虚拟仪器设计-数据采集系统本科生毕业论文.doc

毕毕 业业 设设 计（论计（论 文）文） 虚拟仪器设计虚拟仪器设计-数据采集系统数据采集系统 II 电子科技大学中山学院 毕业设计（论文）任务书 系系 别别 ：电子工程系 专专 业业：05 通信工程 学学 生生 姓姓 名名：学学 号：号： 设设计计( (论论文文) )题题目目： 虚拟仪器设计 -数据采集系统 起起 迄迄 日日 期期: : 2008 年 11 月 1 日 2009 年 5 月 30 日 设设计计( (论论文文) )地地点点: :电子科技大学中山学院 指指 导导 教教 师师: : 专专业业教教研研室室负负责责人人 : : III 毕毕 业业 设设 计（论计（论 文）任文）任 务务 书书 1本毕业设计（论文）课题应达到的目的： 通过毕业设计，能够了解虚拟仪器设计的基本方法和原理，能够运用虚拟仪器设计 软件进行虚拟仪器设计的设计，结合本专业知识学习虚拟仪器设计在现实中的应用。 2本毕业设计（论文）课题任务的内容和要求（包括原始数据、技术要求、 工作要求等）： 1用 LabViewlqwr 设计一套数据采集系统，能够完成该仪器的虚拟功能。 IV 毕毕 业业 设设 计（论计（论 文）任文）任 务务 书书 3对本毕业设计（论文）课题成果的要求包括毕业设计、论文、图表、 实物样品等： 1一套完整的虚拟数据采集系统； 2毕业设计论文。 4主要参考文献： 1.吴成东，孙秋野，盛科.LabVIEW 虚拟仪器程序设计及应用.人民邮电出版社. 2008 年 12 月 2.江建军，刘继光.LabVIEW 程序设计教程.电子工业出版社.2008 年 3 月 3.王磊，陶梅.精通 LabVIEW8.0.电子工业出版社.2008 年 5 月 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明 原创性声明原创性声明 本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师 的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以 标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究 成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而 使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均 已在文中作了明确的说明并表示了谢意。 作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日 期： 使用授权说明使用授权说明 本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文） 的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本； 学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与 阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论 文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 作者签名： 日 期： 学位学位论论文原文原创创性声明性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 日期： 年 月 日 学位学位论论文版文版权权使用授使用授权书权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名：日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 指导教师评阅书指导教师评阅书 指导教师评价：指导教师评价： 一、撰写（设计）过程 1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神 优 良 中 及格 不及格 2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度 优 良 中 及格 不及格 3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力 优 良 中 及格 不及格 4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性 优 良 中 及格 不及格 5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况 优 良 中 及格 不及格 二、论文（设计）质量 1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格 2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格 三、论文（设计）水平 1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格 2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格 3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格 建议成绩：建议成绩： 优优 良良 中中 及格及格 不及格不及格 （在所选等级前的内画“”） 指导教师：指导教师： （签名） 单位：单位： （盖章） 年年 月月 日日 评阅教师评阅书评阅教师评阅书 评阅教师评价：评阅教师评价： 一、一、论论文（文（设计设计） ）质质量量 1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格 2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格 二、二、论论文（文（设计设计）水平）水平 1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格 2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格 3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格 建议成绩：建议成绩： 优优 良良 中中 及格及格 不及格不及格 （在所选等级前的内画“”） 评阅教师：评阅教师： （签名） 单位：单位： （盖章） 年年 月月 日日 教研室（或答辩小组）及教学系意见教研室（或答辩小组）及教学系意见 教研室（或答辩小组）评价：教研室（或答辩小组）评价： 一、答一、答辩过辩过程程 1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况 优 良 中 及格 不及格 2、对答辩问题的反应、理解、表达情况 优 良 中 及格 不及格 3、学生答辩过程中的精神状态 优 良 中 及格 不及格 二、二、论论文（文（设计设计） ）质质量量 1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格 2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格 三、三、论论文（文（设计设计）水平）水平 1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格 2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格 3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格 评定成绩：评定成绩： 优优 良良 中中 及格及格 不及格不及格 （在所选等级前的内画“”） 教研室主任（或答辩小组组长）：教研室主任（或答辩小组组长）： （签名） 年年 月月 日日 教学系意见：教学系意见： 系主任：系主任： （签名） 年年 月月 日日 虚拟仪器设计-数据采集系统 摘 要 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的进行调理和采集。