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基本信息
- 項(xiàng)目名稱(chēng)：
- 基于虛擬儀器的數(shù)字示波器設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”省賽作品
- 小類(lèi)：
- 信息技術(shù)
- 大類(lèi)：
- 科技發(fā)明制作A類(lèi)
- 簡(jiǎn)介：
- 本課題以美國(guó)國(guó)家儀器公司開(kāi)發(fā)的LabVIEW8.2為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)開(kāi)發(fā)一種多功能虛擬數(shù)字示波器。它是由由儀器硬件采集外部信號(hào)，通過(guò)軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)儀器的顯示及測(cè)量等功能。與傳統(tǒng)的示波器相比，在功能使用上有了很大的提高，除了具有傳統(tǒng)模擬示波器對(duì)波形的采集、顯示等功能外，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的濾波、頻譜分析、參數(shù)測(cè)量、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和回放等功能，具有功能易擴(kuò)展、開(kāi)發(fā)周期短等特點(diǎn)。
- 詳細(xì)介紹：
- 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，儀器工業(yè)正在經(jīng)歷一場(chǎng)巨變。計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的處理和顯示能力，使它可以在數(shù)據(jù)采集、分析和表達(dá)中的任意一個(gè)方面提升儀器的性能。以虛擬儀器為代表的新型儀器改變了傳統(tǒng)儀器的思想，它們充分利用了計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的軟硬件資源，把計(jì)算機(jī)技術(shù)和測(cè)量技術(shù)緊密結(jié)合起來(lái)，是融合了電子測(cè)量、信號(hào)處理、計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的新型測(cè)量?jī)x器，由于成本低、使用方便等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用。 本課題以數(shù)據(jù)采集卡和通用計(jì)算機(jī)為硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，以美國(guó)國(guó)家儀器公司開(kāi)發(fā)的LabVIEW8.2為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)開(kāi)發(fā)一種多功能虛擬數(shù)字示波器。它是由由儀器硬件采集外部信號(hào)，通過(guò)軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)儀器的顯示及測(cè)量等功能。與傳統(tǒng)的示波器相比，在功能使用上有了很大的提高，除了具有傳統(tǒng)模擬示波器對(duì)波形的采集、顯示等功能外，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的濾波、頻譜分析、參數(shù)測(cè)量、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和回放等功能，具有功能易擴(kuò)展、開(kāi)發(fā)周期短等特點(diǎn)。 示波器是電子測(cè)量行業(yè)最常用的測(cè)量?jī)x器之一，主要用來(lái)測(cè)量并顯示被測(cè)信號(hào)的參數(shù)和波形，在科學(xué)研究、科學(xué)實(shí)驗(yàn)以及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等許多領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。隨著科學(xué)研究的不斷深入和各種高新技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)示波器的諸如波形不穩(wěn)定、測(cè)讀不準(zhǔn)確等許多缺陷逐漸顯露出來(lái)，而且體積大，耗電多，越來(lái)越不能滿足現(xiàn)代應(yīng)用的需要。“虛擬儀器”這一新概念測(cè)量?jī)x器的誕生，使示波器在功能和作用等多方面發(fā)生了變化。虛擬示波器不僅可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)示波器的功能，并且具有存儲(chǔ)、再現(xiàn)、分析、處理波形等傳統(tǒng)示波器所沒(méi)有的特點(diǎn)，而且體積小，耗電少。