毕业设计（论文）虚拟示波器设计

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1、虚拟示波器设计摘 要随着计算机技术的发展，仪器工业正在经历一场巨变。计算机强大的处理和显示能力，使它可以在数据采集、分析和表达中的任意一个方面提升仪器的性能。以虚拟仪器为代表的新型仪器改变了传统仪器的思想，它们充分利用了计算机强大的软硬件资源，把计算机技术和测量技术紧密结合起来，是融合了电子测量、信号处理、计算机和网络技术的新型测量仪器，由于成本低、使用方便等优点得到了广泛的应用。本文介绍了虚拟仪器的基本框架和总体设计思想。在此基础上，提出了了基于PC声卡的虚拟示波器的系统设计方案。文中重点讲解了该简易虚拟示波器各模块的详细设计，包括数据采集和处理、触发控制、波形显示、参数测量、频谱分析、波形

2、存储以及坐标转换等模块，并给出了具体的设计方法和实验结果。论文最后对虚拟示波器进行了系统测试和性能分析，达到了预先的设计要求。本设计的最大特点是成本低。该简易示波器的Y轴通道采用计算机中的声卡，它具有16位的转换精度和44.1KHz的采样频率，致使本虚拟示波器可以达到20K左右的模拟带宽，适合低频(020KHz)数据采集应用场合。关键词：虚拟仪器；虚拟示波器；声卡；波形显示Design of Virtual OscilloscopeAbstract The instrumentation industry is undergoing a variety of exciting changes

3、as a result of the development of PC, The PC revolution has equipped users with powerful processing and display capabilities of their own. The computer can enhance instrument functionality in any of the three areas-data acquisition, analysis, and presentation. Virtual instrument (VI) changed the ide

4、as of traditional instrument and made full use of the powerful resources of computer. It is a new-style instrument that combines the technologies of electronic measurement, signal processing, computer and network. It has been used widely because of lower cost and convenient application. This thesis

5、introduces the basic framework and design ideas of virtual machines. On this basis, present a virtual oscilloscope-based PC sound card in the system design. The article focuses on the simple virtual oscilloscope modules of the detailed design, including data collection and processing, trigger contro

6、l, waveform display, measuring parameters, spectrum analysis, waveform storage and coordinates conversion modules, and given specific design methodology and experimental results. Finally this paper tests system and analyses performance to the virtual oscilloscope, meet pre-design requirements. The m

7、ost important feature of this design is low cost. Easy access of the oscilloscope Y axis uses the computer card, which has 16 spaces and the conversion accuracy of the sampling frequency of 44.1KHz, has resulted in the virtual oscilloscope can reach around 20K analog bandwidth, suitable for low freq

8、uency (020KHz) data collection application occasions.Keywords: Virtual Instruments; Virtual Oscilloscope; Sound Card; Waveform Display目 录摘 要IAbstractII目 录IV第1章 绪 论11.1 虚拟仪器11.1.1 虚拟仪器的概述11.1.2 虚拟仪器的概念21.1.3 虚拟仪器的基本结构和类型31.2 虚拟仪器的发展51.3 本文的研究内容8第2章 虚拟示波器的基本原理102.1 示波器的基本原理102.1.1 示波器波形显示原理102.1.2 通用示

9、波器的组成部分112.2 数字示波器的基本原理122.2.1 数字示波器基本原理122.2.2 数字示波器基本方框图132.3 虚拟示波器的工作原理14第3章 虚拟示波器的设计173.1 虚拟仪器的创建过程173.2 设计方案的比较183.2.1 软件比较183.2.2 声卡采集数据的特点203.3 LabVIEW中有关声卡函数简介26第4章 软件模块设计284.1 LabVIEW简介294.1.1 G语言简介294.1.2 LabVIEW程序组成304.2 数据采集与处理模块314.3 触发控制模块344.3.1 触发控制模块354.3.2 子程序模块364.3.3 子子程序模块374.4

10、波形显示模块394.5 测量模块414.6 频谱分析模块424.7 波形暂停与存储模块434.8 坐标移动功能模块444.9 小结45第5章 性能测试与分析475.1 控制面板475.2 示波器的性能指标475.3 波形显示实验485.4 小结51第6章 结束语52参考文献54致 谢5658第1章 绪 论1.1 虚拟仪器由于电子技术、计算机技术和网络技术的高速发展及其在电子技术与仪器领域中的应用，新的测试理论、方法、领域以及新的仪器结构的不断出现，电子测量仪器的功能和作用也发生了质的变化1。在这种背景下，20世纪80年代末，美国成功研制了虚拟仪器。本章将重点介绍虚拟仪器的概念和其结构、发展以及

11、开发虚拟仪器所需的软硬件选择和本文的主要内容2。1.1.1 虚拟仪器的概述 虚拟仪器是随着微电子技术、计算机技术、软件技术、现代测量技术、电子仪器技术的发展而产生的一种新型仪器，它经历了电磁指针式仪器、分立元件式仪器、数字式仪器、智能式仪器发展的一步步进程。特别是20世纪80年代末以来，新的测试理论，新的测试方法以及新的仪器结构不断出现，在许多方面已经冲破了传统仪器的概念，电子测量仪器的功能和作用发生了质的变化，一种全新的虚拟仪器观念出现在人类面前，它从根本上更新了测量仪器的概念3。虚拟仪器的出现是测量仪器领域的一个突破，它彻底改变了传统的仪器观，代表着测量仪器发展的最新方向和潮流，开辟了测量

