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数据采集系统毕业论文设计

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虚拟仪器设计-数据采集系统

摘要

虚拟仪器由通用仪器硬件平台（简称硬件平台）和应用软件两大部分构成。

硬件平台主要完成对被测信号的进行调理和采集。

仪器硬件可以是插入式数据采集卡及必要的外围电路（含信号调理电路、AD转换器、数字IO、定时器、DA转换器等），或者是带标准总线接口的仪器，如GPIB、VXI、PXI、STD、PCI总线仪器和网络化仪器等。

目前市场上的AD采集卡和数据采集卡以及带标准总线接口的仪器等，其价格均不菲，以毕业设计的目的来说，性价比以及实用程度显的不高。

进而考虑到计算机中的声卡本身就是一个AD，DA的转化装置，具有16位的量化精度、数据采集频率是44.1kHz，完成可以满足特定应用范围内数据采集的需要，个别性能指标还优于商用数据采集卡，而价格却为商用数据采集卡的十分之一或者几十分之一，在设计实验中完全可以满足要求。

因此在本设计中，数据采集装置主要基于声卡和labview模拟数据采集。

利用声卡实现对数据的采集，制作成一个简易的数据采集系统，能够实现数据采集、模拟采集数据、波形显示、进行低频滤波四大功能。

关键词：

虚拟仪器；数据采集；声卡

VirtualInstrumentDesign-DataAcquisitionSystem

Abstract

VirtualInstrumentbytheGeneralInstrument.Hardwareequipmentcanbeaplug-indataacquisitioncardandthenecessaryperipheralcircuits（includingthesignalconditioningcircuits,ADconverter,digitalIO,timer,DAconverters,etc.）,orwiththestandardbusinterfaceequipment,suchasGPIB,VXI,PXI,STD,PCIbusdevicesandnetworkequipmentandsoon.

CurrentlyonthemarketADacquisitioncardanddataacquisitioncards,aswellasthestandardbusinterfacewiththeequipment,theirpricesareexpensivetodesignforthepurposesofgraduation,aswellastheusefulnessofthesignificantcostofnotveryAD,DAconversiondevices,with16-bitquantizationprecision,dataacquisitionfrequencyis44.1kHz,completedwithinthescopeofapplicationtomeetthespecificneedsofdatacollection,individualalsobetterthanthecommercialperformancedataacquisitioncard,andthepriceofcommercialdataacquisitioncardforone-tenthorafewone-tenthoftheexperimentinthedesigntomeettherequirementscompletely.

Therefore,inthisdesign,dataacquisitiondeviceismainlybasedonthesoundcardandanalogdataacquisitionlabview.Theuseofsoundtoachievethedatacollection,tocreateasimpledataacquisitionsystem,toachievedataacquisition,analogdataacquisition,waveformdisplay,thefourmajorfunctionsforlow-frequencyfilter.

Keywords:

virtualinstrument;dataacquisition;soundcard

1绪论1

1.1虚拟仪器概述1

1.1.1虚拟仪器的产生1

1.1.2虚拟仪器的概念1

1.1.3虚拟仪器的构成2

1.2虚拟仪器的发展趋势2

1.3本文的研究内容3

2数据采集系统的设计5

2.1Labview软件创建过程5

2.2设计方案的比较6

2.2.1软件比较6

2.2.2声卡采集数据的特点7

3软件模块的设计11

3.1程序的流程图11

3.2程序的结构图12

3.3LABVIEW简介12

3.3.1G语言简介12

3.3.2LABVIEW程序组成13

3.4数据采集和处理模块14

3.4.1声音输入配置虚拟仪器15

3.4.2声音输入读取虚拟仪器17

3.4.3声音输入清除虚拟仪器18

3.5数据模拟模块20

3.6低通滤波模块22

3.7波形显示模块23

3.8小结23

4程序设计显示25

4.1程序的使用方法25

4.1.1程序的环境25

4.1.2声卡配置25

4.2程序的总框图26

4.3程序的调试结果26

4.3.1声卡采集数据的结果26

4.3.2模拟采集数据的结果27

4.4小结29

5设计中遇到的问题30

6总结与展望31

参考文献32

致谢33

1绪论

1.1虚拟仪器概述

1.1.1虚拟仪器的产生

虚拟仪器技术是现在计算机系统和仪器系统相结合的产物，是当今计算机辅助测试领域的一项重要技术。

它推动着传统仪器朝着数字化，智能化，模块化，网络化的方向发展。

电子测量仪器发展至今，大体上可以分为四代：

模拟仪器、数字化仪器、智能仪器和虚拟仪器。

第一代模拟仪器，这类仪器在某些实验室里还能看到，它是以电磁感应基本定律为基础的指针式仪器，如指针式万用表、晶体管电压表、指针式电流表等。

第二代数字化仪器，这类仪器现在相当普遍，这类仪器将模拟信号的测量值转化为数字信号，并以数字方式输出最终结果，适用于快速响应和较高准确度的测量，如数字万用表、数字频率计等。

