基于虛擬儀器技術的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)畢業(yè)設計

1、畢業(yè)設計論文 基于虛擬儀器技術的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)Data Analysis System Based on Virtual Instrument Technology 辛澤吉林建筑大學城建學院2016年6月畢業(yè)設計論文基于虛擬儀器技術的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)Data Analysis System Based on Virtual Instrument Technology學 生： 辛澤 指 導 教 師： 衣文索（副教授）專 業(yè)： 電氣工程及其自動化學 號： 1209000223 所 在 單 位： 電氣信息工程系答 辯 日 期： 2016年6月畢業(yè)設計（論文）原創(chuàng)承諾書1本人承諾：所呈交的畢業(yè)設計（論文）基

2、于虛擬儀器技術的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，是認真學習理解學校的電氣信息工程系畢業(yè)設計寫作規(guī)范后，在教師的指導下，保質保量獨立地完成了任務書中規(guī)定的內容，不弄虛作假，不抄襲別人的工作內容。2本人在畢業(yè)設計（論文）中引用他人的觀點和研究成果，均在文中加以注釋或以參考文獻形式列出，對本文的研究工作做出重要貢獻的個人和集體均已在文中注明。3在畢業(yè)設計（論文）中對侵犯任何方面知識產權的行為，由本人承擔相應的法律責任。4本人完全了解學校關于保存、使用畢業(yè)設計（論文）的規(guī)定，即：按照學校要求提交論文和相關材料的印刷本和電子版本；同意學校保留畢業(yè)設計（論文）的復印件和電子版本，允許被查閱和借閱；學校可以采用影印、縮印或其

3、他復制手段保存畢業(yè)設計（論文），可以公布其中的全部或部分內容。以上承諾的法律結果將完全由本人承擔！ 作 者 簽 名： 年 月 日目 錄摘要IABSTRACTII第1章 緒論11.1 虛擬儀器簡介11.1.1 虛擬儀器的發(fā)展歷史11.1.2 虛擬儀器的定義21.1.3 虛擬儀器的構成21.2 虛擬儀器的發(fā)展情況及趨勢31.3 本文的研究內容3第2章 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計42.1 LABVIEW軟件的搭建42.2 設計方案的比較42.2.1 軟件比較42.2.2 聲卡采集數(shù)據(jù)的特點5第3章 軟件模塊的設計103.1 程序的流程圖103.2 程序的結構圖113.3 LABVIEW 簡介11 3.4 數(shù)

4、據(jù)采集和處理模塊123.4.1聲音輸入配置虛擬儀器133.4.2聲音輸入讀取虛擬儀器153.4.3聲音輸入清除虛擬儀器16 3.5 數(shù)據(jù)模擬模塊18 3.6 低通濾波模塊20 3.7 波形顯示模塊21第4章 程序設計顯示224.1 程序的使用方法224.1.1 程序的環(huán)境224.1.2 聲卡配置224.2 程序的總框圖224.3 程序的調試結果234.3.1聲卡采集數(shù)據(jù)的結果244.3.2模擬采集數(shù)據(jù)的結果24結論27致謝28參考文獻29摘 要 虛擬儀器包括硬件平臺和應用軟件兩大部分：第一部分，對被檢測信號的采集通過硬件平臺來完成，同時它也會對被采集的信號進行調理。第二部分，作為外圍電路的儀器

5、硬件是插入式數(shù)據(jù)采集卡不可缺少的部件，例如數(shù)模轉換器、模數(shù)轉換器、數(shù)字電路以及混合信號電路等等；或者是帶標準總線接口的儀器，例如GPIB、PXI、VXI等測試測量中的總線技術總線儀器和網絡化儀器等。并且市場上的模數(shù)轉換采集卡和數(shù)據(jù)采集卡以及帶標準總線接口的儀器等，其價格均十分昂貴，并且其價格與實用價值相差甚遠。同時，考慮到計算機中的聲卡它本身就是一個轉化裝置，具有16位的量化精度、44.1kHz的數(shù)據(jù)采集頻率，可以完成在合理應用范圍內數(shù)據(jù)采集的需要并做出規(guī)范化分析，個別性能指標遠遠高于商用數(shù)據(jù)采集卡，完全能夠達到本次設計的要求。 本文中，基于聲卡和模擬數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集裝置。利用聲卡實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的

6、采集，制作成擁有四大功能的簡易數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其功能分別為實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、模擬采集數(shù)據(jù)、波形顯示、進行低頻濾波。從而進一步的對數(shù)據(jù)做出分析。關鍵詞： 虛擬儀器；數(shù)據(jù)采集；聲卡ABSTRACT The virtual instrument consists of two parts: hardware platform and application software. In the first part, the collected signal is collected by the hardware platform, and it can also be used to regulate t

7、he collected signal. In the second part, as the peripheral circuit of the instrument hardware is inserting data acquisition card, an indispensable components, such as the number of converters, analog to digital converter, digital circuits and mixed signal circuits and so on, or the standard bus inte

