基于LabVIEW和聲卡的虛擬儀器設計與實現

　　摘要：為了在對采樣頻率要求不高的情況下進行信號的生成和分析，采用聲卡取代價格昂貴的數據采集卡進行采樣和輸出，利用虛擬儀器開發(fā)軟件LabVIEW，分別設計和實現了基于聲卡的虛擬信號發(fā)生器和虛擬示波器。信號發(fā)生器可以產生方波、三角波等常用波形和自定義波形，示波器具有波形顯示、圖像暫停和截取以及頻譜分析功能，所設計的虛擬儀器具有友好的人機界面，只需兩臺計算機即可進行完整的自測試。

　　在電子與通信行業(yè)以及試驗測試中，信號發(fā)生器和示波器是應用最廣泛的電子測量儀器。傳統儀器的技術和性能都已經比較成熟，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與儀器技術深層次結合產生的產物，代表了當前測試儀器的發(fā)展方向之一。虛擬儀器系統的必備組件包括功能強大的編程工具、靈活易用的數據采集硬件及個人電腦。在實際測量中，需根據需求選擇相應的數據采集卡，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，具有16位量化精度，數據采集頻率可達到44.1 kHz且已成為大多數計算機的標準配置，當所研究信號的頻率范圍在音頻范圍內(20 Hz～20 kHz)時，利用聲卡進行數據采集便是一個更好的選擇。

　　文中基于虛擬儀器的設計概念，利用方便廉價的計算機聲卡分別設計和實現了虛擬信號發(fā)生器和虛擬示波器，特別適合于實驗室環(huán)境下低頻信號的產生與分析。本文使用聲卡進行A/D、D/A轉換以及信號的采集和播放，使用LabVIEW軟件設計了虛擬儀器的前面板并實現相關信號的運算、分析和處理。所設計的虛擬信號發(fā)生器和示波器具有傳統儀器的功能，相比于傳統儀器，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“軟件即儀器”的概念。隨著計算機技術和大規(guī)模集成電路的飛速發(fā)展，虛擬儀器技術也得到了很大的發(fā)展。虛擬儀器的實質是將傳統儀器硬件和計算機軟件技術結合起來，以實現并擴展儀器的功能。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、數據分析、結果輸出和用戶界面等功能，使傳統儀器的部分硬件甚至整個儀器都被計算機軟件代替。

　　虛擬儀器實現了儀器的智能化、模塊化和多樣化，體現出多功能、低成本等操作優(yōu)點。與傳統儀器相比，虛擬儀器具有更廣的應用領域，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。

　　虛擬儀器開發(fā)平臺目前主要有兩類：一類是基于傳統語言的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驗和較強的調試能力;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，專為數據采集和儀器控制而設計，它將信號采集、測量分析和數據顯示功能集中在同一個開放式的開發(fā)環(huán)境中。LabVIEW具有豐富的庫函數供用戶調用，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，被廣泛應用與自動控制和測試領域中。

　　1. 3 聲卡工作原理

　　聲音的本質是一種波，表現為振幅、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)功能和數字信號處理(DSP)功能;三是模擬聲音信號的輸入和輸出功能。聲卡是一個非常優(yōu)秀的音頻信號采集系統，其數字信號處理包括模數變換器ADC(Analogue Digital Converter)和數模變換器DAC(Digital Analogue Converter)，ADC用于采集音頻信號，DAC則用于重現這些數字聲音。

　　聲卡的技術指標包括采樣頻率、采樣位數(量化精度)、聲道數、復音數量、信噪比(SNR)和總諧波失真(THD)等，其中采樣頻率、采樣位數是主要指標。現在的聲卡一般采用PCI接口，具有16位采樣精度，支持雙通道，最高采樣頻率達44.1kHz。

　　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)生器設計

　　文中在LabVIEW開發(fā)平臺下設計并實現了雙通道虛擬信號發(fā)生器，設計中主要利用了LabVIEW提供的聲卡驅動函數，所設計的雙通道虛擬信號發(fā)生器能夠產生常用的基本波形，并且實現了頻率顯示，頻率調節(jié)，幅值調節(jié)，直流偏置調節(jié)和頻率掃描等功能。整個程序結構設計采用在LabVIEW狀態(tài)機的基礎上引入事件結構的方法，提高了程序的運行效率。

　　2.1 LabVIEW中有關聲卡信號輸出的主要函數

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

　　1)“配置聲音輸出”函數。該函數的作用是配置一個生成數據的聲音輸出設備，初始化聲卡的配置，包括采樣頻率，采樣模式，聲卡參數等。

　　2)“設置聲音輸出音量”函數。該函數用來設置聲音輸出設備的播放音量。

　　3)“寫入聲音輸出”函數。該函數將準備好的數據寫入聲卡驅動程序進行播放輸出。

　　4)“聲音輸出清零”函數。該函數使設備停止播放音頻，清空緩存，將任務返回至默認的未配置的狀態(tài)，并清空與任務相關的資源，將任務變?yōu)闊o效。

　　2.2 虛擬信號發(fā)生器的前面板設計

　　前面板為用戶提供了友好的操作界面，本文根據傳統儀器的操作面板和本儀器所能實現的功能設計了虛擬信號發(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、公共參數設置部分、CH1通道和CH2通道設置部分。波形顯示部分用于顯示兩個通道的輸出波形，公共參數設置部分用于設置聲卡的采樣率、通道數、采樣位數、緩沖區(qū)大小和音量，CH1和CH2通道進行設置每個通道生成的波形參數，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。