基于聲卡和LabVIEW的虛擬儀器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：為了在對采樣頻率要求不高的情況下進(jìn)行信號的生成和分析，采用聲卡取代價(jià)格昂貴的數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采樣和輸出，利用虛擬儀器開發(fā)軟件LabVIEW，分別設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了基于聲卡的虛擬信號發(fā)生器和虛擬示波器。信號發(fā)生器可以產(chǎn)生方波、三角波等常用波形和自定義波形，示波器具有波形顯示、圖像暫停和截取以及頻譜分析功能，所設(shè)計(jì)的虛擬儀器具有友好的人機(jī)界面，只需兩臺計(jì)算機(jī)即可進(jìn)行完整的自測試。

在電子與通信行業(yè)以及試驗(yàn)測試中，信號發(fā)生器和示波器是應(yīng)用最廣泛的電子測量儀器。傳統(tǒng)儀器的技術(shù)和性能都已經(jīng)比較成熟，但存在體積較大、不易攜帶、功能固定、并且價(jià)格昂貴等缺點(diǎn)。虛擬儀器是計(jì)算機(jī)技術(shù)與儀器技術(shù)深層次結(jié)合產(chǎn)生的產(chǎn)物，代表了當(dāng)前測試儀器的發(fā)展方向之一。虛擬儀器系統(tǒng)的必備組件包括功能強(qiáng)大的編程工具、靈活易用的數(shù)據(jù)采集硬件及個人電腦。在實(shí)際測量中，需根據(jù)需求選擇相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集卡，但這些卡的價(jià)格均比較昂貴，而同樣具備A/D功能的聲卡是一個非常優(yōu)秀的音頻信號采集系統(tǒng)，具有16位量化精度，數(shù)據(jù)采集頻率可達(dá)到44.1 kHz且已成為大多數(shù)計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置，當(dāng)所研究信號的頻率范圍在音頻范圍內(nèi)(20 Hz～20 kHz)時，利用聲卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集便是一個更好的選擇。

文中基于虛擬儀器的設(shè)計(jì)概念，利用方便廉價(jià)的計(jì)算機(jī)聲卡分別設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了虛擬信號發(fā)生器和虛擬示波器，特別適合于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下低頻信號的產(chǎn)生與分析。本文使用聲卡進(jìn)行A/D、D/A轉(zhuǎn)換以及信號的采集和播放，使用LabVIEW軟件設(shè)計(jì)了虛擬儀器的前面板并實(shí)現(xiàn)相關(guān)信號的運(yùn)算、分析和處理。所設(shè)計(jì)的虛擬信號發(fā)生器和示波器具有傳統(tǒng)儀器的功能，相比于傳統(tǒng)儀器，具有成本低廉、使用方便、擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

1 虛擬儀器技術(shù)和聲卡工作原理

1. 1 虛擬儀器的特點(diǎn)

虛擬儀器首先是由美國國家儀器公司于20世紀(jì)80年代中期提出來的，實(shí)現(xiàn)“軟件即儀器”的概念。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和大規(guī)模集成電路的飛速發(fā)展，虛擬儀器技術(shù)也得到了很大的發(fā)展。虛擬儀器的實(shí)質(zhì)是將傳統(tǒng)儀器硬件和計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)結(jié)合起來，以實(shí)現(xiàn)并擴(kuò)展儀器的功能。計(jì)算機(jī)軟件是虛擬儀器的核心，硬件只是為了解決信號的輸入輸出，虛擬儀器集成了儀器的所有采集、控制、數(shù)據(jù)分析、結(jié)果輸出和用戶界面等功能，使傳統(tǒng)儀器的部分硬件甚至整個儀器都被計(jì)算機(jī)軟件代替。

虛擬儀器實(shí)現(xiàn)了儀器的智能化、模塊化和多樣化，體現(xiàn)出多功能、低成本等操作優(yōu)點(diǎn)。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器具有更廣的應(yīng)用領(lǐng)域，因此它成為儀器行業(yè)發(fā)展的一個重要方向，并受到許多國家儀器行業(yè)的重視。

虛擬儀器開發(fā)平臺目前主要有兩類：一類是基于傳統(tǒng)語言的Turbo C，Microsoft公司的Visual Basic與Visual C++等，這類語言需要開發(fā)人員有較多的編程經(jīng)驗(yàn)和較強(qiáng)的調(diào)試能力;另一類是專業(yè)圖形化編程軟件，如HP公司的VEE，NI公司的LabVIEW和LabWindows/CVI等。