虛擬示波器使用功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)來(lái)完成信號(hào)的處理和波形的顯示，利用軟件技術(shù)在屏幕上設(shè)計(jì)出方便、逼真的儀器面板，進(jìn)行各種信號(hào)的處理、加工和分析，用各種不同的方式（如數(shù)據(jù)、圖形、圖表等）表示測(cè)量結(jié)果，完成各種規(guī)模的測(cè)量任務(wù)。例如用在虛擬示波器上的軟件功能有：測(cè)量結(jié)果的譜分析、快速傅立葉變換、各種數(shù)字濾波器、卷積和相關(guān)函數(shù)處理、峰值和閾值檢測(cè)、數(shù)值運(yùn)算、時(shí)域和頻域分析等。 虛擬示波器的功能可以由用戶(hù)自己定義，但其所能達(dá)到的性能指標(biāo)和系統(tǒng)能力不僅與采集模塊的數(shù)字化能力有關(guān)，而且與其體系結(jié)構(gòu)有關(guān)。目前，虛擬儀器的五種體系結(jié)構(gòu)中，在虛擬示波器中應(yīng)用最多的是PC-DAQ體系。DAQ（Data Acquisition），即數(shù)據(jù)采集儀器，它的出現(xiàn)和發(fā)展與微型計(jì)算機(jī)密切相關(guān)。DAQ儀器以微型計(jì)算機(jī)為平臺(tái)，配以用于測(cè)量和測(cè)試的數(shù)據(jù)采集卡及計(jì)算機(jī)軟件（虛擬示波器應(yīng)用軟件），實(shí)現(xiàn)示波器的功能。 基于計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由傳感器、信號(hào)調(diào)理、數(shù)據(jù)采集（DAQ）硬件、個(gè)人計(jì)算機(jī)、軟件等基本要素構(gòu)成。 本設(shè)計(jì)首先將示波器從功能上劃分為數(shù)據(jù)采集控制和數(shù)據(jù)處理這兩個(gè)大模塊，然后再將它們細(xì)化為一系列小的功能模塊，最后將各模塊采用自上而下的方法進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)采集控制可以細(xì)化為通道控制模塊、觸發(fā)模塊和采集模塊。數(shù)據(jù)處理模塊細(xì)化為數(shù)據(jù)濾波模塊、參數(shù)計(jì)算模塊、頻譜分析模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、數(shù)據(jù)回放模塊和主控模塊（軟面板模塊）。
作品圖片
作品專(zhuān)業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 利用聲卡DSP技術(shù)和LabVIEW多線程技術(shù)，提出了一種基于聲卡的數(shù)據(jù)采集與分析的廉價(jià)方案，具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、界面友好、性能穩(wěn)定可靠等諸多優(yōu)點(diǎn)。在LabVIEW環(huán)境中實(shí)現(xiàn)了音頻信號(hào)的采集分析及數(shù)據(jù)存盤(pán)重載。PC上配置多塊聲卡即可構(gòu)成實(shí)時(shí)、高信噪比的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。可以推廣到語(yǔ)音識(shí)別、環(huán)境噪聲監(jiān)測(cè)和實(shí)驗(yàn)室測(cè)量等多種領(lǐng)域，應(yīng)用前景廣闊。 性能指標(biāo)：三通道同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地進(jìn)行顯示，并將數(shù)據(jù)存入計(jì)算機(jī)軟硬盤(pán)中，可隨時(shí)回放。 （1）可對(duì)每個(gè)通道進(jìn)行數(shù)字濾波和頻譜分析。 （2）可通過(guò)軟件控制采樣率，觸發(fā)源，觸發(fā)電平，時(shí)基，放大器增益，輸入阻抗等。 （3）能測(cè)試模擬信號(hào)的最高頻率為50KHZ。 （4）示波器的分辨率是12位，電壓靈敏度為0.2mv。 （5）存儲(chǔ)深度為1KB。 （6）示波器的帶寬為250KHZ。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 目前市售的數(shù)據(jù)采集卡都包含了完整的數(shù)據(jù)采集電路和與計(jì)算機(jī)的接口電路，但其價(jià)格與性能基本成正比，一般比較昂貴。隨著DSP(數(shù)字信號(hào)處理)技術(shù)走向成熟，PC聲卡本身就成為一個(gè)優(yōu)秀的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，它同時(shí)具有A/D和D/A轉(zhuǎn)換功能，不僅價(jià)格低廉，而且兼容性好、性能穩(wěn)定、靈活通用，軟件特別是驅(qū)動(dòng)程序升級(jí)方便。ISA總線向PCI總線的過(guò)渡，解決了以往聲卡與系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)的瓶頸問(wèn)題，同時(shí)也充分發(fā)揮了DSP芯片的性能。