《2022年2022年基于LabVIEW的音频数据采集系统设计毕业设计 .pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2022年2022年基于LabVIEW的音频数据采集系统设计毕业设计 .pdf（45页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、毕 业 设 计基于 LabVIEW的音频数据采集系统设计学生姓名 ：张晓明学号 ： 112039109 系部：自动化专业：自动化指导教师：刘某人 ( 副教授 )2015年 6 月名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 45 页 - - - - - - - - - 诚信申明本人郑重申明：所呈交的毕业论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的
2、个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。本人签名：年月日名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 45 页 - - - - - - - - - 毕业设计（论文）任务书设计（论文）题目：基于 LabVIEW 的音频数据采集系统设计系部：自动化系专业：自动化学号： 102039109 学生：程海潇指导教师（职称）：刘某人（副教授）1课题意义及目标基于 LabVIEW 的数据采集系统由于其模块小、测试精度高、 数据分析处理能力强等优
3、点而被广泛应用于各种测试和自动化领域。学生应通过此次毕业设计，综合运用所学过的基础理论知识， *。2主要任务（1）用普通的计算机声卡代替商用数据采集卡，开发基于PC机声卡的虚拟仪器。程序需通过声卡采集麦克风接口的信号，在LabVIEW 软件上实时显示波形。（2）对采样的信号进行分析和处理，包括幅值谱、相位谱、功率谱等。（3）*。3主要参考资料1 李培玉，王江峰，刘果等 . PL2303在手持设备中的应用 J. 电子技术， 2006(5)：51-542 戴鹏飞 . 测试工程与 LabVIEW 应用M . 北京：电子工业出版社， 2006：52- 55.3 张鲁华 . 基于LabVIEW 和PC机
4、声卡的虚拟振动测试系统J. 计算机与现代化，2007(09)：30-31.4进度安排设计（论文）各阶段名称起止日期1 熟悉题目 ,明确设计要求 ,确定思路 ,准备开题2015 年 3 月 1 日3月 10 日2 LabVIEW 的软件学习2015年 3 月 11 日4 月 10 日3 数据采集系统与声卡的相关知识学习2015 年 4 月 11 日5 月 1 日4 系统的编程调试2015 年 5 月 2 日5月 25 日5 撰写论文，准备答辩2015年 5 月 26 日6 月 10 日审核人：年月名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - -
5、 - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 45 页 - - - - - - - - - 基于 LabVIEW的音频数据采集系统设计摘要针对传统测试系统所需仪器繁多、资金投入大、功能单一、灵活性较差的弱点，本文利用声卡 DSP技术和 LabVIEW 技术，采用了一种基于声卡的数据采集与分析的廉价方案，具有实现简单、通用性强、扩展性好、界面友好、性能稳定可靠等诸多优点，在 LabVIEW 中实现了音频信号的采集分析及数据存盘重载，并结合应用实例验证了该系统的可行性及有效性。该系统具有双通道、高保真、22KHz 至 44KHz 的采样率，实现了音频信号的实时采集、实时存
6、储、信号分析（时域分析和频域分析）等多种功能，其中时域分析包括实时显示测量信号频率、幅值等参数；频域分析包括幅值谱、相位谱、功率谱和FFT 变换等。本方法可以推广到语音识别、环境噪声监测、地震勘探、生物医学和实验室测量等多种领域，应用前景广阔。关键词 : LabVIEW ，声卡，音频信号，数据采集系统名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 45 页 - - - - - - - - - The design of audio data acquisition sys