第三代智能仪器，这类仪器内置微处理器，可以进行自动测试和数据处理功能，可能代替部分脑力工作，习惯上称为智能仪器。

它的功能模块全部都是以硬件或固定软件的形式存在，无论是开发还是应用，都缺乏灵活性。

第四代虚拟仪器，它是现在计算机软件技术、通信技术和测试技术高速发展孕育出的一项革命性技术，其导致了传统仪器的结构、概念和设计观点都发生了巨大的变革，它的出现使得人类的测试技术进入了一个新的发展纪元。

虚拟仪器（VirtualInstruments.简称VI）的概念，是美国国家仪器公司（NationalInstrumentsCorp.简称NI）于1986年提出的。

NI公司同时也提出了“软件即仪器”的口号，彻底打破了传统仪器只能由厂家定义，用户无法改变的局面，从而引起了仪器和自动化工业的一场革命。

随着现在硬件和软件技术的飞速发展，仪器的智能化和虚拟化成为各级实验室以及研究机构发展的方向。

虚拟仪器，它既具有传统仪器的功能，又有别于其他传统仪器。

它能够充分利用和发挥现有计算机的先进技术，使仪器的测试和测量及自动化工业的系统测试和监控变得异常方便和快捷。

1.1.2虚拟仪器的概念

虚拟仪器是指通过应用程序将计算机、软件的功能模块和仪器硬件结合起来，用户可以通过友好的图形界面（通常叫做虚拟前面板，简称前面板）来操作这台计算机就像在操作自己定义、自己设计的一台个人仪器一样，从而完成对被测信号的采集、分析、判断、显示、数字存储等。

虚拟仪器以透明的方式，通过软件对数据的分析处理、表达以及图形化用户接口，把计算机资源（如微处理器、显示器等）和仪器硬件（如AD、DA、数字IO、定时器、信号调理等）的测试能力和控制能力结合起来。

虚拟一起突破了传统仪器以硬件为主体的模式，实际上使用者是在操作具有测试软件的电子计算机进行测量，犹如操作一台虚设的电子仪器。

虚拟仪器技术的实质是充分利用最新的计算机技术来实现和扩展传统仪器的功能。

软件是虚拟仪器的关键，当基本硬件确定以后，就可以通过不同的软件实现不同的功能。

用户可以根据自己的需要，设计自己的仪器系统，满足多种多样的应用要求。

利用计算机丰富的软、硬件资源，可以大大突破传统仪器的数据的分析、处理、表达、传递、存储等方面的限制，达到传统仪器无法比拟的效果。

它不仅可以用于电子测量、测试、分析、计量等领域，而且还可以用于进行设备的监控以及工业过程自动化。

虚拟仪器还可以广泛用于电力工程、物矿勘探、医疗、振动分析、声学分析、故障诊断及教学科研等多个方面。

1.1.3虚拟仪器的构成

虚拟仪器从构成要素上讲，由计算机、应用软件和仪器硬件等构成；从构成分式上讲则由以DAQ板和信号调理为仪器硬件而组成的PC-DAQ测试系统，或已GPIB，VXI，Serial和Fieldbus等标准总线仪器为硬件组成的GPIB系统、VXI系统、串口系统和现场总线系统等多种形式。

虚拟仪器的构成如图1.1所示。

图1-1虚拟仪器的结构

1.2虚拟仪器的发展趋势

虚拟仪器正在继续迅速发展。

它可以取代测量技术在传统领域的各类仪器。

虚拟仪器在组成和改变仪器的功能和技术性能方面具有灵活性和经济性，因而特别适应于当代科学技术迅速发展和科学研究不断深化所提出的更高跟新的测量课题和测量需要。

“没有测量就没有鉴别，科学技术就不能前进。

”虚拟仪器将会在科学技术的各个领域得到广泛的应用。

图形化编程平台的进一步发展和完善是虚拟仪器发展的一个重要方向。

如何使用户进行少量的学习甚至不需要学习就可使用功能强大的虚拟仪器，如何使用构成简单的虚拟仪器系统并完成复杂的测试内容，如何帮助用户对测试结果进行分析和判断等内容，是虚拟仪器技术努力的方向。

