音頻信號發(fā)生器畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

1、基于 LabVIEW 的音頻信號發(fā)生器的虛擬儀器設(shè)計(jì)摘 要:隨著計(jì)算機(jī)與微電子技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了虛擬儀器。它以軟件為核心,把計(jì) 算機(jī)技術(shù)和儀器技術(shù)完美結(jié)合起來, 充分應(yīng)運(yùn)飛速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)和增強(qiáng)傳 統(tǒng)儀器的功能。 虛擬儀器開創(chuàng)了儀器使用者可以成為設(shè)計(jì)者的新時(shí)代, 代表了儀器發(fā) 展的方向,它已成為 21世紀(jì)測試技術(shù)和儀器技術(shù)發(fā)展的主要方向。本設(shè)計(jì)正是順應(yīng) 儀器發(fā)展的趨勢,利用圖形化編程軟件 LabVIEW 來實(shí)現(xiàn)虛擬音頻信號發(fā)生器,真正 做到 “ 軟件即硬件 ” 。在硬件上還提出以 PC 聲卡代替昂貴商用數(shù)據(jù)采集卡,大大降低 了生產(chǎn)成本,實(shí)現(xiàn)了基于 LabVIEW 的常用周期信號的單通道

2、和雙通道模擬輸出,使 設(shè)計(jì)具有廣闊的開發(fā)價(jià)值和應(yīng)用前景。論文在簡要介紹了虛擬儀器概念、研究現(xiàn)狀、 發(fā)展趨勢以及編程軟件 LabVIEW 特點(diǎn)的基礎(chǔ)上, 概述了音頻信號發(fā)生器的基本原理 , 分析了聲卡的功能及相關(guān)設(shè)置,并對構(gòu)成系統(tǒng)的各模塊做了詳細(xì)敘述。關(guān)鍵詞 :虛擬儀器;音頻信號發(fā)生器; LabVIEW ;聲卡Virtual Audio Signal Generator Based on LabVIEWAbstract: With the development of computer and microelectronics technology, virtual instruments ap

3、pear. Virtual instruments achieve the perfect combination of computer science technology and instrument technology through taking the software as the core technology. Virtual instruments realize and enhance the functions of traditional instruments by developing computer technology .Virtual instrumen

4、ts initiate the new era that the instrument users can be the instrument designers. Virtual instruments represent the direction of instruments and it has become the main direction of technological development in the 21st century testing technology and instruments. This design used graphical programmi

5、ng software LabVIEW to design virtual audio signal generator, exactly adjusting the trend of the instrument development, and truly achieve "software that is hardware". In order to reduce production costs and implement single - channel and dual - channel output of common analog periodic sig

6、nals based on LabVIEW, the design also bring forward to replace the expensive commercial data acquisition card with PC sound card. It has broad application and development prospect. Based on brief introduction of virtual instruments concept, present conditions ,developing trends and characteristics

7、of programming software LabVIEW ,the basic principles of audio signal generator are outlined , the function and relative configurations of sound card are analyzed, and details of each system composing module is presented.Key words: virtual instrument; audio signal generator; LabVIEW; sound card目 錄1

8、緒論 . . 1 1.1 課題背景 . . 1 1.2 虛擬儀器概述以及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 . . 1 1.2.1 虛擬儀器概述 . . 1 1.2.2 虛擬儀器國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 . . 3 1.3 課題的意義 . . 41.4 課題內(nèi)容 . . 52 系統(tǒng)基本功能描述及軟硬件概述 . 6 2.1 系統(tǒng)基本功能描述 . . 6 2.2 軟件 LabVIEW 概述 . 6 2.2.1 LabVIEW 的結(jié)構(gòu) . 7 2.2.2 LabVIEW 模板分析 . 8 2.2.2.1 工具模板(Tools Palette . 8 2.2.2.2 控制模板 (Controls Palette . . 9 2.2

9、.2.3 功能模板 (Functions Palette . . 10 2.3 硬件聲卡概述 . . 11 2.3.1 聲卡工作原理 . . 11 2.3.2 聲卡的工作流程 . . 122.3.3 聲卡主要技術(shù)指標(biāo) . . 123 系統(tǒng)整體方案和各組成部分方案設(shè)計(jì) . 13 3.1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì) . . 13 3.2 波形發(fā)生部分方案設(shè)計(jì) . . 13 3.2.1 仿真信號發(fā)生器 Simulate Signal. vi . 15 3.2.2 多諧信號附加噪聲的波形發(fā)生器 Tones and Noise Waveform .vi . 17 3.2.3 公式節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生仿真信號 . . 19 3

10、.3 聲音輸出部分方案設(shè)計(jì) . . 21 3.4 圖形顯示部分方案設(shè)計(jì) . . 22 3.4.1 Waveform Chart . 22 3.4.2 Waveform Graph . . 243.4.3 XY Graph . 254 音頻信號發(fā)生器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與結(jié)果顯示 . 26 4.1 音頻信號發(fā)生器前面板的設(shè)計(jì) . . 26 4.2 音頻信號發(fā)生器流程圖設(shè)計(jì) . . 284.3 音頻信號發(fā)生器運(yùn)行結(jié)果顯示 . . 31 4.3.1 單聲道音頻信號發(fā)生器運(yùn)行結(jié)果顯示 . . 314.3.2 雙通道音頻信號發(fā)生器運(yùn)行結(jié)果顯示 . . 325 音頻信號發(fā)生器系統(tǒng)的調(diào)試和結(jié)果分析 . 346結(jié)論 .

