虛擬儀器(Virtual Intrument)技術(shù)是測(cè)控領(lǐng)域測(cè)量的一個(gè)重要方向，是計(jì)算機(jī)技術(shù)與儀器技術(shù)深層次結(jié)合產(chǎn)生的全新概念的儀器,是對(duì)傳統(tǒng)儀器概念的重大突破。為了滿足高校、科研機(jī)構(gòu)等對(duì)一些實(shí)驗(yàn)設(shè)備的需求，在低成本條件下開發(fā)一些虛擬儀器成為一種趨勢(shì)。組建虛擬示波器為例介紹如何開發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)儀器。
    1 從數(shù)據(jù)采集的角度看聲卡
    從數(shù)據(jù)采集的角度來看，聲卡是一種音頻范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)采集卡，是計(jì)算機(jī)與外部的模擬量環(huán)境聯(lián)系的重要途徑。
    1.1 聲卡的工作原理
    聲卡的工作原理其實(shí)很簡(jiǎn)單，其工作流程圖如圖1所示。我們知道，麥克風(fēng)和喇叭所用的都是模擬信號(hào)，而電腦所能處理的都是數(shù)字信號(hào)，聲卡的作用就是實(shí)現(xiàn)兩者的轉(zhuǎn)換。從結(jié)構(gòu)上分，聲卡可分為模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路兩部分,模數(shù)轉(zhuǎn)換電路負(fù)責(zé)將麥克風(fēng)等聲音輸入設(shè)備采到的模擬聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換為電腦能處理的數(shù)字信號(hào);而數(shù)模轉(zhuǎn)換電路負(fù)責(zé)將電腦使用的數(shù)字聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換為喇叭等設(shè)備能使用的模擬信號(hào)。
    2 聲卡的主要技術(shù)參數(shù)
    (1)采樣的位數(shù)。
    采樣位數(shù)可以理解為聲卡處理聲音的解析度。這個(gè)數(shù)值越大，解析度就越高，錄制和回放的聲音也就越真實(shí)。聲卡的位是指聲卡在采集和播放聲音文件時(shí)所使用的數(shù)字聲音信號(hào)的二進(jìn)制位數(shù)，它客觀地反映了數(shù)字聲音信號(hào)對(duì)輸入聲音信號(hào)描述的準(zhǔn)確度。例如，8位代表28=256;16位則代表216=64000。比較一下一段相同的音樂信息，16位聲卡能把它分為64000個(gè)單位進(jìn)行處理，而8位聲卡只能處理256個(gè)單位，終采樣效果自然是無法相提并論的。
    (2)采樣頻率。
    目前，聲卡的采樣頻率是44.1kHz。少數(shù)達(dá)到48kHz。對(duì)于民用聲卡，一般將采樣頻率設(shè)為4檔，分別是44.1kHz、22.05kHz、11.025kHz和8kHz。22.05kHz只能達(dá)到FM廣播的聲音品質(zhì);44.1kHz是理論上的CD音質(zhì)界限，48kHz則更好一些。對(duì)20kHz范圍內(nèi)的音頻信號(hào)，的采樣頻率才48kHz，雖然理論上沒問題，但似乎余量不大。使用聲卡比較大的局限在于它不允許用戶在采樣頻率之下隨意設(shè)定采樣頻率，而只能分為4檔設(shè)定。這樣雖然可使制造成本降低，但卻不便于使用。用戶基本上不可能控制整周期采樣，只能通過信號(hào)處理的方法來彌補(bǔ)非整周期采樣帶來的問題。
    (3) 緩沖區(qū)。
    與一般數(shù)據(jù)采集卡不同，聲卡面臨的D/A和A/D任務(wù)通常是連續(xù)狀態(tài)的。為了在一個(gè)簡(jiǎn)潔的結(jié)構(gòu)下較好地完成某個(gè)任務(wù)，聲卡緩沖區(qū)的設(shè)計(jì)有其獨(dú)到之處。為了節(jié)省CPU資源，計(jì)算機(jī)的CPU并不是每次聲卡A/D或D/A結(jié)束后都要響應(yīng)中斷，而是采用了緩沖區(qū)的工作方式。在這種工作方式下，聲卡的A/D、D/A都對(duì)某一緩沖區(qū)進(jìn)行操作。以輸入聲音的A/D變換為例，每次轉(zhuǎn)換完畢后，聲卡控制芯片都將數(shù)據(jù)存放在緩沖區(qū)，待緩沖區(qū)滿時(shí)，發(fā)出中斷給CPU，CPU響應(yīng)中斷后性將緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)全部讀走。計(jì)算機(jī)總線的數(shù)據(jù)傳輸速率非常高，讀取緩沖區(qū)數(shù)據(jù)所用時(shí)間極短，不會(huì)影響A/D變換的連續(xù)性。緩沖區(qū)的工作方式大大降低了CPU響應(yīng)中斷的頻度，節(jié)省了系統(tǒng)資源。聲卡輸出聲音時(shí)的A/D變換也是類似的。