8、rface with equipment, such as measure test, GPIB, PXI VXI bus instrument bus technology and network equipment and so on. And the market of analog digital conversion and data acquisition card and data acquisition card and standard bus interface instrument, the price is very expensive, and its price a

9、nd practical value is very far. At the same time, considering the computer sound card itself is a conversion device, with 16 bit quantization and 44.1 kHz frequency of data collection, can be completed within a reasonable scope of application data acquisition and standardized analysis, individual pe

10、rformance indicators is much higher than that of commercial data acquisition card, can completely meet the design requirements.In this paper, a data acquisition device based on sound card and analog data acquisition. Using sound card to achieve the data acquisition, production into a simple data acq

11、uisition system with four functions, and its function is to achieve data acquisition, analog data acquisition, waveform display, low frequency filtering.，which are used to make further analysis of the data.Key words：Virtual instrument；Data acquisition；Sound cardI吉林建筑大學城建學院電氣信息工程系畢業(yè)設計（論文）第1章 緒論1.1 虛擬

12、儀器簡介1.1.1 虛擬儀器的發(fā)展歷史 隨著現(xiàn)代技術的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)儀器系統(tǒng)的更新?lián)Q代，電子測量儀器發(fā)展到現(xiàn)在逐漸演化成四代分別為模擬時代、數(shù)字化時代、智能化時代和虛擬化時代4。第一代模擬儀器是基于電磁感應基本定律的指針式儀器，模擬儀器”在采樣時間上是連續(xù)的，觀測量上沒有“取舍”的儀器。比如指針式萬用表、指針式電壓表以及指針式電流表等。第二代數(shù)字化儀器是采樣時間上有間隔，觀測量上有“取舍”的儀器，它通過采樣技術將模擬信號變?yōu)閿?shù)字信號，輸出結果也是以數(shù)字信號的形式給出。這種儀器主要應用到高效率高精度的電路中，比如數(shù)字萬能表、數(shù)字超聲波探傷儀等。第三代智能化儀器是能夠根據(jù)使用者的要求在一定范圍內進

13、行智能化測試和數(shù)據(jù)處理。傳統(tǒng)的儀器一般采用簡單的電子電路來轉換測量數(shù)據(jù)，用直觀的直讀的模式顯示或讀出測試數(shù)據(jù)，沒有數(shù)據(jù)存儲和處理功能，要通過人工來進行計算、比對，得出測量結果。只能用于一般測量精度不太高的數(shù)據(jù)測量，由于它的成本比較低，目前還擁有一定市場。智能儀器是帶有微型處理系統(tǒng)，或可接入微型計算機智能化儀器。它通過電子電路來轉換測量數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行存儲運算邏輯判斷，通過全自動化的操作過程得到準確無誤的測量結果，并可通過打印機輸出文字結果。智能儀器現(xiàn)在已廣泛用于電子，化工，機械，輕工，航空等行業(yè)的精密測量，對我國制造業(yè)提升產品質量的檢測手段，起到了重要的作用。 而第四代虛擬儀器的定義是將功能

14、較強的模塊化的硬件設備與效率較高靈活方便的計算機軟件相結合，達到對所要研究的目標進行相應的測試、測量以及自動化操作9。能夠與筆記本相配合使用使其最大優(yōu)勢是，使得野外工作更加方便。另外它也可以連接到臺式計算機，也非常便捷。由于其成本低、使用范圍泛，非常適合研發(fā)部門以及校園教學使用。比如假如想用示波器，還不想去買怎么辦?只需要一臺PC機、虛擬示波器軟件、一塊數(shù)據(jù)采集卡，先將示波器軟件裝到PC上，然后將數(shù)據(jù)采集卡（AD轉換）插到PC機的某個接口（可能是串口、USB或者是PCI），數(shù)據(jù)卡上面會有探頭，將探頭點在被測點上，然后在PC上運行虛擬儀器軟件，就可以當示波器用了。 美國國家儀器公司（簡稱NI）于

15、上世紀80年代提出了虛擬儀器理念，隨后公司有進一步把軟件也稱作儀器，從此傳統(tǒng)儀器發(fā)生了翻天覆地的變化。1.1.2 虛擬儀器的定義虛擬儀器是依靠VXI、PXI等標準總線采用驅動器使計算機有控制物理儀器設備的能力。隨著研究人員對虛擬儀器技術的深入研究和改造，虛擬儀器慢慢成為現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展以及設計領域的最重要的科學技術。另外在功能方面，虛擬儀器技術不斷增加，而在性能方面，研究人員也在繼續(xù)改善，虛擬儀器已經慢慢替代傳統(tǒng)儀器，成為主要的測試設計方式8。隨著計算機、器件和應用程序的進一步創(chuàng)新設計，未來檢測系統(tǒng)的發(fā)展將因為虛擬儀器的進步而進步。這也將極大的方便和改善工作人員在測量以及控制等工作。1.1.3 虛

