基于LabVIEW和聲卡的虛擬儀器設(shè)計(jì)方案

　　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(shí)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(diǎn)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(jì)的虛擬示波器采用雙通道連續(xù)采樣，采樣頻率為44100，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(gè)波形送到波形顯示模塊，使用while循環(huán)使采樣連續(xù)進(jìn)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(rèn)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(biāo)定比率，然后分成兩路，一路直接進(jìn)入波形圖控件在前面板顯示信號的時(shí)域波形，另一路進(jìn)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(fù)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(shí)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(shí)間軸調(diào)節(jié)。“X軸精度”調(diào)節(jié)每刻度顯示的時(shí)間長度。在該控件中設(shè)置6個(gè)檔位，檔位越小顯示的越精確。“X軸精度”中0.5ms/div檔表示時(shí)間軸是從0～0.003 s，增量為0.5 ms，起始時(shí)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(biāo)尺來顯示其他部分的波形，在該控件中設(shè)置了14個(gè)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(gè)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(biāo)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。虛擬示波器觸發(fā)控制模塊通過子VI來實(shí)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(Ievel)輸入、觸發(fā)源(Source)輸入(內(nèi)觸發(fā)、外觸發(fā))。

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

　　邊沿子VI由一個(gè)波形數(shù)組索引實(shí)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(jìn)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(jìn)行觸發(fā)。對輸入電壓信號的第i點(diǎn)和i+1點(diǎn)的值進(jìn)行比較，正極性觸發(fā)時(shí)，若第i點(diǎn)的值等于或小于觸發(fā)電平，同時(shí)第i+1點(diǎn)的值大于觸發(fā)電平，則第i點(diǎn)為觸發(fā)點(diǎn)，將此值送入觸發(fā)子VI數(shù)組子集函數(shù)的“ind ex”端口，每次采集數(shù)據(jù)后，都從觸發(fā)點(diǎn)開始提取子數(shù)組，送入前面板，實(shí)現(xiàn)波形的同步顯示。負(fù)極性觸發(fā)時(shí)與之相反。

　　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(dāng)前面板的開關(guān)撥到“工作”時(shí)，執(zhí)行“真”條件分支，前面板正常顯示波形，當(dāng)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(diǎn)Get Image來實(shí)現(xiàn)，可以將當(dāng)前顯示的波形截圖并保存為bmp格式圖片。需要截圖時(shí)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(shí)驗(yàn)室環(huán)境下低頻信號的產(chǎn)生與分析。所設(shè)計(jì)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(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。但在實(shí)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(dāng)采樣頻率為44 kHz時(shí)，理論上能測量的信號最高頻率為22 kHz，但實(shí)際上所能準(zhǔn)確測量的信號頻率達(dá)不到該理論值，即頻率限制。后續(xù)工作中需要設(shè)計(jì)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(jìn)行完善。