我国还基本处于传统仪器与计算机化仪器互相分离的状态，世界各大相关的产品商家都在向中国这个巨大的市场进军。

结合我国的实际情况，我们必须走引进与自行开发相结合的道路。

一方面，大力引进国外虚拟仪器方面的生产技术；另一方面，发展基于计算机的插卡式硬件模块为主的测控技术，发展图形化平台的软件产品，充分利用我们现有的计算机及测控技术硬件，缩短与国际先进水平的差距。

VXI总线将成为未来虚拟仪器的理想硬件平台，这是由VXI总线的性能决定的；另一方面，基于PCI-DAQ的虚拟仪器系统由于性价比高、灵活性好而受到大多数用户的青睐，将得到高速的发展。

随着计算机硬件、软件技术的迅速发展，虚拟仪器将向高性能、多功能、集成化、网络化方向发展。

1.3本文的研究内容

虚拟仪器由通用仪器硬件平台（简称硬件平台）和应用软件两大部分构成。

硬件平台主要完成对被测信号的进行调理和采集。

仪器硬件可以是插入式数据采集卡及必要的外围电路（含信号调理电路、AD转换器、数字IO、定时器、DA转换器等），或者是带标准总线接口的仪器，如GPIB、VXI、PXI、STD、PCI总线仪器和网络化仪器等。

目前市场上的AD采集卡和数据采集卡以及带标准总线接口的仪器等，其价格均不菲，以毕业设计的目的来说，性价比以及实用程度显的不高。

进而考虑到计算机中的声卡本身就是一个AD，DA的转化装置，具有16位的量化精度、数据采集频率是44.1kHz，完成可以满足特定应用范围内数据采集的需要，个别性能指标还优于商用数据采集卡，而价格却为商用数据采集卡的十分之一或者几十分之一，在设计实验中完全可以满足要求。

因此在本设计中，数据采集装置主要基于声卡和labview模拟数据采集。

利用声卡实现对数据的采集，制作成一个简易的数据采集系统，能够实现数据采集、模拟采集数据、波形显示、进行低频滤波四大功能。

虚拟仪器的发展已经具有快30年的历史，声卡采集是不可缺少的内容。

本论文具体内容安排如下：

第一章，绪论：

介绍虚拟仪器的概念、构成，发展的现状，和本文的研究内容。

第二章，数据采集系统的设计：

首先讲述Labview软件创建过程，过度到设计方案的比较，进而讲述了声卡采集数据的特点。

第三章，软件模块的设计：

主要介绍了各个功能模块具体设计和实现，包括：

数据采集和处理模块、数据模拟模块、低通滤波模块、波形显示模块等。

第四章，程序设计显示：

本章是重点，主要介绍程序的使用方法和程序的调试结果。

第五章，总结与展望和设计中遇到的问题。

2数据采集系统的设计

数据采集由硬件和功能模块软件两部分组成。

本章将详细讨论对数据采集时几种方案的比较。

2.1Labview软件创建过程

创建Labview软件的过程大体分为以下五步：

（1）需求分析。

需求分析是借用软件工程中的概念，其含义包括创建开发原型（明确实质要解决的问题）、分析程序的可行性（包括成本、性能、风险和技术障碍）等。

在创建开发原型的过程中，开发人员要与程序的最终使用人员进行充分的交流。

在此基础上，程序开发人员对所要解决的问题有了大致的了解，甚至可以画出一个系统的框图，之后还要进行程序的可行性分析，考虑选用器件的性价比、开发风险等。

（2）软、硬件的选择。

程序开发人员不必担心操作系统的问题，目前的LABVIEW是一个支持多个系统平台的软件，Windows、PowerMacintosh、SunSPARCA工作站、HP工作站、Linux上都可以运行。

针对一些特殊的任务，LABVIEW还提供一些附加的工具包，非常方便。

选择适当的工具包将会达到事半功倍的效果。

在LABVIEW的设备驱动程序库中已经包含了上千个免费的驱动程序（这些驱动程序支持NI公司的硬件产品），还包括了世界上各大仪器厂商的大部分仪器的LABVIEW驱动程序。

如果没有现成的驱动程序，用户也可以自己编写。

（3）设计用户界面。

用户界面也称GUI，即graphicaluserinterface。

前面板必须简洁、易懂、设计时应该满足复杂工作要求。

前面板上使用的颜色方案，要兼顾一致和鲜明。

一致性包括：

①一个VI程序的GUI之间要保持一致；②VI的GUI要与平时大家用的应用程序色调一致。

鲜明就是说：

需要强调的部分一定要用颜色加以突出，体现测控系统程序的特点，减少用户操作过程中犯错误机会。

（4）程序设计。

拿到一个设计任务后，首先要分解任务，把待设计任务分割成几个大的模块，然后把大的模块再分解为一系列的功能，甚至可以分解到要用那些函数的程度；然后是寻求例程，参考例程可以避免重复前人做过的工作；接下来就是根据项目的特点选择程序设计方法，自上而下或者自下而上。