而且聲卡用DMA(直接內(nèi)存讀取)方式傳送數(shù)據(jù)，極大地降低了CPU占用率。一般聲卡16位的A/D轉(zhuǎn)換精度，比通常12位A/D卡的精度高，對(duì)于許多工程測(cè)量和科學(xué)實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)都是足夠高的，其價(jià)格卻比后者便宜得多。 如果利用聲卡作為數(shù)據(jù)采集設(shè)備，可以組成一個(gè)低成本高性能的數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)。當(dāng)然，它只適合采集音頻域的信號(hào)，即輸入信號(hào)頻率必須處于20~20000Hz的音頻范圍內(nèi)。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 作品于2010年10月在蘭州工業(yè)高等專(zhuān)科學(xué)校由校團(tuán)委組織進(jìn)行展示、評(píng)審、鑒定。
作品所處階段
- 產(chǎn)品
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 獨(dú)家轉(zhuǎn)讓
作品可展示的形式
- 實(shí)物、產(chǎn)品，現(xiàn)場(chǎng)演示
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 采用PC技術(shù)、DSP技術(shù)和LabVIEW多線程技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)音頻信號(hào)實(shí)時(shí)、高保真的采集與處理。實(shí)踐證明，整個(gè)系統(tǒng)性?xún)r(jià)比高，通用性強(qiáng)，界面友好，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方便，性能穩(wěn)定可靠，其個(gè)別性能指標(biāo)甚至優(yōu)于市售數(shù)據(jù)采集板卡，而價(jià)格卻不到后者的十分之一。在PC上配置多塊聲卡并行工作，完全可以構(gòu)成一個(gè)多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，滿足特定應(yīng)用范圍內(nèi)數(shù)據(jù)采集的需要。如果采用筆記本電腦則無(wú)需添加任何硬件就可以構(gòu)成便攜式測(cè)量系統(tǒng)。 在聲卡性能越來(lái)越好，成本越來(lái)越低，普及率越來(lái)越高的情況下，這種方法值得在工程測(cè)量應(yīng)用及相關(guān)實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)一步推廣和擴(kuò)充。例如，對(duì)環(huán)境噪聲進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，采集語(yǔ)音信號(hào)并進(jìn)行分析和處理來(lái)實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別，還可以實(shí)現(xiàn)示波器、信號(hào)發(fā)生器及萬(wàn)用表等設(shè)備在音頻信號(hào)范圍內(nèi)的基本功能，其應(yīng)用前景較為廣闊。
同類(lèi)課題研究水平概述
- 目前市售的數(shù)據(jù)采集卡都包含了完整的數(shù)據(jù)采集電路和與計(jì)算機(jī)的接口電路，但其價(jià)格與性能基本成正比，一般比較昂貴。隨著DSP(數(shù)字信號(hào)處理)技術(shù)走向成熟，PC聲卡本身就成為一個(gè)優(yōu)秀的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，它同時(shí)具有A/D和D/A轉(zhuǎn)換功能，不僅價(jià)格低廉，而且兼容性好、性能穩(wěn)定、靈活通用，軟件特別是驅(qū)動(dòng)程序升級(jí)方便。ISA總線向PCI總線的過(guò)渡，解決了以往聲卡與系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)的瓶頸問(wèn)題，同時(shí)也充分發(fā)揮了DSP芯片的性能。而且聲卡用DMA(直接內(nèi)存讀取)方式傳送數(shù)據(jù)，極大地降低了CPU占用率。一般聲卡16位的A/D轉(zhuǎn)換精度，比通常12位A/D卡的精度高，對(duì)于許多工程測(cè)量和科學(xué)實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)都是足夠高的，其價(jià)格卻比后者便宜得多。 如果利用聲卡作為數(shù)據(jù)采集設(shè)備，可以組成一個(gè)低成本高性能的數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)。當(dāng)然，它只適合采集音頻域的信號(hào)，即輸入信號(hào)頻率必須處于20~20000Hz的音頻范圍內(nèi)。如果需要處理直流或緩變信號(hào)，則需要其他技術(shù)的配合。