7、tem based on LabVIEW Abstract The traditional vibration test system have many disadvantages ，such as plenty of instruments，large investment ，single function，less flexibility Therefore，Based on DSP technology and LabVIEW ，this paper brings forward a low price solution of sound card based data acquisi
8、tion and analysis system ，with its advantages of easy implementation ，international dimensions， good scalability, friendly interface and steady performance . In the range of voice frequency，data saving and overloading is successful in LabVIEW .In addition，the feasibility and availability of this sys
9、tem are validated with an apphcation exampleAs this system has the qualities of dual channel，high-fidelity ，22 KHz even 44KHz sampling rate， it realized the multiple functionof real-time audio signal acquisition，real-time storage，playback，signal analysis (time domain analysisand frequency domain ana
10、lysis)，etc.Time domain analysis including real-time display wave measurement parameters such as signal frequency cycle； Frequency domain analysis including amplitude spectrum phase spectrum power spectrum and FFT transform，etc. With broad application prospect ，this solution can be extended to the fi
11、eld of speech recognition,ambient noise monitoring，seismic exploration，biomedical sciences and laboratory measurement etc.Key words:LabVIEW ，sound card ，audio signal，data acquisition 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 45 页 - - - - - - - - - 目 录第 1 章
12、 绪 论 . 1 1.1 课题意义与背景 . 1 1.2 国内外研究现状 . 3 1.2.1 国外虚拟仪器研究现状. 3 1.2.2 国内虚拟仪器和基于声卡的数采系统研究现状. 31.2.3 本文主要研究的内容 . 4 第 2 章 虚拟仪器技术概述 . 5 2.1 虚拟仪器的概念 . 5 2.2 虚拟仪器特点 . 5 2.3 虚拟仪器和传统仪器的比较. 6 2.4 虚拟仪器控制系统的组成. 7 2.5 虚拟仪器的软件结构. 8 2.5.1 虚拟仪器的开发语言. 8 2.5.2 图形化虚拟仪器开发平台LabVIEW . 9 2.5.3 基于 LabVIEW 平台的虚拟仪器程序设计 . 9 第 3