（5）程序测试。

测试过程是项目开发的重要组成部分。

测试应该从底层的VI开始，然后再测试较大的模块，最后进行整体测试。

测试中还要特别关注全局变量对程序的影响。

此外，局部变量和属性节点也要引起注意。

对于高级程序员来说，还要考虑程序的性能如何，能否满足速度与响应的要求以及内存的使用情况。

2.2设计方案的比较

2.2.1软件比较

在给定计算机必要的仪器硬件后，构成和使用虚拟仪器的关键在于软件。

软件为用户提供了集成开发环境、高水平的仪器硬件接口和用户接口。

美国国家仪器公司提出的“软件即仪器”（TheSoftwareistheInstrument）形象的概况了软件在虚拟仪器技术中的重要作用。

所以正确选择软硬件对程序开发和设计起着非常重要的作用。

只有选择了合适的软硬件才能快速的开发出应用软件，才能事半功倍。

对于虚拟仪器应用软件的编写，大致可以分为两种方式：

（1）通用编程软件进行编写。

主要有Microsoft公司的VisualBasic与VisualC++，Borland公司的Delphi，Sybase公司的PowerBuilder。

（2）用专业图形化编程软件开发。

如HP公司的HP-VEE，NI公司的LABVIEWLabwindowsCVI等。

具体选用哪一种软件，应该由编程者根据实际情况选择。

设计一个简易数据采集系统，在设计中必须考虑以下因素：

开发成本低、执行效率佳、程序弹性大、开放性架构易于扩充。

LABVIEW是实验室虚拟仪器工作平台（LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench）的简称，是美国国家仪器公司（NI）的创新软件产品，也是目前应用最广泛、发展最快、功能最强的图形化软件开发环境。

LABVIEW的前面板可以包括旋钮、刻度盘、开关、图表和其他界面工具，允许用户通过键盘或鼠标获取数据并显示结果。

LABVIEW具有模块化特性，有利于程序的可重用性。

LABVIEW将软件的界面设计和功能设计独立开来，修改人机界面无需对整个程序进行调整，LABVIEW是利用数据流框图接受指令，使程序简单明了，充分发挥了图形化编程环境的优点。

这就大大缩短了虚拟仪器的开发周期、消除了虚拟仪器编程的复杂过程。

而通用的编程软件需利用组件技术实现软面板的设计，这使程序设计变得非常麻烦。

LABVIEW虽然是为计算机测控领域开发的，但它的函数包含了一般高级计算机语言中的绝大多数程序控制功能。

LABVIEW作为开发环境具有的优点总结如下所述：

（1）图形编程化，降低了对使用者编程经验的要求，易于工程师使用；

（2）采用面向对象的方法和概念，有利于软件的开发和再利用；

（3）对象、框图及其构成的虚拟仪器在Windows，WindowsNT、UNIX等多平台之间和各种PC机及工作站间兼容，便于软件移植；

（4）支持550多种标准总线设备及数据采集卡，如串行接口、GPIB、VXI等；

（5）具有丰富的库函数和例子，对于大多数应用程序，用户可以从例子中取得程序框架，便于提高开发速度；

（6）具有比较完备的代码接口，可调用Windows中的动态链接库（DLL）中的函数以及C语言程序，以弥补自身的某些不足；

（7）直接支持动态数据交换（DDE）、对象联接与嵌入（OLE）、结构化查询语言（SQL）、便于与其他Windows应用程序和数据库应用程序接口；

（8）支持TCP，UDP等网络协议，网络功能强大，可遥控分布在其他微机上的虚拟仪器设备；

（9）为加强LABVIEW的功能，适应各种工业应用的需要，NI公司又开发了一系列与LABVIEW配合使用的软件包，如自动测试工具、可连接25种数据库的SQL工具、SPC分析函数工具、信号处理套件、PID控制工具、图形控制工具等。

在许多应用程序中，运行速度是至关重要的。

LABVIEW是至今唯一带有可以生产最佳编码的编译器的图形化开发环境，运行速度等同于编好的C或C++程序。

因此用LABVIEW来做数据采集设计是很好的选择。

2.2.2声卡采集数据的特点

商用数据采集卡具有较大的通用性，但其价格比较昂贵，在具体的应用场合，有些功能可能并不实用。

普通声卡，具有16位的量化精度、数据采集频率是44.1kHz，完全可以满足特定应用范围内数据采集的需要，个别性能指标还优于商用数据采集卡，而价格却为商用数据采集卡的十几分之一甚至几十分之一。