16、擬儀器的構成硬件模塊與接口、驅動程序以及展示面板，構成了虛擬儀器的最核心部分。 硬件模塊與接口：包括計算機內置功能插卡、計算機通用接口總線接口卡、計算機串行口、VXI總線儀器接口、以及是外置檢測工具。 驅動程序：其最重要的作用是控制所有的硬件信號接口。驅動程序可以幫助虛擬儀器完成與實際的儀器之間的信息交互。 展示面板：其主要作用是展示虛擬儀器與實際儀器之間的各種對應的控件。終端可以通過鼠標以及鍵盤的設備，在展示面板上完成對實際儀器的控制，簡單方便。圖1-1為虛擬儀器的基本結構圖。顯示器信號分析及處理器入機接口各類接口A/D轉換器數(shù)據(jù)發(fā)生器信號調理器信號調理器輸入信號D/A轉換器信號調理器信號輸

17、出圖1-1 虛擬儀器的結構1.2 虛擬儀器的發(fā)展情況及趨勢20世紀80年代，由在總結前人成果的基礎上，提出了虛擬儀器這一革命性技術，然后迅速各個研究機構的研究焦點以及應用前線。近年來，各式各樣的服務于虛擬儀器創(chuàng)建的開發(fā)平臺層出不窮，但相較之下，最有影響力、使用最為廣泛的依然是美國NI 公司自主研制開發(fā)的LABVIEW開發(fā)平臺。它最大的特點是數(shù)據(jù)圖形化。作為一種新興產業(yè)，虛擬儀器在國外蓬勃發(fā)展。虛擬儀器的誕生地美國，依然是全世界最大的虛擬儀器制造者15。引進LABVIEW開發(fā)平臺并對其進行消化知識吸收，稱為我國研究虛擬儀器的出發(fā)點。LABVIEW研究也被看做現(xiàn)代機械工程科學焦點學科，被

18、國內科技工作者列入國家“十五”期間優(yōu)先發(fā)展項目。經過科研人員的努力，這一研究也已經取得了不小的成就。例如，“一體化虛擬儀器”的提出，標志著我國在虛擬儀器技術方面走出了一條完全獨立創(chuàng)新的不同于西方的路子。 RS232標準串行接口總線、GPIB標準接口總線、VXI總線規(guī)范構成了現(xiàn)代LABVIEW系統(tǒng)開發(fā)的所有的標準。以美國國家儀器(NI)有限公司。為代表的虛擬儀器制造商們，先后設計了大量的硬件和相應的軟件程序來，使虛擬儀器可以適應總線配置。1.3本文的研究內容在虛擬儀器的飛速發(fā)展的情況下，聲卡采集及分析是不可缺少的內容。本論文具體內容安排如下：第一章，主要闡述了虛擬儀器的定義和基本構成以

19、及現(xiàn)狀，還簡單介紹了本文的設計重點。第二章，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計：先講述LABVIEW軟件創(chuàng)建過程，到設計方案的比較以及講述了聲卡采集數(shù)據(jù)的特點。第三章，詳細闡述了軟件模塊的設計過程。第四章，程序設計顯示：主要介紹程序的使用方法和程序的調試結果和分析結果。第2章 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計2.1 LABVIEW軟件的搭建創(chuàng)建LABVIEW軟件的過程大體分為五步：測試需求分析、系統(tǒng)總體方案設計、系統(tǒng)硬件設計、系統(tǒng)軟件設計、系統(tǒng)集成與調試1。1.測試需求分析。主要包括分析被測參數(shù)的形式（包括電量還是非電量、數(shù)字量還是模擬量、）、參數(shù)的范圍（幅度以及頻率）和參數(shù)的數(shù)量（通道數(shù)）。性能指標方面則主要是測量精度和

20、速度的要求。功能要求則包括用戶接口界面、數(shù)據(jù)分析與處理、存儲與顯示、外部通信接口等。2.系統(tǒng)總體方案設計：根據(jù)測試任務要求，確定測試方法，確定系統(tǒng)組成結構設計。3.系統(tǒng)硬件設計：硬件可以自制或者購買。盡量實現(xiàn)硬件系統(tǒng)集成。4.系統(tǒng)軟件設計：首先要選擇軟件開發(fā)環(huán)境，其次完成底層驅動設計，最后完成上層應用軟件設計，包括用戶界面設計、測量數(shù)據(jù)分析與處理、算法設計、測量結果表達等等。5.軟硬件集成與檢測：檢測主要包括功能性檢測、參數(shù)檢測以及系統(tǒng)設計。另外，在開發(fā)測試項目的過程中，程序測試是不可或缺的部分。如果測試結果不理想，還需要重新分析重新設計。2.2 設計方案的比較2.2.1 軟件比較 在計算機的

21、儀器硬件已經配置完成后，虛擬儀器的核心部分就變成了軟件選擇。所以軟件要為用戶提供廣闊的開發(fā)環(huán)境、高水平的儀器硬件接口與用戶接口。最終使儀器中的硬件和軟件相互結合，利用這種虛擬儀器技術進行工作，從而達到事半功倍的效果。 有兩種方式可以完成對虛擬儀器技術的編寫： 1.使用通用編程程序進行編寫。 2.用專業(yè)圖形化編程軟件開發(fā)。 對于軟件的編寫方式應由編程者根據(jù)實際情況而決定。這樣才會設計出一個簡易數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在設計中開發(fā)者還應考慮以下因素：開發(fā)成本要低、執(zhí)行效率最佳、程序彈性大、開放性架構容易擴充。跟C語言和BASIC開發(fā)環(huán)境有許多相同之處，但是它與其他程序語言的主要不同于：LABVIEW采用編輯

