毕业设计论文-基于声卡的虚拟仪器设计

毕业设计论文-基于声卡的虚拟仪器设计内容摘要：

学 (National Technical University of Athens)电子和计算机工程系用虚拟仪器系统代替传统实验系统用于荧光灯的谐波失真测试。 测试系统包括计算机、 NI 的多功能卡 AT MIO16E虚拟仪器软件包、电压放大器。 虚拟仪器软件用 LabVIEW 编写 ，集传统实验系统中的任意波形发生器、数字示波器、频谱分析仪的功能于一体。 虚拟任意波形发生器的输出经多功能卡送入电压放大器，供给荧光灯；荧光灯的电流和电压由多功能卡采集，送入运行在计算机上的虚拟示波器和频谱仪进行谐波分析。 与传统的实验系统相比，虚拟仪器系统的成本大大降低。 佩恩州立大学 (Penn State University)利用虚拟仪器进行聚合体热量分析。 维也纳大学 ( Wien University)研制了虚拟热量计，可自动采集特定气压和温度下的数据进行热量测定。 近年来，世界各国的虚拟仪器公司 开发了不少虚拟仪器开发平台软件，以便使用者利用这些公司提供的开发平台软件组建自己的虚拟仪器或测试系统，并编制测试软件。 最早和最具影响力的开发软件，是 NI 公司的LabVIEW 软件和 Lab Windows/CVI 开发软件。 LabVIEW 采用 图形化编程方案，是非常实用的开发软件。 国内虚拟仪器的发展及其现状 在国内己有部分院校的实验室引人了虚拟仪器系统，上海复旦大学、上海交通大学、广州暨南大学、华中理工大学、四川联合大学等。 近一、燕山大学本科生毕业设计（论文） 6 两年来这些学校在原有的基础上，又开发了一批新的虚拟仪器系统用于教学和科研。 其中，华中理工大学机械学院工程测试实验室将其开发成果在网上公开展示。 四川联合大学的教师基于虚拟仪器的设计思想，研制了“航空电台二线综合测试仪”将 8 台仪器集成于一体，组成虚拟仪器系统，使用方便、灵活。 清华大学汽车系利用虚拟仪器技术构建的汽车发动机检测系统，用于汽车发动机的出厂检验。 主要检测发动机的功率特性、负荷特性等。 一台发动机检测完后，就可打印出完整的检测报告。 此外，国内己有几家企业在研制 PC 虚拟仪器，哈工大仪器王电子有限责任公司就是其中之一，它的产品已达到一定的批量。 其主要产品有数字存储示波器系 列、任意波形发生器及频率计系列、多通道大容量波形记录仪系列。 国内专家预测：未来的几年内，我国将有 50%的仪器为虚拟仪器，国内将有大批企业使用虚拟仪器系统对生产设备的运行状况进行实时监测。 随着微型计算机的发展，虚拟仪器将会逐步取代传统的测试仪器而成为测试仪器的主流。 虚拟仪器技术的提出与发展，标志着二十一世纪自动测试与电子测量仪器领域技术发展的一个重要方向 ]10[。 虚拟仪器未来发展趋势 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与经济性，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更新的测量课题和测量需求。 “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应用。 图形化编程平台进一步发展与完善是虚拟仪器发展的一个重要方向]11[。 如何使用户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， 是虚拟仪器技术的努力方向 ]12[。 我国还基本处于传统仪表与计算机化仪器互相分离的状态，世界各大相关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。 第１章 绪论 7 本课题研究意义 在虚拟仪器系统中，硬件解决信号的输入和输出，软件可以 方便地修改、改变仪器系统的功能，以适应不同使用者的需要。 其中信号的输入部分一般使用数据采集卡实现，商用的数据采集卡具有较大的通用性，但其价格昂贵。 在具体的应用场合，有些功能可能不实用。 普通声卡具有 16 位的量化精度、数据采集频率是 44kHz，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。 