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  阿Zhaomin 2011-03-29 00:00:00

  文 摘 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)儀器開始轉(zhuǎn)向計(jì)算機(jī)化。虛擬儀器是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、儀器技術(shù)以及其他新技術(shù)wan美結(jié)合的產(chǎn)物，其強(qiáng)大的功能已完全超出了儀器概念本身。本文首先敘述了虛擬儀器的概念、發(fā)展、組成等，接著采用圖形化編程軟件Labview設(shè)計(jì)了虛擬示波器以及它的虛擬頻譜分析功能，ZD介紹了Labview中使用第三方板卡——研華PCL-812PG實(shí)現(xiàn)外部模擬信號(hào)采集的方法。Z后總結(jié)了本文所做的主要工作并提出了進(jìn)一步研究的設(shè)想：虛擬儀器在internet網(wǎng)中的遠(yuǎn)程測(cè)控。 關(guān)鍵詞: 虛擬儀器、PCL-812PG、Labview. Abstract With the development of computer， traditional instrument has developed into computerize instrument. Virtual Instrument is a perfect combination of modern computer technology， instrument technology and other new technology. Its strong function is beyond the instrument itself. This paper first introduce the development， concept， form of the virtual instrument， design the virtual scope， virtual-frequency-analysis instrument by using the programming software Labview， then gather the analogue signal outsides by PCL-812PG， transferred into digital signal， show in the computer. At last， this paper put forward the further research: the distance-usage of the virtual instrument in the internet. Keywords: Virtual Instrument、PCL-812PG、Labview. 目 錄 diyi章 緒論 1. 1 虛擬儀器的概述----------------------------------------------(1) 1. 2 軟件開發(fā)工具的簡(jiǎn)介----------------------------------------(1) 1. 3 本文的主要工作----------------------------------------------(2) 第二章 虛擬示波器的實(shí)現(xiàn) 2. 1 圖形化的編程語言Labview---------------------------------(3) 2. 2 虛擬示波器實(shí)時(shí)波形顯示界面的實(shí)現(xiàn)和框圖程序-----(3) 2. 3 快速傅立葉變換(FFT)和Labview分析庫中的FFT VI-(6) 2. 4 虛擬頻譜分析功能軟面板和方框圖的實(shí)現(xiàn)--------------(7) 第三章 聲卡的作用和主要技術(shù)參數(shù) 3. 1 聲卡的作用-------------------------------------------------(10) 3. 2 聲卡的主要技術(shù)參數(shù)--------------------------------------(10) 3. 3 LabVIEW中相關(guān)聲卡操作函數(shù)簡(jiǎn)介------------------(10) 四章 實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果 4. 1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備-------------------------------------------------------(14) 4. 2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容-------------------------------------------------------(14) 4. 