22、語言G，具有圖形化特點，而不是語言產生代碼（特點是基于文本），LABVIEW生成的程序是框圖。LABVIEW目前最廣泛的應用領域是測試測量，并得到了業(yè)內人士的一致好評，這也完全符合其最初的設計目的方便戶外測試測量。現(xiàn)在，用戶可以通過使用LABVIEW驅動程序，來非常便捷的操縱已經安裝了LABVIEW驅動程序的測試以及數(shù)據(jù)采集等等設備。另外，廠商也已經提供了含有各宗功能的工具包，用戶可以根據(jù)需要，找到自己所需要的適用于工作要求的LABVIEW工具包，這極大地方便了程序的開發(fā)。有時甚至于只需簡單地調用幾個工具包中的函數(shù)，就可以組成一個完整的測試測量應用程序11。 不同于具有控制面板的傳統(tǒng)儀器，虛擬

23、儀器采用了具有可視化特點的G語言編程，借助計算機巨大的圖形處理環(huán)境，將圖形化的軟面板建立到計算機上，從而不再需要傳統(tǒng)的常規(guī)面板。實設備中的旋鈕、開關、信號燈以及其他的控制按鈕，都會以相對應的形式，出現(xiàn)在面板上用戶可以使用鼠標、鍵盤方便的進行操作。 虛擬儀器除上文所列出的優(yōu)勢外，跟傳統(tǒng)計算機編程語言相比，其還具有以下特點： 1.虛擬儀器功能作用上午定義具有可調性。其定義需要根據(jù)用戶自己的需求來完成。為了不被供應商所限制，用戶可以將不同的模塊進行整合，組成各式各樣的儀器。 2.程序部分集合了虛擬儀器的所有的操縱信息數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的收集，結果的分析判斷以及具體的操縱過程等等，都可以顯示在程序中。這也是的

24、虛擬儀器更加靈活便捷，更易被用戶接受。 3.虛擬儀器核心部分是軟件，它所受到的硬件的影響比較小。這樣就方便其與不同設備之間的連接和信息交互。另外，將虛擬網絡連接到網絡上，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的更像，便于不同用戶之間的相互交流學習。 4.虛擬儀器具有時效性和可存儲型。得到的數(shù)據(jù)可以直接在虛擬儀器上處理存儲，也可以將得到的數(shù)據(jù)打印出出來。存儲功能使得一旦結果丟失，用戶還可以從存儲器下載新的數(shù)據(jù)。 5.虛擬儀器能夠直接地對測試數(shù)據(jù)進行需要的分析以及處理，這主要在計算機的圖形化板面上完成。 6.由于較低的開發(fā)制造成本，基于軟件的體系結構能夠極大地減少開發(fā)和維護成本。2.2.2 聲卡采集數(shù)據(jù)的特點聲卡是計算機進

25、行聲音處理的適配器。它有三個基本功能：一是音樂合成發(fā)音功能；二是混音器（Mixer）功能和數(shù)字聲音效果處理器（DSP）功能；三是模擬聲音信號的輸入和輸出功能。聲卡處理的聲音信息在計算機中以文件的形式存儲。聲卡工作應有相應的軟件支持，包括驅動程序、混頻程序（mixer）和CD播放程序等。多媒體電腦中用來處理聲音的接口卡。聲卡可以把來自話筒、收錄音機、激光唱機等設備的語音、音樂等聲音變成數(shù)字信號交給電腦處理,并以文件形式存盤,還可以把數(shù)字信號還原成為真實的聲音輸出。聲卡尾部的接口從機箱后側伸出,上面有連接麥克風、音箱、游戲桿和MIDI設備的接口。商用數(shù)據(jù)采集卡由于擁有較強的通用性，使得其價格都比較

26、高。在一些對成本要求較高的應用中，商用數(shù)據(jù)采集卡并不被采用。而且，普通的聲卡盡管性能差點（擁有十六位的量化精度性以及44.1千赫茲采集頻率），但是完全能夠勝任在一些特定應用范圍內數(shù)據(jù)采集的要求。較低的價格，使得其成本也較低，更容易受到用戶的青睞。計算機中的聲卡從根本上講就是轉化性裝置，生產成本低廉且性能穩(wěn)定，對于使用者來說，在PC上完成數(shù)據(jù)采集的任務，這種成本幾乎為0，在設計中完全能夠滿足要求。所以在本設計中，數(shù)據(jù)采集裝置主要基于聲卡和數(shù)據(jù)模擬波形。 1.聲卡的作用聲卡 (Sound Card)也叫音頻卡（港臺稱之為聲效卡），從數(shù)據(jù)采集來看，它是多媒體技術中最基本的組成部分，是實現(xiàn)聲波/數(shù)字信