12、测试技术的新纪元。虚拟仪器技术的发展使现代测量技术和计算机技术真正结合在一起，是计算机技术和现代测量技术的高速发展和共同孕育出的一项革命性新技术。虚拟仪器广泛应用于工业自动化和控制系统、图象的采集和分析处理、系统仿真、运动控制、远程监控、物矿勘探、医疗、振动分析、声学分析、故障诊断、电子工程、电力工程及教学科研等诸多领域。它的出现对科学技术的发展和工业生产将产生不可估量的影响2,4,5,6。 虚拟仪器的概念首先由美国国家仪器公司NI（National Instruments）提出，并在1986年推出的LabVIEW1.0虚拟仪器软件平台，由此开创了虚拟仪器发展的新纪元，自1986年NI 公司推

13、出1.0版本以来，2004年5月相继有NI LabVIEW7.1版本面世。由LabVIEW开发的程序称为虚拟仪器(Virtual instrument)，简称VI3,7。1.1.2 虚拟仪器的概念虚拟仪器（Virtual instrument，简称VI）是虚拟技术在仪器仪表领域中的一个重要应用，它是现代计算机技术（硬件、软件和总线技术）和虚拟仪器技术深层次结合的产物，是当今计算机辅助测试（CAT）领域的一项重要技术7。即虚拟仪器就是计算机技术介入仪器领域所形成的一种新型仪器，它是利用计算机强大的图形环境，组合相应的硬件，编制不同的测试软件，建立界面友好的虚拟仪器面板（即软面板），通过友好的图形

14、界面及图形化编程语言控制仪器运行，构成多种仪器，完成对被测量的采集、分析、判断、显示、存储及数据生成的仪器9。也就是说，虚拟仪器是：利用计算机显示器模拟传统仪器控制面板，以多种形式输出和显示结果；利用计算机软件实现信号数据的运算、分析和处理；利用I/O接口设备完成信号的采集、测量与调理，从而完成各种测试功能的一种计算机仪器系统。VI以透明的方式将计算机资源（如微处理器、内存、显示器等）和仪器硬件（如A/D、D/A、数字I/O、定时器、信号调理等）的测量与控制能力结合在一起，通过软件实现对数据的分析处理与表达，如图1.1所示8。而软件就成为了虚拟仪器的关键，任何一个使用者都可以通过修改虚拟仪器的

15、软件来改变它的功能，这就是美国NI公司“软件就是仪器”（The software is the instrument）一说的来历10。Acquisition and Control(采集与控制)Plug-in Data Acquisition(插入式数据采集板)GPIB(IEEE-488)(GPIB仪器)VXI（VXI仪器）RS-232（RS232仪器）Data Analysis（数据分析）Digital Signal Processing Board （数字信号处理）Digital Filtering（数字滤波）Statistics（统计）Numerical Analysis（数字分析）Da

16、ta Presentation（数据表达）Networking（网络）Hardcopy Output（硬拷贝输出）File I/O（文件I/O）Graphical User Interface（图形用户接口）图1.1 虚拟仪器内部功能的划分1.1.3 虚拟仪器的基本结构和类型数据采集卡信号调理其他计算机硬件现场总线设备VXI仪器串行接口仪器/PLCGPIB接口卡测控对象 GPIB接口仪器LabVIEWLabWindows/CVI图1.2 虚拟仪器系统构成框图虚拟仪器系统的基本框图如图1.2所示。把PLC、现场总线设备也放入这个框图，是因为如果按构成仪器的三大功能部件来看，所有的过程控制系统、工

17、业自动化系统均可归纳到虚拟仪器系统的框架上来。目前较常用的虚拟仪器是数据采集系统、GPIB控制系统、VXI仪器系统以及这三者之间的任意组合4,11。(1) GPIB仪器控制系统的构成方法GPIB技术可以说是虚拟仪器技术发展的第一阶段。GPIB（通用接口总线）犹如一座桥梁，把可编程仪器和计算机紧密地结合起来，从此电子测量由独立手工操作的单台仪器向组成大规模测试系统方向迈进。一个典型的GPIB测试系统由一台计算机、一块GPIB接口板和若干GPIB仪器通过标准GPIB电缆连接而成。GPIB自动测试系统的规模可以进一步扩展。利用GPIB技术，可以通过计算机实现对仪器的操作和控制，替代传统的人工操作方式

18、，排除人为因素造成的测量、测试误差。同时，由于可以用预先编制好的测试程序，实现自动测试提高系统测量的可靠性和效率。(2) 数据采集系统的构成方法一个典型的数据采集控制系统由四部分组成，如图1.3所示。现场信号、传感器执行机构信号调理（放大、过滤等）数据采集板、卡或盒数据采集控制软件 图1.3 典型的数据采集控制系统框图一个好的数据采集产品不仅包括高性能、高可靠性，还应该提供高性能的驱动程序、简单易用的高层语言接口。只有这样才能为用户快速建立高可靠性的应用系统提供最大方便。目前，由于多层印制电路板技术、可编程仪器放大技术、即插即用技术、系统定时器技术、多数据采集实时系统继承总线技术、高速数据采集