11、 . 錯(cuò)誤!未定義書簽。 參考文獻(xiàn) . 38致謝 . 391 緒論1.1 課題背景隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的日新月異, 測控儀器正經(jīng)歷著一場翻天覆地的變化。 現(xiàn)代測 控要求儀器不僅能夠單獨(dú)測量某個(gè)量, 而且希望它們之間能夠相互通信, 實(shí)現(xiàn)信息的 共享,完成對被測信號的綜合分析與評估。在這方面,傳統(tǒng)儀器表現(xiàn)出操作復(fù)雜、不 易協(xié)調(diào)等缺陷, 微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步發(fā)展為許多新的測試技術(shù)和測試方 法提供了平臺, 新的測試技術(shù)和測試方法在許多方面已經(jīng)沖破了傳統(tǒng)測試儀器的局限 性。 1986年美國國家儀器公司 (National Instrument首先提出了虛擬儀器的概念,它有 別于傳統(tǒng)的測試儀器, 功

12、能和性能已被不斷地提高, 如今在許多應(yīng)用中已成為傳統(tǒng)儀 器的主要替代方式。 PC 、半導(dǎo)體和軟件功能的進(jìn)一步更新使得未來虛擬儀器技術(shù)的 發(fā)展將為測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一個(gè)極佳的模式, 并且在測量和控制方面都有無以倫比 的強(qiáng)大功能和靈活性。它可廣泛應(yīng)用于電子測量、振動(dòng)分析、聲學(xué)分析、故障診斷、 航天航空、軍事工程、電力工程、機(jī)械工程、建筑工程、鐵路交通、地質(zhì)勘探、生物 醫(yī)療、教學(xué)及科研等諸多方面。虛擬儀器的各種優(yōu)點(diǎn)讓用戶可以放心地舍棄舊的傳統(tǒng)測量設(shè)備, 接受更新型、 以 計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的虛擬儀器系統(tǒng)。 由于計(jì)算機(jī)的性能價(jià)格比不斷改進(jìn), 這將使虛擬儀器 的價(jià)格更為大眾化, 用戶不必再受限于傳統(tǒng)儀器的使用

13、范圍和昂貴的價(jià)格限制, 進(jìn)一 步降低使用成本, 減少系統(tǒng)的開發(fā)費(fèi)用和系統(tǒng)的維護(hù)費(fèi)用。 此外, 新型筆記本電腦又 把虛擬儀器的便攜性和強(qiáng)大功能推向一個(gè)新的水平, 所有這些必將加快虛擬儀器的發(fā) 展, 使它的功能和應(yīng)用領(lǐng)域不斷增強(qiáng)和擴(kuò)大, 本文設(shè)計(jì)的虛擬音頻信號發(fā)生器正是在 這個(gè)背景下確立的。1.2 虛擬儀器概述以及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1 虛擬儀器概述計(jì)算機(jī)與微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展推動(dòng)了儀器儀表業(yè)劃時(shí)代的革命, 其產(chǎn)物從模擬 儀器、 數(shù)字化儀器、 智能化儀器到今天的虛擬儀器, 無一不顯示出計(jì)算機(jī)與微電子技 術(shù)在儀器的演化與發(fā)展過程中所起的重要作用。任何測量與控制都離不開儀器儀表, 傳統(tǒng)儀器以專一、

14、固定的形式存在, 測量功能及應(yīng)用范圍只能由生產(chǎn)廠家定義并制造。 由于技術(shù)復(fù)雜,所以功能更新緩慢。它的測量儀器模式為:獨(dú)立的機(jī)箱,面板式操作 按鍵和旋鈕,測量結(jié)果的顯示方式以指針、表頭或數(shù)碼管窗口等為主。面對高精度、 高速度以及多參數(shù)的場合, 傳統(tǒng)測量儀器其局限性明顯地表現(xiàn)出來, 此外對許多新的 測量要求傳統(tǒng)儀器也顯得非常吃力?？茖W(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展, 新學(xué)科、 新技術(shù)不斷涌現(xiàn), 這給作為信息技術(shù)源頭和基礎(chǔ)的測量行業(yè)帶來了新的機(jī)遇。 由于計(jì)算機(jī)強(qiáng)大功能的支撐使得各種微機(jī)化的新型儀器 應(yīng)運(yùn)而生,特別是 80年代后期,國外提出了一種全新的儀器儀表概念虛擬儀器。 這種概念的提出為測量與控制領(lǐng)域中技術(shù)的發(fā)展

15、帶來了空間, 在解決上述傳統(tǒng)儀器面 臨的問題方面輕松自如, 同時(shí)也使進(jìn)入信息時(shí)代的人們在測量觀念上產(chǎn)生了更多的新 思想和新概念。儀器的基本功用就是:信號獲取、 分析處理與控制和信息指示表達(dá)。 傳統(tǒng)儀器在 實(shí)現(xiàn)這三大功能時(shí), 是以固化的電路結(jié)構(gòu)來完成的, 其專業(yè)性很強(qiáng), 用戶難以改變儀 器的測量功能,因此測量功能單一或有限,使用范圍狹窄,從采樣、分析到數(shù)據(jù)處理 全部由人工操作, 效率低, 可靠性差。 如果由計(jì)算機(jī)技術(shù)支撐的虛擬儀器系統(tǒng)來完成 上述三大功能, 充分利用計(jì)算機(jī)的軟件和硬件優(yōu)勢, 就可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、 分析 和處理, 這種方式突破了傳統(tǒng)儀器在測量速度、 測量功能以及適應(yīng)范圍的局限,

16、 并且 給用戶拓展了想象空間。 用戶可根據(jù)實(shí)際測量需求, 在基本不改變硬件的情況下, 設(shè) 計(jì)出自己所需要的測量系統(tǒng),達(dá)到一機(jī)多用的功效。由上面的描述可定義虛擬儀器如下:所謂虛擬儀器(Virtual Instrument ,就是在 通用計(jì)算機(jī)平臺上, 用戶根據(jù)需求來定義和設(shè)計(jì)儀器的測試功能, 其實(shí)質(zhì)是充分利用 計(jì)算機(jī)的最新技術(shù)來實(shí)現(xiàn)和擴(kuò)展傳統(tǒng)儀器的功能。 計(jì)算機(jī)和儀器的密切結(jié)合是目前儀 器發(fā)展的一個(gè)重要方向。粗略地說這種結(jié)合有兩種方式,一種是將計(jì)算機(jī)裝入儀器, 其典型的例子就是所謂智能化的儀器。 隨著計(jì)算機(jī)功能的日益強(qiáng)大以及其體積的日趨 縮小, 這類儀器功能也越來越強(qiáng)大, 目前已經(jīng)出現(xiàn)含嵌入式系

