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1、虚拟仪器设计与应用光电工程系第十七讲 虚拟仪器的硬件n虚拟仪器测试系统组成n总线技术n数据采集基础n如何实现数据采集虚拟仪器组成n虚拟仪器由计算机计算机、应用软件应用软件和模块化硬件模块化硬件三部分组成。n应用软件应用软件LabVIEW和设备驱动程序。n模块化硬件模块化硬件也就是输入输出接口设备（I/O），主要完成待测输入信号的采集、放大和模/数转化等。虚拟仪器测试系统组成机箱机箱控制器控制器模块模块总线技术n总线是一组信号线，是在多于2个模块（设备）间相互通信的通路。它是微处理器与外部硬件接口的核心。nLabVIEW支持的总线nPCI总线：nGPIB总线nPXI总线nVXI总线n串口总线PC
2、I总线n利用PC(个人计算机)作为数据采集平台n基于PCI总线的虚拟仪器测试系统充分利用计算机的资源来实现数据采集及处理、故障分析诊断和过程控制等智能测控。n优点：灵活方便、扩展性强，性价比高，易实现“一机多用”n缺点：触发功能不完善，屏蔽效果不好，不能满足复杂而精密的测试任务。插槽数有限，难以容纳大量的通道。AGPPXI总线nPXI总线是PCI总线的扩展。nPXI总线为适合测控仪器、设备或系统的要求，增加了系统参考时钟、触发器总线、星型触发器和局部总线等内容。扩展槽的个数也增加nPXI总线产品对PCI总线的产品完全兼容，因此，基于PCI总线的虚拟仪器测试系统可以与基于PXI总线的虚拟仪器测试
3、系统互相代替。GPIB总线nGPIB总线（IEEE 488通用 接口总线）它是计算机和仪器间的标准通信协议，是最早的仪器总线，目前多数仪器都配置有GPIB接口。n优点：n接口编程方便，减轻了软件设计负担，可使用高级语言编程。n便于将多台带有GPIB接口的仪器组合起来，形成较大的自动测试系统。n便于扩展传统仪器n缺点：传输速率一般低于500kb/S，不适合对系统速度要求较高的应用。Im hereVXI总线nVXI总线是VME计算机总线在仪器领域中的扩展。VXI20，有64位的扩展能力，数据传输速率最高可达80MB/S；VXI系统可包含256个器件。n优点：支持即插即用，人机界面友好，资源利用率高
4、，容易实现系统集成，且便于升级和扩展，比较适合于尖端的测试领域。n不足：成本相对较高，。数据采集n数据采集基础n模拟信号n数字信号n模拟信号信号数字化n如何实现数据采集模拟信号n在时间和大小上连续变化的信号 n两个主要参数：振幅A和频率f 数字信号n用“0”和“1”这样的二进制数字表示的离散数据信号n通常是仅含高电平低电平的“方波”信号 模拟信号数字化n采样：在连续信号中每隔一定时间取一个值。n量化：把其大小取整为n位二进制数所能表示的数n例如n=4，即有2n=16个级别可用于表示一个采样，所以量化后只能以0，1，215这16个数之一来表示n编码：按一定的规律产生二进制位流输出信号。模拟型号采
5、样量化编码数字型号模拟信号数字化n采样、量化和编码 7.37011114.91511119.2910012.8300114.040100采 样 量化和编码 Nyquist定理（采样定理）n采样频率要高于信号最高有效频率的两倍，信号才可能完全复原 模拟信号数字化n数字化过程中有两个主要参数，一个是采样频率采样频率，一个是量化精度量化精度。n采样频率采样频率：信号的频率越高，需要的采样频率也越高。例如，话音最高频率为4000Hz，则需每秒采样8000次；声音的最高频率为20KHz，所以在多媒体计算机中使用的多是44.1KHz的采样频率。n量化精度量化精度：取决于用于表示一个采样样本值的二进取决于用