19、的双缓冲区技术以及数据高速传送中断、DMA等技术的应用，使得最新的数据采集卡能保证仪器级的性能、精度与可靠性，为用户建立功能灵活，性能价格比高的数据采集控制系统提供了很好的解决方案12,13。(3) VXI仪器系统构成方法VXI总线是一种高速计算机总线VME总线在仪器领域的扩展。由于它的标准开放、结构紧凑、具有数据吞吐能力强、定时和同步精确、模块可重复利用、众多仪器厂商支持等优点，因此很快得到了广泛的应用。在近10年时间内，随着VXI总线规范的不断完善和发展，VXI即插即用系统联盟的不懈努力，VXI系统的组建和使用越来越方便，其应用面也越来越广，尤其是在组建大、中规模自动测量测试系统以及对速度

20、、精度要求高的场合有着其他仪器系统无法比拟的优势9。一个基本的VXI仪器系统可以有三种不同的配置方法18： GPIB控制方案； 嵌入式计算机控制方案； MXI总线控制方案。1.2 虚拟仪器的发展虚拟仪器通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机地融合为一体，从而把计算机强大的计算机处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，大大缩小了仪器硬件的成本和体积，并通过软件实现对数据的显示，存储以及分析处理。从发展史来看，电子测量仪器经历了由模拟仪器、智能仪器到虚拟仪器10。当硬件平台I/O接口设备与计算机确定后，编制某种测量功能的软件就成为该种功能的测量仪器。因为虚拟仪器可以与计算机同步发展，与网络及

21、其他周边设备互联，用户只需改变软件程序就可以不断赋予它或扩展增强它的测量功能。这就是说，仪器的设计制造不在是厂家的专利。虚拟仪器开创了仪器使用者可以成为仪器设计者的时代，这将给仪器使用者带来无尽的收益15。虚拟仪器从概念的提出到目前技术发展已日趋成熟，体现了计算机技术对传统工业的革命。大致说来，虚拟仪器发展至今，可以分为三个阶段，而这三个阶段又是同步进行的11。第一阶段，利用计算机增强传统仪器的功能。由于GPIB总线标准的确立，计算机与外界通信成为可能，只需要把传统仪器通过GPIB和RS-232同计算机连接起来，用户就可以用计算机控制仪器。随着计算机系统性价比的不断上升，用计算机控制测控仪器成

22、为一种趋势。这一阶段虚拟仪器的发展几乎是直线前进。第二阶段，开放式的仪器构成。仪器硬件上出现了两大技术进步：一是插入式计算机数据处理卡（plug-in PC-DAQ）；二是VXI仪器总线标准的确立。这些新的技术使仪器的构成得以开放，消除了第一阶段内在的由用户定义和供应商定义仪器功能的区别。第三阶段，虚拟仪器框架得到了广泛认同和采用。软件领域面向对象技术把任何用户构建虚拟仪器需要的东西封装起来。许多行业标准在硬件和软件领域已产生，几个虚拟仪器平台已经得到认可并逐渐成为虚拟仪器行业的标准工具。发展到这一阶段，人们也认识到了虚拟仪器软件框架才是数据采集和仪器控制系统实现自动化的关键2。目前，虚拟仪器

23、的发展过程有两条主线：一是GPIBVXIPXI总线方式（适合大型高精度集成系统）；二是PC插卡式LPT并行口式串口USB方式IEEE标准的1394口方式（适合于普及型的廉价系统，有广阔的应用发展前景）16。随着计算机、通信和微电子技术的不断发展，以及网络时代的到来和信息化要求的不断提高，网络技术应用到虚拟仪器领域中是虚拟仪器发展的重要趋势。21世纪的虚拟仪器主要发展方向是网络化虚拟仪器，它是将由单台虚拟仪器实现的数据获取、数据分析及图形化显示三大功能分开处理，分别使用独立的基本硬件模块实现传统仪器的三大功能，进而实现信息资源的共享7。也就是将虚拟仪器、外部设备、被测试点以及数据库资源纳入网络，

24、实现资源共享，共同完成测试任务。使用网络化虚拟仪器可在任何地点、任意时刻都能获取测量数据，也适合异地或远程控制、数据采集、故障监测、报警等。不久的将来，还可以把数码发布到WEB网页上甚至把数据传输到手机上，实现在不同地点、不同国家的同行合作处理同一个项目。虚拟仪器的核心是软件，而虚拟仪器软件构架的精髓是虚拟仪器库技术。传统的VI方式为一个仪器功能开发一个软件，每个软件都独立具有数据采集功能，但多个软件不能同时使用。虚拟仪器库技术解决了这个矛盾，如DASP2003标准版和专业版内的虚拟仪器库模块就是由“平台软件+虚拟仪器库”组成，多个软件共享虚拟仪器的硬件资源17。它由一个平台软件实现基本的数据

25、采集和频谱分析。多个模块化的仪器软件基于平台软件上运行，共用平台软件提供的数据和频谱值，分别实现各自仪器的不同功能（如频率计、阻尼计、转速表、失真度计、索力计、声级计、压力计、温度计、应变计、应力计、示波器、频谱仪、波谱双显仪、混叠演示仪、泄露显示仪、信号发生器、数据多用表等）。它的特点是在一个平台软件上，多个模块化仪器软件共享A/D采集数据资源及信号处理的数据资源，多台仪器可以高速实时运行，操作应用非常方便。就像PC与Windows、Office的发展依存关系一样，虚拟仪器正在向综合性、多功能、多用途、快捷的多画面的虚拟仪器库方向发展。此外，手持式、更轻便的小型化的嵌入式PC（如PC104）