17、統(tǒng)的儀器。 另一種方式 是將儀器裝入計(jì)算機(jī),以通用的計(jì)算機(jī)硬件及操作系統(tǒng)為依托,實(shí)現(xiàn)各種儀器功能。 虛擬儀器主要是指后面這種方式。虛擬儀器之所以能夠得到迅速的發(fā)展與應(yīng)用和它所表現(xiàn)出的優(yōu)點(diǎn)顯然是分不開 的,概括說來有如下幾點(diǎn):(1 軟件為核心。虛擬儀器所用的硬件很有限, 它的功能不是由多少臺實(shí)際存在的儀器來決定, 而 主要由用戶根據(jù)需要所設(shè)計(jì)的軟件決定的。(2 靈活方便,用戶自己定義。虛擬儀器打破了傳統(tǒng)儀器由廠家定義, 用戶無法更改的模式, 它給用戶一個(gè)自由 發(fā)揮才能的天地, 用戶可根據(jù)自己不斷變化的需求, 方便靈活地重組測量系統(tǒng), 而系 統(tǒng)的擴(kuò)展、 升級都可隨時(shí)進(jìn)行。 周期短, 見效快, 能充

18、分地滿足用戶不同場合的需求。 (3 系統(tǒng)的開放性強(qiáng)。虛擬儀器具有與其它設(shè)備互聯(lián)的能力,通過網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)或與高檔外設(shè)的連接, 實(shí)現(xiàn)對其它外接設(shè)備的監(jiān)測和管理, 這種互聯(lián)能力使測控系統(tǒng)的功能顯著增加, 應(yīng)用 領(lǐng)域明顯擴(kuò)大。(4 性價(jià)比高。虛擬儀器之所以能達(dá)到一機(jī)多用的功效,是由于它測量功能的設(shè)置是極為方便 的,技術(shù)更新周期短,系統(tǒng)組建時(shí)間少,同時(shí)由于測量時(shí)完全采用數(shù)字化,降低了環(huán) 境干擾和系統(tǒng)誤差的影響。 在節(jié)省了硬件環(huán)節(jié)的同時(shí), 也減少了測試系統(tǒng)的開發(fā)成本 和維護(hù)成本,所以經(jīng)濟(jì)實(shí)用。虛擬儀器的優(yōu)點(diǎn)遠(yuǎn)不止上述幾點(diǎn), 它的實(shí)用性、 可靠性等均有很大的優(yōu)勢, 毫無 疑問, 虛擬儀器是現(xiàn)代儀器儀表技術(shù)發(fā)

19、展的必然, 也是測控領(lǐng)域不可缺少的有利工具。 1.2.2虛擬儀器國內(nèi)外研究現(xiàn)狀虛擬儀器技術(shù)目前在國外發(fā)展很快, 以美國國家儀器公司 (NI 為代表的一批廠 商已經(jīng)在市場上推出了基于虛擬儀器技術(shù)而設(shè)計(jì)的商品化儀器產(chǎn)品。 近年來, 世界各 國的虛擬儀器公司開發(fā)了不少虛擬儀器開發(fā)平臺軟件, 使用者利用這些公司提供的開 發(fā)平臺軟件組建自己的虛擬儀器或測試系統(tǒng), 并編制測試軟件。 最早和最具有影響力 的開發(fā)軟件,是 NI 公司的 LabVIEW 軟件和 LabWindows/CVI開發(fā)軟件。 LabVIEW 采用圖形化編程方案, 是非常實(shí)用的開發(fā)軟件。 當(dāng)今虛擬儀器的系統(tǒng)開發(fā)采用的總線 包括傳統(tǒng)的 RS

20、232串行總線、 GPIB 通用接口總線、 VXI 總線,以及已經(jīng)被 PC 機(jī)廣 泛采用的 USB 串行總線和 IEEE1394總線。世界各國的公司,特別是美國 NI 公司, 為使虛擬儀器能夠適應(yīng)上述各種總線的配置,開發(fā)了大量的軟件以及適應(yīng)要求的硬 件, 可以靈活的組建不同復(fù)雜的虛擬儀器子自動(dòng)檢測系統(tǒng)。 虛擬儀器的開發(fā)廠家, 為 擴(kuò)大虛擬儀器的功能,在測量結(jié)果的數(shù)據(jù)處理、表達(dá)及其變換方面也做了很多工作, 發(fā)布了各種軟件, 建立了數(shù)據(jù)處理的高級分析庫和工具開發(fā)庫 (例如測量結(jié)果的譜分 析、快速傅里葉變換、各種數(shù)據(jù)濾波器、卷積處理和相關(guān)函數(shù)處理、微積分、峰值、 閾值檢測、波形發(fā)生、回歸分析、數(shù)值運(yùn)

21、算、時(shí)域和頻域分析等 ,使虛擬儀器發(fā)展 可以組建極為復(fù)雜自動(dòng)檢測系統(tǒng)的儀器系統(tǒng)。在國內(nèi)已有部分院校的實(shí)驗(yàn)室引入了虛擬儀器系統(tǒng), 近一、 兩年來又開發(fā)了一批 新的虛擬儀器系統(tǒng)用于教學(xué)和科研。四川聯(lián)合大學(xué)的教師基于虛擬儀器的設(shè)計(jì)思想, 研制了“航空電臺二線綜合測試儀”將 8臺儀器集成于一體,組成虛擬儀器系統(tǒng),使 用方便、 靈活。 清華大學(xué)利用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建的汽車發(fā)動(dòng)檢測系統(tǒng), 用于汽車發(fā)動(dòng) 機(jī)的出場檢驗(yàn),主要檢測發(fā)動(dòng)機(jī)的功率特征、負(fù)荷特性等。一臺發(fā)動(dòng)機(jī)檢測完后,就 可打印出完整的檢測報(bào)告。此外,國內(nèi)已有幾家企業(yè)在研制 PC 虛擬儀器,哈工大儀 器王電子有限責(zé)任公司就是其中之一, 它的產(chǎn)品已達(dá)到了