1. 2 LabVIEW開發(fā)平臺

LabVIEW是一個很好的圖形化開發(fā)環(huán)境，專為數(shù)據(jù)采集和儀器控制而設(shè)計(jì)，它將信號采集、測量分析和數(shù)據(jù)顯示功能集中在同一個開放式的開發(fā)環(huán)境中。LabVIEW具有豐富的庫函數(shù)供用戶調(diào)用，圖形化的編程語言簡單直觀、開發(fā)速度快，在編寫程序的同時可以自動生成圖形化用戶界面，可充分利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算和顯示功能，被廣泛應(yīng)用與自動控制和測試領(lǐng)域中。

1. 3 聲卡工作原理

聲音的本質(zhì)是一種波，表現(xiàn)為振幅、頻率和相位等物理量的連續(xù)變化。聲卡是計(jì)算機(jī)進(jìn)行聲音處理的適配器，它有3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)字信號處理(DSP)功能;三是模擬聲音信號的輸入和輸出功能。聲卡是一個非常優(yōu)秀的音頻信號采集系統(tǒng)，其數(shù)字信號處理包括模數(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，DAC則用于重現(xiàn)這些數(shù)字聲音。

聲卡的技術(shù)指標(biāo)包括采樣頻率、采樣位數(shù)(量化精度)、聲道數(shù)、復(fù)音數(shù)量、信噪比(SNR)和總諧波失真(THD)等，其中采樣頻率、采樣位數(shù)是主要指標(biāo)?，F(xiàn)在的聲卡一般采用PCI接口，具有16位采樣精度，支持雙通道，最高采樣頻率達(dá)44.1kHz。

聲卡已成為多媒體計(jì)算機(jī)的一個標(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)，驅(qū)動程序升級方便，可以不受硬件限制，安裝在多臺計(jì)算機(jī)上，具有很好的可行性。

2 虛擬信號發(fā)生器設(shè)計(jì)

文中在LabVIEW開發(fā)平臺下設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了雙通道虛擬信號發(fā)生器，設(shè)計(jì)中主要利用了LabVIEW提供的聲卡驅(qū)動函數(shù)，所設(shè)計(jì)的雙通道虛擬信號發(fā)生器能夠產(chǎn)生常用的基本波形，并且實(shí)現(xiàn)了頻率顯示，頻率調(diào)節(jié)，幅值調(diào)節(jié)，直流偏置調(diào)節(jié)和頻率掃描等功能。整個程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用在LabVIEW狀態(tài)機(jī)的基礎(chǔ)上引入事件結(jié)構(gòu)的方法，提高了程序的運(yùn)行效率。

2.1 LabVIEW中有關(guān)聲卡信號輸出的主要函數(shù)

在虛擬信號發(fā)生器的設(shè)計(jì)中，用到了LabVIEW軟件“聲音輸出”模塊部分的函數(shù)，如圖1所示。下面對設(shè)計(jì)過程中用到的主要函數(shù)及其功能作簡單介紹：

1)“配置聲音輸出”函數(shù)。該函數(shù)的作用是配置一個生成數(shù)據(jù)的聲音輸出設(shè)備，初始化聲卡的配置，包括采樣頻率，采樣模式，聲卡參數(shù)等。

2)“設(shè)置聲音輸出音量”函數(shù)。該函數(shù)用來設(shè)置聲音輸出設(shè)備的播放音量。

3)“寫入聲音輸出”函數(shù)。該函數(shù)將準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)寫入聲卡驅(qū)動程序進(jìn)行播放輸出。

4)“聲音輸出清零”函數(shù)。該函數(shù)使設(shè)備停止播放音頻，清空緩存，將任務(wù)返回至默認(rèn)的未配置的狀態(tài)，并清空與任務(wù)相關(guān)的資源，將任務(wù)變?yōu)闊o效。

2.2 虛擬信號發(fā)生器的前面板設(shè)計(jì)

前面板為用戶提供了友好的操作界面，本文根據(jù)傳統(tǒng)儀器的操作面板和本儀器所能實(shí)現(xiàn)的功能設(shè)計(jì)了虛擬信號發(fā)生器的前面板，如圖2所示。前面板主要由四個部分組成，包括波形顯示部分、公共參數(shù)設(shè)置部分、CH1通道和CH2通道設(shè)置部分。波形顯示部分用于顯示兩個通道的輸出波形，公共參數(shù)設(shè)置部分用于設(shè)置聲卡的采樣率、通道數(shù)、采樣位數(shù)、緩沖區(qū)大小和音量，CH1和CH2通道進(jìn)行設(shè)置每個通道生成的波形參數(shù)，包括波形類型、頻率、偏移量、幅度、方波占空比、噪聲等，并可以利用公式輸出自定義波形。

