基于LabVIEW和聲卡的虛擬儀器設計與實(shí)現

　　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)格昂貴的數據采集卡進(jìn)行采樣和輸出，利用虛擬儀器開(kāi)發(fā)軟件LabVIEW，分別設計和實(shí)現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，所設計的虛擬儀器具有友好的人機界面，只需兩臺計算機即可進(jìn)行完整的自測試。

　　在電子與通信行業(yè)以及試驗測試中，信號發(fā)生器和示波器是應用最廣泛的電子測量?jì)x器。傳統儀器的技術(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)。虛擬儀器是計算機技術(shù)與儀器技術(shù)深層次結合產(chǎn)生的產(chǎn)物，代表了當前測試儀器的發(fā)展方向之一。虛擬儀器系統的必備組件包括功能強大的編程工具、靈活易用的數據采集硬件及個(gè)人電腦。在實(shí)際測量中，需根據需求選擇相應的數據采集卡，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(gè)非常優(yōu)秀的音頻信號采集系統，具有16位量化精度，數據采集頻率可達到44.1 kHz且已成為大多數計算機的標準配置，當所研究信號的頻率范圍在音頻范圍內(20 Hz～20 kHz)時(shí)，利用聲卡進(jìn)行數據采集便是一個(gè)更好的選擇。

　　文中基于虛擬儀器的設計概念，利用方便廉價(jià)的計算機聲卡分別設計和實(shí)現了虛擬信號發(fā)生器和虛擬示波器，特別適合于實(shí)驗室環(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轉換以及信號的采集和播放，使用LabVIEW軟件設計了虛擬儀器的前面板并實(shí)現相關(guān)信號的運算、分析和處理。所設計的虛擬信號發(fā)生器和示波器具有傳統儀器的功能，相比于傳統儀器，具有成本低廉、使用方便、擴展性強等優(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80年代中期提出來(lái)的，實(shí)現“軟件即儀器”的概念。隨著(zhù)計算機技術(shù)和大規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)是將傳統儀器硬件和計算機軟件技術(shù)結合起來(lái)，以實(shí)現并擴展儀器的功能。計算機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、數據分析、結果輸出和用戶(hù)界面等功能，使傳統儀器的部分硬件甚至整個(gè)儀器都被計算機軟件代替。

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

　　虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺目前主要有兩類(lèi)：一類(lèi)是基于傳統語(yǔ)言的Turbo C，Microsoft公司的Visual Basic與Visual C++等，這類(lèi)語(yǔ)言需要開(kāi)發(fā)人員有較多的編程經(jīng)驗和較強的調試能力;另一類(lèi)是專(zhuān)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(kāi)發(fā)平臺

　　LabVIEW是一個(gè)很好的圖形化開(kāi)發(fā)環(huán)境，專(zhuān)為數據采集和儀器控制而設計，它將信號采集、測量分析和數據顯示功能集中在同一個(gè)開(kāi)放式的開(kāi)發(fā)環(huán)境中。LabVIEW具有豐富的庫函數供用戶(hù)調用，圖形化的編程語(yǔ)言簡(jiǎn)單直觀(guān)、開(kāi)發(fā)速度快，在編寫(xiě)程序的同時(shí)可以自動(dòng)生成圖形化用戶(hù)界面，可充分利用計算機強大的計算和顯示功能，被廣泛應用與自動(dòng)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，表現為振幅、頻率和相位等物理量的連續變化。聲卡是計算機進(jìn)行聲音處理的適配器，它有3個(gè)基本功能：一是音樂(lè )合成發(fā)音功能;二是混音器(Mixer)功能和數字信號處理(DSP)功能;三是模擬聲音信號的輸入和輸出功能。聲卡是一個(gè)非常優(yōu)秀的音頻信號采集系統，其數字信號處理包括模數變換器ADC(Analogue Digital Converter)和數模變換器DAC(Digital Analogue Converter)，ADC用于采集音頻信號，DAC則用于重現這些數字聲音。

　　聲卡的技術(shù)指標包括采樣頻率、采樣位數(量化精度)、聲道數、復音數量、信噪比(SNR)和總諧波失真(THD)等，其中采樣頻率、采樣位數是主要指標?，F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44.1kHz。

　　聲卡已成為多媒體計算機的一個(gè)標準配置，因此基于聲卡的虛擬儀器具有成本低，兼容性好，通用性和靈活性強的優(yōu)點(diǎn)，驅動(dòng)程序升級方便，可以不受硬件限制，安裝在多臺計算機上，具有很好的可行性。

　　2 虛擬信號發(fā)生器設計

　　文中在LabVIEW開(kāi)發(fā)平臺下設計并實(shí)現了雙通道虛擬信號發(fā)生器，設計中主要利用了LabVIEW提供的聲卡驅動(dòng)函數，所設計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)現了頻率顯示，頻率調節，幅值調節，直流偏置調節和頻率掃描等功能。整個(gè)程序結構設計采用在LabVIEW狀態(tài)機的基礎上引入事件結構的方法，提高了程序的運行效率。

　　2.1 LabVIEW中有關(guān)聲卡信號輸出的主要函數

　　在虛擬信號發(fā)生器的設計中，用到了LabVIEW軟件“聲音輸出”模塊部分的函數，如圖1所示。下面對設計過(guò)程中用到的主要函數及其功能作簡(jiǎn)單介紹：

　　1)“配置聲音輸出”函數。該函數的作用是配置一個(gè)生成數據的聲音輸出設備，初始化聲卡的配置，包括采樣頻率，采樣模式，聲卡參數等。

　　2)“設置聲音輸出音量”函數。該函數用來(lái)設置聲音輸出設備的播放音量。

　　3)“寫(xiě)入聲音輸出”函數。該函數將準備好的數據寫(xiě)入聲卡驅動(dòng)程序進(jìn)行播放輸出。

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

　　2.2 虛擬信號發(fā)生器的前面板設計

　　前面板為用戶(hù)提供了友好的操作界面，本文根據傳統儀器的操作面板和本儀器所能實(shí)現的功能設計了虛擬信號發(fā)生器的前面板，如圖2所示。前面板主要由四個(gè)部分組成，包括波形顯示部分、公共參數設置部分、CH1通道和CH2通道設置部分。波形顯示部分用于顯示兩個(gè)通道的輸出波形，公共參數設置部分用于設置聲卡的采樣率、通道數、采樣位數、緩沖區大小和音量，CH1和CH2通道進(jìn)行設置每個(gè)通道生成的波形參數，包括波形類(lèi)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。