基于聲卡和LabVIEW的虛擬儀器設(shè)計與實現(xiàn)

王 碩，王 兵，鄒光南

（航天恒星科技有限公司 北京 100086）

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(yīng)用最廣泛的電子測量儀器。傳統(tǒng)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、并且價格昂貴等缺點。虛擬儀器是計算機技術(shù)與儀器技術(shù)深層次結(jié)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[1]。虛擬儀器系統(tǒng)的必備組件包括功能強大的編程工具、靈活易用的數(shù)據(jù)采集硬件及個人電腦[2]。在實際測量中，需根據(jù)需求選擇相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集卡，但這些卡的價格均比較昂貴，而同樣具備A/D功能的聲卡是一個非常優(yōu)秀的音頻信號采集系統(tǒng)，具有16位量化精度，數(shù)據(jù)采集頻率可達到44.1 kHz且已成為大多數(shù)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(nèi)（20 Hz～20 kHz）時，利用聲卡進行數(shù)據(jù)采集便是一個更好的選擇[3-4]。

文中基于虛擬儀器的設(shè)計概念，利用方便廉價的計算機聲卡分別設(shè)計和實現(xiàn)了虛擬信號發(fā)生器和虛擬示波器，特別適合于實驗室環(huán)境下低頻信號的產(chǎn)生與分析。本文使用聲卡進行A/D、D/A轉(zhuǎn)換以及信號的采集和播放，使用LabVIEW軟件設(shè)計了虛擬儀器的前面板并實現(xiàn)相關(guān)信號的運算、分析和處理。所設(shè)計的虛擬信號發(fā)生器和示波器具有傳統(tǒng)儀器的功能，相比于傳統(tǒng)儀器，具有成本低廉、使用方便、擴展性強等優(yōu)點。

1 虛擬儀器技術(shù)和聲卡工作原理

1.1 虛擬儀器的特點

虛擬儀器首先是由美國國家儀器公司于20世紀80年代中期提出來的，實現(xiàn)“軟件即儀器”的概念。隨著計算機技術(shù)和大規(guī)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[5]。虛擬儀器的實質(zhì)是將傳統(tǒng)儀器硬件和計算機軟件技術(shù)結(jié)合起來，以實現(xiàn)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(shù)據(jù)分析、結(jié)果輸出和用戶界面等功能，使傳統(tǒng)儀器的部分硬件甚至整個儀器都被計算機軟件代替。

虛擬儀器實現(xiàn)了儀器的智能化、模塊化和多樣化，體現(xiàn)出多功能、低成本等操作優(yōu)點。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器具有更廣的應(yīng)用領(lǐng)域，因此它成為儀器行業(yè)發(fā)展的一個重要方向，并受到許多國家儀器行業(yè)的重視[6]。

虛擬儀器開發(fā)平臺目前主要有兩類：一類是基于傳統(tǒng)語言的 Turbo C，Microsoft公司的 Visual Basic與 Visual C++等，這類語言需要開發(fā)人員有較多的編程經(jīng)驗和較強的調(diào)試能力；另一類是專業(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開發(fā)平臺

LabVIEW是一個很好的圖形化開發(fā)環(huán)境[6]，專為數(shù)據(jù)采集和儀器控制而設(shè)計，它將信號采集、測量分析和數(shù)據(jù)顯示功能集中在同一個開放式的開發(fā)環(huán)境中。LabVIEW具有豐富的庫函數(shù)供用戶調(diào)用，圖形化的編程語言簡單直觀、開發(fā)速度快，在編寫程序的同時可以自動生成圖形化用戶界面，可充分利用計算機強大的計算和顯示功能，被廣泛應(yīng)用與自動控制和測試領(lǐng)域中。

1.3 聲卡工作原理

聲音的本質(zhì)是一種波，表現(xiàn)為振幅、頻率和相位等物理量的連續(xù)變化。聲卡是計算機進行聲音處理的適配器，它有3個基本功能：一是音樂合成發(fā)音功能；二是混音器（Mixer）功能和數(shù)字信號處理（DSP）功能；三是模擬聲音信號的輸入和輸出功能[3]。聲卡是一個非常優(yōu)秀的音頻信號采集系統(tǒng)，其數(shù)字信號處理包括模數(shù)變換器ADC （Analogue Digital Converter） 和數(shù)模變換器 DAC （Digital Analogue Converter），ADC用于采集音頻信號，DAC則用于重現(xiàn)這些數(shù)字聲音。

