基于声卡的虚拟仪器在电路实验中的应用

传统仪器 虚拟仪器 关键是硬件，升级成本较高，且升级 必须上门服务 关键是软件， 系统性能升级 方便， 通过网络下载升级程 序即可 开发与维护的费用高 开发与维护的费用降至最低 技术更新周期长（5～10 年） 技术更新周期短（1～2 年） 价格昂贵，仪器间一般无法相互利用 价格低廉， 仪器间资源可重 用性与可配置性强 只有厂家能定义仪器功能 用户可以定义仪器功能 系统封闭、固定，仪器间相互配合较差 系统开放、灵活，与计算机的 进步同步 功能单一， 只能连接有限的独立设 备，不易与其他设备连接 可以与网络及周边设备方便 连接 表 1 传统仪器与虚拟仪器的比较 襄樊职业技术学院学报 第 9卷 第 1期 双月刊 2010年 1月 虚拟仪器的核心思想是利用计算机的强大资源 使本来需要硬件实现的技术软件化，以最大限度地 降低系统成本，增强系统功能和灵活性。在高校电 路实验教学中，使用功能固定的台式仪器做实验，如 频谱分析仪、模拟滤波器、数字存储示波器、动态信 号分析仪等，不仅价格昂贵，而且操作技术复杂。虚 拟仪器技术是当前测控领域的新技术，代表着未来 仪器技术的发展方向,[1]在实验教学中，可以提高实 验效率，降低实验成本，培养学生的创新精神，提高 学生的工程素质。 本文论述了虚拟仪器的基本概念和它与传统仪 器比较的特点，并以一个基于声卡的虚拟仪器为例, 介绍了虚拟仪器在电路实验课程中的应用, 该实验 系统改变了传统的电路实验模式,将简洁、直观的图 形编程语言引入实验教学，极大降低了实验成本。 一、虚拟仪器的概念和特点 虚拟仪器是指通过应用程序将通用计算机与模 拟或数字 I/O接口结合起来，用户通过友好的图形 界面来操作计算机，就像在操作自己定义、自己 的一台传统仪器，从而完成对被测试量的采集、分 析、判断、显示、数据存储等功能。 与传统仪器一样，虚拟仪器可以划分为数据采 集、数据分析处理、显示结果三大功能块。它以透明 的方式把计算机资源和仪器硬件的测控能力相结 合，实现了仪器的功能运作。与传统仪器不同的是， 软件是虚拟仪器的基石。 通过传统仪器与虚拟仪器的比较（表 1所示）， 可以看出虚拟仪器的特点。 美国 NI公司虚拟仪器开发平台 LabVIEW工具 软件的主要特点是采用图形化的编程语言, 又称为 G语言，使用这种语言编程时，基本上不写程序代 码，取而代之的是图或框图，易学、易懂、易掌 握，大大缩短软件开发周期。 二、系统结构 由计算机来组成测控系统，必须解决计算机与 被测对象和被控对象连接的问题。[2]一个典型虚拟 仪器系统结构如图 1所示。 被测物理量由信号调理将被测信号调整到数据 采集卡能够接受的模拟电压范围内，然后由数据采集 卡中的 A/D转换器将模拟信号变为数字信号送达计 算机处理。一般的声卡都至少具有两个通道输入和左 收稿日期：2009-11-25 作者简介：周密（1970-），女，湖北襄樊人。讲师，硕士, 研究方向：计算机网络教学和虚拟仪器。 基于声卡的虚拟仪器在电路实验中的应用 周 密 （襄樊职业技术学院 机械电子信息工程学院, 湖北 襄樊 441050） 摘 要：结合一个基于声卡的虚拟仪器技术,介绍了虚拟仪器在高职院校电路实验中的应用,该实验系统改变了 传统的电路实验模式，提高了实验效率，降低了实验成本，将简洁、直观的图形编程语言 LabVIEW引入实验教学。 关键词：虚拟仪器；声卡；示波器；信号发生器；图形编程语言 中图分类号：TP391.7 文献标识码：A 文章编号：1671-914X（2010）01-0027-03 27 右声道输出，可实现 44.1 kHz、48 kHz、16 bit的数据 采集和 1 V左右的电平输出。对于音频信号范围内的 信号，声卡可以充当数据采集卡和数模转换器。[3]在性 能要求不高的场合，利用声卡，配以信号调理电路，外 加计算机就可构成一个性价比较高的虚拟仪器系统， [4]实现数据采集、示波器、信号发生器、频谱分析仪等 虚拟仪器。 三、LabVI EW中关于声卡的函数 LabVIEW 中提供了一系列使用 WINDOWS 底 层函数编写的与声卡有关的函数，如 SIConfig、SI Start、SIRead、SI Stop、SIClear和 SO Config、SO Start、 SOWrite、SO Stop、SO Pause、SO Vol、SO Clear 等，[5] 这些函数集中在 SOUND VI 下。由于使用 WIN－ DOWS底层函数，直接与声卡驱动程序打交道，因而 封装层次低，速度快，而且可以访问、采集缓冲区中 任意位置的数据，具有很大的灵活性，能够满足实时 不间断采集的需要。 有了这些函数，使用 LabVIEW构建基于声卡的 虚拟仪器可以很方便的实现，基于声卡的数据采集 流程如图2所示。 四、 利用音频输入设计的示波器和频谱 分析仪 示波器在电子测量中是最常用的仪器，它能在 屏幕上以图形的方式显示信号电压随时间的变化， 即波形。频谱分析仪是一般模拟示波器所没有的功 能，而用虚拟仪器就可以很容易实现。利用音频输 入通道可以很方便的制作示波器和频谱分析仪。 图 3是用声卡实现的单通道示波器和频谱仪，它 可以测试信号波形和频谱等，操作简单直观。从图 4 流程图上可以看出，示波器处于连续采集的方式。 首先设置声卡的参数。如果声卡是 16位的，那 么将其设置为 8位将没有输出。