26、及掌上电脑与DSP、AD/DA、LCD、调理放大、电子盘加软件相结合的一体机也是一个未来发展方向，它使虚拟仪器更方便地深入到测试现场。虚拟仪器向节能、省电、轻便、小型化发展也是一个方向23。1.3 本文的研究内容虚拟仪器由通用仪器硬件平台(简称硬件平台)和应用软件两大部分构成。硬件平台主要完成对被测信号进行调理和采集。仪器硬件可以是插入式数据采集卡及必要的外围电路(含信号调理电路、A/D转换器、数字I/O、定时器、D/A转换器等)，或者是带标准总线接口的仪器，如GPIB, VXI, PXI, STD, PCI总线仪器和网络化仪器等16。目前市场上的A/D采集卡和数据采集卡以及带标准总线接口的仪

27、器等，其价格均不菲，以毕业设计的实验目的来说，性价比以及实用程度显得不高。进而考虑计算机中的声卡本身就是一个A/D,D/A的转化装置，具有16位的量化精度、数据采集频率是44.1kHz，完全可以满足特定应用范围内数据采集的需要，个别性能指标还优于商用数据采集卡，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，在设计试验中完全可以满足要求14。因此在本设计中，虚拟示波器的数据采集装置主要基于声卡。作者就是基于声卡制作了一个简易虚拟示波器，不仅具有通用示波器的功能(如测量实验电路对激励信号的响应)，还可暂停波形扫描，以便能更清楚地观察波形的变化，所存储的曲线可以在任何时间打印输出，使用者可以及

28、时进行数据处理，观察和分析实验结果。虚拟仪器的发展已经具有20多年的历史，虚拟示波器作为虚拟仪器中的一种典型仪器，是仪器仪表、无线电通信、雷达系统等领域不可缺少的一部分。本论文开发了一台虚拟示波器。本论文具体内容安排如下：第一章，绪论：介绍虚拟仪器的概念、构成及其发展的现状，和本文的研究内容。第二章，虚拟示波器的基本原理：首先讲述通用示波器的原理，过渡到数字示波器的原理，进而讲述了基于声卡的虚拟示波器原理。第三章，虚拟示波器的设计：本章讲解了软、硬件的选取方案，详细陈述了软件选择LabVIEW、硬件选择声卡的理由。第四章，软件模块设计与测试：本章是重点，详细讲述了各个功能模块具体的实现过程，包

29、括数据采集和处理、触发控制、波形显示、参数测量、频谱分析、波形存储、坐标移动等模块。进行了系统调试，验证了虚拟示波器的实用性和优越性。第五章，结束语：对设计的虚拟示波器进行了总结，并对将来的发展趋势给出了展望。第2章 虚拟示波器的基本原理2.1 示波器的基本原理示波器是利用电子射线的偏转，来复现电信号瞬时值图像(常成为时间波形)的一种仪器。它能快速的把肉眼不能直接看见的电信号的时变规律，以可见的形式形象的显示出来17。目前，示波器在信号测试、信号比较、逻辑分析等领域得到了广泛应用。2.1.1 示波器波形显示原理在示波器的荧光屏上，显示电压波形的原理如下：被测电压是时间的函数，在直角坐标系统中，

30、可以用ux=f(t)的曲线表示。示波器的两副偏转板使电子束在两个互相垂直的方向偏转，这两个方向可以看成是坐标轴。因此，要在管子的荧光屏上显示被测电压的波形，就必须使射线沿水平方向的偏转同时间成正比，而在垂直方向同被测电压成正比(每一瞬间)。所以，锯齿波电压加到水平偏转板上，它迫使射线以恒定的速度从左向右沿水平方向偏转。并且很快的返回到起始位置。射线沿水平轴经过的距离跟时间成正比。被测电压加到垂直偏转板上，因而，每一瞬间射线的位置单值的对应于这一瞬间被测信号的值。在锯齿波电压作用期间，射线就绘出了被测信号的曲线17,18，如图2-l。图2-1 示波器波形显示原理以上图形是锯齿波的重复周期等于输入

31、信号周期整数倍的情况(一倍)，荧光屏上显示出的信号图形是稳定不动的。如果不是整数倍，则每次出现的信号波形就不会重合，图形将不断移动，不利于观测。为了保证锯齿波的周期等于输入信号的整数倍，示波器必须具有同步或触发电路。2.1.2 通用示波器的组成部分现代示波器主要由主机、Y轴系统、X轴系统三个部分组成18。被测信号接到“Y”输入端，经Y轴衰减器适当衰减后送至Y1放大器(前置放大)，推挽输出信号和。经延迟级延迟r1时间，到Y2放大器。放大后产生足够大的信号和，加到示波管的Y轴偏转板上。为了在屏幕上显示出完整的稳定波形，将Y轴的被测信号引入x轴系统的触发电路，在引入信号的正(或者负)极性的某一电平值

32、产生触发脉冲，启动锯齿波扫描电路(时基发生器)，产生扫描电压。由于从触发到启动扫描有一时间延迟r2，为保证Y轴信号到达荧光屏之前x轴开始扫描，Y轴的延迟时间r1应稍大于x轴的延迟时间r2。扫描电压经x轴放大器放大，产生推挽输出和，加到示波管的x轴偏转板上。z轴系统用于放大扫描电压正程，并且变成正向矩形波，送到示波管栅极。这使得在扫描正程显示的波形有某一固定辉度，而在扫描回程进行抹迹。其简化方框图如图2-2所示。图2-2 示波器的简化方框图2.2 数字示波器的基本原理数字示波器用A/D变换器把模拟波形转换成数字信号，然后存储在半导体存储器RAM中，需要时，将RAM中存储内容调出，通过相应的D/A