13、 章 数据采集系统概述 . 11 3.1 数据采集系统概述 . 11 3.2 数据采集系统的应用. 11 3.3 现行通用数据采集系统的构成. 12 3.3.1 传感器 . 12 3.3.2 模拟多路开关 . 12 3.3.3 程控放大器 . 12 3.3.4 采样/保持器 . 13 3.3.5 A/D 转换器 . 13 3.4 数据采集卡简介 . 14 3.4.1 数据采集卡的结构原理. 14 3.4.2 数据采集卡的性能指标. 15 3.4.3 数据采集卡的选择与使用. 17 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - -
14、名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 45 页 - - - - - - - - - 第 4 章 声卡简介 . 19 4.1 声卡的分类 . 19 4.2 声卡的结构 . 19 4.3 声卡的工作原理 . 20 4.4 声卡的性能指标 . 21 4.5 声卡 DSP技术简介 . 23 4.5.1 DSP微处理器 . 23 4.5.2 DSP优点 . 24 第 5 章 数据采集程序设计 . 25 5.1 硬件实现 . 25 5.2 软件设计 . 26 5.2.1 开发环境 . 26 5.2.2 虚拟示波器的设计 . 27 5.2.3 声卡配置模块 . 28 5.2.4 数据采集
15、与波形显示模块. 29 5.2.5 滤波模块 . 32 5.2.6 声音回放模块 . 33 第 6 章 总 结 . 35 参考文献 . 36 致谢 . 38名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 45 页 - - - - - - - - - 第 1 章绪 论1.1 课题意义与背景数据采集在现代科学技术、 工业生产和国防科技等诸多领域中应用十分广泛，它的现代化已被认为是科学技术、国防现代化的重要条件和明显标志。在数据采集过程中所需要的设备、仪器形成的数据采集系统，它
16、是计算机智能仪器与外界物理世界联系的桥梁，是获取信息的重要途径1。而为采集数据而采用的技术叫做数据采集技术，它主要指从传感器输出的微弱电信号，经信号调理、模数转换到存储、记录这一过程所涉及的技术。随着科学技术的进步，特别是以传感器技术、通信技术和计算机技术为基础的现代信息技术的发展，以及测试理论的不断发展，数据采集技术的发展也是日新月异。然而当今的测控领域面临三大挑战：测控成本不断增加；测控系统越来越庞大；对测控投资的保护要求越来越强烈2。面对这些挑战，用户最可能的做法是选用标准化硬件平台。硬件的标准化可以部分降低测试成本，但作用是非常有限的，而使用虚拟仪器则可以大大缩短用户软件的开发周期，增
17、加程序的可复用性，从而降低测控成本，而且由于虚拟仪器是基于模块化软件标准的开发系统，用户可以选择最合适于其应用要求的任何测试硬件。LabVIEW作为第一个借助于虚拟面板用户界面和方框图建立虚拟仪器的图形程序设计系统，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，被视为一个标准的数据采集仪器和仪器控制软件。 LabVIEW 是美国国家仪器公司开发的基于图形编译语言（G 语言）的实验室虚拟仪器集成环境，它具有十分强大的功能，包括函数数值运算、数据采集、数据分析、信号生成、信号处理、输入/输出控制，以及声音与图像获取、处理和传输等等3。与传统编程编程采取的文本语言相比，使用图形语言G 语言，界面友好直
18、观，都是人们熟悉的开关、旋钮、波形图等，是一种直觉式图形程序语言。本设计中，充分利用计算机资源进行数据采集及分析，用普通的计算机声卡代替商用数据采集卡，设计了基于LabVIEW 的音频数据采集系统。伴随着DSP技术不断走向成熟，PC声卡逐步成为一个成熟的数据采集系统，它同时具有 A/D 和D/A转换功能，不仅价格低廉，而且兼容性好、性能稳定、灵活通用。声卡采用的是DMA( 直接内存名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 45 页 - - - - - - - - -
19、 读取)方式传送数据， 充分发挥了 DSP芯片的性能，极大地降低了 CPU占用率。一般声卡16位的A/D转换精度，比通常 12位A/D卡的精度高，对于许多工程测量和科学实验来说已能满足需要，如果利用声卡作为数据采集设备，可以组成一个低成本高性能的数据采集与分析系统实际测量中。表1.1中，对目前使用率较高、 由美国国家仪器公司（NI）出品的 USB-6008数据采集卡，与普通计算机上集成的AC97声卡，在主要技术指标和价格上进行了比较。表1.1 USB-6008 采集卡与声卡的比较USB-6008 声卡输入通道数8 2 采样频率（ S/）10K 44K 分辨率（位）12 16 价格（元）1800
