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

　　2.3 虛擬信號(hào)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(gè)控件在程序框圖中都有相應(yīng)的接線端與之對(duì)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(gè)程序的流程和數(shù)據(jù)傳遞。虛擬信號(hào)發(fā)生器的程序框圖主要包括3個(gè)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(hào)。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(chǔ)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(duì)高于1 V的信號(hào)采用比例運(yùn)算放大電路衰減后輸入，能適合很多場(chǎng)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(gè)重要指標(biāo)分別是分辨力(指能辨別一個(gè)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(shí)鐘信號(hào)采樣點(diǎn)的時(shí)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(gè)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(hào)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(gè)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(duì)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(gè)友好的圖形界面，模擬傳統(tǒng)儀器操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(hào)波形圖和信號(hào)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(hào)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(duì)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(shí)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(hào)(已由模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào))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(gè)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。