33、变换器，再恢复为模拟量显示在示波管屏幕上。在这种示波器中，信号处理功能和信号显示功能是分开的。其性能，包括速度和精度，完全取决于进行信号处理的A/D、D/A变换器和半导体存储器19。2.2.1 数字示波器基本原理在数字示波器中，把输入的被测模拟信号先送至A/D变换器进行取样、量化和编码，成为数字“1”,“0”码，存储到RAM中，这个过程称为存储器的“写过程”。然后，再将这些“1”、“0”码从RAM中依次取出按顺序排列起来，经D/A转换使其包络重现输入模拟信号，这就是“读过程”。在数字存储示波器中，采用适时取样方式，可观测单次信号；采用顺序取样或随机取样方式，可观测重复信号20,21。理论分析指

34、出，为了正确的观测信号波形，只有恰当的选择取样频率才能用所得的样值脉冲序列恢复出原信号波形。取样频率过低会产生频谱重叠效应，造成波形失真，使示波器测量结果出现明显误差。取样定理证明，对于一个最高频率为f0的信号，当取样频率fs2f0时，其取样后所得的脉冲系列将包括原信号的全部信息。Fs称为奈奎斯特频率。当取样频率fs等于输入信号频率f0时，显示波形的频率信息还能保留，但是幅度信息将大量损失。通过计算可以得出，当一个周期中取样点数N为4时，即取样频率fs=4f0时，失真波形的最大值是波形幅值的0.707，故数字示波器的等效带宽为fs/4。若采用正弦内插显示，等效带宽可达fs/2.518。2.2.

35、2 数字示波器基本方框图图2-5 数字存储示波器的方框图数字示波器的基本方框图如图2-5。Y输入信号经衰减放大后送至A/D变换器，按“t/div开关设定的取样频率下进行变换，从而得到一串数据流，在控制逻辑电路的作用下写入随机存储器RAM中。RAM的读写操作受R/W控制，当RAM的读写控制R/W=0时，RAM进行写操作；R/W=1时，RAM进行读操作。RAM地址选择器在RAM进行写操作时，将写地址输出选做RAM地址；读操作时，则将读地址输出选做RAM地址。控制逻辑电路一旦接受到来自触发放大器的触发信号，就启动一次数据写入循环，产生写功能信号送至RAM读写控制，同时使写地址计数器计数。写地址计数器

36、将顺序递增的写地址送至存储器，确保每组数据写入至相应的存储单元中去。不管数据用何种速度写入存储器，存储器中存储的各数据均不相关地以固定的速度不断读出，且显示时不产生闪烁。读出数据送至垂直D/A变换电路，用做示波器Y显示。同时一个以读出速率递增的计数器计数，输出送至水平D/A变换器，用做示波器X显示。晶体振荡器产生高精度、高稳定性的时钟。该时钟由分频电路产生与面板上“t/div”开关设置相对应的取样时钟，去控制A/D变换器和存储器写入。时基分频电路也产生该脉冲，供读地址计数器和显示地址计数器，以产生稳定的阶梯扫描电压24。2.3 虚拟示波器的工作原理模拟信号经同轴电缆进入采集卡的输入通道，经过前

37、置滤波电路、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A/D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。其支持软件通过PC机的PCI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A/D转换及转换结束的识别，并将采集数据以DMA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、存储及打印输出等22,23,24。使用LabVIEW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：(1)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；(2)然后，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：(3)当缓

38、冲区存满数据后，一方面将数据读取到用户程序的数组中，产生一个采样数据集合，并在程序中对数据进行各种处理；(4)另一方面，得到缓冲区满的消息后，通知声卡暂时停止采集外部数据，并进一步清空缓存里的内容。如图2-6所示，这个流程与一般数据采集卡并无多大差别，这也是本设计的最基本的骨干。图2-6 声卡数据采集流程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其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、分析处理和显示输出等功能12,23。我所开发的虚拟示波器，是在数据采集硬件的支持下，配备

39、一定功能的软件，完成波形的存储、分析、显示等功能。一般测试仪器由信号采集、信号处理和结果显示三大部分组成，这三部分均由硬件构成。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，其它两部分都是由软件实现12。我所设计的虚拟示波器总体上包括数据采集、触发控制、波形显示、参数测量、频谱分析、波形存储以及坐标移动模块等七大模块组成，其结构框图如下所示。触发控制时基控制通道控制波形显示幅值测量频率测量频谱分析坐标移动数据处理数据采集数据存储图2-7 虚拟示波器的结构框图第3章 虚拟示波器的设计虚拟仪器由仪器硬件和功能模块软件两部分组成。本章将详细讨论对虚拟示波器设计时几种方案的比较

40、，并详细介绍声卡采集的特点。3.1 虚拟仪器的创建过程创建虚拟仪器的大体过程分为以下五部3,6,7,8,9,25。(1) 需求分析。需求分析是借用软件工程中的概念，其含义包括创建开发原型(明确实际要解决的问题)、分析程序的可行性(包括成本、性能、风险和技术障碍)等。在创建开发原型的过程当中，开发人员要于程序的最终使用人员进行充分的交流。在此基础上，程序开发人员对所要解决的问题有了大致的了解，甚至可以画出一个系统的框图，之后还要进行程序的可行性分析，考虑选用器件的性价比、开发风险等。(2) 软、硬件的选择。程序开发人员不必担心操作系统的问题，目前的LabVIEW是一个支持多个系统平台的软件，Wi

