李燕杰，趙娜，趙平，張京京

（天津農(nóng)學(xué)院 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，天津 300384）

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基于聲卡和LabVIEW的虛擬示波器的設(shè)計(jì)

李燕杰，趙娜，趙平，張京京

（天津農(nóng)學(xué)院 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，天津 300384）

摘 要：為解決傳統(tǒng)示波器價(jià)格昂貴、功能單一的問題，在對(duì)采樣頻率要求不高的情況下，利用PC機(jī)上配置的普通聲卡作為數(shù)據(jù)采集卡，借助虛擬儀器開發(fā)軟件LabVIEW，設(shè)計(jì)了基于聲卡的雙通道虛擬示波器。重點(diǎn)闡述了示波器的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、參數(shù)測(cè)量、波形顯示、波形存儲(chǔ)及回放等功能模塊的設(shè)計(jì)。經(jīng)實(shí)踐證明，該虛擬示波器不僅實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)示波器的基本功能，而且具有開發(fā)周期短、運(yùn)行可靠和性能良好等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器；示波器；聲卡；數(shù)據(jù)采集；LabVIEW

示波器是電子測(cè)量行業(yè)最常用的測(cè)量?jī)x器之一，主要用來測(cè)量并顯示被測(cè)信號(hào)的參數(shù)和波形，被廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究、科學(xué)實(shí)驗(yàn)以及現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)等領(lǐng)域。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的功能單一的示波器逐漸被功能復(fù)雜的數(shù)字示波器取代。但基于商用的數(shù)據(jù)采集卡的示波器往往價(jià)格比較昂貴，針對(duì)該問題，筆者設(shè)計(jì)了一款基于聲卡的成本低廉、功能完善、使用方便的虛擬示波器，這對(duì)于降低實(shí)驗(yàn)和科研成本，提高實(shí)驗(yàn)和科研質(zhì)量具有重要意義。

1 虛擬儀器概述

1.1 虛擬儀器

虛擬儀器（virtual instrument，VI）是基于計(jì)算機(jī)的軟件儀器，通常以通用計(jì)算機(jī)作為控制器，通過添加必要的模塊化硬件來完成數(shù)據(jù)采集，由高效、功能強(qiáng)大的軟件系統(tǒng)完成人機(jī)交互及數(shù)據(jù)處理的一種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)[1]。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器在智能化程序、處理能力、性價(jià)比、可操作性等方面都具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，成為現(xiàn)代測(cè)控系統(tǒng)的發(fā)展方向。

1.2 LabVIEW軟件

LabVIEW（laboratory virtual instrument engineering workbench，LabVIEW）是實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器集成環(huán)境的簡(jiǎn)稱，由美國NI公司研發(fā)，是目前應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強(qiáng)的圖形化軟件開發(fā)集成環(huán)境。LabVIEW8.2集成并滿足GPIB、VXI、RS-232和RS-485協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能，它還內(nèi)置了便于應(yīng)用TCP/IP、ActiveX等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫函數(shù)，可為實(shí)現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供便捷途徑[2]。

2 虛擬示波器的設(shè)計(jì)

2.1 硬件部分

聲卡作為語音信號(hào)與計(jì)算機(jī)的通用接口，本身就是一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，同時(shí)具有A/D和D/A轉(zhuǎn)換的功能，而且LabVIEW中提供了專門用于聲卡操作的函數(shù)節(jié)點(diǎn)。聲卡一般都是16位，比一般12位的數(shù)據(jù)采集卡精度要高?？紤]聲卡的頻率響應(yīng)，被采信號(hào)應(yīng)該限制在音頻范圍之內(nèi)，采樣頻率一般設(shè)為4檔，分別為44.100、22.050、11.025 和8.000 kHz。聲卡采用左右雙聲道，可以同時(shí)采集兩路信號(hào)，也可以采用高級(jí)一些的聲卡或者配置多塊聲卡來實(shí)現(xiàn)多通道的數(shù)據(jù)采集。需要注意的是，聲卡輸入端最高電壓為1 V，可以將高于1 V的信號(hào)通過衰減電路后輸入，這樣就能適合多種場(chǎng)合的需要。

2.2 軟件部分

本設(shè)計(jì)采用LabVIEW8.2進(jìn)行開發(fā)。系統(tǒng)軟件總體上包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、波形顯示（包括頻譜分析）、參數(shù)測(cè)量及波形存儲(chǔ)和回放等模塊，功能結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2.2.1 前面板設(shè)計(jì)