    一般聲卡使用的緩沖區(qū)長(zhǎng)度的默認(rèn)值是8KB(8192字節(jié))。這是由于對(duì)X86系列處理器來說，在保護(hù)模式(Windows等系統(tǒng)使用的CPU工作方式下)下，內(nèi)存以8KB為單位被分成很多頁(yè)，對(duì)內(nèi)存的任何訪問都是按頁(yè)進(jìn)行的，CPU保證了讀寫8KB長(zhǎng)度的內(nèi)存緩沖區(qū)時(shí)，速度足夠快，并且一般不會(huì)被其他外來事件打斷。設(shè)置8192字節(jié)或其整數(shù)倍(例如32768字節(jié))大小的緩沖區(qū)，可以較好地保證聲卡與CPU的協(xié)調(diào)工作。
    (4) 無基準(zhǔn)電壓。
    聲卡不提供基準(zhǔn)電壓，因此無論是A/D還是D/A在使用時(shí)，都需要用戶自己參照基準(zhǔn)電壓進(jìn)行標(biāo)定。
    (5)聲卡頻率范圍與頻率響應(yīng)。
    某聲卡的頻率響應(yīng)如圖2所示，可以看出在200Hz~5kHz之間的曲線還是比較平坦的，其余部分信號(hào)有較多衰減。在合適的頻率范圍內(nèi)，可以用聲卡代替昂貴的數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行工作。
    2 利用G語言LabVIEW組建虛擬實(shí)驗(yàn)儀器
    虛擬儀器是在美國(guó)國(guó)家儀器公司(National Instruments Corp.簡(jiǎn)稱NI)于1986年提出的“軟件就是儀器”這一口號(hào)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其概念是用戶在通用計(jì)算機(jī)平臺(tái)上，在必要的數(shù)據(jù)采集硬件的支持下，根據(jù)測(cè)試任務(wù)的需要，通過軟件設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)和擴(kuò)展傳統(tǒng)儀器的功能。傳統(tǒng)臺(tái)式儀器是由廠家設(shè)計(jì)并定義好功能的一個(gè)封閉結(jié)構(gòu)，有固定的輸入/輸出接口和儀器操作面板。每種儀器只能實(shí)現(xiàn)一類特定的測(cè)試功能，并以確定的方式提供給用戶。虛擬儀器的出現(xiàn)，打破了傳統(tǒng)儀器由廠家定義、用戶無法改變的模式，使得用戶可以根據(jù)自己的要求，設(shè)計(jì)自己的儀器系統(tǒng)，并可通過修改軟件來改變或增減儀器的功能，真正體現(xiàn)了“軟件就是儀器”這一新概念。
    (1)G語言LabVIEW關(guān)于聲卡的模塊介紹。
    LabVIEW中提供了一系列使用Windows底層函數(shù)編寫的聲卡有關(guān)的函數(shù)。這些函數(shù)集中在Sound VI下。由于使用Windows底層函數(shù)直接與聲卡驅(qū)動(dòng)程序打交道，因而封裝層次低，速度快，而且可以訪問，采集緩沖區(qū)中任意位置的數(shù)據(jù)，具有很大的靈活性，能夠滿足實(shí)時(shí)不間斷采集的需要。
    LabVIEW函數(shù)庫(kù)中Sound Input子模版(Functions Palette→Graphics&Sound→Sound→Sound Input)提供了聲卡函數(shù)，可以通過聲卡采集外部模擬信號(hào)。
    (2)基于聲卡的虛擬示波器的組建。
    應(yīng)用LabVIEW構(gòu)建基于聲卡的虛擬示波器，其整體思想就是在一個(gè)While循環(huán)中，添加各輸入節(jié)點(diǎn)，使其對(duì)采集到的聲音波形進(jìn)行顯示，而在內(nèi)部又添加了若干的屬性節(jié)點(diǎn)來對(duì)各種附加功能進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。流程圖如圖3所示。