41、ndows、Power Macintosh、Sun SPARCA工作站、HP工作站、Linux上都可以运行。针对一些特殊的任务，LabVIEW还提供了一些附加的工具包，非常方便。选择适当的工具包将会达到事半功倍的效果。另外，在LabVIEW的设备驱动程序库中已经包含了上千个免费的驱动程序(这些驱动程序支持NI公司的硬件产品)，还包括了世界上各大仪器厂商的大部分仪器的LabVIEW驱动程序。如果没有现成的驱动程序，用户也可以自己编写。(3) 设计用户界面。用户界面也称GUI，即graphical user interface。前面板必须简洁、易懂，设计时应该满足复杂工作要求。前面板上使用的颜色方

42、案，要兼顾一致和鲜明。一致性包括：一个VI程序的GUI之间要保持一致；VI的GUI要与平时大家用的应用程序的色调一致，鲜明。就是说：需要强调的部分一定要用颜色加以突出，体现测控系统程序的特点，减少用户操作过程中犯错误的机会。(4) 程序设计。拿到一个设计任务后，首先要分解任务，把待设计任务分割成几个大的模块，然后把大的模块再分解为一系列的功能，甚至分解到要用哪些函数的程度；然后是寻找例程，参考例程可以避免重复前人做过的工作；接下来就是根据项目的特点选择程序设计方法，自上而下或是自下而上。(5) 程序测试。测试过程是程序开发的重要组成部分。测试应该是从底层的VI开始，然后再测试较大的模块，最后进

43、行整体测试。测试时还要特别关注全局变量对程序的影响。此外，局部变量和属性节点也要引起注意。对于高级程序员来说，还要考虑程序的性能如何，能否满足速度与响应的要求以及内存的使用情况。3.2 设计方案的比较3.2.1 软件比较在给定计算机必要的仪器硬件之后，构成和使用虚拟仪器的关键在于软件。软件为用户提供了集成开发环境、高水平的仪器硬件接口和用户接口。美国国家仪器公司提出的“软件即仪器”(The Software is the Instrument)形象的概括了软件在虚拟仪器技术中的重要作用。所以正确选择软硬件对程序开发和设计起着非常重要的作用。只有选择了合适的软硬件才能快速开发出应用软件，才能事半

44、功倍。对于虚拟仪器应用软件的编写，大致可分为两种方式1；(1) 通过编程软件进行编写。主要有Microsoft公司的Visual Basic与 VisualC+，Borland公司的Delphi，Sybase公司的PowerBuilder。(2) 用专业图形化编程软件进行开发。如HP公司的HP-VEE，NI公司的LabVIEW和Lab Windows/CVI等。具体选用哪一种软件，应该由编程者根据实际情况选择。设计一个简易虚拟示波器，在设计中必须考虑以下因素：开发成本低、执行效率佳、程序弹性大、开放性架构易于扩充。LabVIEW是实验室虚拟仪器工程平台(Laboratory Virtual I

45、nstrument Engineering Workbench)的简称，是美国国家仪器公司(NI)的创新软件产品，也是目前应用最广泛、发展最快功能最强的图形化软件开发环境3。LabVIEW的前面板可以包含旋钮、刻度盘、开关、图表和其他界面工具，允许用户通过键盘和鼠标获取数据或显示结果。LabVIEW具有模块化特性，有利于程序的可重用性。LabVIEW将软件的界面设计与功能设计独立开来，修改人机界面无需对整个程序进行调整，LabVIEW是利用数据流框图接收指令，使程序简单明了，充分发挥了图形化编程环境的优点。这就大大简短了虚拟仪器的开发周期、消除了虚拟仪器编程的复杂过程。而通用的编程软件需利用组

46、件技术实现软面板的设计，这使程序设计变的非常麻烦。LabVIEW虽然是为计算机测控领域开发的，但他的函数包含了一般高级计算机语言中的绝大多数程序控制功能。LabVIEW作为开发环境所具有的优点总结如下所述4,21,23,24：(1) 图形化编程，降低了对使用者编程经验的要求，易于工程师使用；(2) 采用面向对象的方法和概念，有利于软件的开发和再利用；(3) 对象、框图及其构成的虚拟仪器在Windows、Windows NT、UNIX等多平台之间和各种PC机及工作站间兼容，便于软件移植；(4) 支持550多种标准总线设备及数据采集卡，如串行接口、GPIB、VXI等；(5) 具有丰富的库函数和例子

47、，对于大多数应用程序用户可以从例子总取得程序框架，便于提高开发速度；(6) 具有比较完备的代码接口，可调用Windows中的动态连接库(DLL)中的函数及C语言程序，以弥补自身的某些不足；(7) 直接支持动态数据交换(DDE)、对象连接与嵌入(OLE)、结构化查询语言(SQL)，便于与其他Windows应用程序和数据库应用程序接口；(8) 支持TCP，UDP等网络协议，网络功能强大，可遥控分布在其他机器上的虚拟仪器设备；(9) 为加强LabVIEW的功能，适应各种工业应用的需要，NI公司开发了一系列与LabVIEW配合使用的软件包，如自动测试工具、可连接25种数据库的SQL工具、SPC分析函数