27、號相互轉換的一種硬件。而LABVIEW提供了操作聲卡的函數(shù)。聲卡的基本功能是把來自話筒、磁帶、光盤的原始聲音信號加以轉換，輸出到耳機、揚聲器、擴音機、錄音機等聲響設備，或通過音樂設備數(shù)字接口(MIDI)使樂器發(fā)出美妙的聲音。 聲卡是計算機進行聲音處理的適配器。它有三個基本功能：一是音樂合成發(fā)音功能；二是混音器（Mixer）功能和數(shù)字聲音效果處理器（DSP）功能；三是模擬聲音信號的輸入和輸出功能。聲卡處理的聲音信息在計算機中以文件的形式存儲。聲卡工作應有相應的軟件支持，包括驅動程序、混頻程序（mixer）和CD播放程序等。多媒體電腦中用來處理聲音的接口卡。聲卡可以把來自話筒、收錄音機、激光唱機等

28、設備的語音、音樂等聲音變成數(shù)字信號交給電腦處理,并以文件形式存盤,還可以把數(shù)字信號還原成為真實的聲音輸出。聲卡尾部的接口從機箱后側伸出,上面有連接麥克風、音箱、游戲桿和MIDI設備的接口。 從表面上來看，其主要功能是以數(shù)據(jù)采集和信號處理為主，這樣就能聯(lián)想到用聲卡實現(xiàn)示波器、信號處理器、頻譜分析儀等虛擬儀器。 2.聲卡的硬件結構 板載聲卡外部有三個接口，分別是：音頻輸出接口，MIDI接口，Line音頻輸入接口。內部有兩個接口，分別是：音頻輸入接口，前置音頻接口插針。聲卡接口電路組成包括：聲卡解碼芯片、音頻功率放大器、晶振、供電電路、電阻以及電容。聲卡的電路結構中，不同組成形式的聲卡，其電路結構也

29、不同，獨立聲卡結構相對復雜，主要包括：數(shù)字音頻處理電路、A/D轉換電路、D/A轉換電路、音頻放大電路以及音色庫。聲卡的硬件結構如圖2-1所示。圖2-1 聲卡的硬件結構示意圖 3.聲卡的主要技術參數(shù) （1）采樣精度與采樣頻率 采樣精度是指每個采樣點所代表音頻信號的幅度，單位是bit； 采樣頻率是指每秒鐘對音頻信號的采樣次數(shù)。 （2）聲道數(shù)量 聲道越多，聲音的定位效果就越好,在玩游戲和看DVD時的聲音效果就越逼真。 （3）信噪比就是聲卡抑制噪音的能力，信噪比的值越高說明聲卡的濾波性能越好，聲音聽起來也就越清澈。 （4）頻率響應 （5）總諧波失真 指的是聲卡的保真度，也就是聲卡的輸入信號和輸出信號的

30、波形吻合程度。 （6）MIDI規(guī)格 調頻是聲卡中第一項被廣泛采用的電子合成樂器的合成技術,也稱為FM；波表合成與FM合成不同，波表合成通過對樂器聲音進行取樣，并將之保存下來.波表合成又常分為軟波表合成和硬波表合成。 復音數(shù)所謂的”復聲”是指MIDI樂曲在1S內發(fā)出的最大聲音數(shù)目。 （7）DirectSound與DirectMusic是微軟為Windows環(huán)境所制定的聲卡API接口規(guī)格。 （8）3D音效規(guī)格：目前3D音效中的API主要有Direct Sound 3D A3D和EAX三類：.Direct sound 3d簡稱（D3D）源自于Microsoft Direct X的老牌音效API：A3

31、D；EAX。 4.聲卡的頻率范圍與頻率響應人耳對頻率的感覺從20Hz到20kHz之間，而聲卡的頻率響應上限范圍在20kHz。 5.設置聲卡完成數(shù)據(jù)的采集 （1）設置聲卡聲卡一般主要用于輸出音頻信號，因此，這種情況下，聲卡的輸入處于非正常工作狀態(tài)。在設置聲卡之前，首先使用耳機檢測其是否工作正常。尤其是其信號采集功能能不能正常工作。當檢測到聲卡不能正常工作時，則需要檢查檢查聲卡的設置。一般來講，這里的設置會有兩層含義，一是要對配置所需的功能，再就是要保證已經配置的功能不能在關閉（靜音）狀態(tài)。下面介紹對Line In 和Mic In的檢查和設置。按圖2-2所示，在“選項”菜單下選“屬性”，得到圖2-

32、2（b）圖所示的對話框，在此對話框上選擇“錄音”，并配置列表中的選項即可。注意圖2-2中的相關功能都不能處于靜音狀態(tài)。如圖2-2（a）所示。圖2-2（a）音量控制窗口 圖2-2（b）音量控制窗口和音量控制屬性對話框 （2）硬件連接市場上一般存在兩種硬件連接方式帶3.5毫米插孔以及鱷魚夾的連接線和雙3.5毫米插孔的音頻連接線。可以通過將雙3.5毫米插孔的測試線的連接到聲卡的輸入輸出端來檢測其頻響特性。切勿將Mic In 接口當做Line In接口，以及把SPK Out接口當做Line Out接口。第3章 軟件模塊的設計3.1 程序的流程圖程序流程框圖如圖3-1所示：圖 3-1 數(shù)據(jù)采集程序流程圖