2.3 虛擬信號發(fā)生器的程序框圖設(shè)計(jì)

程序框圖是圖形化的源代碼，前面板中的每個控件在程序框圖中都有相應(yīng)的接線端與之對應(yīng)，通過數(shù)據(jù)連線和不同的程序結(jié)構(gòu)即可控制整個程序的流程和數(shù)據(jù)傳遞。虛擬信號發(fā)生器的程序框圖主要包括3個模塊：聲卡配置模塊、波形設(shè)置模塊和波形輸出模塊，如圖3所示。

聲卡配置模塊首先設(shè)置“配置聲音輸出”函數(shù)，本設(shè)計(jì)將聲卡設(shè)置為連續(xù)采樣，每通道緩沖數(shù)和聲音格式都可以在前面板進(jìn)行設(shè)置。然后將采樣信息傳輸?shù)?ldquo;波形設(shè)置模塊”，選擇所要產(chǎn)生波形的類型。

波形設(shè)置模塊使用條件結(jié)構(gòu)選擇不同類型的波形，可以分別選擇正弦波、方波、鋸齒波、三角波、高斯白噪聲、疊加正弦波以及自定義波形。該模塊還可以設(shè)置相應(yīng)的波形參數(shù)，包括頻率、幅度、偏移量和方波占空比。

數(shù)據(jù)輸出模塊調(diào)用“寫入聲音輸出”函數(shù)，通過聲音輸出設(shè)備輸出聲音信號。最后由“聲音輸出清零”清空緩沖區(qū)，結(jié)束任務(wù)。

3 虛擬示波器設(shè)計(jì)

本文利用LabVIEW中的數(shù)字聲音記錄節(jié)點(diǎn)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于聲卡的虛擬雙蹤數(shù)字存儲示波器，采樣頻率為44.1 kHz，線路輸入端口最高電壓限制為1 V，對高于1 V的信號采用比例運(yùn)算放大電路衰減后輸入，能適合很多場合的需要。

設(shè)計(jì)的虛擬示波器的技術(shù)指標(biāo)如下：

1)輸入頻率范圍：10～20 000 Hz;

2)通道數(shù)：2;

3)采樣頻率：44.1 kHz;

4)ADC分辨率：16位。

虛擬示波器的兩個重要指標(biāo)分別是分辨力(指能辨別一個物體不同部分的能力)和精度。其中分辨力包括水平分辨力和垂直分辨力，精度也包括水平和垂直兩種精度。虛擬示波器的水平分辨力是由時鐘信號采樣點(diǎn)的時間間隔決定的。采樣頻率越高，水平分辨力就越高。虛擬示波器的垂直分辨力是由模數(shù)轉(zhuǎn)換器的位數(shù)決定的，n位的轉(zhuǎn)換器有2-n的分辨力。因?yàn)樗捎玫穆暱ㄊ?6位的，其在垂直方向上可以分辨出65536個數(shù)據(jù)點(diǎn)，分辨力為1/65536。虛擬示波器的垂直精度受模數(shù)轉(zhuǎn)換器精度的限制，一般要比分辨力低。

3.1 LabVIEW中有關(guān)聲卡信號采集的主要函數(shù)

在LabVIEW的函數(shù)選板下有“聲音”選項(xiàng)，在該選項(xiàng)下，LabVIEW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)主要分為兩大模塊：聲音輸入和聲音輸出。在虛擬示波器程序設(shè)計(jì)中主要用到的是“聲音輸入”模塊，如圖4所示。

1)“配置聲音輸入”函數(shù)。該函數(shù)的作用是配置聲音輸入設(shè)備，采集數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)存放到緩沖區(qū)，后面使用“讀取聲音輸入”VI將數(shù)據(jù)從緩沖區(qū)讀入。

2)“讀取聲音輸入”函數(shù)。該函數(shù)的作用是將數(shù)據(jù)從緩沖區(qū)讀入。在使用該VI之前，必須使用“配置聲音輸入”VI來配置設(shè)備。