3 實(shí)驗(yàn)步驟-------------------------------------------------------(14) 第五章 結(jié)束語----------------------------------------------------------(16) 參考文獻(xiàn)--------------------------------------------------------------------(17) diyi章 緒論 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)儀器開始向計(jì)算機(jī)化的方向發(fā)展。虛擬儀器是20世紀(jì)90年代提出的新概念，是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)，儀器技術(shù)及其他新技術(shù)wan美結(jié)合的產(chǎn)物。虛擬儀器技術(shù)的提出與發(fā)展，是21世紀(jì)自動(dòng)測(cè)試與電子測(cè)量?jī)x器技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。 1. 1 虛擬儀器的概述 虛擬儀器是現(xiàn)代技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)特別是計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展，CPU處理能力的增強(qiáng)，總線吞吐能力的提高以及顯示器技術(shù)的進(jìn)步，人們逐漸認(rèn)識(shí)到，可以把儀器的信號(hào)分析和處理、結(jié)果的表達(dá)與輸出功能轉(zhuǎn)移給計(jì)算機(jī)來完成。這樣，可以利用計(jì)算機(jī)的高速計(jì)算能力和寬大的顯示屏更好地完成原來的功能。如果在計(jì)算機(jī)內(nèi)插上一塊數(shù)據(jù)采集卡，就可以把傳統(tǒng)儀器的所有功能模塊都集中在一臺(tái)計(jì)算機(jī)中了，而軟件就成了虛擬儀器的關(guān)鍵，任何一個(gè)使用者都可以通過修改虛擬儀器的軟件來改變它的功能，這就是美國NI公司“軟件就是儀器”一說的來歷[1]。 所謂虛擬儀器，就是在通用的計(jì)算機(jī)平臺(tái)上定義和設(shè)計(jì)儀器的功能，用戶操作計(jì)算機(jī)的同時(shí)就是在使用一臺(tái)專門的電子儀器。虛擬儀器以計(jì)算機(jī)為核心，充分利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形界面和數(shù)據(jù)處理能力，提供對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的分析和顯示功能。虛擬儀器的Z大特點(diǎn)是其靈活性，用戶在使用過程中，可以根據(jù)需要添加或刪除儀器功能，以滿足各種需求和各種環(huán)境，并且突破了傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、表達(dá)、傳送以及存儲(chǔ)方面的限制。 虛擬儀器的組成與傳統(tǒng)儀器一樣，由數(shù)據(jù)采集與控制、數(shù)據(jù)分析與處理、結(jié)果顯示三部分組成。對(duì)于傳統(tǒng)儀器，三部分幾乎均由硬件完成，對(duì)于虛擬儀器，后兩部分主要由軟件來實(shí)現(xiàn)。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器設(shè)計(jì)日趨模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化，設(shè)計(jì)的工作量和復(fù)雜性都大大減小。 1. 2 軟件開發(fā)工具的簡(jiǎn)介 應(yīng)用軟件開發(fā)環(huán)境是設(shè)計(jì)虛擬儀器所必需的軟件工具。應(yīng)用軟件開發(fā)環(huán)境的選擇，可以開發(fā)人員的喜好不同而不同，但Z終都必須提供給用戶一個(gè)界面友好、功能強(qiáng)大的應(yīng)用程序。軟件在虛擬儀器中處于重要的地位，它肩負(fù)著對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理的任務(wù)，如數(shù)字濾波，頻譜變換等。通常在編制虛擬儀器軟件時(shí)，有兩種方法：一種是傳統(tǒng)的編程方法，采用高級(jí)語言，如VC、C++，C++ Buider；另一種是采用流行的圖形化編程方法，如采用NI公司的labview。這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)我主要是采用labview編程方法，因?yàn)樗菆D形化的編程語言，界面形象直觀，有很多按鈕、控件可以直接用來表示實(shí)際的儀器。虛擬儀器系統(tǒng)的軟件主要包括儀器驅(qū)動(dòng)程序、應(yīng)用程序和軟面板程序。儀器驅(qū)動(dòng)程序主要用來初始化虛擬儀器，設(shè)定特定的參數(shù)和工作方式，使虛擬儀器保持正常的工作狀態(tài)。應(yīng)用程序主要對(duì)采集來的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行分 (1) 析處理，用戶可以根據(jù)編制應(yīng)用程序來定義虛擬儀器的功能。