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。 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器等，其价格均不 菲，以毕业设计的目的来说，性价比以及实用程度显的不高。 进而考虑到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，完成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分之一或者几十分之一， 在设计实验中完全可以满足要求。 因此在本设计中，数据采集装置主要基于声卡和 labview 模拟数据采集。利用声卡 实现对数据的采集，制作成一个简易的数据采集系统，能够实现数据采集、模拟采集数 据、波形显示、进行低频滤波四大功能。 关键词：虚拟仪器；数据采集；声卡 Virtual Instrument Design - Data Acquisition System Abstract Virtual Instrument by the General Instrument hardware platform (the hardware platform) and consisted of two major applications. The main hardware platform to complete the conduct of the measured signal conditioning and acquisition. Hardware equipment can be a plug-in data acquisition card and the necessary peripheral circuits (including the signal conditioning circuits, A / D converter, digital I / O, timer, D / A converters, etc.), or with the standard bus interface equipment, such as GPIB, VXI, PXI, STD, PCI bus devices and network equipment and so on. Currently on the market A / D acquisition card and data acquisition cards, as well as the standard bus interface with the equipment, their prices are expensive to design for the purposes of graduation, as well as the usefulness of the significant cost of not very high. To take into account the computer's sound card itself is an A / D, D / A conversion devices, with 16-bit quantization precision, data acquisition frequency is 44.1kHz, completed within the scope of application to meet the specific needs of data collection, individual also better than the commercial performance data acquisition card, and the price of commercial data acquisition card for one-tenth or a few one-tenth of the experiment in the design to meet the requirements completely. Therefore, in this design, data acquisition device is mainly based on the sound card and analog data acquisition labview. The use of sound to achieve the data collection, to create a simple data acquisition system, to achieve data acquisition, analog data acquisition, waveform display, the four major functions for low-frequency filter. Keywords: virtual instrument; data acquisition; sound card 目 录 1 绪论 1 1.1 虚拟仪器概述.1 1.1.1 虚拟仪器的产生.1 1.1.2 虚拟仪器的概念.1 1.1.3 虚拟仪器的构成.2 1.2 虚拟仪器的发展趋势.2 1.3 本文的研究内容 .3 2 数据采集系统的设计 5 2.1 LABVIEW软件创建过程.5 2.2 设计方案的比较.6 2.2.1 软件比较.6 2.2.2 声卡采集数据的特点.7 3 软件模块的设计 .11 3.1 程序的流程图11 3.2 程序的结构图12 3.3 LABVIEW 简介 12 3.3.1 G 语言简介 12 3.3.2 LABVIEW 程序组成13 3.4 数据采集和处理模块14 3.4.1 声音输入配置虚拟仪器 15 3.4.2 声音输入读取虚拟仪器 17 3.4.3 声音输入清除虚拟仪器 18 3.5 数据模拟模块20 3.6 低通滤波模块22 3.7 波形显示模块23 3.8 小结23 4 程序设计显示 .25 4.1 程序的使用方法25 4.1.1 程序的环境25 4.1.2 声卡配置.25 4.2 程序的总框图26 4.3 程序的调试结果26 4.3.1 声卡采集数据的结果 26 4.3.2 模拟采集数据的结果 27 4.4 小结29 5 设计中遇到的问题 .30 6 总结与展望 .31 参考文献 .32 致 谢 33 1 绪论 1.1 虚拟仪器概述 1.1.1 虚拟仪器的产生 虚拟仪器技术是现在计算机系统和仪器系统相结合的产物，是当今计算机辅助测试 领域的一项重要技术。它推动着传统仪器朝着数字化，智能化，模块化，网络化的方向 发展。电子测量仪器发展至今，大体上可以分为四代：模拟仪器、数字化仪器、智能仪 器和虚拟仪器。第一代模拟仪器，这类仪器在某些实验室里还能看到，它是以电磁感应 基本定律为基础的指针式仪器，如指针式万用表、晶体管电压表、指针式电流表等。第 二代数字化仪器，这类仪器现在相当普遍，这类仪器将模拟信号的测量值转化为数字信 号，并以数字方式输出最终结果，适用于快速响应和较高准确度的测量，如数字万用表、 数字频率计等。第三代智能仪器，这类仪器内置微处理器，可以进行自动测试和数据处 理功能，可能代替部分脑力工作，习惯上称为智能仪器。它的功能模块全部都是以硬件 或固定软件的形式存在，无论是开发还是应用，都缺乏灵活性。第四代虚拟仪器，它是 现在计算机软件技术、通信技术和测试技术高速发展孕育出的一项革命性技术，其导致 了传统仪器的结构、概念和设计观点都发生了巨大的变革，它的出现使得人类的测试技 术进入了一个新的发展纪元。 