    虛擬示波器的軟件的設(shè)計(jì)是把整個(gè)軟件分別分成幾個(gè)模塊，然后組建成一個(gè)整體。分別為數(shù)據(jù)采集，存儲(chǔ)，顯示，處理等。
    數(shù)據(jù)采集模塊是虛擬示波器軟件的硬件驅(qū)動(dòng)部分，在這里主要是利用LabVIEW里面的聲卡函數(shù)完成聲卡的硬件參數(shù)設(shè)置、啟動(dòng)聲卡采集數(shù)據(jù)、等待采樣數(shù)據(jù)緩沖區(qū)滿的消息、通知聲卡停止采集等任務(wù)。
    波形顯示模塊使用了波形操作函數(shù)，主要用到Build Waveform函數(shù)。Build Waveform函數(shù)。建立或修改已有的波形。默認(rèn)情況下函數(shù)只有waveform和t0輸入端子，向下拖拽函數(shù)下邊沿還可以增加dt、Y和attribuates輸入端子。使用操作工具單擊端子可以彈出元素選擇快捷菜單。如果waveform端子沒有接入，則Build Waveform根據(jù)輸入?yún)?shù)建立新的波形數(shù)據(jù)，并在輸出端子中返回。在本設(shè)計(jì)中，只用到t0,dt,Y三個(gè)輸入端子。其中t0為波形的起始時(shí)間，dt為波形數(shù)據(jù)點(diǎn)中間的時(shí)間間隔或持續(xù)時(shí)間，Y為包含了波形的數(shù)據(jù)值。此處，設(shè)置起始時(shí)間為0，但因?yàn)閿?shù)據(jù)格式不匹配，增加了一個(gè)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換函數(shù)to time stamp，從而把一個(gè)數(shù)值轉(zhuǎn)換成時(shí)間值。dt值取自SI Config的格式中的采樣倒數(shù)，倒數(shù)取得的方法利用了reciprocal函數(shù)。Y值來自SI Read的stereo 16-bit輸出端子。
    因?yàn)槠邢蓿荒軐?duì)各個(gè)模塊進(jìn)行詳細(xì)介紹。下面是組建好的示波器。 
    3 虛擬示波器和傳統(tǒng)示波器的比較
    虛擬示波器的優(yōu)勢(shì)在于可由用戶定義自己的專用儀器系統(tǒng)，且功能靈活，很容易構(gòu)建，所以應(yīng)用面極為廣泛。尤其在科研、開發(fā)、測(cè)量、檢測(cè)、計(jì)量等領(lǐng)域更是不可多得的好工具。虛擬示波器技術(shù)先進(jìn)，十分符合國(guó)際上流行的“硬件軟件化”的發(fā)展趨勢(shì)。它功能強(qiáng)大，可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)示波器的全部功能，而且還有傳統(tǒng)示波器所不具備的功能，如實(shí)時(shí)存儲(chǔ)波形、數(shù)據(jù)存盤以及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集等功能。它操作靈活，完全圖形化界面，風(fēng)格簡(jiǎn)約，符合傳統(tǒng)設(shè)備的使用習(xí)慣，用戶不經(jīng)培訓(xùn)既可迅速掌握操作規(guī)程;它集成方便，可以和高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備協(xié)同工作。
    4 結(jié)束語
    利用計(jì)算機(jī)聲卡在音頻范圍內(nèi)代替專用的數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣和輸出，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建的虛擬儀器，具有成本低、兼容性好、通用性和靈活性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。學(xué)生可將用戶程序安裝在自己的計(jì)算機(jī)上，就能在不增加硬件投資的情況下，擁有自己的示波器等儀器。利用同樣的原理，用戶可以開發(fā)頻譜儀，信號(hào)發(fā)生器等各種實(shí)驗(yàn)儀器。