20、 50 由表1.1可知，一块具有 12bit/10kHz采样率的 8通道数据采集卡，虽然能够满足多种应用需要，但与计算机声卡相比其价格昂贵，同时许多功能在具体的应用场合并不使用，造成资源浪费。而计算机声卡具有16bit/44kHz信号采样率，在许多领域能够满足数据采集与分析需要，个别性能指标还优于商用数据采集卡, 而且价格十分便宜，已经成为计算机的标准配置。具有强大数据处理功能的LabVIEW ，对采集到的音频信号，进行功率、频率、振幅的显示与监测。对于声音的功率监测，可直接应用于工业生产与城市生活的噪声监测，分贝的定义为两种电或声功率之比的一种单位，它等于功率比的常用对数的10倍，缩写为dB
21、。噪声监测中除交通环境噪声、城市区域环境噪声外，工业企业噪声的监测是相当重要的一项内容。做好整个监测过程的质量保证工作，提高噪声监测数据的准确性、科学性、合理性至关重要。准确的监测结果如实反映该企业污染源的状况及变化趋势，既维护企业的合理噪声排放，又控制企业厂界噪声的危害，从而保障城市生活环境质量。对于声音信号的频谱分析，在语音识别、地震勘探，振动测量，生物医学中有相当广泛的应用。此外，在PC 上配置多块声卡并行工作，完全可以构成一个多通道数据采集系统，满足特定应用范围内数据采集的需要。如果采用笔记本电脑则无需添加任何硬件就可以构成便携式测量系统。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 -
22、- - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 45 页 - - - - - - - - - 1.2 国内外研究现状1.2.1 国外虚拟仪器研究现状国外的仪器产业早在上个世纪80年代末就开始了虚拟仪器的研究工作。在 90 年代以美国国家仪器公司 (NI)，Motorola 公司等著名企业为代表，开始了仪器产业从数字化仪器、智能仪器向虚拟仪器的过渡。 1986 年美国国家仪器公司第一次正式推出了虚拟仪器的概念。到1997年 9月 1 日，NI 发布了一种全新的开放性、模块化仪器总线规范一一 PXI 为止， 按照测控功能
23、硬件的不同， 业界已经存在 GPIB、 VXI 、 PC-DAQ、和 PXI 四种标准虚拟仪器硬件体系结构4。从 1990 年开始，国际上陆续有虚拟仪器面市。此后，虚拟仪器产品成倍增加，到 1994 年底，虚拟仪器制造厂已达95 家，共生产 1000 种虚拟仪器产品销售额达3亿美元。生产虚拟仪器的主要厂家有HP 公司(目前生产 100 多种型号的虚拟仪器 )，Tektronix 公司(目前生产 80 多种型号的虚拟仪器 )， Aglent 公司(目前生产 60 多种型号的虚拟仪器 )5。目前，这些厂家的产品已经进入我国市场。1.2.2 国内虚拟仪器和基于声卡的数采系统研究现状( 1) 国内虚拟
24、仪器研究现状虚拟仪器在国内的现状和发展态势不容乐观。由于虚拟仪器是随着传统电子测控技术、计算机技术和通讯技术不断发展、不断完善而产生的一项综合性结构化电子测量与控制技术。而我国计算机、通信及电子产业的发展和欧美国家相比呈相对滞后的地位，因而决定了我国虚拟仪器产业底子薄，缺少必要的软硬件技术支持， 起步较晚，发展缓慢的特点， 直到上世纪九十年代中后期虚拟仪器这一概念才逐渐的被引入到我国的计算机应用行业中。先天的不足使得我国的虚拟仪器行业还处在起步阶段。近几年来，国内已有部分高等院校的实验室引进了虚拟仪器系统，并在此基础上，又开发了一批新的虚拟仪器系统用于教学和科研。其中，华中理工大学机械学院工程
25、测试实验室将其开发成果在网上公开展示。清华大学汽车系利用虚拟仪器技术构建的汽车发动机检测系统，使用方便、灵活，用于汽车发动机的出厂检验。主要检测发动机的功率特性、 负载特性等。一台发动机检测完成后， 就可以打印出完整的检测报告。此外，国内已有几家企业在研制PC虚拟仪器，哈工大仪器王电子有限公司的产品已达到一定得批量6。其主要产品有：数字存储示波器、任意波形发生器、多通道打容量波形记录仪等。北京中科泛华测控技术有限公司开发的汽车传感器测试系统，应用名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - -
26、 - 第 10 页，共 45 页 - - - - - - - - - 于汽车传感器生产线测试。(2) 基于声卡的数采系统国内研究现状虽说 NI 公司很早提出了“软件就是仪器”的概念，然而真正使这一概念完美实现的是基于声卡的虚拟仪器技术7。这一技术使得我们的工作如此简便，带上笔记本电脑和所需要的传感器即可进行信号测试与分析工作。应用这一技术所设计的虚拟仪器主要是由软件和计算机组成，因此又可称为“软件仪器”。虚拟仪器的核心部件是数据采集板 (A/D) ，随着计算机技术的飞速发展，需多计算机公司最新推出超小型笔记本电脑，整机重量不到 0.9Kg，体积上并不比 PDA 大多少性能却十分强大。 配置有A
27、C97 声卡，屏幕显示十分清晰，电池最大续航时间可7 个小时，特别适合于户外携带和应用。同时 Intel 公司 2004年初发布了音频芯片新规格(Azalia)，计算机声卡将具有更高的性能， 支持 32bit/192KHz 信号采样率。 因此，未来的虚拟仪器将会提供更为优异的性能，并且得到更为广阔的应用。1.2.3 本文主要研究的内容在本设计中， 用普通的计算机声卡代替商用数据采集卡，研究基于 PC机声卡的音频数据采集系统。 程序需通过声卡采集麦克风接口的信号，在LabVIEW 软件上实时显示波形。同时对采集到的信号进行一些分析和处理，包括幅值谱、 相位谱、功率谱等。系统具有滤波功能与回放试听
28、功能，点击回放按键，面板上可显示存储数据的波形以及滤波前后的波形，点击试听按钮，电脑播放滤波后的声音。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 45 页 - - - - - - - - - 第 2 章虚拟仪器技术概述2.1 虚拟仪器的概念虚拟仪器的概念是由美国国家仪器公司（National Instruments ）最先提出的。所谓虚拟仪器是基于计算机的软硬件测试平台，它可代替传统的测量仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、频谱分析仪等；可集成于自动控制、工业控
29、制系统之中；可自由构建成专有仪器系统。虚拟仪器是智能仪器之后的新一代测量仪器8。虚拟仪器的核心技术思想就是“软件即是仪器”。该技术把仪器分为计算机、仪器硬件和应用软件三部分。虚拟仪器以通用计算机和配备标准数字接口的测量仪器（包括 GPIB、RS-232等传统仪器以及新型的VXI 模块化仪器）为基础，将仪器硬件连接到各种计算机平台上，直接利用计算机丰富的软硬件资源，将计算机硬件（处理器、存储器、显示器）和测量仪器（频率计、示波器、信号源）等硬件资源与计算机软件资源（包括数据的处理、控制、分析和表达、过程通讯以及图形用户界面）有机的结合起来。2.2 虚拟仪器特点虚拟仪器是基于计算机的功能化硬件模块
30、和计算机软件构成的电子测试仪器，而软件是虚拟仪器的核心，如图2.1 所示：操作系统图 2.1 虚拟仪器开发框图虚拟仪器软件面板虚拟仪器软件开发平台底层驱动程序硬件模块虚拟仪器开发者虚拟仪器用户名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页，共 45 页 - - - - - - - - - 其中软件的基础部分是设备驱动软件，而这些标准的仪器驱动软件使得系统的开发与仪器的硬件变化无关。这是虚拟仪器最大的优点之一，有了这一点，仪器的开发和换代时间将大大缩短。虚拟仪器中应用程序将可
31、选硬件（如GPIB，VXI ，RS-232，DAQ 板）和可重复用库函数等软件结合在一起，实现了仪器模块间的通信、定时与触发。源代码库函数为用户构造自己的虚拟仪器（VI）系统提供了基本的软件模块。由于 VI 的模块化、开放性和灵活性，以及软件是关键的特点，当用户的测试要求变化时可以方便地由用户自己来增减硬、软件模块，或重新配置现有系统以满足新的测试要求。这样，当用户从一个项目转向另一个项目时，就能简单地构造出新的VI 系统而不丢失己有的硬件和软件资源。2.3 虚拟仪器和传统仪器的比较虚拟仪器具有传统独立仪器无法比拟的优势。( 1) 传统仪器的面板只有一个， 上面布置了种类繁多的显示和操作元件。