聲卡的技術(shù)指標包括采樣頻率、采樣位數(shù)（量化精度）、聲道數(shù)、復(fù)音數(shù)量、信噪比（SNR）和總諧波失真（THD）等，其中采樣頻率、采樣位數(shù)是主要指標?，F(xiàn)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44.1 kHz[8]。

聲卡已成為多媒體計算機的一個標準配置，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，驅(qū)動程序升級方便，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(shè)計

文中在LabVIEW開發(fā)平臺下設(shè)計并實現(xiàn)了雙通道虛擬信號發(fā)生器，設(shè)計中主要利用了LabVIEW提供的聲卡驅(qū)動函數(shù)，所設(shè)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，并且實現(xiàn)了頻率顯示，頻率調(diào)節(jié)，幅值調(diào)節(jié)，直流偏置調(diào)節(jié)和頻率掃描等功能。整個程序結(jié)構(gòu)設(shè)計采用在LabVIEW狀態(tài)機的基礎(chǔ)上引入事件結(jié)構(gòu)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(shù)

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

1）“配置聲音輸出”函數(shù)。該函數(shù)的作用是配置一個生成數(shù)據(jù)的聲音輸出設(shè)備，初始化聲卡的配置，包括采樣頻率，采樣模式，聲卡參數(shù)等。

2）“設(shè)置聲音輸出音量”函數(shù)。該函數(shù)用來設(shè)置聲音輸出設(shè)備的播放音量。

3）“寫入聲音輸出”函數(shù)。該函數(shù)將準備好的數(shù)據(jù)寫入聲卡驅(qū)動程序進行播放輸出。

4）“聲音輸出清零”函數(shù)。該函數(shù)使設(shè)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效。

圖1 LabVIEW中有關(guān)聲音輸出的函數(shù)Fig.1 Sound output function in LabVIEW

2.2 虛擬信號發(fā)生器的前面板設(shè)計

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

圖2 虛擬信號發(fā)生器前面板Fig.2 Front panel of virtual signal generator

2.3 虛擬信號發(fā)生器的程序框圖設(shè)計

程序框圖是圖形化的源代碼，前面板中的每個控件在程序框圖中都有相應(yīng)的接線端與之對應(yīng)，通過數(shù)據(jù)連線和不同的程序結(jié)構(gòu)即可控制整個程序的流程和數(shù)據(jù)傳遞。虛擬信號發(fā)生器的程序框圖主要包括3個模塊：聲卡配置模塊、波形設(shè)置模塊和波形輸出模塊，如圖3所示。

圖3 虛擬信號發(fā)生器程序框圖Fig.3 Block diagram of virtual signal generator

聲卡配置模塊首先設(shè)置“配置聲音輸出”函數(shù)，本設(shè)計將聲卡設(shè)置為連續(xù)采樣，每通道緩沖數(shù)和聲音格式都可以在前面板進行設(shè)置。然后將采樣信息傳輸?shù)健安ㄐ卧O(shè)置模塊”，選擇所要產(chǎn)生波形的類型。

波形設(shè)置模塊使用條件結(jié)構(gòu)選擇不同類型的波形，可以分別選擇正弦波、方波、鋸齒波、三角波、高斯白噪聲、疊加正弦波以及自定義波形。該模塊還可以設(shè)置相應(yīng)的波形參數(shù)，包括頻率、幅度、偏移量和方波占空比。

數(shù)據(jù)輸出模塊調(diào)用“寫入聲音輸出”函數(shù)，通過聲音輸出設(shè)備輸出聲音信號。最后由“聲音輸出清零”清空緩沖區(qū)，結(jié)束任務(wù)。

3 虛擬示波器設(shè)計

本文利用LabVIEW中的數(shù)字聲音記錄節(jié)點，設(shè)計并實現(xiàn)了基于聲卡的虛擬雙蹤數(shù)字存儲示波器，采樣頻率為44.1 kHz，線路輸入端口最高電壓限制為1 V，對高于1 V的信號采用比例運算放大電路衰減后輸入，能適合很多場合的需要。