48、工具、信号处理套件、PID控制工具、图形控制工具等。在许多应用程序中，运行速度是至关重要的。LabVIEW是当今唯一带有可以生产最佳编码的编译器的图形化开发环境，运行速度等同于编好的C或C+程序。因此LabVIEW是虚拟示波器设计的最佳选择。3.2.2 声卡采集数据的特点商用的数据采集卡具有较大的通用性，但其价格昂贵，在具体的应用场合，有些功能可能并不实用。普通声卡，具有16位的量化精度、数据采集频率是44.1kHz,完全可以满足特定应用范围内数据采集的需要，个别性能指标还优于商用数据采集卡，而价格却为商用数据采集卡的十几分之一甚至几十分之一11,12。计算机中的声卡本身就是一个A/D, D/

49、A的转化装置，并且造价低廉，对于设计者而言，在PC上完成虚拟示波器的设计任务，成本几乎为0；性能稳定，在设计中完全可以满足要求。因此在本设计中，该虚拟示波器的数据采集装置主要基于声卡。一、声卡的作用从数据采集的角度看，声卡是一种音频范围内的数据采集卡，是计算机与外部的模拟量环境联系的重要途径。LabVIEW提供了操作声卡的函数。声卡的主要功能包括录制与播放、编辑与合成处理、MIDI接口3个部分。(1) 录制与播放通过声卡，人们可将来自话筒、收录机等外部音源的声音录入计算机，并转换成数字文件进行存储和编辑等操作；人们也可以将数字文件还原成声音信号，通过扬声器回放，例如为电子游戏配音，以及播放CD

50、, VCD, DVD, MP3和卡拉OK等。注意，在录制和回放时，不仅要进行周A/D和D/A转换，还要进行压缩和解压缩处理。(2) 编辑与合成处理通过对声音文件进行多种特技效果的处理，包括加入回声，倒放，淡入淡出，往返放音以及左右两个声道交叉放音等，可以实现对各种声源音量的控制与混合。(3) MIDI(Musical Instrument Digital Interface乐器数字接口)接口通过MIDI接口与波表合成，可以记录和回放各种接近真实乐器原声的音乐。从一般意义上来看，上述功能主要是数据采集和信号处理，很自然地就可以联想到用声卡实现示波器、信号发生器、频谱分析仪等虚拟仪器。二、声卡的硬

51、件结构图3-1是一个声卡的硬件结构示意图。一般声卡有4-5个对外接口。其中，输出接口有2个，分别是Wave Out和SPK Outawave Out(或Line Out)给出的信号没有经过放大，需要外接功率放大器，例如可以接到有源音箱；SPK Out给出的信号是通过功率放大的信号，可以直接接到喇叭上。这些接口可以用来作为双通道信号发生器的输出。A/DDSPD/A波表MIDI合成器Line InMic InWave OutSPK OutMIDI In图3-1 声卡的硬件结构示意图输入接口Line In和Mic In的区别在于，后者可以接入较弱的信号，幅值大约为0.02-0.2V，显然这个信号较易

52、受干扰，因而常使用Line In，它可以接入幅值约不超过1.5V的信号。注意，这两个输入端口内部都有隔直电容，这意味着直流信号不能被声卡所接受。多数声卡的输入也是双通道的，但接入插头线往往将这两个通道短接成了一个通道。另外这两个通道是共地的。三、声卡的主要技术参数(1) 采样的位数采样位数可以理解为声卡处理声音的解析度1。这个数值越大，解析度就越高，录制和回放的声音也就越真实。声卡的位是指声卡在采集和播放声音文件时所使用的数字声音信号的二进制位数，它客观地反映了数字声音信号对输入声音信号描述的准确度。例如，8位代表28=256；16位则代表216=64000。比较一下，一段相同的音乐信息，16

53、位声卡能把它分为64000个精度单位进行处理，而8位声卡只能处理256个精度单位，最终采样效果自然是无法相提并论的。(2) 采样频率目前，声卡的最高采样频率是44.1kHz，少数达到48kHz。对于民用声卡，一般将采样频率设为4档，分别是44.1kHz, 22.05kHz,11.025kHz和8kHz12。 22.05kHz只能达到FM广播的声音品质；44.1kHz是理论上的CD音质界限，48kHz则更好一些。对20kHz范围内的音频信号，最高的采样频率才48kHz，虽然理论上没问题，但似乎余量不大。使用声卡比较大的局限在于，它不允许用户在最高采样频率之下随意设定采样频率，而只能分为4档设定。

54、这样虽然可使制造成本降低，但却不便于使用。用户基本上不可能控制整周期采样，只能通过信号处理的方法来弥补非整周期采样带来的问题。(3) 缓冲区 与一般数据采集卡不同，声卡面临的D/A和A/D任务通常是连续状态的。为了在一个简易的结构下较好地完成某个任务，声卡缓冲区的设计有其独到之处。为了节省CPU资源，计算机的CPU并不是每次声卡A/D或D/A结束后都要响应一次中断，而是采用了缓冲区的工作方式11。在这种工作方式下，声卡的A/D、D/A都对某一缓冲区进行操作。以输入声音的A/D变换为例，每次转换完毕后，声卡控制芯片都将数据存放在缓冲区，待缓冲区满时，发出中断给CPU， CPU响应中断后一次性将缓