22、一定的批量。 其主要產(chǎn)品有 數(shù)字存儲示波器系列、任意波形發(fā)生器及頻率計(jì)系列、多通道大容量波形記錄系列。 LabVIEW 作為虛擬儀器開發(fā)系統(tǒng)的杰出代表,在我國雖然引進(jìn)的時(shí)間不長,但是現(xiàn) 在己經(jīng)被認(rèn)識和推廣、 應(yīng)用, 它促進(jìn)了中國測試領(lǐng)域的技術(shù)革命, 在科研及教育領(lǐng)域 都得到了迅速推廣。國內(nèi)專家預(yù)測 :未來幾年內(nèi),我國將有 50%的儀器為虛擬儀器。國內(nèi)將有大批企業(yè)使用虛擬儀器系統(tǒng)對生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測。隨著微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展, 虛擬儀器將會逐步取代傳統(tǒng)的測試儀器而成為測試儀器的主流。 虛擬儀器技術(shù)的提出 和發(fā)展,標(biāo)志著二十一世紀(jì)自動(dòng)測試與電子測試儀器領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。 1.3

23、課題的意義信號發(fā)生器是一種常用的信號源, 是電子工程師在進(jìn)行各種測試和診斷時(shí)必備的 工具, 廣泛應(yīng)用于電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)、 自動(dòng)控制系統(tǒng)和科學(xué)研究等諸多領(lǐng)域。 而傳統(tǒng)信號 發(fā)生器電路復(fù)雜, 抗干擾能力差, 實(shí)現(xiàn)困難及設(shè)計(jì)周期長。 在這種傳統(tǒng)信號發(fā)生器已 嚴(yán)重滯后于信息時(shí)代和工程實(shí)際需要的背景下,人們開始致力于開發(fā)虛擬信號發(fā)生 器。它把計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、信號處理技術(shù)、軟件技術(shù)很好地結(jié)合 起來,由用戶定義儀器功能,桌面整潔,操做條理,不但使測量人員從繁復(fù)的儀器堆 中解放出來,而且具有精度高、速度快、系統(tǒng)組建時(shí)間短、可擴(kuò)展性強(qiáng)、技術(shù)更新快 和儀器智能化等優(yōu)點(diǎn),尤其是在需要現(xiàn)場測試的地方發(fā)揮

24、了很大的優(yōu)勢。音頻信號發(fā)生器作為信號發(fā)生器的一種, 具有很廣泛的應(yīng)用, 可應(yīng)用于聲學(xué), 振 動(dòng), 電信等領(lǐng)域作為信號激勵(lì)源, 也適用于工廠生產(chǎn)車間進(jìn)行音頻信號測試和揚(yáng)聲器 聽音測試及純音檢測。傳統(tǒng)臺式音頻信號發(fā)生器是由儀器廠家設(shè)計(jì)并定義好功能的一個(gè)封閉結(jié)構(gòu)。 它有 特定的輸入 /輸出接口和儀器操作面板,具有多種信號發(fā)生功能,當(dāng)要實(shí)現(xiàn)更多的信 號發(fā)生功能時(shí), 就要配置更多的儀器, 這給用戶的使用帶來諸多不便。 此外由于缺乏 相應(yīng)的計(jì)算機(jī)接口, 配合數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理比較困難且體積相對龐大, 制造成本比 較高, 這就增加了系統(tǒng)的開發(fā)成本。 虛擬儀器技術(shù)的提出和飛快發(fā)展和傳統(tǒng)臺式音頻 信號發(fā)生器表現(xiàn)

25、出的弊端,使得虛擬音頻信號發(fā)生器應(yīng)運(yùn)而生。虛擬儀器一般由通用儀器硬件平臺和應(yīng)用軟件兩大部分構(gòu)成。 硬件解決信號的輸 入和輸出, 軟件可以很方便地進(jìn)行修改, 改變儀器系統(tǒng)的功能, 以適應(yīng)不同使用者的 需要, 其中信號的輸入、 輸出部分一般使用數(shù)據(jù)采集卡 , 但商用的采集卡價(jià)格昂貴, 用商用采集卡來開發(fā)系統(tǒng)成本較大。 為了降低開發(fā)成本, 本次設(shè)計(jì)的虛擬音頻信號發(fā) 生器就采用 PC 機(jī)聲卡代替價(jià)格昂貴的商用數(shù)據(jù)采集卡做為模數(shù)轉(zhuǎn)換工具輸出模擬的 語音信號。 隨著 DSP 技術(shù)的成熟, 現(xiàn)在的 PC 聲卡本身就是一個(gè)優(yōu)秀的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。 它同時(shí)具有 A/D和 D/A轉(zhuǎn)換功能,能實(shí)現(xiàn)雙通道、 16位、高精

26、度的數(shù)據(jù)采集,且每通 道采樣頻率不小于 44.1KHz ,對于工程測量、教學(xué)實(shí)驗(yàn)等用途而言,其各項(xiàng)指標(biāo)均可 以滿足要求。此外,聲卡兼容性好、性能穩(wěn)定、靈活通用,軟件特別是驅(qū)動(dòng)程序升級 方便。并且 ISA (Industry Standard Architecture,工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)總線向 PCI 總線的過 渡,解決了以往聲卡與系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)的瓶頸問題,更加充分發(fā)揮了 DSP 芯片的性能。 在聲卡性能越來越好, 成本越來越低, 普遍率越來越高的情況下, 利用聲卡可在 音頻范圍內(nèi)代替專用的數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和輸出, 不需要增加任何硬件就能使計(jì)算機(jī)成為音頻信號發(fā)生器。這樣的信號發(fā)生器兼容性好、性能穩(wěn)