設(shè)計的虛擬示波器的技術(shù)指標如下：

1）輸入頻率范圍：10～20 000 Hz；

2）通道數(shù)：2；

3）采樣頻率：44.1 kHz；

4）ADC 分辨率：16位。

虛擬示波器的兩個重要指標分別是分辨力（指能辨別一個物體不同部分的能力）和精度。其中分辨力包括水平分辨力和垂直分辨力，精度也包括水平和垂直兩種精度。虛擬示波器的水平分辨力是由時鐘信號采樣點的時間間隔決定的。采樣頻率越高，水平分辨力就越高。虛擬示波器的垂直分辨力是由模數(shù)轉(zhuǎn)換器的位數(shù)決定的，n位的轉(zhuǎn)換器有2-n的分辨力。因為所采用的聲卡是16位的，其在垂直方向上可以分辨出65536個數(shù)據(jù)點，分辨力為1/65536。虛擬示波器的垂直精度受模數(shù)轉(zhuǎn)換器精度的限制，一般要比分辨力低。

3.1 LabVIEW中有關(guān)聲卡信號采集的主要函數(shù)

在LabVIEW的函數(shù)選板下有“聲音”選項，在該選項下，LabVIEW提供了一系列使用Windows底層函數(shù)編寫的與聲卡有關(guān)的函數(shù)，這些函數(shù)主要分為兩大模塊:聲音輸入和聲音輸出。在虛擬示波器程序設(shè)計中主要用到的是“聲音輸入”模塊，如圖4所示。

圖4 LabVIEW中有關(guān)聲音輸入的函數(shù)Fig.4 Sound input functions in LabVIEW

1）“配置聲音輸入”函數(shù)。該函數(shù)的作用是配置聲音輸入設(shè)備，采集數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)存放到緩沖區(qū)，后面使用“讀取聲音輸入”VI將數(shù)據(jù)從緩沖區(qū)讀入。

2）“讀取聲音輸入”函數(shù)。該函數(shù)的作用是將數(shù)據(jù)從緩沖區(qū)讀入。在使用該VI之前，必須使用“配置聲音輸入”VI來配置設(shè)備。

3）“聲音輸入清零”函數(shù)。一般聲音輸出設(shè)備不可共享，若在某個程序運行之前，設(shè)備已經(jīng)被其他程序占用，則此應(yīng)用程序不能再使用該設(shè)備，所以，在程序中一旦對聲卡使用完畢，應(yīng)該立即釋放。該函數(shù)的主要作用是使設(shè)備停止聲音數(shù)據(jù)采集，清空緩存，從任務(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，任務(wù)變?yōu)闊o效。

3.2 虛擬示波器的前面板設(shè)計

前面板用來提供用戶與虛擬示波器的接口，通過一個友好的圖形界面，模擬傳統(tǒng)儀器操作，實現(xiàn)對虛擬示波器的控制，并且顯示數(shù)據(jù)處理結(jié)果。

本文設(shè)計的虛擬示波器的前面板如圖5所示，按照功能來分，顯示屏可以分別顯示原信號波形圖和信號的頻譜圖，波形圖開關(guān)、頻譜圖開關(guān)可以暫停畫面便于保存截圖，保存圖像按鈕可以將截圖保存為bmp圖像，通道選擇部分可以選擇單通道或是雙通道一起顯示，觸發(fā)部分可以調(diào)控信號的觸發(fā)源、觸發(fā)極性以及觸發(fā)電位，標定比率便于標定電壓，采樣數(shù)用于確定采樣精度，定位部分可以分別調(diào)節(jié)顯示精度、幅度和偏移，信息按鈕可以顯示相關(guān)制作信息。

圖5 虛擬示波器前面板Fig.5 Front panel of virtual oscilloscope

3.3 虛擬示波器的程序框圖設(shè)計

3.3.1 總體設(shè)計

虛擬示波器的程序框圖主要包括數(shù)據(jù)采集模塊，波形顯示模塊，頻譜分析模塊，XY軸設(shè)置模塊，觸發(fā)設(shè)置模塊，圖像暫停與截圖模塊和信息顯示模塊7大部分，如圖6所示。下面結(jié)合虛擬示波器的相關(guān)功能模塊來分別介紹對應(yīng)的程序框圖。

圖6 虛擬示波器程序框圖Fig.6 Block diagram of virtual oscilloscope

3.3.2 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊利用聲卡數(shù)據(jù)采集函數(shù)完成聲卡采集時一些必要參數(shù)的設(shè)置，如聲卡采樣模式、采樣數(shù)、設(shè)備ID等，并將聲卡采集到的信號 （已由模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號）傳送給波形顯示模塊。其工作流程如下：