缓冲区大小设置为 8 192。程序中使用 CASE结构将声卡参数中的 FS 引出给后面使用。 经过 SI Config 和 SI Start 的准备后，进入循环 体。声卡首先将数据送到缓冲区，SI Read 负责将缓 冲区的数据整块读出，放入内存中的用户数组。实验 表明，这个数据块是缓冲区的一半，即 4 096，且用 户数组是一个整数数组，对 16位的声卡，数组元素 是 0～32 768之间的一个整数，它反映输入电压的大 小，但没有标定。此时可以用一个已知幅值的正弦信 号对它进行标定，该电压标定参数可以在前面板输 入，例如本程序中该参数设为 20 000。 标定后的数据连同 Fs构成一个波形，就可以组 织输出，包括波形、频谱、基波频率等输出。单击 STOP 按钮，循环终止后，继续运行 SI Stop和 SI Clear以及 其他程序，直至程序结束。General Error Handler函数 用于调试程序输出端是否能正常运行。 如不需要做连续采集，则直接使用 Snd Read Waveform函数，[6]图 5是它的内部程序。 五、利用音频输出制作的信号发生器 信号发生器也是比较常用的仪器，凡是产生测 试信号的仪器，统称为信号源，也称为信号发生器， 它可用于产生被测电路所需特定参数的电测试信 号。信号源是根据用户对其波形的命令来产生信号 图 1 虚拟仪器系统结构 图 2 基于声卡的数据采集流程图 图 4 示波器流程图 图 3虚拟示波器面板 图 5 Snd Read Waveform函数的内部程序 周 密 28 基于声卡的虚拟仪器在电路实验中的应用 The Application of Virtual Instruments Based on Sound Card on the Circuit Test ZHOU Mi ( Xiang Fan Vocational and Technical College,Xiangfan Hubei 441050, China) Abstract: This paper introduces the application of a virtual device based on sound card on the circuit test of Higher Vocational Colleges, This system uses a concise, intuitionist graphical programmed language for LabVIEW in the lab test education and changes significantly the traditional test method, It improves the test efficiency and reduce costs. Key Words: Virtual Instruments; Sound card; oscilloscope; Signal generator;Graphic programming language 的电子仪器。信号源主要给被测电路提供所需要的 已知信号（各种波形），然后用其它仪表测量感兴趣 的参数。可见信号源在电子实验和测试处理中，并 不测量任何参数，而是根据使用者的要求，仿真各种 测试信号，提供给被测电路，以达到测试的需要。 图 6是利用音频输出制作的虚拟信号发生器操 作面板显示。 在面板左边有可以调节信号幅度、频率和模出 缓冲的大小的指示，输出显示波形可以选择正弦波、 方波、锯齿波和三角波等，右边是波形显示窗口。 由于 SO Set Num Buffers 函数位于循环之内， 故可以在程序运行中调节。 本设计采用基于 FFT（快速傅立叶算法）的信号 处理程序，用于分析数字信号。编程时保持 SO Config 中的速率与 Sine Waveform 中的样本速 率一致，这样就保证了输出信号的频率确实是前面 板上设定的频率。在 8－bit的情况下，幅值的最大值 是 256，所以设置面板幅度最大值是 500。图 7是利 用音频输出制作的虚拟信号发生器程序流程图。 六、结论 利用虚拟仪器技术，是高职校改革实验教学的 一个全新发展方向。虚拟仪器系统的高利用率和低 成本，在实验教学中具有传统仪器无可比拟的优势， 使用虚拟仪器技术完成相关实验是电子、电路、测控 等实验教学的首选，值得在高职院校实验教学 中推广和应用。 参考文献： [1] 雷振山.LabVIEW7 Express实用技术[M].北京:中国铁道出版社,2005. [2] 侯国屏,王坤,叶齐鑫.LabVIEW7.1编程与虚拟仪器设计[M].北京:清华大学出版社,2005. [3] 常春，倪铭.基于 MATLAB和声卡的虚拟仪器设计[J].中国教育技术装备，2005，(4)：5-7. [4] 杨文龙.虚拟仪器及其在信号处理教学实验中的应用[J].实验室研究与探索，2007，(12)：297-299. [5] Robert H.Bishop .Learning with LabVIEW 7 Express[M].北京:电子工业出版社,2005. [6] 杨乐平,李海涛,杨磊.LabVIEW程序设计与应用(第 2版)[M].北京:电子工业出版社,2005. （ 责任编辑：张韶虹） 图 6 虚拟信号发生器操作面板 图 7 虚拟信号发生器流程图 29