27、定、靈活性高,值 得在工程測量應(yīng)用及相關(guān)實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)一步推廣和擴(kuò)充,其應(yīng)用前景較為廣闊。 1.4課題內(nèi)容本課題以計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的信息處理能力為依托, 充分利用聲卡 DSP 技術(shù)、 LabVIEW 多線程技術(shù)及其圖形化、 結(jié)構(gòu)化的特征, 實(shí)現(xiàn)了音頻信號發(fā)生器的軟件化設(shè)計(jì), 能夠 完成對多種常用信號的生成及模擬輸出。 內(nèi)容主要涉及了音頻信號發(fā)生器的軟面板制 作,常用信號的生成及顯示,聲卡驅(qū)動(dòng)程序的應(yīng)用。具體內(nèi)容分為幾個(gè)部分:(1學(xué)習(xí)虛擬儀器及 LabVIEW 語言的有關(guān)知識;(2學(xué)習(xí)常用信號生成的基本方法及信號波形的顯示;(3學(xué)習(xí)聲卡的有關(guān)知識和 LabVIEW 的音頻處理模塊設(shè)置及運(yùn)用;(4學(xué)習(xí)虛擬音

28、頻信號發(fā)生器的相關(guān)調(diào)試;具體論文的結(jié)構(gòu)如下:第一章 緒論, 簡要介紹課題背景, 虛擬儀器的基本概述和虛擬儀器的國內(nèi)外研 究現(xiàn)狀以及發(fā)展方向。 分析了本課題的研究目的和意義, 介紹了本文的課題內(nèi)容和論 文結(jié)構(gòu)安排。第二章 描述了本課題所開發(fā)系統(tǒng)的基本功能和所用的軟硬件。 詳細(xì)介紹了軟件 編程平臺 LabVIEW 語言,重點(diǎn)分析了 LabVIEW 的三種模板。除此之外對系統(tǒng)所用硬 件聲卡的工作原理,工作流程及各項(xiàng)指標(biāo)做了介紹,為后面的編程奠定基礎(chǔ)。 第三章 介紹了系統(tǒng)的整體實(shí)現(xiàn)方案, 依據(jù)整體方案的各組成部分, 對各部分的 不同實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行了描述,并通過對比分析確定各組成部分最終將采用的方案。 第

29、四章 介紹音頻信號發(fā)生器系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)過程, 包括系統(tǒng)的前面板設(shè)計(jì)和流 程框圖的設(shè)計(jì) , 并對整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行顯示。第五章 介紹對系統(tǒng)進(jìn)行的調(diào)試和運(yùn)行結(jié)果的分析。第六章 結(jié)論,主要是對本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行總結(jié)。2 系統(tǒng)基本功能描述及軟硬件概述2.1 系統(tǒng)基本功能描述該音頻信號發(fā)生器能夠?qū)崿F(xiàn)對常用正弦,三角,方波,鋸齒四種信號的生成和顯 示, 并用聲卡發(fā)聲。 要求使用美國國家儀器 (NI 公司開發(fā)的圖形化編程工具 LabVIEW 作為軟件開發(fā)平臺, 開發(fā)出的系統(tǒng)前面板必須功能齊全、 美觀。 可以在音頻范圍內(nèi)調(diào) 節(jié)輸出波形的頻率、幅值和相位的大小,當(dāng)用到方波時(shí)可以調(diào)節(jié)占空比。2.2 軟件 La

30、bVIEW 概述當(dāng)今, C/C+、 VC 、 VB 和美國國家儀器(NI 公司的 LabVIEW 都可以作為虛 擬儀器的軟件開發(fā)工具。 其中 C/C+、 VC 、 VB 等傳統(tǒng)軟件開發(fā)平臺為眾多編程人員 所熟悉, 可以用來開發(fā)測試軟件, 但這種開發(fā)方式對測試人員要求很高, 需要自己將 各種數(shù)據(jù)處理方法用計(jì)算機(jī)語言實(shí)現(xiàn),還要對用于數(shù)據(jù)通信的各種連接總線(如 RS232、 GPIB 、 USB 等非常熟悉,絕大多數(shù)測試工程人員難以做到,或者需要花 費(fèi)大量的時(shí)間來研究, 而懂得這些編程方法的人員又不一定懂得測試, 因此用這種平 臺開發(fā)測試工程軟件難度大、周期長、費(fèi)用高、可擴(kuò)展性差。順應(yīng)形勢的發(fā)展,一

31、些 專業(yè)測試開發(fā)平臺紛紛推向市場,如 HPVEE 、組態(tài)軟件平臺、 TPS 平臺等,但這些 平臺的專用性太強(qiáng),可擴(kuò)展性、通用性比較差。NI 公司的 LabVIEW 全稱叫 Laboratory Virtual Instrument Engineering Work Bench ,它是一個(gè)高效的圖形化程序設(shè)計(jì)語言。它采用了簡單易用的圖形式開發(fā)環(huán)境 和靈活強(qiáng)大的函數(shù)庫, 為編程提供了一個(gè)直觀的環(huán)境, 與測量硬件緊密結(jié)合, 能讓工 程師與科學(xué)家們迅速開發(fā)出有關(guān)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析及顯示的解決方案。 LabVIEW 是一個(gè)劃時(shí)代的圖形化編程系統(tǒng), 它提供了一種全新的程序編寫方法, 可通過交互式 圖形前面