33、 流程圖簡介：第一步，我們要將模塊進行初始化處理，防止前人存留的信息對設計的影響。第二部，將聲卡正確連接到模塊中；第三步，使用聲卡進行數(shù)據(jù)采集，完后將采集到的數(shù)據(jù)信息送入到LABVIEW中；第四步，依舊是最關鍵的一步，經采集到的信號在LABVIEW模塊程序中進行處理，后將處理后得到的波形表達在軟面板上；最后第五步，通過低通濾波，將所要的數(shù)據(jù)參數(shù)摘取出來再進行分析。3.2 程序的結構圖 程序的結構圖如圖3-2所示：聲卡參數(shù)設置數(shù)據(jù)采集波形顯示低通濾波低通濾波后波形函數(shù)信號發(fā)生器圖3-2 程序的結構圖3.3 LABVIEW 簡介 作為一種程序開發(fā)環(huán)境，LABVIEW類似于C和BASIC開發(fā)環(huán)境，跟

34、C語言和BASIC開發(fā)環(huán)境有許多相同之處，但是它與其他程序語言的主要不同；于：LABVIEW采用編輯語言G，具有圖形化特點，而不是語言產生代碼（特點是基于文本），LABVIEW生成的程序是框圖。LABVIEW目前最廣泛的應用領域是測試測量，并得到了業(yè)內人士的一致好評，這也完全符合其最初的設計目的方便戶外測試測量?，F(xiàn)在，用戶可以通過使用LABVIEW驅動程序，來非常便捷的操縱已經安裝了LABVIEW驅動程序的測試以及數(shù)據(jù)采集等等設備。另外，廠商也已經提供了含有各宗功能的工具包，用戶可以根據(jù)需要，找到自己所需要的適用于工作要求的LABVIEW工具包，這極大地方便了程序的開發(fā)。有時甚至于只需簡單地調

35、用幾個工具包中的函數(shù)，就可以組成一個完整的測試測量應用程序。LABVIEW作為一種被用戶所廣泛接受，并且被視為標準的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件編程語言，其最大的特點就是圖形化。LABVIEW 所含有的功能包括GPIB、VXI、RS-232 和RS-485 協(xié)議。它還出廠的函數(shù)庫便于應用TCP/IP、ActiveX 等軟件標準。其非常靈活，可以方便的建立個人虛擬儀器，在使用的過程中非常生動有趣。3.4 數(shù)據(jù)采集和處理模塊數(shù)據(jù)采集模塊是虛擬軟件的主要硬件驅動部分，所以這里主要是利用LABVIEW來完成聲卡的硬件參數(shù)設置以及聲卡采集數(shù)據(jù)的消息等任務。如圖3-3所示，為數(shù)據(jù)采集和處理模塊。圖3-3 數(shù)據(jù)采

36、集和處理模塊 程序說明：在LABVIEW軟件中，聲卡的聲道可以分為8位單聲道，16位單聲道，8位立體聲以及16位立體聲四種。16位聲道比8位聲道采樣信號的質量好，立體聲比單聲道采樣信號好，由此可知最好的采樣通道形式是立體聲16位，采用立體聲16位的聲卡采集的波形穩(wěn)定，抗困擾能力強。除此之外我們也應知道單聲道與立體聲道的區(qū)別，單聲道在采集信號時，左右聲道的信號是相同的，并且左右聲道的幅值只有原信號幅值的一半。而立體聲在采樣的時候，左右聲道的信號互不干擾的，所以可以采集兩路不同的信號，這樣就使得采樣的信號幅值等于原信號幅值。在本次設計中我采用立體聲16位進行雙聲道采樣還有一個重要的原因，那便是單聲

37、道采集的數(shù)據(jù)是標量，無法組成數(shù)組不利于數(shù)據(jù)的分析與處理。聲卡的采樣頻率主要有8000Hz，11025Hz，22050Hz以及44100Hz就這四種，不同的采樣頻率，采集到的波形的質量也不同，采樣的頻率越高，采集到的波形質量就越高，但所占的存儲空間越就越大，所以我們要根據(jù)具體情況選擇最合適的頻率，本次設計我采用了44.1千赫茲的采樣頻率。在采樣率的選擇方面，不僅采用了一個case循環(huán)，它的目的是為了在采樣率為44.1千赫茲的條件下，在循環(huán)內產生波形數(shù)據(jù)。 主要操作說明；在block diagram：從Functions 、 Graphics & Sound 、 Sound 、 Sound

38、 Inpu這四個選項中選用Sound Input函數(shù)。(1) 在Functions 、Structures 、While Loop中選用While循環(huán)。(2) 在Functions 、 Structure、 Case 中選用Case 循環(huán)。(3) 首先得用右鍵點擊SI Config函數(shù)的Sound Format輸入，所以選用create control，就會自動生成Sound Format簇類型控鍵。其中包括三項數(shù)據(jù)：sound quality；rate；bits persample。(4) 首先右鍵點擊SI Config函數(shù)的Buffer Size輸入，所以選用create control，