3)“聲音輸入清零”函數(shù)。一般聲音輸出設(shè)備不可共享，若在某個程序運(yùn)行之前，設(shè)備已經(jīng)被其他程序占用，則此應(yīng)用程序不能再使用該設(shè)備，所以，在程序中一旦對聲卡使用完畢，應(yīng)該立即釋放。該函數(shù)的主要作用是使設(shè)備停止聲音數(shù)據(jù)采集，清空緩存，從任務(wù)返回至默認(rèn)的未配置的狀態(tài)，并清空與任務(wù)相關(guān)的資源，任務(wù)變?yōu)闊o效。

3.2 虛擬示波器的前面板設(shè)計(jì)

前面板用來提供用戶與虛擬示波器的接口，通過一個友好的圖形界面，模擬傳統(tǒng)儀器操作，實(shí)現(xiàn)對虛擬示波器的控制，并且顯示數(shù)據(jù)處理結(jié)果。

本文設(shè)計(jì)的虛擬示波器的前面板如圖5所示，按照功能來分，顯示屏可以分別顯示原信號波形圖和信號的頻譜圖，波形圖開關(guān)、頻譜圖開關(guān)可以暫停畫面便于保存截圖，保存圖像按鈕可以將截圖保存為bmp圖像，通道選擇部分可以選擇單通道或是雙通道一起顯示，觸發(fā)部分可以調(diào)控信號的觸發(fā)源、觸發(fā)極性以及觸發(fā)電位，標(biāo)定比率便于標(biāo)定電壓，采樣數(shù)用于確定采樣精度，定位部分可以分別調(diào)節(jié)顯示精度、幅度和偏移，信息按鈕可以顯示相關(guān)制作信息。

3.3 虛擬示波器的程序框圖設(shè)計(jì)

3.3.1 總體設(shè)計(jì)

虛擬示波器的程序框圖主要包括數(shù)據(jù)采集模塊，波形顯示模塊，頻譜分析模塊，XY軸設(shè)置模塊，觸發(fā)設(shè)置模塊，圖像暫停與截圖模塊和信息顯示模塊7大部分，如圖6所示。下面結(jié)合虛擬示波器的相關(guān)功能模塊來分別介紹對應(yīng)的程序框圖。

3.3.2 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊利用聲卡數(shù)據(jù)采集函數(shù)完成聲卡采集時一些必要參數(shù)的設(shè)置，如聲卡采樣模式、采樣數(shù)、設(shè)備ID等，并將聲卡采集到的信號(已由模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號)傳送給波形顯示模塊。其工作流程如下：

1)使用配置聲音輸入函數(shù)確定聲卡的參數(shù)和數(shù)字聲音格式，如緩沖區(qū)大小、采樣速率、采樣模式(固定點(diǎn)數(shù)采樣或連續(xù)采樣)、采樣通道數(shù)、樣本位數(shù)(16 bit或8 bit)，本設(shè)計(jì)的虛擬示波器采用雙通道連續(xù)采樣，采樣頻率為44100，樣本位數(shù)為16，每通道采樣數(shù)可以在前面板上設(shè)置。

2)使用讀取聲音輸入函數(shù)從緩沖區(qū)中讀取采樣數(shù)據(jù)，從采集到的波形數(shù)組中選擇一個波形送到波形顯示模塊，使用while循環(huán)使采樣連續(xù)進(jìn)行。

3)使用聲音輸入清零函數(shù)停止數(shù)據(jù)采集，清空緩存，從任務(wù)返回至默認(rèn)的未配置的狀態(tài)，并清空與任務(wù)相關(guān)的資源，使任務(wù)變?yōu)闊o效。

3.3.3 波形顯示和頻譜分析模塊

信號從數(shù)據(jù)采集模塊輸出后乘以標(biāo)定比率，然后分成兩路，一路直接進(jìn)入波形圖控件在前面板顯示信號的時域波形，另一路進(jìn)行FFT分析后再輸入波形圖控件在前面板顯示信號的頻譜圖。

3.3.4 XY軸設(shè)置模塊

波形顯示模塊負(fù)責(zé)顯示波形，并且可以通過旋鈕來控制X軸和Y軸量程和偏移，同時根據(jù)通道的選擇(通道A或者通道B)顯示相應(yīng)的波形。

X軸控制是時間軸調(diào)節(jié)。“X軸精度”調(diào)節(jié)每刻度顯示的時間長度。在該控件中設(shè)置6個檔位，檔位越小顯示的越精確。“X軸精度”中0.5ms/div檔表示時間軸是從0～0.003 s，增量為0.5 ms，起始時刻為0。由于屏幕大小限制，還需要“X軸偏移”來調(diào)節(jié)屏幕標(biāo)尺來顯示其他部分的波形，在該控件中設(shè)置了14個檔位，檔位每增加一位屏幕顯示向右移動一格。