虛擬面板是軟件部分的核心，它直接面向用戶，是虛擬示波器控制軟件的最上層，利用LabVIEW圖形化編程環(huán)境，模擬傳統(tǒng)儀器的操作界面，通過面板上的各種按鈕、開關(guān)等控件實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬示波器的使用和控制，并且實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)處理結(jié)果。本研究中設(shè)計(jì)的虛擬示波器前面板如圖2所示。根據(jù)儀器的功能，前面板上設(shè)置有實(shí)時(shí)圖形顯示窗口（波形圖），工作方式按鈕（單通道、雙通道、A＋B、X-Y、頻域），數(shù)據(jù)采集配置按鈕(增益、時(shí)基、基準(zhǔn)線、網(wǎng)格線)、顏色選擇按鈕（A線、B線、網(wǎng)格、背景）、參數(shù)動(dòng)態(tài)顯示窗口（電壓、頻率）、保存波形按鈕、暫停按鈕、保存屏幕按鈕、波形回放按鈕等。

圖2 虛擬示波器前面板

2.2.2 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集是虛擬示波器的核心部分，本研究中主要實(shí)現(xiàn)對(duì)聲卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的配置以及數(shù)據(jù)的獲取，分為以下3步：（1）調(diào)用Sound Input Configure.vi對(duì)聲卡進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，采樣率設(shè)置為44.100 kHz，通道數(shù)為2（即立體聲雙聲道輸入），每采樣比特?cái)?shù)（即采樣位數(shù)）設(shè)置為16位，采樣模式為連續(xù)采樣，緩存大小設(shè)為每通道10 000個(gè)樣本。（2）調(diào)用Sound Input Read.vi從緩存中讀取數(shù)據(jù)，并在其外邊添加While循環(huán)，設(shè)置每次從每個(gè)通道中讀取樣本數(shù)為4 410，即0.1 s時(shí)長(zhǎng)的波形。（3）循環(huán)結(jié)束后，調(diào)用Sound Input Clear.vi停止采集并進(jìn)行清除緩存和占用的內(nèi)存等操作。數(shù)據(jù)采集模塊程序框圖如圖3所示。

圖1 虛擬示波器結(jié)構(gòu)框圖

圖3 數(shù)據(jù)采集模塊程序框圖

2.2.3 數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)處理模塊主要對(duì)信號(hào)波形進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算等數(shù)學(xué)處理，包括加、減、乘、除的二元運(yùn)算，多類型窗函數(shù)的FFT運(yùn)算和多種類型的濾波器[3]，經(jīng)過處理后的結(jié)果將送到顯示模塊中。虛擬示波器對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行采樣時(shí)，只采集到有限個(gè)點(diǎn)數(shù)，如果需要對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行更好地恢復(fù)和重建，必須對(duì)采樣后的信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)倍數(shù)的插值，為了讓插值后的采樣波形看起來更平滑，還需要對(duì)它進(jìn)行濾波，因此需要設(shè)計(jì)好的插值濾波器對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行最大程度的重現(xiàn)[4]。本研究中主要采用基于低通濾波器實(shí)現(xiàn)的正弦插值法對(duì)信號(hào)波形進(jìn)行數(shù)字處理，根據(jù)數(shù)字示波器的時(shí)基參數(shù)來確定需要插值的倍數(shù)，從而根據(jù)正弦插值的公式計(jì)算出系數(shù)，利用LabVIEW編程來實(shí)現(xiàn)。本研究中設(shè)計(jì)的虛擬示波器還具有獨(dú)特的功能——頻譜分析，即通過FFT變換在時(shí)域-頻域?qū)π盘?hào)觀察和分析，程序中設(shè)計(jì)了210個(gè)精度為8位的采樣點(diǎn)的FFT運(yùn)算來實(shí)現(xiàn)頻譜分析。對(duì)采集信號(hào)的數(shù)據(jù)處理不是一次可以完成的，需要整個(gè)系統(tǒng)不斷地循環(huán)計(jì)算和實(shí)現(xiàn)波形數(shù)據(jù)的顯示。