1）使用配置聲音輸入函數(shù)確定聲卡的參數(shù)和數(shù)字聲音格式，如緩沖區(qū)大小、采樣速率、采樣模式（固定點數(shù)采樣或連續(xù)采樣）、采樣通道數(shù)、樣本位數(shù)（16 bit或 8 bit），本設(shè)計的虛擬示波器采用雙通道連續(xù)采樣，采樣頻率為44 100，樣本位數(shù)為16，每通道采樣數(shù)可以在前面板上設(shè)置。

2）使用讀取聲音輸入函數(shù)從緩沖區(qū)中讀取采樣數(shù)據(jù)，從采集到的波形數(shù)組中選擇一個波形送到波形顯示模塊，使用while循環(huán)使采樣連續(xù)進行。

3）使用聲音輸入清零函數(shù)停止數(shù)據(jù)采集，清空緩存，從任務(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，使任務(wù)變?yōu)闊o效。

3.3.3 波形顯示和頻譜分析模塊

信號從數(shù)據(jù)采集模塊輸出后乘以標定比率，然后分成兩路，一路直接進入波形圖控件在前面板顯示信號的時域波形，另一路進行FFT分析后再輸入波形圖控件在前面板顯示信號的頻譜圖。

3.3.4 XY軸設(shè)置模塊

波形顯示模塊負責(zé)顯示波形，并且可以通過旋鈕來控制X軸和Y軸量程和偏移，同時根據(jù)通道的選擇（通道A或者通道B）顯示相應(yīng)的波形。

X軸控制是時間軸調(diào)節(jié)。 “X軸精度”調(diào)節(jié)每刻度顯示的時間長度。在該控件中設(shè)置6個檔位，檔位越小顯示的越精確。“X軸精度”中0.5ms/div檔表示時間軸是從0～0.003 s，增量為0.5ms，起始時刻為0。由于屏幕大小限制，還需要“X軸偏移”來調(diào)節(jié)屏幕標尺來顯示其他部分的波形，在該控件中設(shè)置了14個檔位，檔位每增加一位屏幕顯示向右移動一格。

Y軸控制是幅度調(diào)節(jié)。“Volts/Div”調(diào)節(jié)每刻度顯示的電壓值，在該控件中設(shè)置5個檔位，檔位越高每格顯示的電壓越大精確度越低。“Y軸偏移”控制信號在Y軸方向上下移動，該控件與信號相加可以使信號整體向上或者向下移動。設(shè)標定比率為N，則Y軸偏移的范圍為-N～+N。

3.3.5 觸發(fā)控制模塊

示波器的觸發(fā)功能可以穩(wěn)定重復(fù)的波形，捕獲單次波形，這對清楚地檢定信號至關(guān)重要[9]。虛擬示波器觸發(fā)控制模塊通過子VI來實現(xiàn)，如圖7所示。的輸入端有波形數(shù)據(jù)輸入（通道A、通道 B）、觸發(fā)極性（Slope）輸入（上升沿、下降沿）、觸發(fā)電平（Level）輸入、觸發(fā)源（Source）輸入（內(nèi)觸發(fā)、外觸發(fā)）。

程序運行后，首先判斷用戶觸發(fā)源的選擇，當觸發(fā)源選擇“外觸發(fā)”時，直接將輸出的波形數(shù)據(jù)輸出；當觸發(fā)源選擇“內(nèi)觸發(fā)”時，執(zhí)行邊沿子VI。

圖7 觸發(fā)子VIFig.7 Trigger sub VI

邊沿子VI由一個波形數(shù)組索引實現(xiàn)，該子程序?qū)崿F(xiàn)選擇觸發(fā)源、根據(jù)觸發(fā)電平的大小和觸發(fā)極性進行觸發(fā)的功能。其原理如圖8所示，首先判斷用戶設(shè)置的觸發(fā)電平大小是否在波峰和波谷范圍內(nèi)，在此范圍內(nèi)則進行觸發(fā)。對輸入電壓信號的第i點和i+1點的值進行比較，正極性觸發(fā)時，若第i點的值等于或小于觸發(fā)電平，同時第i+1點的值大于觸發(fā)電平，則第i點為觸發(fā)點，將此值送入觸發(fā)子VI數(shù)組子集函數(shù)的“index”端口，每次采集數(shù)據(jù)后，都從觸發(fā)點開始提取子數(shù)組，送入前面板，實現(xiàn)波形的同步顯示。負極性觸發(fā)時與之相反。