本文利用普通声卡作采集卡，以MATLAB 语言作开发平台，设计实现了一种方便的、灵活性强的虚拟仪器，该系统能够正确采集声卡设计频率范围内的信号 (如 ：声音、脉搏、心电、脑电、电话等 )，对一些应用领域是一种很好的选择。 目前高精度、具有数据存储能力的示波器，由于工艺复杂、技术要求高，因而价格昂贵，所以虚拟数字存储示波器的设计有一定的经济价值；虚拟示波器充分发挥虚拟仪器结构简单、灵活方便、功能丰富、价格低廉、一机多用、能重复开发、可由用户自定义的优势 ]13[。 该虚拟示波器，不仅具有通用示波器的功能，还可同时显示、记录、存储双通道输入的波形。 以便能更清楚地观察波形的变化，使用者可以及时进行数据处理，观察和分析实验结果。 所 以本课题具有一定的研究意义。 本课题的主要工作 本文主要阐述如何由基于 声卡 测试信号分析技术设计虚拟 测试 平台，并 通过 MATLAB环境的软件编程，控制声卡进行采集数据，并对所采集的数据进行分析，包括电压、频域、相位差、频率的测量。 各章安排如下： 第二章主要介绍虚拟仪器的设计方案，分别介绍了虚拟仪器的工作原理及系统构成，介绍了软件和硬件选择的优缺点，最后介绍了具体的软件设计方案，包括 MATLAB的简单介绍，工具箱的介绍，还有仪器功能的一些介绍。 第三章声卡原理及接口函数。 包括声卡原理的介绍，这是我们软 件编程的基础，在声卡原理中分别对声卡的基本功能和声卡的工作过程有了介绍；还讲了声卡的技术参数和接口函数，分别从声卡的技术参数，声卡的燕山大学本科生毕业设计（论文） 8 主要函数操作来讲述这个问题。 第四章虚拟仪器的模块化设计。 把本次毕业设计分成各个模块进行讲解。 包括声卡的设置模块，时域显示模块，频域显示模块，相位测量模块，频率测量模块。 最后对论文进行了总结。 第 2 章 虚拟仪器设计方案 9 第 2 章 虚拟仪器设计方案 虚拟仪器工作原理及系统构成分析 虚拟仪器的应用 虚拟仪器技术的优势在于可由用户定义自己的专用仪器系统，且功能灵活，很容易构建，所以应用面极为广泛。 尤其在科研、开发、测量检测、计量、测控等领域更是不可多得的好工具。 虚拟仪器技术先进，十分符合国际上流行的“硬件软件化”的发展趋势，因而常被称作“软件仪器”。 在仪器计量系统方面，示波器、频谱仪、信号发生器、逻辑分析仪和电压电流表是科研机关、企业研发实验室、大专院所的必备测量设备。 随着计算机技术在测绘系统的广泛应用，传统的仪器设备缺乏相应的计算机接口，因而配合数据采集及数据处理十分困难。 一套完整的实验测量设备少则几万元，多则几十万元。 在同等的性能条件下，相应的虚拟仪器价格要低二分之一甚至更多。 虚拟仪器强大的功能和价格优势，使得它在仪器计量领域具有很强的生命力和十分广阔的前景。 虚拟仪器工作原理 虚拟仪器是在通用计算机上加上一些软件或硬件，使得使用者在操作这台计算机时就像操作一台他自己设计的专用电子仪器。 虚拟仪器的突出特点就是充分利用计算机的资源，将仪器的信号分析与处理、结果表达式与输出放到计算机上来完成。 用计算机屏幕可以形象、方便地模拟各种仪器控制面板，以各种形式表达输出检测结果；用计算机软件可以实现各种各样的信号分析、处理，完成多种多样的测试功能，也可以把仪器 的三大功能模块全部放在计算机上来实现。 在计算机上插数据采集卡，然后利用软件在屏幕上生成仪器面板，用软件来进行信号的分析处理，实现仪器功能，这就是典型的虚拟仪器的工作原理。 而体系结构要根据具体仪器的不同要求来确定的。 工作时先把由传感器转换来的电信号，输入仪器的信号调理电路，经信号调理电路进行放大、整形，然后再经数据采集电路存入内存。 整个过程由软件控制，采集到的数据由软件进行数据分析和处理。 就是说，仪器燕山大学本科生毕业设计（论文） 10 功能的实现在很大程度上取决于应用软件功能的设计。 通过不同功能模块的执行，实现各种仪器的功能，如示波器、万用表 、分析仪等。 这就是“软件就是仪器”的概念。 软件及硬件的选择 虚拟仪器由仪器硬件和功能模块软件两部分组成。 虚拟仪器的硬件主体是电子计算机，通常是个人计算机，也可以是任何通用计算机。 所设计的虚拟数字存储示波器主要是有一块 PCI总线的声卡和用 MATLAB语言开发的功能模块软件组成。 虚拟仪器的功能体系 虚拟仪器主要由硬件和软件两大部分构成，虚拟仪器的构成如图 21。 