軟面板程序用來提供與虛擬儀器的接口，它可以在計(jì)算機(jī)屏幕上生成一個(gè)和傳統(tǒng)儀器相似 的圖形界面，用于顯示測(cè)量和處理的結(jié)果；另一方面，用戶也可以通過控制軟面板上的開關(guān)和按鈕，模擬傳統(tǒng)儀器的操作，通過鍵盤和鼠標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬儀器系統(tǒng)的控制。 1. 3 本文的主要工作 數(shù)字示波器是實(shí)驗(yàn)、教學(xué)、科研中常用的電子儀器，可以采集信號(hào)并進(jìn)行分析，但傳統(tǒng)儀器都具有設(shè)備更新慢、功能單一、價(jià)格貴等缺點(diǎn)。本文主要是實(shí)現(xiàn)虛擬示波器的功能：從外界采樣模擬信號(hào)，轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)波形的顯示，并能夠進(jìn)行簡(jiǎn)單的波形處理，比如說，可以延時(shí)采樣，可以顯示波形的Z大值、Z小值、平均值，并能夠根據(jù)需要放大波形的倍數(shù)，在采樣的任何時(shí)期可以結(jié)束采樣。另外，還利用快速傅立葉變換實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單的頻譜分析功能的實(shí)現(xiàn)。具體如下： （1） 具有聲卡采集參數(shù)設(shè)定功能；具有錄音和重放功能；可以實(shí)現(xiàn)聲音數(shù)據(jù)的采集；能夠完成功率譜信號(hào)的顯示與分析； （2） 聲音采集數(shù)據(jù)能夠儲(chǔ)存并根據(jù)需要調(diào)用； （3） 具有聲音信號(hào)濾波及處理功能。 （4） 基于LABVIEW的聲卡虛擬示波器應(yīng)具有美觀實(shí)用的用戶界面。 音頻格式 設(shè)置 數(shù)據(jù)采集（聲卡） 數(shù)據(jù)處理 波形顯示 頻譜分析 數(shù) 據(jù) 儲(chǔ) 存 虛擬示波器結(jié)構(gòu)框圖 第二章 虛擬示波器的具體實(shí)現(xiàn) 2. 1 圖形化的編程語言labview labview主要用于儀器控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析等領(lǐng)域，它是一種基于圖形編程語言（G語言）的開發(fā)環(huán)境，主要是以框圖形式編寫程序。它與C等傳統(tǒng)編程語言有著諸多相似之處，如：相似的數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)流控制結(jié)構(gòu)、程序調(diào)制工具，以及層次化、模塊化的編程特點(diǎn)。但二者Z大的區(qū)別在于：傳統(tǒng)編程語言用文本語言編程；而labview使用圖形語言（即：各種圖標(biāo)、圖形符號(hào)、連線等），以框圖的形式編寫程序。用labview編程無須太多的編程經(jīng)驗(yàn)，因?yàn)閘abview使用的都是測(cè)試工程師熟悉的術(shù)語和圖標(biāo)，如各種旋鈕，開關(guān)，波形圖等，界面直觀形象。 labview是一個(gè)功能強(qiáng)大的集成開發(fā)環(huán)境，它完整的集成了與GPIB、VXI、RS-232和內(nèi)插式數(shù)據(jù)采集卡等硬件的通訊。Labview還具有內(nèi)置程序庫，提供了大量的連接機(jī)制，通過DLLs、共享庫、OLE等途徑實(shí)現(xiàn)與外部程序代碼的連接。使用labview開發(fā)環(huán)境，用戶可以創(chuàng)建32位的編譯程序，從而為常規(guī)的數(shù)據(jù)采集、測(cè)試等任務(wù)提供了更快的執(zhí)行速度。labview是真正的編譯器，用戶可以創(chuàng)建獨(dú)立的可執(zhí)行程序，能夠脫離開發(fā)環(huán)境而單獨(dú)運(yùn)行[2]。 一個(gè)labview程序包含三個(gè)主要部分：前面板、框圖程序、圖標(biāo)/連接端口。前面板是labview程序的交互式圖形化用戶界面，用于設(shè)置用戶輸入和顯示程序輸出，目的是仿真真實(shí)儀器的前面板?？驁D程序則是利用圖形語言對(duì)前面板上的控制量和指示量進(jìn)行控制。圖標(biāo)/連接端口用于把labview程序定義成一個(gè)子程序，以便在其他程序中加以調(diào)用，這使labview得以實(shí)現(xiàn)層次化，模塊化編程。 2. 2 虛擬示波器的界面實(shí)現(xiàn) 圖2-1是虛擬示波器的主界面：上半部分是波形顯示部分，用于顯示采集的波形，下半部分是對(duì)波形的頻譜分析。 圖2-1 示波器主界面的實(shí)現(xiàn) 采集來的信號(hào)首先要在圖2-1的波形實(shí)時(shí)顯示部分進(jìn)行顯示，即圖2-2。 圖2-2 波形實(shí)時(shí)顯示界面 如圖2-2的軟面板是實(shí)時(shí)波形顯示窗口，可以顯示實(shí)時(shí)采樣波形。右上邊可以直接得到采樣數(shù)據(jù)的Z大值、Z小值、平均值。右下邊包含了放大倍數(shù)、采樣延遲時(shí)間兩個(gè)旋鈕。通過這兩個(gè)旋鈕，可以調(diào)整實(shí)時(shí)波形在屏幕上的顯示效果。