55、冲区内的数据全部读走。计算机总线的数据传输速率非常高，读取缓冲区数据所用时间极短，不会影响A/D变换的连续性。缓冲区的工作方式大大降低了CPU响应中断的频度，节省了系统资源。声卡输出声音时的D/A变换也是类似的。 一般声卡使用的缓冲区长度的默认值是8KB(8192字节)。这是由于对x86系列处理器来说，在保护模式(Windows等系统使用的CPU工作方式)下，内存以8KB为单位被分成很多页，对内存的任何访问都是按页进行的，CPU保证了读写8KB长度的内存缓冲区时，速度足够快，并且一般不会被其他外来事件打断。设置8192字节或其整数倍(例如32768字节)大小的缓冲区，可以较好地保证声卡与CPU

56、的协调工作。(4) 没有基准电压 声卡不提供基准电压，因此无论是A/D还是D/A在使用时，都需要用户自己参照基准电压进行标定。四、声卡的频率范围与频率响应 人耳对频率的感觉从20Hz到20KHz之间，而声卡的频率响应上限范围在20kHz。五、声卡用于数据采集时的一些设置 (1) 声卡的设置 一般声卡主要用于输出声音，输入部分可能没有处于正常工作状态。建议首先使用耳机和MIC检查声卡的功能，特别是输入功能(录音功能)是否正常。如果不正常，需要检查声卡的设置。一般来说，这里的设置有两层含义，首先是要配置所需的功能，其次是要保证已经配置的功能不处于关闭(静音)状态14,16,17。下面介绍对Line

57、 In和Mic In的检查和设置。图3-2 音量控制窗口对话框图3-3 音量控制属性对话框按图3-2所示，在“选项”菜单下选“属性”，得到图3-3部分所示的对话框,在此对话框上选择“录音”，并配置列表中的选项即可。注意图3-2中的相关功能都不在静音状态。(2) 硬件连接硬件连接采用两种连接线：1一条一头是3.5mm插孔，另外一头是鳄鱼夹的连。2是双头为3.5mm插孔的音频连接线(在市场上可以买到)。为测试声卡的频响特性，可使用测试线2将声卡的输入端与输出端连接起来，形成一个闭合的环路。连接时要注意区分Mic In口与SPK Out口，不要把它们当作Line In与Line Out接入。如果测试

58、输入信号，则使用测试线1把信号源连接到声卡输入端Line In口；如果测试输出信号，就把该测试线连接到声卡输出端Line Out口。3.3 LabVIEW中有关声卡函数简介LabVIEW中提供了一系列使用Windows底层函数编写的与声卡有关的函数13,14。这些函数集中在图3-4所示的Sound VI下。由于使用Windows底层函数(不用更高级方便的MCI函数以及DirectX接口)直接与声卡驱动程序打交道，因而封装层次低，速度快，而且可以访问，采集缓冲区中任意位置的数据，具有很大的灵活性，能够满足实时不间断采集的需要。图3-4 Sound VI在本设计中主要运用到的是Sound Inpu

59、t这个子模板。表3-1是Sound Input中提供的函数。表3-1 Sound Input函数简介图标函数名称功能说明SI Config该函数的主要功能是设置声卡中与数据采集相关的一些硬件参数，如采样率，数据格式，缓冲区长度等。声卡的采样率由内部时钟控制，只有3-4种固定频率可选，一般将采样频率设置为44100Hz，数据格式设置为16bit。缓冲区长度可选默认值。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DMA直接完成，保证了采集过程的连续性。SI Read该函数用于等待采样数据缓冲区满的消息。当产生这一消息时，它

60、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合。若计算机速度不够快，使得缓冲区内容被覆盖，则会产生一个错误信息。这时应调节缓冲区大小，在采样时间与数据读取之间找到一个理想的平衡点。SI Stop该函数用于通知声卡停止采集外部数据。己采集而未被读出的数据会留在缓冲区，可以使用SI Read函数一次读完。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道，释放请求的一系列系统资源包括DMA，缓冲区内存，声卡端口等第4章 软件模块设计在本章中将详细介绍各个功能模块及其生成过程。下面是程序流程框图：初始化信号采集样值送缓冲触发识别N是触发点Y显示缓冲区1024个点N有按

61、键Y按键处理图4-1 虚拟示波器程序流程框图4.1 LabVIEW简介LabVIEW(实验室虚拟仪器工程平台)是一个程序开发环境。它类似于VisualBasic,Visual C+。但LabVIEW的特点在于：它使用图形化编程语言G在流程图中创建源程序，而没有使用基于文本的语言来产生源程序代码16。 LabVIEW是一个多线程、最佳化的图形编译器，它能在最大程度上优化系统的性能。无论是使用基于计算机的插入式仪器设备，还是使用GPIB，VXI，Ethernet接口或是串口的独立仪器设备，LabVIEW内置的驱动程序库和具有工业标准的设备驱动软件都可以对仪器系统进行全面的控制21。LabVIEW数据采集库包含了许多有关采集和生成数据的函数，它们与NI的插卡式或远程数据采集产品协同工作。数据采集卡是进行高速直接控制以及低速控制的理想设备。它能够为集成式测量方案提供功能强大且完备的测量分析库，这些软件库可以完成极限测试、频率分析、滤波及信号生成等任务。LabVIEW具有许多特性，能使测量和自动化应用方案完全适用于用