32、由此导致许多识读和操作错误。虚拟仪器与之不同，它可以通过在几个分面板上的操作来实现比较复杂的功能。这样，在每个分面板上就可以实现功能操作的单纯化和面板布置的简洁化，从而提高操作的正确性和便捷性。同时，还可以根据要求和操作需要来设计仪器面板。( 2) 在通用硬件平台确定后，软件取代传统仪器中由硬件完成的仪器功能。( 3) 仪器的功能是由用户根据需要用软件来定义，不是事先由厂家定义的。( 4）仪器性能的改进和功能扩展只需更新相关软件设计，不需购买新仪器。( 5）虚拟仪器开放、灵活，与计算机同步发展，与网络及其他周边设备互联。( 6）由于其以 PC 为核心，使得许多数据处理的过程不必像过去那样由测试
33、仪器本身来完成，而是在软件的支持下，利用PC机 CPU 的强大的数据处理功能来完成，使得基于虚拟仪器的测试系统的测试精度、速度大为提高，实现自动化、智能化、多任务测量。( 7）可方便地存贮和交换测试数据，测试结果的表达方式更加丰富多样。( 8）虚拟仪器在高性价比的条件下，降低系统开发和维护费用，缩短技术更新周期。表 2.1 是虚拟仪器与传统仪器的比较：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 13 页，共 45 页 - - - - - - - - - 表 2.1 虚拟仪器与传统
34、仪器的比较虚拟仪器传统仪器开发维护费用低开发维护费用高技术更新周期短（0.5 1年）技术更新周期短（510 年）软件是关键硬件是关键价格低价格昂贵开放、灵活与计算机同步，可重复用和重配置固定可用网络联络周边各仪器只可连有限的设备自动化、智能化、多功能、远距离传输功能单一，操作不便2.4 虚拟仪器控制系统的组成虚拟仪器是基于计算机的仪器。 计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。这种结合基本有两种方式，一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统的仪器。另一种方式是将仪器装入
35、计算机。以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能，虚拟仪器主要是指这种方式。虚拟仪器的组成与传统仪器一样，主要由数据采集与控制、数据分析和处理、结果显示三部分组成。如图2.2所示：图 2.2 虚拟仪器内部功能的划分采集与控制插入式数据采集板GPIB 仪器VXI/PXI仪器RS-232 仪器采集分析预处理数字滤波数字信号处理统计分析数值分析图形用户接口硬盘拷贝输出网络通信文件 I/O 结果显示名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 14 页，共 45 页 - - -
36、 - - - - - - 对于传统仪器，这三个部分几乎均由硬件完成；对于虚拟仪器，前一部分由硬件构成，后两部分主要由软件实现。与传统仪器相比，虚拟仪器设计日趋模块化、标准化，设计工作量大大减小。2.5 虚拟仪器的软件结构虚拟仪器技术的核心是软件，其软件基本结构如图2.3 所示。用户可以采用各种编程软件来开发自己所需要的应用软件。以美国NI 公司的软件产品LabVIEW 和LabWindows/CVI 为代表的虚拟仪器专用开发平台是当前流行的集成化开发工具9。这些软件开发平台提供了强大的仪器软面板设计工具和各种数据处理工具，再加上虚拟仪器硬件厂商提供的各种硬件的驱动程序模块，简化了虚拟仪器的设计
37、工作。随着软件技术的迅速发展，软件开发的模块化、复用化，和各种硬件仪器驱动软件的模块化、标准化，虚拟仪器软件开发将变得更加快速、方便。图 2.3 虚拟仪器软件结构2.5.1 虚拟仪器的开发语言虚拟仪器系统的开发语言有：标准C，Visual C+ ，Visual Basic 等通用程序开发语言。但直接由这些语言开发虚拟仪器系统，是有相当难度的。除了要花大量时间进行测试系统面板设计外，还要编制大量的设备驱动程序和底层控制程序。这样直接影响了系统开发的周期和性能。除了通用程序开发语言以外，还有一些专用的虚拟仪器开发语言和软件，如LabVIEW。LabVIEW 采用图形化编程方案，是非常实用的开发软件