32、板進(jìn)行系統(tǒng)控制和結(jié)果顯示, 即設(shè)計(jì)虛擬儀器的操作面板, 通過框圖模塊來 指示各種功能。 現(xiàn)今數(shù)以萬計(jì)的工程師、 科學(xué)家及技術(shù)人員正在通過 LabVIEW 來構(gòu) 建測量與自動(dòng)化解決方案。概括的說, LabVIEW 作為測試軟件開發(fā)平臺有如下特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn):(1圖形化編程環(huán)境。 LabVIEW 的基本編程單元是圖標(biāo),不同的圖標(biāo)表示不同 的功能模塊。用 LabVIEW 編寫程序的過程也就是多個(gè)圖標(biāo)用線連起來的過程,連線 表示功能模塊之間存在數(shù)據(jù)的傳遞。 被連接的對象之間的數(shù)據(jù)流控制著執(zhí)行程序, 并 允許有多個(gè)數(shù)據(jù)通路同步運(yùn)行。 其編程過程近似人的思維過程, 直觀易學(xué), 編程效率 高,無須編寫任何文本格式

33、的代碼,易為多數(shù)工程技術(shù)人員接受。(2可重用性高。 LabVIEW 繼承并發(fā)展了結(jié)構(gòu)化和模塊化程序設(shè)計(jì)概念,使測 試程序能夠很好地體現(xiàn)分層性、模塊化,即可以把任意一個(gè)測試程序當(dāng)作頂層程序,也可將其當(dāng)做其他測試程序的子程序, 這樣用戶就可以把一個(gè)復(fù)雜的應(yīng)用任務(wù)分解為 一系列、 多層次的子任務(wù)。 通過為每個(gè)子任務(wù)設(shè)置不同的功能, 并將這些測試子程序 進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕M合、 修改、 交叉和合并等, 就可以在頂層最終建成一個(gè)所有應(yīng)用功能的 測試系統(tǒng)。(3開發(fā)功能高效、通用。 LabVIEW 是一個(gè)帶有擴(kuò)展功能庫和子程序庫的通用 程序設(shè)計(jì)系統(tǒng),提供數(shù)百種功能模塊(類似其他計(jì)算機(jī)語言的子程序或函數(shù) ,包括 算術(shù)

34、運(yùn)算、函數(shù)運(yùn)算、信號采集、信號輸出、數(shù)據(jù)存取、信號分析處理、數(shù)據(jù)通信等 功能模塊, 涵蓋了測試的各個(gè)環(huán)節(jié), 用戶通過拖放及簡單的連線, 就可以在極短的時(shí) 間內(nèi)設(shè)計(jì)好一個(gè)高效而使用的測試軟件,再配以相應(yīng)的硬件就可以完成各種測試任 務(wù)。這樣既節(jié)約了時(shí)間,又可提高測試的可控制性及測試速度。(4支持多種儀器和數(shù)采硬件的驅(qū)動(dòng)。 LabVIEW 提供了數(shù)百種儀器的源碼級驅(qū) 動(dòng)程序, 包括 DAQ 、 GPIB (IEEE488 、 PXI 、 VXI 、 RS232, 根據(jù)需要還可以在 LabVIEW 中自行開發(fā)各種硬件驅(qū)動(dòng)程序,也可以通過動(dòng)態(tài)鏈接庫(DLL 利用其他語言開發(fā)函 數(shù)庫,從而進(jìn)一步擴(kuò)展其功能

35、。(5網(wǎng)絡(luò)功能強(qiáng)大。 LabVIEW 支持常用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,如傳輸控制協(xié)議(TCO/IP 和用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議(UDP ,方便網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)的開發(fā)。(6開放性強(qiáng)。 LabVIEW 具有很強(qiáng)的開放性,是一個(gè)開放的開發(fā)環(huán)境,能和第 三方軟件輕松連接,通過 LabVIEW 可以把現(xiàn)有的應(yīng)用程序和 NET 組件、 ActiveX 、 DLL 等相連,可以和 MATLAB 混合編程,也可以在 LabVIEW 中創(chuàng)建能在其他軟件 環(huán)境中調(diào)用的獨(dú)立執(zhí)行程序或動(dòng)態(tài)鏈接庫。由于 LabVIEW 虛擬儀器系統(tǒng)具有上述優(yōu)點(diǎn),所以本設(shè)計(jì)將采用 LabVIEW 作為 編程的開發(fā)平臺。2.2.1LabVIEW 的結(jié)構(gòu)所有的

36、LabVIEW 程序,即虛擬儀器(VIs , 都包括前面板(Front Panel和程序 流程圖(Block Diagram 兩部分。前面板是 LabVIEW VI 的圖形用戶接口,集成了 用戶輸入和顯示輸出功能。前面板包括旋鈕、按鈕、圖形和其他的控制(Controls 與顯示 (Indicators模塊。用戶可以根據(jù)自己的需要在前面板上放置按鈕等控制模塊及 顯示模塊,如圖 2-1。流程圖是指程序的內(nèi)部運(yùn)行結(jié)構(gòu),是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)處理的流 程,包含了虛擬儀器的圖形化源代碼。流程圖由端口、節(jié)點(diǎn)、圖框和連線構(gòu)成。其中 端口被用來同程序前面板的控制和顯示傳遞數(shù)據(jù),節(jié)點(diǎn)被用來實(shí)現(xiàn)函數(shù)和功能調(diào)用, 圖框被

37、用來實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化程序控制命令, 而連線代表程序執(zhí)行過程中的數(shù)據(jù)流, 定義了 框圖內(nèi)的數(shù)據(jù)流動(dòng)方向。它和文本式開發(fā)平臺(如 VC+中的 *.h、 *.cpp等文件的 作用是一樣的,只是 LabVIEW 流程圖的開發(fā)是圖形化的,更簡單、高效、直觀,如 圖 2-2。78圖 2-1 LabVIEW 前面板圖 2-2 LabVIEW 流程圖2.2.2 LabVIEW 模板分析LabVIEW 是一種圖形化設(shè)計(jì)語言,在一個(gè)虛擬儀器 VI 的開發(fā)過程中,主要利用模板創(chuàng)建和運(yùn)行程序。這些操作模板可以隨意在屏幕上移動(dòng),并可以放置在屏幕的任意位置。操縱模板 共 有 三 類 :工 具 (Tools模 板 、 控 制 (

