一種基于聲卡的虛擬頻譜分析儀設(shè)計(jì)

管慶彬 李俊蘭 黃祺

【摘 ?要】示波器、信號發(fā)生器、頻譜分析儀是科研機(jī)關(guān)、企業(yè)研發(fā)實(shí)驗(yàn)室、大專院所的必備測量設(shè)備。設(shè)計(jì)的聲卡虛擬頻譜分析儀具有數(shù)據(jù)采集、波形顯示、參數(shù)測量、數(shù)據(jù)分析、濾波、數(shù)據(jù)存儲與回放等多種功能。設(shè)計(jì)的虛擬頻譜分析儀不僅具有臺式數(shù)字示波器的功能，而且充分發(fā)揮了計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的功能和軟件設(shè)計(jì)的靈活性。

【關(guān)鍵詞】虛擬儀器;LABView;頻譜分析儀;儀器設(shè)計(jì)

1、緒論

示波器、信號發(fā)生器、頻譜分析儀是科研機(jī)關(guān)、企業(yè)研發(fā)實(shí)驗(yàn)室、大專院所的必備測量設(shè)備。傳統(tǒng)臺式示波器是由儀器廠家設(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，具有波形顯示、參數(shù)測量等功能。當(dāng)要實(shí)現(xiàn)更多的測量功能時(shí)，就要配置更多的儀器，這給用戶的使用帶來諸多不便，并且傳統(tǒng)示波器的測量精度比較低，無法滿足高精度的測量要求。而且，傳統(tǒng)示波器缺乏相應(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。此外，傳統(tǒng)示波器體積相對龐大，制造成本比較高，這就增加了測量系統(tǒng)的開發(fā)成本。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和測量技術(shù)的發(fā)展，虛擬儀器技術(shù)得到飛快發(fā)展，虛擬頻譜分析儀系統(tǒng)也就應(yīng)運(yùn)而生。

2、設(shè)計(jì)方案

虛擬頻譜分析儀是采用基于計(jì)算機(jī)的虛擬技術(shù)，用以模擬通用示波器的面板操作和處理功能，也就是使用個(gè)人計(jì)算機(jī)及接口電路來采集現(xiàn)場或?qū)嶒?yàn)室信號，并通過圖形用戶界面（GUI）來模仿示波器的操作面板，完成信號采集、調(diào)理、分析處理和顯示輸出等功能。

虛擬頻譜分析儀總體上包括數(shù)據(jù)采集、波形顯示、參數(shù)測量、頻譜分析、等幾大模塊組成，虛擬頻譜分析儀的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

設(shè)計(jì)過程大體分為以下五步：

（1）需求分析。需求分析是借用軟件工程中的概念，其含義包括創(chuàng)建開發(fā)原型（明確實(shí)質(zhì)要解決的問題）、分析程序的可行性（包括成本、性能、風(fēng)險(xiǎn)和技術(shù)障礙）等。在創(chuàng)建開發(fā)原型的過程中，開發(fā)人員要與程序的最終使用人員進(jìn)行充分的交流。在此基礎(chǔ)上，程序開發(fā)人員對所要解決的問題有了大致的了解，甚至可以畫出一個(gè)系統(tǒng)的框圖，之后還要進(jìn)行程序的可行性分析，考慮選用器件的性價(jià)比、開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)等。

（2）軟、硬件的選擇。程序開發(fā)人員不必?fù)?dān)心操作系統(tǒng)的問題，目前的LABVIEW是一個(gè)支持多個(gè)系統(tǒng)平臺的軟件，Windows、Power Macintosh、Sun SPARCA工作站、HP工作站、Linux上都可以運(yùn)行。針對一些特殊的任務(wù)，LABVIEW還提供一些附加的工具包，非常方便。選擇適當(dāng)?shù)墓ぞ甙鼘?huì)達(dá)到事半功倍的效果。在LABVIEW的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序庫中已經(jīng)包含了上千個(gè)免費(fèi)的驅(qū)動(dòng)程序（這些驅(qū)動(dòng)程序支持NI公司的硬件產(chǎn)品），還包括了世界上各大儀器廠商的大部分儀器的LABVIEW驅(qū)動(dòng)程序。如果沒有現(xiàn)成的驅(qū)動(dòng)程序，用戶也可以自己編寫。

（3）設(shè)計(jì)用戶界面。用戶界面也稱GUI，即graphical user interface。前面板必須簡潔、易懂、設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該滿足復(fù)雜工作要求。前面板上使用的顏色方案，要兼顧一致和鮮明。一致性包括：①一個(gè)VI程序的GUI之間要保持一致;②VI的GUI要與平時(shí)大家用的應(yīng)用程序色調(diào)一致。鮮明就是說：需要強(qiáng)調(diào)的部分一定要用顏色加以突出，體現(xiàn)測控系統(tǒng)程序的特點(diǎn)，減少用戶操作過程中犯錯(cuò)誤機(jī)會(huì)。