39、自動生成無符號長整數(shù)類型的控鍵。(5) 在Functions Cluster Unbundle 所以選用Unbundle 函數(shù)。這樣對輸入簇Cluster 進行解包。再就是接入cluster輸入參數(shù)后，輸出端子數(shù)自動調整為和cluster元素數(shù)目相同。(6) 聲卡參數(shù)設置如圖3-4所示。圖3-4 數(shù)據(jù)聲卡采集參數(shù)配置3.4.1聲音輸入配置虛擬儀器Sound Input Configure .Vi 的前面板的主要功能是設置聲卡參數(shù)，使聲卡的各項參數(shù)滿足設計的要求。Sound Input Configure .Vi 的前面板參數(shù)設置如圖3-5所示。圖3-5 Sound Input Configur

40、e .Vi 的前面板 Sound Input Configure .Vi 的后面板如圖3-6所示。圖3-6 Sound Input Configure .Vi 的后面板 程序說明：Sound Input Configure函數(shù)的主要功能是設置聲卡中的一些參數(shù)。其中聲卡采樣率在上文已經介紹到了，本次設計選用的采樣頻率設置為44100HZ，本文選用立體聲16位聲道所以數(shù)據(jù)格式應該設定為16bit。而對緩沖區(qū)長度沒有具體要求選默認值即可。主要操作說明：在block diagram：Functions Graphics & Sound Sound Input Configure 選擇confi

41、gure函數(shù)。3.4.2聲音輸入讀取虛擬儀器如圖3-7所示Sound Input Read .VI的前面板為聲卡采集時的參數(shù)設置圖。圖3-7 Sound Input Read .VI的前面板參數(shù)設置 Sound Input Read .VI的后面板如圖3-8 所示：圖3-8 Sound Input Read .VI的后面板 程序說明：這個函數(shù)主要的功能是對數(shù)據(jù)緩存區(qū)的數(shù)據(jù)進行處理。當數(shù)據(jù)緩沖區(qū)存滿消息時，會產生一個信號，從而能將數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)傳遞到用戶程序的數(shù)組中，最終產生一個數(shù)據(jù)采樣集合。如果計算機運行速度較慢，傳遞數(shù)據(jù)不夠快，就會使得緩沖區(qū)之前的內容被新的內容所覆蓋，這就會產生一個錯誤信

42、息。這時可以調節(jié)緩沖區(qū)的大小，來解決這個問題。 主要操作說明：在block diagram：Functions Graphics & Sound Sound Input Read 選擇read函數(shù)。3.4.3聲音輸入清除虛擬儀器 Sound Input Clear .VI的前面板如圖3-9所示。圖3-9 Sound Input Clear .VI 的前面板Sound Input Clear .VI 的后面板如圖3-10 所示： 圖3-10 Sound Input Clear .VI 的后面板 程序說明：該函數(shù)的主要功能是用于完成最終的清理工作。 主要操作說明： 在block diagr

43、am：Functions Graphics & Sound Sound Input Clear選擇clear函數(shù)。3.5 數(shù)據(jù)模擬模塊數(shù)據(jù)模擬塊是通過LABVIEW自己模塊模擬發(fā)出波形并能采集數(shù)據(jù)波形，它的作用是用來分析波形的，模擬的波形可以分為兩個通道，或是將兩個通道疊加成一個波形。形成的波形有：正弦波、方波、三角波、鋸齒波、高斯白噪聲。在LABVIEW中用函數(shù)信號發(fā)生器產生一個信號，實際上相當于通過軟件實現(xiàn)了一個信號發(fā)生器的功能。正弦波：公式為y=Asin(x+）A為振幅，周期，相位。方波：公式為y=flc1hs(sin(2*pi*f*t), eps)&Va/yp頻率為f的

44、值為01的方波。方波電流就是電流的波形為矩形的電流。無論在t軸上下是否是對稱的，只要是矩形就可以叫做方波，如果需要的化可以加“對稱”， “不對稱”加以說明。交流波不一定是方波?？词欠裼姓摻惶娴姆讲?，一直是一個符號那就是直流，這就包括全是正的或者全是負的；兩種都有的那就是交流。三角波：三角波函數(shù)：輸入 fx_:=x /; 0<=x<1輸入 fx_:=2-x /; 1<=x<2輸入 fx_:=fx-2 /; x>=2鋸齒波：一般主要由搭建硬件電路來實現(xiàn)，效果如下圖：波形方式對應的LABVIEW控件如下：有正弦波、方波、三角波、鋸齒波、高斯白噪聲。程序的主要實現(xiàn)選擇模

