虚拟仪器设计-数据采集系统本科生毕业论文(编辑修改稿)

虚拟仪器设计-数据采集系统本科生毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

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 PCIDAQ 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。 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 ，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。 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： ① 一个 VI 程序的 GUI 之间要保持一致； ② 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。 设计方案的比较 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 HPVEE， 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。 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 ，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。 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。 声卡的硬件结构 图 21 是一个声卡的硬件结构示意图。 一般声卡有 45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 21 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，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 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。 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 25628  ； 16 位的代表 64000216 。 比较之下，一段相同的音乐信息， 16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 ，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 、 、 、 8kHz。 只能达到 FM广播的声音品质； 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。