接口控制模拟通道的阻抗匹配、放大器的增益选择、启动放大器的增益选择、启动 A/D 转换及转换结束的识别，并将转换及转换结束的识别，并将采集数据以采集数据以 DMA 的方式传输到计算机内存，同时对数据信的方式传输到计算机内存，同时对数据信号进行分析处理、显示、存储及打印传输等号进行分析处理、显示、存储及打印传输等9。使用使用 LABVIEW 构建基于声卡的虚拟示波器的思路是很构建基于声卡的虚拟示波器的思路是很清晰的。实际的数据采集流程是：清晰的。实际的数据采集流程是：(1) 初始化。对声卡中与数据采集相关的一些硬件参数初始化。对声卡中与数据采集相关的一些硬件参数进行设置；进行设置；(2) 声卡开始采集数据，并将采集到的数据暂存在先进声卡开始采集数据，并将采集到的数据暂存在先进先出的缓冲区中；先出的缓冲区中；(3) 当缓冲区存满数据后，一方面将数据读取到用户程当缓冲区存满数据后，一方面将数据读取到用户程序的数组中，产生一个采集数据集合，并在程序中对数据进序的数组中，产生一个采集数据集合，并在程序中对数据进武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文）19行各种处理；行各种处理；(4) 另一方面，得到缓冲区满的消息后，通知声卡暂时另一方面，得到缓冲区满的消息后，通知声卡暂时停止采集外部数据，并进一步清空缓存里的内容。停止采集外部数据，并进一步清空缓存里的内容。虚拟示波器是采用基于计算机的虚拟技术，用以模拟通虚拟示波器是采用基于计算机的虚拟技术，用以模拟通用示波器的面板操作和处理功能，也就是使用个人计算机及用示波器的面板操作和处理功能，也就是使用个人计算机及接口电路来采集现场或实验室信号，并通过图形用户界面接口电路来采集现场或实验室信号，并通过图形用户界面(GUI)来模仿示波器的操作面板，完成信号采集、调理、分析来模仿示波器的操作面板，完成信号采集、调理、分析处理和显示输出等功能。处理和显示输出等功能。虚拟示波器，是在数据采集硬件的支持下，配备一定功虚拟示波器，是在数据采集硬件的支持下，配备一定功能的软件，完成波形的存储、分析、显示等功能。一般测试能的软件，完成波形的存储、分析、显示等功能。一般测试仪器由信号采集、信号处理和结果显示三大部分组成，这三仪器由信号采集、信号处理和结果显示三大部分组成，这三大部分均由硬件构成。虚拟示波器也是由这三大部分组成，大部分均由硬件构成。虚拟示波器也是由这三大部分组成，但是除了信号采集部分是由硬件实现之外，其它两部分都是但是除了信号采集部分是由硬件实现之外，其它两部分都是由软件实现。由软件实现。3.2.3 虚虚拟拟示示波波器器的的工工作作流流程程虚拟示波器的程序流程框图如图虚拟示波器的程序流程框图如图 3.1 所示。所示。武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文）20声卡LABVIEW 模块初始化信号采集波形显示参数显示图图 3.1 虚拟示波器程序流程图虚拟示波器程序流程图首先对设计中运用到的模块进行初始化，然后通过声卡首先对设计中运用到的模块进行初始化，然后通过声卡对数据进行采集，把采集到的信号送入对数据进行采集，把采集到的信号送入 LABVIEW 模块中，模块中，通过通过 LABVIEW 模块的程序运行下，把采集到的信号通过图模块的程序运行下，把采集到的信号通过图形的形式，把波形显示出来。通过波形的显示，最后把波形形的形式，把波形显示出来。通过波形的显示，最后把波形的其他参数以数字的形式都显示出来。的其他参数以数字的形式都显示出来。该试验设计的虚拟示波器中，信号的传送，处理，显示该试验设计的虚拟示波器中，信号的传送，处理，显示是相当清晰的，先是信号发生器产生声卡所能识别的信号是相当清晰的，先是信号发生器产生声卡所能识别的信号（信号的幅值不能超过（信号的幅值不能超过 1.5V，超过，超过 1.5V 的信号应该先经过的信号应该先经过武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文）21前置放大器进行幅值变化）前置放大器进行幅值变化）10。虚拟示波器的程序结构图见图虚拟示波器的程序结构图见图 3.2 所示。所示。声卡参数设置数据采集频谱分析参数显示波形显示函数信号发生器图图 3.2 程序的结构图程序的结构图3.3 虚拟示波器软件模块设计虚拟示波器软件模块设计3.3.1 数数据