另外，面板上還有采樣結(jié)束按鈕，用于結(jié)束采樣。波形實(shí)時(shí)顯示面板下面是一個(gè)工具面板：用X和Y按鈕可以改變X、Y軸的比例。如果想讓繪制的圖形自動(dòng)適應(yīng)變化的坐標(biāo)比例，可以單擊每個(gè)按鈕左邊的鎖定 (4) 開關(guān)，使其自動(dòng)鎖定。第二列的兩個(gè)是設(shè)置X、Y軸刻度值數(shù)字表示方式的快捷方式，單擊后可以對(duì)精度等特性進(jìn)行設(shè)置。第三列的diyi個(gè)是波形縮放工具，當(dāng)用賦值工具單擊它時(shí)，可彈出波形縮放方式的選擇項(xiàng)，如圖2-3所示： 各功能如下：diyi個(gè)按鈕是矩形縮放。選擇該項(xiàng)后，在顯示區(qū)上，按住鼠標(biāo)左鍵可以拉出一個(gè)方框，方框內(nèi)的波形將被放大。橫著第二個(gè)是水平縮放按鈕：波形只在水平方向上被放大，垂直方向上保持不變。第三個(gè)是垂直縮放按鈕：波形只在垂直方向上被放大，水平方向上保持不變。 第二行diyi個(gè)是取消縮放：取消Z近的一次縮放操作。接下來的兩個(gè)是連續(xù)縮放按鈕。選中該項(xiàng)后，在顯示區(qū)內(nèi)按住鼠標(biāo)左鍵，波形將以鼠標(biāo)指針停留位置為ZX進(jìn)行連續(xù)縮放。 圖2-3 工具面板的演示 (5) 2-4 實(shí)時(shí)波形的框圖程序 2-4的框圖中，左面是一個(gè)while循環(huán)框，圖框中隨機(jī)采樣信號(hào)與面板上的放大倍數(shù)旋鈕對(duì)應(yīng)的圖標(biāo)相乘（板卡的驅(qū)動(dòng)先不考慮），然后輸入到實(shí)時(shí)波形屏幕中，接著信號(hào)流向圖框外，并變成數(shù)組型數(shù)據(jù)?？驁D下方，設(shè)置采樣延遲時(shí)間，由面板上的旋鈕控制。另外還有采樣結(jié)束的控制按鈕。 右邊循環(huán)框外是對(duì)數(shù)組信號(hào)進(jìn)行處理。通過labview 6i本身提供的子程序，可以得到數(shù)據(jù)的Z大值、Z小值和平均值。 該虛擬示波器是單通道虛擬示波器，要想設(shè)計(jì)多通道的示波器，只需在這個(gè)基礎(chǔ)上，在面板上加上幾個(gè)屏幕顯示控件，框圖程序類似上圖即可。當(dāng)需要把信號(hào)進(jìn)行其他的處理時(shí)，我們可以選擇labview自帶的信號(hào)處理部件，也可以把編好的C程序或是matlab程序加入到系統(tǒng)中，擴(kuò)充系統(tǒng)的功能。 2. 3 快速傅立葉變換(FFT)和labview分析庫中的FFT VI 從DAQ板上獲得的采樣信號(hào)是時(shí)域信號(hào)，這種信號(hào)給出了采樣時(shí)刻信號(hào)的幅度，但是很多情況下，更想了解的是頻率成分，而不是幅度值。頻域表示法就表示了單個(gè)頻率成分，這種表示法可以給出更多關(guān)于信號(hào)和系統(tǒng)的信息。 從時(shí)域的采樣數(shù)據(jù)變?yōu)轭l域的算法，稱為離散傅立葉變化（DFT）。DFT將采樣信號(hào)的時(shí)域跟頻域聯(lián)系起來。DFT廣泛應(yīng)用于譜分析、應(yīng)用力學(xué)、光學(xué)、醫(yī)學(xué)圖像、數(shù)據(jù)分析、儀器及遠(yuǎn)程通信等方面[2]。 (6) 假設(shè)從DAQ板上獲得N個(gè)采樣信號(hào)，對(duì)這N個(gè)樣本進(jìn)行DAT變換，結(jié)果仍將為N個(gè)樣本，但它卻是頻域表示法。時(shí)域的N個(gè)樣本與頻域的N個(gè)樣本之間的關(guān)系如下： 假設(shè)信號(hào)采樣率為fs，采樣間隔為t，有t=1/fs，采樣信號(hào)表示為Xi， 0＜i＜N-1（即有N個(gè)樣本），對(duì)這N個(gè)樣本進(jìn)行傅立葉變換，公式如下： Xk=X1*e（-j2*3.1415926*0/N）+X2*e（-j2*3.1415926*1/N）+……+Xi*e[-j2*3.1415926*（N-1）/N] 注意時(shí)域跟頻域中均有N個(gè)樣本。同時(shí)域中的時(shí)間間隔對(duì)應(yīng)的頻率間隔f為：f=fs/N=1/Nt，f也稱為頻率分辨率，增多采樣次數(shù)N或減小采樣頻率fs均能減小f（提高頻率分辨率）。 對(duì)N個(gè)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行DFT是個(gè)非常耗時(shí)的過程，大約需要n的平方次復(fù)數(shù)運(yùn)算；但如果N是2的冪，假設(shè)N=2m，對(duì)N進(jìn)行DFT就只需要m*N/2次操作，大大提高了速度，這種算法叫做快速傅立葉變換（FFT），它其實(shí)就是當(dāng)采樣N是2的冪時(shí)，進(jìn)行DFT的一種快速算法。FFT的優(yōu)點(diǎn)在于速度快，且節(jié)省內(nèi)存，這是因?yàn)楫?dāng)VI操作FFT時(shí)，無需額外的存儲(chǔ)緩沖區(qū)，但它要求輸入序列N必須是2的冪。