45、擬波形，在選擇波形的時候有兩個通道可以選擇波形，并且對于幅值、頻率、相位這些參數(shù)還可以做到相應的調整。通過把兩個不同的波形進行相互疊加，形成各種不同的波形。具體實現(xiàn)如圖3-11，控制如圖3-12。圖3-11 模擬波形實現(xiàn)模塊后面板圖3-12 模擬波形實現(xiàn)模塊前面板 程序說明：對結果進行分析時需要把兩個通道的波形疊加在一起。如果聲卡沒有采集數(shù)據(jù)時候，我們可以用LABVIEW模擬的數(shù)據(jù)波形來代替通過聲卡采集波形。3.6 低通濾波模塊信號在傳輸?shù)倪^程中受到外界干擾會產生高頻噪音。因此我們需要過濾掉外界干擾產生的高頻噪聲信號，通常是采用低頻濾波器完成濾波工作。后面板實現(xiàn)模塊如圖3-13所示：圖3-13

46、 后面板實現(xiàn)模塊前面板演示如圖3-14，可以設定截止頻率：圖3-14 前面板演示圖低頻濾波器配置方法如圖3-15所示:圖3-15 頻譜分析模塊的前面板3.7 波形顯示模塊如圖3-16為波形顯示模塊所顯示的采集信號：圖3-16 波形顯示模塊值得說明的是，如果使分析波形更為精準，在波形顯示控件中可以手動調整X、Y軸的最大值和最小值。第4章 程序設計顯示4.1 程序的使用方法4.1.1 程序的環(huán)境打開程序，后面板和前面板都會包含在程序中，控制控件和以及示控件都會出現(xiàn)在前面板位里，后面板有程序框圖。如果要使用的時候可以生成應用程序，按到要使用的電腦上就可以使用了。打開程序后，界面如圖4-1，點擊左上角

47、的小箭頭，程序開始運行。圖4-1 程序前面板4.1.2 聲卡配置 1.采樣頻率 因為系統(tǒng)能測試到的最高頻率與電路器件的性能密切相關，所以在選擇聲卡的時為了保證系統(tǒng)正常工作一般要選擇最高采樣頻率為44千赫茲的聲卡。根據(jù)采樣定理我們能測試到的模擬信號，最高頻率能達到22千赫茲。同時我們必須要考慮到聲卡采集信號的質量問題，所以實際測試的時候我們通常采用最高頻率為2.5千赫茲。 2.采樣精度電路器件的位數(shù)決定了系統(tǒng)采樣精度的高低，為了保證系統(tǒng)正常工作一般都采用16位采樣的聲卡，其采樣精度為，分辨率大約為0.0015%。 3.實時帶寬實時帶寬一般為2KHz。4.2 程序的總框圖程序的總框圖如圖4-2所示

48、：圖4-2 程序總框圖 總框圖說明：信號是由聲卡采集到虛擬器中的，在聲卡中的基本設置里做一下調整，設置聲卡的一些基本參數(shù)，如果在采集的過程中想要連續(xù)采集波形，這就要求采樣頻率不能過低，如果過低化，采集的波形會出現(xiàn)間斷，不能連續(xù)。當信號被采集完成后，聲卡就自動開始讀取數(shù)據(jù)。信號切換的控件為真時，波形瀏覽器會自動把聲卡的波形顯示出來；如果信號切換到控件為假時，波形瀏覽器就會顯示模擬數(shù)據(jù)不會有波形出現(xiàn)；然后通過低通道將濾過的波送個波形瀏覽器顯示。這里主要用到了while循環(huán)、case選擇等模塊。4.3 程序的調試結果雖然由于聲卡硬件條件的局限性使得音頻信號選擇范圍變得很小，但是也可以用來測量音頻范圍

49、較小的信號，例如聲音、脈搏、心電、腦電和電話等。4.3.1聲卡采集數(shù)據(jù)的結果聲卡采集數(shù)據(jù)的結果：聲卡采集波形主要采集方式是運用麥克，將麥克直接接到電腦聲卡上，對著麥克說話，這樣采集到的波形就可以根據(jù)輸入聲音的變化而產生的變化。聲卡采集到的波形如圖4-3所示：圖4-3 聲卡采集到的波形顯示值得說明的是：波形分為直接聲卡采集到的波形和經過低通濾波后的波形，同時可以通過右側控件，改變波形的顏色和設置低通濾波的截止頻率。 4.3.2模擬采集數(shù)據(jù)的結果模擬采集數(shù)據(jù)的結果顯示：首先選擇模擬采集數(shù)據(jù)控件，然后進入模擬數(shù)據(jù)采集模塊。值得注意得是模擬數(shù)據(jù)可分為兩個通道，這兩個通道均可以選擇不一樣的波形，并且都能改變波形的幅值、頻率、相位等數(shù)據(jù)，如圖4-4所示，同時也能把兩個通道的波形疊加成一個波形，如圖4-5所示。圖4-4 模擬波形圖4-5 疊加后的波形根據(jù)調試結果我們可以得出以下結論，首先本次設計數(shù)據(jù)采集信號可以采用普通低價的聲卡，這樣既可以節(jié)省成本也不會影響效果，很好的提高了性價比，再就是在LABVIEW圖形編程語言環(huán)境下去設計一個比較方便、較靈活性強的虛擬示波器，在顯示波形的領域是一種很不錯的選擇。結 論 本次論文提出的設計