6、于表示一个采样样本值的二进制位数，位数越多，精度也越高制位数，位数越多，精度也越高。例如，用16个二进制位（bit）表示声音，可将声音强度分为216 =65536级，而若用8位则仅能区分出28 =256级，二者之间量化精度差别就很大。用16位表示的声音比用8位的声音质量高得多。n数字化的过程也是离散化的过程，采样将连续的时数字化的过程也是离散化的过程，采样将连续的时间离散化，量化则将连续的幅度值离散化。间离散化，量化则将连续的幅度值离散化。利用LabVIEW实现数据采集的途径n利用LabVIEW实现数据采集有多种方式，其中最简单的方式就是直接利用NI公司生产的数据采集板卡和LabVIEW中的数
7、据采集VI实现。n专用管理软件Measurement&Automation Explorer，它可以完成NI公司数据采集卡的检测、性能测试、属性配置和删除。n利用外部数据采集卡（非NI公司）来实现n需要利用LabVIEW中的动态连接库实现数据采集。它需要同时在VC软件和LabVIEW软件中编程，在两者之间建立数据联系。n这种数据采集方式的实现有一定的困难，需要经验和技巧。LabVIEWLabVIEW中驱动数据采集卡的中驱动数据采集卡的VIVI 硬件参数n声卡n实质上也是一种实现模/数、数/模转换的装置。n声卡的分辨率：8位和16位n8位：8位声卡把音频信号的大小（音量）分为256个等级n16位
8、：16位声卡把音频信号的大小（音量）分为65536个等级n声卡的采样频率：8000Hz，11025Hz，22050Hz，44100Hzn采样频率不同，采到的波形质量也不同，应试具体情况选择合适的频率硬件参数n声卡n声卡有单声道单声道和立体声立体声两种采样方式。n用单声道单声道方式采样，左右声道信号相同左右声道信号相同，且每个声道信号的幅值为原信号的每个声道信号的幅值为原信号的1/2。n用立体声立体声方式采样，左右声道互不干扰左右声道互不干扰，可以采两路不同信号，且采样信号幅值与原信采两路不同信号，且采样信号幅值与原信号相同。号相同。n一般声卡的输入电压范围为：-2.5V+2.5V声音输入函数n
9、模板n功能：配置声卡参数，为声卡采集信号作准备。n输入端口ndevice：设备号，默认值为0，该参数一般不需要改动。操作系统中用设备号表示硬件设备。nsound format：用于指定声卡的参数：单声道还是立体单声道还是立体声，采样率，声，采样率，8位还是位还是16位位。它是一个簇，包括下面三个元素：nsound quality：声音质量，枚举型，两个取值：mono（单声道）和stereo（立体声）nrate：采样率，枚举型，4个取值：0，1，2，3；分别对应四种采样率：11025，22050，44100和8000Hz。nbits per sample：采样点位数，枚举型，两种取值：8位和16
10、位 SI ConfigSI Config（续）n输入端口nbuffer size：数据缓存区大小。是LabVIEW与声卡之间传递数据的一个中转站。默认大小为8192字节。nerror in：错误簇。n输出端口ntask ID out：声卡的标识号。其它声音函数通过它对声卡进行操作。nerror out：错误簇。SI Startn功能：启动声卡，开始采集输入信号并将数据保存到缓存区。n图标n输入端口ntask ID in：声卡的标识号。nerror in：错误簇n输出端口ntask ID out：声卡的标识号nerror out：错误簇SI Readn功能：从声卡缓存区读取数据。n图标n输入端口
11、ntask ID in：声卡的标识号。nerror in：错误簇n输出端口ntask ID out：声卡的标识号nerror out：错误簇SI Read（续）n输出端口nmono 8-bit：单声道8位数据输出，一维数组。如果声卡参数设置为单声道8位的话，声卡采集获得的数据就从该端口输出，否则返回空数组。nmono 16-bit：单声道16位数据输出，一维数组。如果声卡参数设置为单声道16位的话，声卡采集获得的数据就从该端口输出，否则返回空数组。nstereo 16-bit：立体声16位数据输出，二维数组。如果声卡参数设置为立体声16位的话，声卡采集获得的数据就从该端口输出，否则返回空数组。