信 号 调 理现 场 总 线 设 计G P I B 接 口 仪 器数 据 采 集 卡串 行 仪 器 / P L CG P I B 接 口 卡V X I 仪 器P C 机 /工 作 站测控对象 图 21 虚拟仪器基本结构框图 GPIB通用接口总线 VXI 总 线 一种高速计算机总线 硬件的选择 虚拟仪器的硬件系统设计中非常重要的部分是测控功能硬件的选用和调试。 按照测控功能硬件的不同，虚拟仪器可分为 DAQ, GPIB, VXI 和 PXI四种标准体系结构。 第 2 章 虚拟仪器设计方案 11 (1) DAQ(Data Acquisition)数据采集卡，这种方式借助于插人计算机内的数据采集卡与专用的软件如 LabVIEW 相结合 (注 :美国 NI 公司的LabVIEW 是图形化编程工具，它可以通过各种控件自己组建各种仪器 )。 Labview/cvi 是基于文本编程的程序员提供高效的编程工具，通过三种编程语言 Visual C++， Visual Basic,Labview/cvi 构成测试系统，它充分利用计算机的总线、机箱、电源及软件的便利，大大增加测试系统的灵活性和扩展性。 但是受 PC 机机箱和总线限制，且有电源功率不足，机箱内部的噪声电平较高，插槽数目也不多，插槽尺寸比较小，机箱内无屏蔽等缺点。 另外，ISA 总线的虚拟仪器已经淘汰， PCI 总线的虚拟仪器价格比较昂贵。 利用DAQ 可方便快速的组建基于计算机的仪器 (ComputerBased Instruments)。 在价格方面，比其它各种体系结构有着明显优势 ]14[。 (2) GPIB(General Purpose Interface Bus)通用接口总线，是计算机和仪器件的标准通讯协议。 GPIB 的硬件规格和软件协议己经纳入国际工业标准 和 ，是最早的仪器总线。 GPIB 目前数以万计的仪器都配置了 IEEE 488 的 GPIB 接口，在科学研究、自动测试设备等各个领域应用广泛。 典型的 GPIB 测试系统包括一台计算机、一块 GPIB 接口卡和若干台GPIB 仪器。 每台 GPIB 仪器有单独的地址，由计算机控制操作。 系统中的仪器可以增加、减少或更换，只需对计算机的控制软件作相应的改动。 目前这种概念己经被发展应用于仪器内部设计。 虽然 GPIB 是将数据引人计算机的一种方法，但这与使用插人计算机中的卡进行数据采集不同。 通过特殊的协议， GPIB 可以采用握手方式将由别的计算机或仪器采集的数据引入计算机，而数据采集则将信号直接连接在计算机中的数据采集卡上。 (3)VXI(VME Bus extension for Instrumentation)是高速 VME 计算机总线在仪器领域中的扩展。 是 HP 等公司于 1987 年提出， 1992 年成为 IEEE1155标准。 在该系统中围绕机械、电气、控制方式、通信协议、电磁兼容、软面板、驱动程序、 I/O 控制，乃至机箱、印刷电路板的结构、通风结构等作了详细的规定，使不同厂家的 VXI 总线产品相互兼容。 1995 年 VXI 总线联合体将计算机网络传输协议 (TCP)和网络协议 (IP)作为 VXI 总线 版本的补充规范，这样基于 VXI 总线的自动测试系统可直接与计算机系统连网，作为网络内的测量服务器，共享网络资源，执行测量作业。 VXI 系统综合了计算机技术、 GPIB 技术、 PC 仪器技术、接口技术、 VME 总线和模块化燕山大学本科生毕业设计（论文） 12 结构技术的成果 ， 1998 年修订的 VXI20 版本规范采用了 VME 总线的最新进展，提供了 64 位的扩展能力，数据传输率最高可达 80MB/So VXI 系统最多可包含 256 个器件，可组成一个或多个子系统，每个子系统最多可包含 13 个插入式模块，插入同一个机箱内，在组建大、中规模自动测量系统以及对速度、精度要求高的场合，具有其他仪器所无法比拟的优势， VXI总线支持即插即用，人机界面友好，资源利用率高，容易实现系统集成，大大地缩短了研制周期，且便于升级和扩展。 VXI 系统具有稳定可靠的电源、冷却装置、抗电磁干扰、模块化结构、强大的数据吞吐 量 (40MBls)，易于组网等优点。 但是价格相对过高，适合于尖端的测试领域。 (4) PXI (PCI extension for Instru。