38、Controls模 板 和 功 能(Functions模板或稱函數(shù)模板。2.2.2.1 工具模板(Tools Palette工具模板如圖 2-3所示, 它為編程者提供了各種用于創(chuàng)建、 圖 2-3 工具模板9修改和調(diào)試 VI 程序的工具。該模板可以在 windows 菜單下選擇 Show Tools Palette命令以顯示該模板。 當(dāng)從模板內(nèi)選擇了任一種工具后, 鼠標(biāo)箭頭就會變成該工具相應(yīng) 的形狀,它包括了以下工具包。操作工具:使用該工具來操作前面板的控制和顯示。使用它向數(shù)字或字符串控制中鍵入值時(shí),工具會變成標(biāo)簽工具的形狀。選擇工具:用于選擇、移動(dòng)或改變對象的大小。當(dāng)它用于改變對象的連框大小時(shí)

39、,會變成相應(yīng)形狀。標(biāo)簽工具:用于輸入標(biāo)簽文本或者創(chuàng)建自由標(biāo)簽。當(dāng)創(chuàng)建自由標(biāo)簽時(shí)它會變成相應(yīng)形狀。連線工具:用于在框圖程序上連接對象。如果聯(lián)機(jī)幫助的窗口被打開時(shí),把該工具放在任一條連線上,就會顯示相應(yīng)的數(shù)據(jù)類型。對象彈出菜單工具:用左鼠標(biāo)鍵可以彈出對象的彈出式菜單。漫游工具:使用該工具就可以不需要使用滾動(dòng)條而在窗口中漫游。斷點(diǎn)工具:使用該工具在 VI 的框圖對象上設(shè)置斷點(diǎn)。探針工具:可以在框圖程序內(nèi)的數(shù)據(jù)流線上設(shè)置探針。程序調(diào)試員可以通過控 制探針窗口來觀察該數(shù)據(jù)流線上的數(shù)據(jù)變化狀況。顏色提取工具:使用該工具來提取顏色用于編輯其他的對象。顏色工具:用來給對象定義顏色。它顯示出對象的前景色和背景色

40、。與上述工具模板不同,控制和功能模板只顯示頂層子模板的圖標(biāo)。在這些頂層子模板中包含許多不同的控制或功能子模板。 通過這些控制或功能子模板可以 找到創(chuàng)建程序所需的面板對象和框圖對象。 用鼠標(biāo)點(diǎn)擊頂層子模板圖標(biāo)就可以展開對 應(yīng)的控制或功能子模板, 只需按下控制或功能子模板左上角的大頭針就可以把對這個(gè) 子模板變成浮動(dòng)板留在屏幕上。2.2.2.2 控制模板 (Controls Palette用控制模板可以給前面板添加輸入控制和輸出顯示。每個(gè)圖標(biāo)代表一個(gè)子模板。如果控制模板不顯示,可以用 Windows 菜單的 Show Controls Palette功能打開它,也可以在前面板的空白處,點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵,

41、以彈出控制模板。注:只有當(dāng)打開前面板窗口時(shí)才能調(diào)用控制模板?？刂颇０迦鐖D 2-4所示。 圖 2-4 控制模板10以下介紹幾個(gè)常用的模板:數(shù)值子模板:包含數(shù)值的控制和顯示。布爾值子模塊:邏輯數(shù)值的控制和顯示。數(shù)組和群子模板:復(fù)合型數(shù)據(jù)類型的控制和顯示。圖形子模板:顯示數(shù)據(jù)結(jié)果的趨勢圖和曲線圖。修飾子模板:用于給前面板進(jìn)行裝飾的各種圖形對象。調(diào)用存儲在文件中的控制和顯示的接口。2.2.2.3 功能模板 (Functions Palette功能模板是創(chuàng)建框圖程序的工具。 該模板上的每一個(gè)頂層圖標(biāo)都表示一個(gè)子模板。若功能模板不出現(xiàn),則可以用 Windows 菜單下的 Show Functions Pa

42、lette功能打開它,也可以在框圖程序窗口的空白處點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵以彈出功能模板。 (注:只有打開了框圖程序窗口,才能出現(xiàn)功能模板。 功能模板如圖 2-5所示。以下介紹幾個(gè)常用的模板:結(jié)構(gòu)子模板:包括程序控制結(jié)構(gòu)命令,例如循環(huán) 控制等,以及全局變量和局部變量。數(shù)值運(yùn)算子模板:包括各種常用的數(shù)值運(yùn)算符,如 +、 -等;以及各種常見的數(shù)值運(yùn)算式,如 +1運(yùn)算;還包括數(shù)制轉(zhuǎn)換、三角函數(shù)、對數(shù)、復(fù)數(shù)等運(yùn)算,以及各種數(shù)值常數(shù)。布爾邏輯子模板:包括各種邏輯運(yùn)算符以及布爾常數(shù)。數(shù)組子模板:包括數(shù)組運(yùn)算數(shù)組轉(zhuǎn)換函數(shù),以及常數(shù)數(shù)組等。 字符串子模板:用于連接兩個(gè)或更多字符串,抽取字符串子集,將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換圖 2-5 功

43、能模板 11 為字符串以及格式化字符串,以便進(jìn)行文字處理或電子表格應(yīng)用。 群子模板:包括群的處理函數(shù),以及群常數(shù)等。這里的群相當(dāng)于 C 語言中的 結(jié)構(gòu)。比較子模板:包括各種比較運(yùn)算函數(shù),如大于、小于、等于。 時(shí)間和對話框子模板:包括對話框窗口、時(shí)間和出錯(cuò)處理函數(shù)等。 信號處理子模板:包括信號發(fā)生、時(shí)域及頻域分析功能模塊。 “選擇 VI 子程序” 子模板:包括一個(gè)對話框, 可以選擇一個(gè) VI 程序作為子 程序(SUB VI插入當(dāng)前程序中。 文件 I/O子模板:用于打開和關(guān)閉文件,向文件寫入或讀出字符串、數(shù)值、 數(shù)組或簇,創(chuàng)建指定文件的地址或文件的地址信息。 應(yīng)用程序控制子模板:通過本地計(jì)算機(jī)或網(wǎng)