虚拟仪器（Virtual Instruments.简称 VI）的概念，是美国国家仪器公司 （National Instruments Corp.简称 NI）于 1986 年提出的。NI 公司同时也提出了“软 件即仪器”的口号，彻底打破了传统仪器只能由厂家定义，用户无法改变的局面，从而 引起了仪器和自动化工业的一场革命。随着现在硬件和软件技术的飞速发展，仪器的智 能化和虚拟化成为各级实验室以及研究机构发展的方向。虚拟仪器，它既具有传统仪器 的功能，又有别于其他传统仪器。它能够充分利用和发挥现有计算机的先进技术，使仪 器的测试和测量及自动化工业的系统测试和监控变得异常方便和快捷。 1.1.2 虚拟仪器的概念 虚拟仪器是指通过应用程序将计算机、软件的功能模块和仪器硬件结合起来，用户 可以通过友好的图形界面（通常叫做虚拟前面板，简称前面板）来操作这台计算机就像 在操作自己定义、自己设计的一台个人仪器一样，从而完成对被测信号的采集、分析、 判断、显示、数字存储等。虚拟仪器以透明的方式，通过软件对数据的分析处理、表达 以及图形化用户接口，把计算机资源（如微处理器、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）的测试能力和控制能力结合起来。虚拟一起 突破了传统仪器以硬件为主体的模式，实际上使用者是在操作具有测试软件的电子计算 机进行测量，犹如操作一台虚设的电子仪器。 虚拟仪器技术的实质是充分利用最新的计算机技术来实现和扩展传统仪器的功能。 软件是虚拟仪器的关键，当基本硬件确定以后，就可以通过不同的软件实现不同的功能。 用户可以根据自己的需要，设计自己的仪器系统，满足多种多样的应用要求。利用计算 机丰富的软、硬件资源，可以大大突破传统仪器的数据的分析、处理、表达、传递、存 储等方面的限制，达到传统仪器无法比拟的效果。它不仅可以用于电子测量、测试、分 析、计量等领域，而且还可以用于进行设备的监控以及工业过程自动化。虚拟仪器还可 以广泛用于电力工程、物矿勘探、医疗、振动分析、声学分析、故障诊断及教学科研等 多个方面。 1.1.3 虚拟仪器的构成 虚拟仪器从构成要素上讲，由计算机、应用软件和仪器硬件等构成；从构成分式上 讲则由以 DAQ 板和信号调理为仪器硬件而组成的 PC-DAQ 测试系统，或已 GPIB，VXI，Serial 和 Field bus 等标准总线仪器为硬件组成的 GPIB 系统、VXI 系统、 串口系统和现场总线系统等多种形式。虚拟仪器的构成如图 1.1 所示。 显示器 信号分析及处理 器 入机接口各类接口 A/D 转 换器 数据发 生器 信号 调理器 信号 调理器 输入 信号 D/A 转换器 信号 调理器 信号 输出 图 1-1 虚拟仪器的结构 1.2 虚拟仪器的发展趋势 虚拟仪器正在继续迅速发展。它可以取代测量技术在传统领域的各类仪器。虚拟仪 器在组成和改变仪器的功能和技术性能方面具有灵活性和经济性，因而特别适应于当代 科学技术迅速发展和科学研究不断深化所提出的更高跟新的测量课题和测量需要。 “没有 测量就没有鉴别，科学技术就不能前进。 ”虚拟仪器将会在科学技术的各个领域得到广泛 的应用。 图形化编程平台的进一步发展和完善是虚拟仪器发展的一个重要方向。如何使用户 进行少量的学习甚至不需要学习就可使用功能强大的虚拟仪器，如何使用构成简单的虚 拟仪器系统并完成复杂的测试内容，如何帮助用户对测试结果进行分析和判断等内容， 是虚拟仪器技术努力的方向。我国还基本处于传统仪器与计算机化仪器互相分离的状态， 世界各大相关的产品商家都在向中国这个巨大的市场进军。结合我国的实际情况，我们 必须走引进与自行开发相结合的道路。一方面，大力引进国外虚拟仪器方面的生产技术； 另一方面，发展基于计算机的插卡式硬件模块为主的测控技术，发展图形化平台的软件 产品，充分利用我们现有的计算机及测控技术硬件，缩短与国际先进水平的差距。 VXI 总线将成为未来虚拟仪器的理想硬件平台，这是由 VXI 总线的性能决定的；另一 方面，基于 PCI-DAQ 的虚拟仪器系统由于性价比高、灵活性好而受到大多数用户的青睐， 将得到高速的发展。随着计算机硬件、软件技术的迅速发展，虚拟仪器将向高性能、多 功能、集成化、网络化方向发展。 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的进行调理和采集。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。 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器等，其价格均不 菲，以毕业设计的目的来说，性价比以及实用程度显的不高。 进而考虑到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，完成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分之一或者几十分之一， 在设计实验中完全可以满足要求。 因此在本设计中，数据采集装置主要基于声卡和 labview 模拟数据采集。利用声卡 实现对数据的采集，制作成一个简易的数据采集系统，能够实现数据采集、模拟采集数 据、波形显示、进行低频滤波四大功能。 虚拟仪器的发展已经具有快 30 年的历史，声卡采集是不可缺少的内容。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，发展的现状，和本文的研究内容。 第二章，数据采集系统的设计：首先讲述 Labview 软件创建过程，过度到设计方案 的比较，进而讲述了声卡采集数据的特点。 第三章，软件模块的设计：主要介绍了各个功能模块具体设计和实现，包括：数据 采集和处理模块、数据模拟模块、低通滤波模块、波形显示模块等。 第四章，程序设计显示：本章是重点，主要介绍程序的使用方法和程序的调试结果。 第五章，总结与展望和设计中遇到的问题。 2 数据采集系统的设计 数据采集由硬件和功能模块软件两部分组成。本章将详细讨论对数据采集时几种方 案的比较。 2.1 Labview 软件创建过程 创建 Labview 软件的过程大体分为以下五步： （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 确实质要解决的问题） 、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中，开发人员要与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，Windows、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。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，甚至可以分解到要用那些函数的程 度；然后是寻求例程，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，自上而下或者自下而上。 （5）程序测试。测试过程是项目开发的重要组成部分。测试应该从底层的 VI 开始， 然后再测试较大的模块，最后进行整体测试。测试中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。 2.2 设计方案的比较 2.2.1 软件比较 在给定计算机必要的仪器硬件后，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）形象的概况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的开发出应用软件，才能事半功倍。 对于虚拟仪器应用软件的编写，大致可以分为两种方式： （1）通用编程软件进行编写。主要有 Microsoft 公司的 Visual Basic 与 Visual C+，Borland 公司的 Delphi，Sybase 公司的 Power Builder。 （2）用专业图形化编程软件开发。如 HP 公司的 HP-VEE，NI 公司的 LABVIEW 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。设计一个简易数据采集系 统，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作平台（Laboratory Virtual Instrument 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。LABVIEW 的前面板可以包括 旋钮、刻度盘、开关、图表和其他界面工具，允许用户通过键盘或鼠标获取数据并显示 结果。LABVIEW 具有模块化特性，有利于程序的可重用性。LABVIEW 将软件的界面设计和 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 接受指令，使程序简单明了，充分发挥了图形化编程环境的优点。这就大大缩短了虚拟 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件技术 实现软面板的设计，这使程序设计变得非常麻烦。 LABVIEW 虽然是为计算机测控领域开发的，但它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 作为开发环境具有的优点总结如下所述： （1）图形编程化，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，对于大多数应用程序，用户可以从例子中取得程序 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 中的动态链接库（DLL）中的函数以 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） 、对象联接与嵌入（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，可遥控分布在其他微机上的虚拟仪 器设备； （9）为加强 LABVIEW 的功能，适应各种工业应用的需要，NI 公司又开发了一系列与 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 是至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。因此用 LABVIEW 来做数据采集设计是很好的选择。 2.2.2 声卡采集数据的特点 商用数据采集卡具有较大的通用性，但其价格比较昂贵，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。 计算机中的声卡本身就是一个 A/D，D/A 的转化装置，并且造价低廉，对于设计者而 言，在 PC 上完成数据采集的任务，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，数据采集装置主要基于声卡和数据模拟波形。 1、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内数据采集卡，是计算机与外 部的模拟量间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 接口三个部分。 （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、VCD、DVD、MP3 和卡拉 OK 等。注意，在录制和 回放时，不仅要进行 D/A 和 A/D 转换，还要进行压缩和解压缩处理。 （2）编辑和合成处理 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和混合。 （3）MIDI（Musical Instrument Digital Interface 乐器数字接口）接口 通过 MIDI 接口和波表合成，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，很自然的就可以联想到 用声卡实现示波器、信号处理器、频谱分析仪等虚拟仪器。 2、声卡的硬件结构 图 2-1 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 Ware Out 和 SPK Out。Ware 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。 图 2-1 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，显然这个信号较易受干扰，因而常使用 Line In，它可以接入幅值约为不超 过 1.5V 的信号。注意，这两个输入端口都有隔直电容，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一个通道。 另外这两个通道是共地的。 3、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。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，它客观的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；16 位的代表。比较之下，一段相同的音乐信息，162562864000216 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， 最终采样效果当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为 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、8kHz。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，虽然理论上没有问题，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。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 与一般数据采样卡不同，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的完成某个任务，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。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 响应中断频度，节省了系统 资源。声卡输出声音是的 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，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，可以较好的保证声卡与 CPU 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 D/A 还是 A/D 在使用时，都需要用户自己参照基 准电压进行标定。 4、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。 5、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。下面介绍对 Line In 和 Mic In 的 检查和设置。 按图 2-2 所示，在“选项”菜单下选“属性” ，得到图 2-2（b）图所示的对话框，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