38、。用户界面数据处理硬件驱动程序名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 15 页，共 45 页 - - - - - - - - - 2.5.2 图形化虚拟仪器开发平台LabVIEWLabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering) 是一种图形化的编程语言， 它被视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW 集成了与满足 GPIB、VXI 、RS-232和 RS-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能，是一个功能强大且
39、灵活的软件10。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都更加形象化。传统的文本式编程是一种顺序的设计思路，必须写出执行的语句。而LabVIEW是基于数据流的工作方式，同时是基于图形化的编程，不必掌握大量的编程语言和程序设计技巧便可设计出虚拟仪器系统。利用 LabVIEW ，可产生独立运行的可执行文件，它是一个真正的32 编译器。像许多通用的软件一样， LabVIEW 提供了 Windows、UNIX 、Linux、Macintosh OS 等多种版本11。2.5.3 基于 LabVIEW 平台的虚拟仪器程序设计所有的 LabVIEW 应用程序，即虚拟仪器 (VI)
40、 ，它包括前面板 (Front Panel)、流程图(Block Diagram)以及图标 /连结器 (Icon/Connector)三部分。( 1）前面板：前面板是图形用户界面，也就是VI 的虚拟仪器面板。 VI 前面板按前面板的用途可分为用户界面VI 和子 VI 前面板，用户界面VI 主要用于和用户进行交互，而子 VI 则主要用于与开发人员进行交互，指定VI 的输入与输出， 一般不呈现给用户。子 VI 通常只是被主 VI 载入内存，运行后实现某种模块化的功能。前面板控件主要包括控制控件和显示控件两大类。显示控件用于向用户显示数据和信息，控制控件用于用户向程序输入数据或控制信号。LabVIE
41、W 中的很多控件都模仿了现实世界的仪器界面，例如旋钮、开关、滑动条等。( 2）流程图：流程图提供VI 的图形化源程序。在流程图中对VI 编程，以控制和操纵定义在前面板上的输入和输出功能。流程图中包括前面板上的控件连线端子，还有一些前面板上没有，但编程必须有的东西，例如函数、结构和连线等。如果将 VI 与传统仪器相比较，那么前面板上的控件对应的就是传统仪器上的按钮、显示屏等控件，而流程图上的连线端子相当于传统仪器箱内的硬件电路。在许多情况下，使用VI 可以仿真传统仪器，不仅在屏幕上出现一个惟妙惟肖的标准仪器面板，而且其功能也与传统标准仪器相差无几。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - -
42、 - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 16 页，共 45 页 - - - - - - - - - ( 3）图标 /连接设计：这部分的设计突出体现了虚拟仪器模块化程序设计的思想。在设计大型自动检测系统时一步完成一个复杂系统的设计是相当有难度的。而在LabVIEW 中提供的图标 /连接工具正是为实现模块化设计而准备的。设计者可把一个复杂自动检测系统分为多个子系统，每一个都可完成一定的功能。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - -
43、 - - - - 第 17 页，共 45 页 - - - - - - - - - 第 3 章数据采集系统概述3.1 数据采集系统概述数据采集在现代科学技术、 工业生产和国防科技等诸多领域中应用十分广泛，它的现代化已被认为是科学技术、国防现代化的重要条件和明显标志。20 世纪 70 年代以来，计算机、微电子等技术迅猛发展，在其推动下，数据采集系统所用的仪器与技术不断进步，相继诞生了智能仪器、PC 仪器、 VXI 仪器、虚拟仪器及互换性虚拟仪器等微机化仪器及其系统，计算机与现代化仪器设备间的界限日渐模糊，测控领域和范围不断拓宽12。在数据采集过程中所需要的设备、仪器形成数据采集系统， 它是计算机智