（4）程序設(shè)計(jì)。拿到一個(gè)設(shè)計(jì)任務(wù)后，首先要分解任務(wù)，把待設(shè)計(jì)任務(wù)分割成幾個(gè)大的模塊，然后把大的模塊再分解為一系列的功能，甚至可以分解到要用那些函數(shù)的程度;然后是尋求例程，參考例程可以避免重復(fù)前人做過的工作;接下來就是根據(jù)項(xiàng)目的特點(diǎn)選擇程序設(shè)計(jì)方法，自上而下或者自下而上。

（5）程序測試。測試過程是項(xiàng)目開發(fā)的重要組成部分。測試應(yīng)該從底層的VI開始，然后再測試較大的模塊，最后進(jìn)行整體測試。測試中還要特別關(guān)注全局變量對程序的影響。此外，局部變量和屬性節(jié)點(diǎn)也要引起注意。對于高級程序員來說，還要考慮程序的性能如何，能否滿足速度與響應(yīng)的要求以及內(nèi)存的使用情況。

3.系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1硬件平臺設(shè)計(jì)

硬件平臺主要完成對被測信號的進(jìn)行調(diào)理和采集。儀器硬件可以是插入式數(shù)據(jù)采集卡及必要的外圍電路（含信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)字I/O、定時(shí)器、D/A轉(zhuǎn)換器等），或者是帶標(biāo)準(zhǔn)總線接口的儀器，如GPIB、VXI、PXI、STD、PCI總線儀器和網(wǎng)絡(luò)化儀器等。目前市場上的A/D采集卡和數(shù)據(jù)采集卡以及帶標(biāo)準(zhǔn)總線接口的儀器等，其價(jià)格均不菲，性價(jià)比以及實(shí)用程度顯得不高。進(jìn)而考慮到計(jì)算機(jī)中的聲卡本身就是一個(gè)A/D，D/A的轉(zhuǎn)化裝置，具有16位的量化精度、數(shù)據(jù)采集頻率是44.1kHz，完成可以滿足特定應(yīng)用范圍內(nèi)數(shù)據(jù)采集的需要，個(gè)別性能指標(biāo)還優(yōu)于商用數(shù)據(jù)采集卡，而價(jià)格卻為商用數(shù)據(jù)采集卡的十分之一或者幾十分之一，在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中完全可以滿足要求。因此在本設(shè)計(jì)中，虛擬頻譜分析儀的數(shù)據(jù)采集裝置采用聲卡。

3.2軟件設(shè)計(jì)

LabVIEW的圖形化編程最大限度地減少了程序代碼的編寫，讓用戶有更多的時(shí)間和精力設(shè)計(jì)系統(tǒng)、完善系統(tǒng)功能;LabVIEW帶有圖形控制流結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)流模式使開發(fā)的測量系統(tǒng)不受操作系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)等因素的影響，移植性好;LabVIEW的多線程技術(shù)允許進(jìn)行多線程通信，程序運(yùn)行開銷小、運(yùn)行更流暢。基于客戶機(jī)/服務(wù)器方式的虛擬頻譜分析儀系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，讓遠(yuǎn)程測量成為了可能，這給在惡劣環(huán)境中測量數(shù)據(jù)提供了方便。因此，本設(shè)計(jì)中采用LabVIEW進(jìn)行軟件編程，開發(fā)虛擬頻譜分析儀系統(tǒng)，如圖2所示。

4結(jié)論

設(shè)計(jì)的聲卡虛擬頻譜分析儀具有數(shù)據(jù)采集、波形顯示、參數(shù)測量、數(shù)據(jù)分析、濾波、數(shù)據(jù)存儲與回放等多種功能。

設(shè)計(jì)的示波器具有的主要技術(shù)指標(biāo)：

① 采樣頻率：最高頻率為20kHz。

② 采樣精度：分辨率約為0.0015%。

③ 實(shí)時(shí)帶寬：2kHz。

設(shè)計(jì)的虛擬頻譜分析儀不僅具有臺式數(shù)字示波器的功能，而且充分發(fā)揮了計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的功能和軟件設(shè)計(jì)的靈活性。設(shè)計(jì)的虛擬頻譜分析儀主要的優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）用圖形化編程語言LABVIEW和面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù)，軟件開發(fā)效率高，可操作性和維護(hù)性好。

（2）充分利用了計(jì)算機(jī)的外設(shè)連接能力，測試結(jié)果和波形顯示。

（3）在相同的硬件條件下，可以通過修改和增加軟件模塊，形成新的儀器功能。

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作者簡介：

管慶彬，西南石油大學(xué)測控技術(shù)與儀器2003級學(xué)生，主要從事測控技術(shù)與儀表方面的研究工作。