44、絡(luò)控制 VI ,可同時(shí)控制多個(gè) VI 。 圖形與聲音子模板:可顯示自定義圖象,輸入、輸出圖形文件的數(shù)據(jù),也可 播放聲音。報(bào)表生成子模板:創(chuàng)建或操作 LabVIEW 報(bào)表文件。 編制軟件時(shí)通過對控制和功能模塊中子模塊的靈活調(diào)用,選取相應(yīng)的功能子模 塊,分別置于前后面板內(nèi),使用連線工具即可完成虛擬儀器設(shè)計(jì)。2.3 硬件聲卡概述本虛擬音頻信號發(fā)生器的硬件部分為一具有聲卡的通用 PC 機(jī)。計(jì)算機(jī)的聲卡本 身就是一個(gè)具有 A/D、 D/A的轉(zhuǎn)換裝置,本設(shè)計(jì)利用聲卡的 D/A功能,代替專用的數(shù) 據(jù)采集卡在音頻范圍內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣和輸出, 不需增加任何硬件就能使計(jì)算機(jī)成為信 號發(fā)生器,具有成本低廉、兼容性好、

45、靈活性強(qiáng)等特點(diǎn)。2.3.1 聲卡工作原理麥克風(fēng)、揚(yáng)聲器、耳機(jī)等所用的都是模擬信號,而電腦所能處理的信號都是數(shù)字 信號,聲卡的作用就是實(shí)現(xiàn)兩者之間的轉(zhuǎn)換。從結(jié)構(gòu)上分,聲卡可分為模擬 /數(shù)字轉(zhuǎn)換電路和數(shù)字 /模擬轉(zhuǎn)換電路兩部分,模擬 /數(shù)字轉(zhuǎn)換電路負(fù)責(zé)將麥克風(fēng)等聲音輸入設(shè) 備采集到的模擬聲音信號轉(zhuǎn)換為電腦能處理的數(shù)字信號;數(shù)字 /模擬轉(zhuǎn)換電路負(fù)責(zé)將 電腦使用的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為揚(yáng)聲器等聲音輸出設(shè)備使用的模擬信號。2.3.2 聲卡的工作流程輸入時(shí),麥克風(fēng)或線路輸入 (Line In獲取的音頻信號通過 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字 信號,送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行播放、錄音等各種處理;輸出時(shí),計(jì)算機(jī)通過總線將數(shù)字化的 聲音

46、信號以 PCM(Pulse Code Modulation, 脈沖編碼調(diào)制 方式送到 D/A轉(zhuǎn)換器, 變成模 擬的音頻信號,通過功放或線路輸出 (Line Out送到音箱等設(shè)備轉(zhuǎn)換為聲波。2.3.3 聲卡主要技術(shù)指標(biāo)(1 采樣位數(shù):采樣位數(shù)可以理解為聲卡處理聲音的解析度。這個(gè)數(shù)值越大, 解析度越高, 錄制和回放的聲音就越真實(shí)。 如今市面上所有的主流產(chǎn)品都是 16位的聲 卡, 而一般的數(shù)據(jù)采集卡大多也才有 12位, 因此, 聲卡相較于常用的數(shù)據(jù)采集卡毫不 遜色。(2 采樣頻率:采樣頻率是指錄音設(shè)備在一秒鐘內(nèi)對聲音信號的采樣次數(shù),采 樣頻率越高聲音的還原就越真實(shí)越自然。 在當(dāng)今的主流聲卡上, 采樣

47、頻率一般共分為 8 KHz 、 11.025KHz 、 22.05KHz 和 44.1KHz 四個(gè)等級,少數(shù)可以達(dá)到 48 KHz 。對于 20Hz 20KHz 范圍內(nèi)的音頻信號,采用 44.1KHz 采樣頻率理論上可以,但可能會出現(xiàn) 失真。因而使用聲卡的局限性就是不允許用戶在最高采樣率下隨意設(shè)定信號頻率。 (3 聲道數(shù):聲道數(shù)是衡量聲卡檔次的重要指標(biāo)之一,可以分為單聲道、準(zhǔn)立 體聲、立體聲和 5.1聲道等。(4 頻率范圍和頻率響應(yīng):前者是指音響系統(tǒng)能夠回放的最低有效回放頻率與 最高有效回放頻率之間的范圍。 聲卡輸出信號的頻率范圍與聲卡的型號有關(guān), 其頻率 一般在 1Hz-20KHz 之間。3

48、 系統(tǒng)整體方案和各組成部分方案設(shè)計(jì)3.1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)虛擬音頻信號發(fā)生器的總流程如下圖所示,使用時(shí)先按下電源 power 按鈕,運(yùn)行 程序,然后設(shè)置聲卡以及通過波形選擇開關(guān)選擇波形,并設(shè)定其幅度、頻率、相位、 占空比 (方波 ,波形信號就可在顯示屏上顯示并通過聲卡發(fā)聲。程序運(yùn)行過程中,可 通過面板上的控件隨時(shí)改變波形的參數(shù)(幅度、頻率、相位、占空比,關(guān)閉電源, 程序停止運(yùn)行。3.2 波形發(fā)生部分方案設(shè)計(jì)在 LabVIEW 中產(chǎn)生一個(gè)仿真信號,相當(dāng)于通過軟件實(shí)現(xiàn)了一個(gè)信號發(fā)生器的功 能。針對不同的數(shù)據(jù)形式, LabVIEW 中有 3個(gè)不同層次的信號發(fā)生器,如表 3-1。 LabVIEW 中對應(yīng)的三種信號器如圖 3-1,3-2,3-3。 表 3-1 數(shù)據(jù)類型對應(yīng)的信號發(fā)生器 圖 3-1 Express VI仿真信號發(fā)生器 圖 3-2 波形發(fā)生器子 VI 模板 圖 3-3 普通信號發(fā)生器子 VI 模板3