12、nstereo 8-bit：立体声8位数据输出，二维数组。如果声卡参数设置为立体声8位的话，声卡采集获得的数据就从该端口输出，否则返回空数组。SI Stop n功能：停止声卡的采集工作。n图标n输入端口ntask ID in：声卡的标识号。nerror in：错误簇n输出端口ntask ID out：声卡的标识号nerror out：错误簇SI Clearn功能：关闭声卡，并释放所有占用的系统资源。n图标n输入端口ntask ID in：声卡的标识号。nerror in：错误簇n输出端口nerror out：错误簇基于LabVIEW的双声道语音录制系统n设计任务n设计一套语音信号录制系统，即将
13、PC机上的声卡作为音频信号采集硬件，使用者使用话筒录音，将声音信号由声卡输进计算机，然后由该系统采集音频信号，在最后程序结束以后将该音频文件保存为Wav文件存储到计算机。n要求：n声音质量为双声道；n在开始采集前，操作者可根据实际需要，更改采样位数（8位和16位）；n按下”开始”按钮时，才开始采集声音；n在采集过程中，按下”暂定”按钮，暂定声音的采集，再次按下“暂定”按钮，继续采集声音。n按下“停止”按钮，停止采集声音，并弹出保存文件的对话框，保存成*.wav文件n分析n硬件组成：计算机、声卡、话筒（MIC）n软件组成：数据采集程序、数据处理程序及数据存储程序录音系统设计流程配置声卡采集信号数
14、据处理关闭声卡设置声卡的工作模式和参数，为声卡的正常工作做准备。启动声卡采集输入的信号，并将其数字化，转换成计算机能处理的数据将声卡采集获得的新数据显示出来，并将它添加到原有信号的存在数组中。停止声卡采集任务，释放占用的系统资源。并将采集的数据按指定格式进行保存信号数据数据采集程序n数据采集程序要实现的任务就是用软件控制声卡采集输入的信号，并将其转换为数字信号（即我们常说的数据）提供给后续程序处理。它为后续程序提供了一个数据来源。n数据采集程序的流程声卡参数设置启动声卡采集信号停止声卡关闭声卡示例n声卡数据采集程序数据处理程序n任务：实时波形显示，并将它添加到已有信号的存在数组中。n因为是实时
15、显示采集信号的波形，因此我们需要用Waveform Chart来实现；n将新信号添加的已有信号的数组中，可通过移位寄存器来实现。数据保存程序n任务：在最后程序结束以后，将该音频文件保存为Wav文件存到计算机。n给大家一个已建好的“录音保存.VI”数据保存程序n任务：在最后程序结束以后，将该音频文件保存为Wav文件存到计算机。n给大家一个已建好的“录音保存.VI”n在在D:Program FilesNational InstrumentLabview 7.1exampleSoundSound.llb中调用或在中调用或在课件课件9中中n盘符盘符“D:”“D:”根据具体安装根据具体安装LABVIEW
16、LABVIEW软件的盘确定；软件的盘确定；n或者在公用信箱或者在公用信箱;n 密码：密码：abc123 abc123 下载下载 录音保存.VI(D:Program FilesNational InstrumentLabview 7.1exampleSoundSound.llb)mono8位位mono16位位stereo16位位stereo8位位录音格式录音格式(簇簇)局部变量n主要是解决数据和对象在同一VI程序中的复用问题n创建局部变量局部变量n设定局部变量状态n写操作n读操作写操作写操作读操作读操作局部变量n逻辑型控制量使用局部变量时，要求其机械动作必须设为Switch状态。SwitchLatch暂停按钮实验报告封面要求报告内容要求程序前面板要求n美观大方，方便用户操作n在前面板合适位置注明：姓名，学号，班号报告上交要求n书面形式的报告一份（打印稿）交到信息楼6021房间。我不在可以从门下缝隙塞入。n源程序发到邮箱（）或交报告时，直接给我本人。(北京校区)n良乡校区：源程序发到邮箱：（）n报告和源程序上交截止日期：2011年1月2日(周日)