44、能仪器与外界物理世界联系的桥梁，是获取信息的重要途径。而为采集数据而采用的技术叫做数据采集技术，它主要指从传感器输出的微弱电信号，经信号调理、模数转换到存储、记录这一过程所涉及的技术。随着科学技术的进步，特别是以传感器技术、通信技术和计算机技术为基础的现代信息技术的发展，以及测试理论的不断发展，数据采集技术的发展也是日新月异。3.2 数据采集系统的应用随着社会的高速发展， 计算机技术的广泛应用， 数据采集系统在生产领域和日常生活等各方面的应用越来越为重要，如化学工业中，数据采集系统可针对化工过程复杂，工艺参数多，分布广等特性来进行生产过程中的实时监测数据，可以解决生产中的生产动态实时数据的收集
45、与处理，且数据准确，收集、处理、反馈等过程所需时间短。在环境监测方面，数据采集系统也同样发挥着其优越的数据采集、监测、处理的性能，它能将所监测区域内的各类环境数据快速而准确的进行收集，并根据设置进行准确的处理和反馈。因此， 一个多功能的数据采集系统在环境监测方面起着十分巨大的作用。同时，在农业生产、设备生产等方面，数据采集系统也扮演着十分重要的角色，然而，数据采集领域本身也正在进行着一次又一次的发展与变化，以满足日益进步的社会生产技术和各个领域的要求。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - -
46、- - - 第 18 页，共 45 页 - - - - - - - - - 3.3 现行通用数据采集系统的构成现行通用数据采集系统主要由硬件和软件两部分组成，它是由传感器、模拟多路开关、程控放大器、采样 /保持器、 A/D 转换器、计算机等部分组成。3.3.1 传感器传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。根据不同的分类标准，传感器可分为不同种类。根据输入物理量可分为：移位传感器、压力传感器、速度传感器、温度传感器及气敏传感器
47、等。根据工作原理可分为：电阻式、电感式、电容式及电势式等。根据输出信号的性质可分为：模拟式传感器和数字式传感器。即模拟式传感器输出模拟信号、数字式传感器输出数字信号。根据能量转换原理可分为：有源传感器和无源传感器。有源传感器将非电量转换电能，如电动势、电荷式传感器等；无源程序传感器不起能量转换作用，只是将被测非电量转换为电参数的量，如电阻式、电感式及电容光焕发式传感器等13。3.3.2 模拟多路开关数据采集系统往往要对多路模拟量进行采集。在不要求高速采样的场合， 一般采用公共的 A/D 转换器，分时对各路模拟量进行模/数转换，目的是简化电路，降低成本。可以用模拟多路开关来轮流切换各路模拟量与A
48、/D 转换器间的通道， 使得在一个特定的时间内，只允许一路模拟信号输入到A/D 转换器，从而实现分时转换的目的。一般模拟多路开关有2N 个模拟输入端， N 个通道选择端，由 N 个选通信号控制选择其中一个开关闭合，使对应的模拟输入端与多路开关的输出端接通，让该路模拟信号通过。有规律地周期性改变N 个选通信号， 可以按固定的序列周期性闭合各个开关，构成一个周期性分组的分时复用输出信号，由后面的 A/D 转换器分时复用对各通道模拟信号进行周期性转换。3.3.3 程控放大器在数据采集时， 来自传感器的模拟信号一般都是比较弱的低电平信号。程控放大器的作用是将微弱输入信号进行放大，以便充分利用A/D 转
49、换器的满量程分辨率。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 19 页，共 45 页 - - - - - - - - - 一般通用数据采集系统支持多路模拟通道，而各通道的模拟信号电压可能有巨大差异，因此最好是对各通道采用不同的放大倍数进行放大，即放大器的放大倍数可以实时控制改变。程控放大器能够实现这个要求，它的放大倍数随时可以由一组数码控制。这样，在多路开关改变其通道序号时，程控放大器也由相应的一组数码控制改变放大倍数，即为每个模拟通道提供最合适的放大倍数，它的使用大大拓宽了数
50、据采集系统的适应面。程控增益放大器与普通放大器的差别在于反馈电阻网络可变且受控于控制接口的输出信号。不同的控制信号， 将产生不同的反馈系数， 从而改变放大器的闭环增益。3.3.4 采样/保持器计算机系统模拟量输入通道中的一种模拟量存储装置。它是连接采样器和模数转换器的中间环节。采样器是一种开关电路或装置，它在固定时间点上取出被处理信号的值。采样保持器则把这个信号值放大后存储起来，保持一段时间，以供模数转换器转换，直到下一个采样时间再取出一个模拟信号值来代替原来的值。在模数转换器工作期间采样保持器一直保持着转换开始时的输入值，因而能抑制由放大器干扰带来的转换噪声，降低模数转换器的孔径时间，提高模