计算机中的声卡本身就是一个AD，DA的转化装置，并且造价低廉，对于设计者而言，在PC上完成数据采集的任务，成本几乎为0；性能稳定，在设计中完全可以满足要求。

因此在本设计中，数据采集装置主要基于声卡和数据模拟波形。

1、声卡的作用

从数据采集的角度看，声卡是一种音频范围内的数据内数据采集卡，是计算机与外部的模拟量间环境联系的重要途径。

LABVIEW提供了操作声卡的函数。

声卡的主要功能包括录制与播放、编辑与合成处理、MIDI接口三个部分。

（1）录制与播放

通过声卡，人们可将来自话筒、收录机等外部音源的声音录入计算机，并转换成数字文件进行存储和编辑等操作；人们也可以将数字文件还原成声音信号，通过扬声器回放，例如为电子游戏配音，以及播放CD、VCD、DVD、MP3和卡拉OK等。

注意，在录制和回放时，不仅要进行DA和AD转换，还要进行压缩和解压缩处理。

（2）编辑和合成处理

通过对声音文件进行多种特技效果的处理，包括加入回声，倒放，淡入淡出，往返放音以及左右两个声道交叉放音等，可以实现对各种声源音量的控制和混合。

（3）MIDI（MusicalInstrumentDigitalInterface乐器数字接口）接口

通过MIDI接口和波表合成，可以记录和回放各种接近真实乐器原声的音乐。

从一般意义上来看，上述功能主要是数据采集和信号处理，很自然的就可以联想到用声卡实现示波器、信号处理器、频谱分析仪等虚拟仪器。

2、声卡的硬件结构

图2-1是一个声卡的硬件结构示意图。

一般声卡有4-5个对外接口。

其中，输出接口有2个，分别是WareOut和SPKOut。

WareOut（或LineOut）给出的信号没有经过放大，需要外接功率放大器，例如可以接到有源音箱；SPKOut给出的信号是通过功率放大的信号，可以直接接到喇叭上。

这些接口可以用来作为双通道信号发生器的输出。

图2-1声卡的硬件结构示意图

输入接口LineIn和MicIn的区别在于，后者可以接入较弱的信号，幅值大约为0.02-0.2V，显然这个信号较易受干扰，因而常使用LineIn，它可以接入幅值约为不超过1.5V的信号。

注意，这两个输入端口都有隔直电容，这意味着直流信号不能被声卡所接受。

多数声卡的输入也是双通道的，但接入插头线往往将这两个通道短接成一个通道。

另外这两个通道是共地的。

3、声卡的主要技术参数

（1）采样的位数

采样位数可以理解为声卡处理声音的解析度。

这个数值越大，解析度就越高，录制和回放的声音也就越真实。

声卡的位是指声卡在采集和播放声音文件时所使用的数字声音信号的二进制位数，它客观的反映了数字声音信号对输入声音信号描述的准确度。

例如，8位代表；16位的代表。

比较之下，一段相同的音乐信息，16位声卡能把它分为64000个精度单位进行处理，而8位声卡只能处理256个精度单位，最终采样效果当然是无法相提并论的。

（2）采样频率

目前，声卡的最高采样频率为44.1kHz，少数达到48kHz。

对于民用声卡，一般将采样频率设为4档，分别是44.1kHz、22.05kHz、11.025kHz、8kHz。

22.05kHz只能达到FM广播的声音品质；44.1kHz是理论上的CD音质界限，48kHz则更好一些。

对20kHz范围内的音频信号，最高的采样频率才48kHz，虽然理论上没有问题，但似乎余量不大。

使用声卡比较大的局限在于，它不允许用户在最高采样频率之下随意设定采样频率，而只能分为4档设定。

这样虽然可使制造成本降低，但却不便于使用。

用户基本上不可能控制整周期采样，只能通过信号处理的方法来弥补非整周期采样带来的问题。

（3）缓冲区

与一般数据采样卡不同，声卡面临的DA和AD任务通常是连续状态的。

为了在一个简易的结构下较好的完成某个任务，声卡缓冲区的设计有其独到之处。

为了节省CPU资源，计算机的CPU并不是每次声卡AD或DA结束后都要响应一次中断，而是采用了缓冲区的工作方式。

在这种工作方式下，声卡的AD、DA都对某一缓冲区进