Y軸控制是幅度調(diào)節(jié)。“Volts/Div”調(diào)節(jié)每刻度顯示的電壓值，在該控件中設(shè)置5個檔位，檔位越高每格顯示的電壓越大精確度越低。“Y軸偏移”控制信號在Y軸方向上下移動，該控件與信號相加可以使信號整體向上或者向下移動。設(shè)標(biāo)定比率為N，則Y軸偏移的范圍為-N～+N。

3.3.5 觸發(fā)控制模塊

示波器的觸發(fā)功能可以穩(wěn)定重復(fù)的波形，捕獲單次波形，這對清楚地檢定信號至關(guān)重要。虛擬示波器觸發(fā)控制模塊通過子VI來實(shí)現(xiàn)，如圖7所示。的輸入端有波形數(shù)據(jù)輸入(通道A、通道B)、觸發(fā)極性(Slope)輸入(上升沿、下降沿)、觸發(fā)電平(Ievel)輸入、觸發(fā)源(Source)輸入(內(nèi)觸發(fā)、外觸發(fā))。

程序運(yùn)行后，首先判斷用戶觸發(fā)源的選擇，當(dāng)觸發(fā)源選擇“外觸發(fā)”時，直接將輸出的波形數(shù)據(jù)輸出;當(dāng)觸發(fā)源選擇“內(nèi)觸發(fā)”時，執(zhí)行邊沿子VI。

邊沿子VI由一個波形數(shù)組索引實(shí)現(xiàn)，該子程序?qū)崿F(xiàn)選擇觸發(fā)源、根據(jù)觸發(fā)電平的大小和觸發(fā)極性進(jìn)行觸發(fā)的功能。其原理如圖8所示，首先判斷用戶設(shè)置的觸發(fā)電平大小是否在波峰和波谷范圍內(nèi)，在此范圍內(nèi)則進(jìn)行觸發(fā)。對輸入電壓信號的第i點(diǎn)和i+1點(diǎn)的值進(jìn)行比較，正極性觸發(fā)時，若第i點(diǎn)的值等于或小于觸發(fā)電平，同時第i+1點(diǎn)的值大于觸發(fā)電平，則第i點(diǎn)為觸發(fā)點(diǎn)，將此值送入觸發(fā)子VI數(shù)組子集函數(shù)的“ind ex”端口，每次采集數(shù)據(jù)后，都從觸發(fā)點(diǎn)開始提取子數(shù)組，送入前面板，實(shí)現(xiàn)波形的同步顯示。負(fù)極性觸發(fā)時與之相反。

3.3.6 圖像暫停與截圖模塊

圖像暫停模塊通過條件結(jié)構(gòu)來選擇相應(yīng)的程序，當(dāng)前面板的開關(guān)撥到“工作”時，執(zhí)行“真”條件分支，前面板正常顯示波形，當(dāng)開關(guān)撥到“暫停”，執(zhí)行“假”條件分支，數(shù)據(jù)不再輸入給波形圖控件，前面板顯示的波形靜止。

截圖保存模塊通過波形圖的屬性節(jié)點(diǎn)Get Image來實(shí)現(xiàn)，可以將當(dāng)前顯示的波形截圖并保存為bmp格式圖片。需要截圖時先用暫停功能將波形靜止，再保存截圖。

4 結(jié)論

文中基于聲卡和LabVIEW圖形化編程軟件開發(fā)了虛擬信號發(fā)生器和虛擬示波器，特別適合于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下低頻信號的產(chǎn)生與分析。所設(shè)計(jì)的虛擬信號發(fā)生器和示波器具備傳統(tǒng)儀器的功能，相比于傳統(tǒng)儀器，具有成本低廉、靈活性好、擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。但在實(shí)際應(yīng)用中，它也存在一些缺陷，例如聲卡對輸入信號的電壓要求不能超過1 V，即有幅度限制;根據(jù)奈奎斯特采樣定理，當(dāng)采樣頻率為44 kHz時，理論上能測量的信號最高頻率為22 kHz，但實(shí)際上所能準(zhǔn)確測量的信號頻率達(dá)不到該理論值，即頻率限制。后續(xù)工作中需要設(shè)計(jì)外圍的放大和衰減電路以增大可測信號的動態(tài)范圍，并對儀器的功能進(jìn)行完善。