2.2.4 波形顯示模塊設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)中利用case結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)單通道、雙通道、兩路信號(hào)相加（A＋B）、兩路信號(hào)分別做X軸和Y軸輸入（X-Y）、頻域5種顯示方式的切換。其中X-Y這種方式類似通用示波器中用李薩如圖形測(cè)頻率的方式，頻域方式將顯示信號(hào)的頻譜分布。對(duì)于單通道顯示，使用Bundle節(jié)點(diǎn)將處理后的波形數(shù)據(jù)按序打包直接輸入波形顯示控件Waveform Graph；對(duì)于雙通道顯示，采用Build Array節(jié)點(diǎn)把2個(gè)通道的波形數(shù)據(jù)組成一個(gè)二維數(shù)組后再送入波形顯示控件[5]。

2.2.5 參數(shù)測(cè)量模塊設(shè)計(jì)

參數(shù)測(cè)量包括頻率、電壓的測(cè)量和顯示。可以通過前面板上的“增益”、“時(shí)基”、“基準(zhǔn)線”、和“網(wǎng)格線”幾個(gè)控件調(diào)整和顯示示波器各項(xiàng)參數(shù)。頻率值是對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行FFT運(yùn)算后得到的，每秒可以更新約10次，顯示誤差約為5 Hz，如果想得到更加準(zhǔn)確的頻率值，可以利用李薩如圖形法測(cè)得。如果將FFT采樣數(shù)提高，誤差可以小于1 Hz，但同時(shí)會(huì)加大運(yùn)算量[6]。在對(duì)采樣頻率要求不高的情況下，本設(shè)計(jì)完全可以滿足要求。

2.2.6 波形存儲(chǔ)和回放模塊設(shè)計(jì)

為了方便對(duì)測(cè)量結(jié)果的分析，對(duì)虛擬示波器設(shè)計(jì)了獨(dú)立的存儲(chǔ)和回放功能?！氨４娌ㄐ巍卑粹o

用于決定是否向磁盤存儲(chǔ)波形數(shù)據(jù)，可將輸入信號(hào)保存為WAV文件，再次按下停止記錄。“暫?！卑粹o可將示波器屏幕暫停，以便觀察，再次按下結(jié)束暫停。暫停時(shí)仍能調(diào)整各項(xiàng)參數(shù)?！氨４嫫聊弧卑粹o可將示波器屏幕存為位圖文件，需先將屏幕暫停，調(diào)整好后再保存?！安ㄐ位胤拧卑粹o決定是否把保存的波形重放。

3 結(jié)語

本研究采用圖形化編程語言LabVIEW8.2，設(shè)計(jì)出了一款基于聲卡的虛擬雙通道數(shù)字示波器，不僅具有普通示波器的基本功能，而且實(shí)現(xiàn)了頻譜分析和波形存儲(chǔ)及回放的功能。與基于數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計(jì)的虛擬示波器[3,4,7-8]相比，這種設(shè)計(jì)方法不僅縮短了測(cè)量系統(tǒng)的研發(fā)周期，降低了開發(fā)成本，而且提高了軟件的擴(kuò)展性。該款虛擬示波器可替代傳統(tǒng)示波器進(jìn)行一般的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，為實(shí)現(xiàn)虛擬示波器的廣泛應(yīng)用提供了重要參考。

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Design of Virtual Oscilloscope Based on Sound Card and LabVIEW

LI Yan-jie,ZHAO Na,ZHAO Ping,ZHANG Jing-jing
（College of Computer and Information Engineering,Tianjin Agricultural University,Tianjin 300384,China）

Abstract：In order to solve the problem of expensive and single function of the traditional oscilloscope,this article describes the development of dual-channel virtual oscilloscope under the condition of not high sampling frequency based on personal computer’s sound card instead of data acquisition card and LabVIEW software.The main functions of virtual oscilloscope include data acquisition,parameter measurement,waveform display，spectrum analysis,et al．The practice shows that the virtual oscilloscope is not only realize the basic function of traditional oscilloscope,but also a short development cycle,reliable operation and good performance,et al.

Key words：virtual instrument; oscilloscope; sound card; data acquisition; LabVIEW

作者簡(jiǎn)介：李燕杰（1982-），女，河北邯鄲人，講師，博士在讀，主要從事計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、虛擬儀器與智能儀器方面的研究。E-mail：ff_liyanjie@163.com。

基金項(xiàng)目：天津農(nóng)學(xué)院科技發(fā)展基金項(xiàng)目“基于EDA的虛擬示波器的研究與設(shè)計(jì)”（2012N13）

收稿日期：2015-09-07

文章編號(hào)：1008-5394（2016）01-0051-03

中圖分類號(hào)：TP391

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A