虚拟示波器基于声卡的设计与实现.doc

虚拟示波器基于声卡的设计与实现发布日期:2005-09-13作者:温红艳高静涛来源:微计算机信息摘要：介绍了虚拟仪器的特点和组成。基于LabVIEW开发系统，用普通PC机的声卡代替价格昂贵的商用数据采集卡，设计了一个简单的虚拟示波器，该系统能够正确采集声卡设计频率范围内的信号，可以实现基本示波器的测量功能和频谱分析功能。关键词：声卡；虚拟仪器；LabVIEW；示波器1引言虚拟仪器技术的提出和发展，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。所谓虚拟仪器，就是在通用的计算机平台上定义和设计仪器的测试功能，使用者在操作这台计算机时就像在使用一台自己设计的专用的传统电子仪器。操作人员可通过友好的图形化用户界面和图形化编程语言来控制仪器的启动、运行和结束，完成对被测信号的数据采集、信号分析、谱图显示、波形图显示、故障诊断、数据存储以及控制输出等功能。虚拟仪器系统中，硬件解决信号的输入和输出，软件可以很方便地修改，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。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。2虚拟仪器软件开发工具LabVIEW介绍LabVIEW是一种基于G语言(Graphicalprogramminglanguage)的可视化(图形化)优秀开发平台，主要用于数据的采集、分析、处理和表达，总线接口、VXI仪器以及GPIB与串口仪器的驱动程序编制和驱动虚拟仪器。它与C、Pascal等传统编程语言有着诸多相似之处，如相似的数据类型、数据流控制结构、程序调试工具等。与传统编程语言最大的区别是LabVIEW使用图形语言(即各种图标、图形符号、连线等)，以框图的形式编写程序。一个LabVIEW程序包括三个主要部分：前面板、框图程序、图标/接线端口。前面板是交互式图形化用户界面，用于设置输入数值和观察输出量。框图程序是利用图形语言对前面板的控制量和指示量进行控制。图标/接线端口用于把LabVIEW程序定义成一个子程序，以便在其它程序中加以调用[1]。3虚拟示波器的设计与实现本虚拟数字示波器主要由普通的声卡和相应的软件组成。其操作与显示主面板如图1所示。图1虚拟示波器前面板图3.1数据采集的实现在一块声卡上有晶振、AD/DA转换芯片和数字信号处理芯片及其他辅助电路。因此，它可以作为数据采集卡使用，不过被采信号的频率被限制在音频范围之内。设定了采样频率、采样位数、缓冲区大小之后，再利用声卡的DMA方式进行数据采集工作[2]。本文在LabVIEW环境下，借助硬件驱动程序对声卡的采样频率、采样位数、缓冲区大小等分别进行控制，根据用户的需要调整波形显示，进行波形分析，从而构成功能强大的虚拟存储示波器。本虚拟示波器所能测量的信号全部为弱电，大约为1VAC以下的信号(一般由声卡的性能决定)，如果需要测量更大的信号，需要将信号衰减到量程以内。3.2软件设计虚拟示波器主要由软件控制完成参数的设置，信号的采集、处理和显示。系统软件总体上包括音频参数的设置，音频信号的采集、波形显示、频谱分析及波形存储和回放等五大模块，功能结构框图如图2所示。3.2.1音频格式设置模块由于本软件设置了一块声卡，所以只能实现单踪数字示波器。本模块主要完成对声卡采样频率、采样位数、缓冲区大小等参数的设置。其中：·采样频率(Hz)：8000、11025、22050、44100·采样位数：8位、16位3.2.2数据采集模块LabVIEW环境下的功能模板中提供了声卡的相关VIs，如SIConfig、SIStart、SIRead、SIStop等。当设定好声卡的音频格式并启动了声卡后，声卡就可以实现数据采集，采集到的数据通过DMA传送到内存中指定的缓冲区，当缓冲区满后，再通过查询或中断机制通知CPU执行显示程序显示缓冲区数据的波形。数据采集的部分G代码如图3所示。图3数据采集的部分G代码3.2.3波形显示和频谱分析模块通过幅值和基准时间两个旋钮分别实现波形横纵坐标的变化范围。频谱分析测量音频信号的最大、最小幅值和频率。采用快速FFT算法，完成频域信号分析，显示自功率谱波形。4结束语总之，本文用普通价廉的声卡代替昂贵的商用数据采集卡，在LabVIEW图形编程语言环境下设计实现了一种方便的、灵活性强的虚拟示波器。受声卡硬件条件限制，本虚拟示波器测量的频率范围较窄，可以用来测量音频范围的信号（如声音、电话、心电、脑电、脉搏等）。参考文献[1]谢凯,姬建伟,禹延光.基于LabVIEW6i的虚拟示波器设计[J].河南科学,2003,21(1)：22~25[2]种兰祥,阎丽,张首军.基于计算机声卡的多通道数据采集系统[J].西北大学学报,2