而DFT速度比FFT慢得多，這是由于它需要額外的緩沖區(qū)來存儲(chǔ)中間的結(jié)果，但是DFT對(duì)任一個(gè)序列都適用。FFT中為了使采樣次數(shù)N等于2的冪，可以在輸入序列末尾加0。例如：若N=10，可以在輸入序列末尾加6個(gè)0，使得采樣次數(shù)的總數(shù)為16（2的4次方）。 分析庫中有兩種VI用來計(jì)算信號(hào)的FFT，即Real FFT VI和Complex FFT VI。兩者的區(qū)別在于，Real FFT對(duì)實(shí)信號(hào)進(jìn)行FFT，Complex FFT對(duì)復(fù)信號(hào)進(jìn)行FFT，值得注意的是，兩者的輸出均為復(fù)數(shù)。由于大多數(shù)信號(hào)都是實(shí)數(shù)值，因此可以用 Real FFT VI，當(dāng)然也可以用Complex FFT VI，只是將虛數(shù)部分置為0。由于遠(yuǎn)程通信中的信號(hào)一般都為復(fù)數(shù)信號(hào)（實(shí)部、虛部均不為0），此時(shí)應(yīng)該使用Comlex FFT VI，對(duì)復(fù)電位進(jìn)行調(diào)制將產(chǎn)生復(fù)信號(hào)。 2. 4 虛擬頻譜分析功能軟面板和方框圖的實(shí)現(xiàn) 圖2－5中，按界面上的運(yùn)行按鈕，在顯示界面上分別會(huì)顯示時(shí)域波形和經(jīng)過FFT以后的頻域波形。 (7) 2-5 虛擬頻譜分析功能軟面板的實(shí)現(xiàn) 2-6 虛擬頻譜分析功能框圖的實(shí)現(xiàn) (8) 圖2-6中： Arbitrary Wave —— 用于產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)的波形， Real FFT —— 對(duì)輸入的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT， Complex To Polar —— 將FFT的復(fù)數(shù)輸出分為實(shí)、虛兩部分（幅值和相位），相位部分以弧度為單位，但屏幕上只顯示FFT的幅值。 (9) 第三章 聲卡在虛擬示波器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 1．認(rèn)識(shí)聲卡 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展，虛擬儀器逐漸成為現(xiàn)代儀器的發(fā)展方向，其中大部分虛擬儀器都是基于各種數(shù)據(jù)采集卡的，如NI公司的PCI－6221數(shù)據(jù)采集卡，研華公司PCL－1800型數(shù)據(jù)采集卡，ISA型數(shù)據(jù)采集卡AC1820。在對(duì)采樣頻率要求不高的情況下，可以利用計(jì)算機(jī)的聲卡進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸入和輸出。聲卡是一個(gè)非常的音頻信號(hào)采集系統(tǒng)，其數(shù)字信號(hào)處理包括模數(shù)變換器ADC（Analogue Digital Converter）和 數(shù)模變換器DAC（Digital Analogue Converter），ADC用于采集音頻信號(hào)，DAC則用于重現(xiàn)這些數(shù)字聲音。聲卡已成為多媒體計(jì)算機(jī)的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)配置，因此基于聲卡的虛擬儀器具有成本低，兼容性好，通用性和靈活性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，可以不接受硬件限制，安裝在多臺(tái)計(jì)算機(jī)上。本文利用LabVIEW8.2中的數(shù)字聲音記錄節(jié)點(diǎn)，編程實(shí)現(xiàn)了基于聲卡的虛擬雙蹤數(shù)字存儲(chǔ)示波器，采樣速率為44.1KHz，線路輸入端口Z高電壓限制為1V，對(duì)高于1V的信號(hào)采用比例運(yùn)算放大電路衰減后輸入，能適合

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  tfenwqben2946 2011-04-07 00:00:00

  我也在做這個(gè)，可以資源共享下

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  圣伮 2011-03-30 00:00:00

  http://blog.sina.com.cn/s/blog_51863ae80100aziu.html

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  夢(mèng)幻魘憶 2011-04-12 00:00:00

  LabVIEW的虛擬示波器 http://ishare.iask.sina.com.cn/search.php?key=LabVIEW%B5%C4%D0%E9%C4%E2%CA%BE%B2%A8%C6%F7&format=

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