圖8 觸發(fā)原理圖Fig.8 Trigger

3.3.6 圖像暫停與截圖模塊

圖像暫停模塊通過條件結(jié)構(gòu)來選擇相應(yīng)的程序，當前面板的開關(guān)撥到“工作”時，執(zhí)行“真”條件分支，前面板正常顯示波形，當開關(guān)撥到“暫停”，執(zhí)行“假”條件分支，數(shù)據(jù)不再輸入給波形圖控件，前面板顯示的波形靜止。

截圖保存模塊通過波形圖的屬性節(jié)點Get Image來實現(xiàn)，可以將當前顯示的波形截圖并保存為bmp格式圖片。需要截圖時先用暫停功能將波形靜止，再保存截圖。

4 結(jié) 論

文中基于聲卡和LabVIEW圖形化編程軟件開發(fā)了虛擬信號發(fā)生器和虛擬示波器，特別適合于實驗室環(huán)境下低頻信號的產(chǎn)生與分析。所設(shè)計的虛擬信號發(fā)生器和示波器具備傳統(tǒng)儀器的功能，相比于傳統(tǒng)儀器，具有成本低廉、靈活性好、擴展性強等優(yōu)點。但在實際應(yīng)用中，它也存在一些缺陷，例如聲卡對輸入信號的電壓要求不能超過1 V，即有幅度限制；根據(jù)奈奎斯特采樣定理，當采樣頻率為44 kHz時，理論上能測量的信號最高頻率為22 kHz，但實際上所能準確測量的信號頻率達不到該理論值，即頻率限制。后續(xù)工作中需要設(shè)計外圍的放大和衰減電路以增大可測信號的動態(tài)范圍，并對儀器的功能進行完善。

[1]符錫成.基于USB數(shù)據(jù)采集卡的虛擬信號發(fā)生器的設(shè)計[J].信息與電腦，2010（11）：52-53.FU Xi-cheng.Design of virtual signal generator based on USB data acquisition card[J].China Computer&Communication，2010（11）：52-53.

[2]National InstrumentsCorporation.AboutVirtual Instrumentation[EB/OL].[2012-06-28].http://www.ni.com/white-paper/2964/en.

[3]周南權(quán)，全曉莉.基于LabVIEW和聲卡的音頻分析儀設(shè)計[J].實驗技術(shù)與管理，2012，29（8）：63-66.ZHOU Nan-quan，QUAN Xiao-li.Design of audio analyzer based on LabVIEW and sound card[J].ExperimentalTechnology and Management，2012，29（8）：63-66.

[4]孫愛晶，劉毓，馬賀洲.基于LabVIEW的聲卡數(shù)據(jù)采集及濾波處理設(shè)計[J].自動化與儀表，2009，24（5）：45-47.SUN Ai-jing，LIU Yu，MA He-zhou.Design of the filter with data acquisition by using audio-card based on LabVIEW[J].Automation&Instrumentation，2009，24（5）：45-47.

[5]唐輝平，彭良玉.基于LabVIEW的模擬電路實驗教學(xué)平臺設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（12）：145-147.TANG Hui-ping，PENG Liang-yu.Design of analog circuit experiment teaching platform based on LabVIEW[J].Modern Electronics Technique，2013，36（12）：145-147.

[6]鄭對元.精通LabVIEW虛擬儀器程序設(shè)計[M].北京：清華大學(xué)出版社，2012.

[7]林若波.基于LabVIEW的電機調(diào)速數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)[J].測控技術(shù)，2012，31（7）：16-19.LIN Ruo-bo.Data acquisition and processing system ofmotor speed regulating based on LabVIEW[J].Measurement&Control Technology，2012，31（7）：16-19.

[8]賀天柱，蘭羽.基于聲卡的監(jiān)控系統(tǒng)虛擬儀器設(shè)計[J].國外電子測量技術(shù)，2012，31（11）：58-60.HE Tian-zhu，LAN Yu.Virtual instrument design of the monitoring system based on sound card[J].Foreign Electronic Measurement Technology，2012，31（7）：16-19.

[9]Tektronix，Inc.深入了解示波器應(yīng)用手冊[EB/OL].[2012-08-30].http://cn.tek.com/document/primer/xyzs-oscilloscopesprimer.