Virtual instrument technology is a new technology which appears in the 1980s of the 20th century and it is an important direction in modern instrumentation development. Virtual instruments have many advantages such as cost-effective maneuverable and so on. They are often used in modeling and simulation design and planning education and training. As one of the common used virtual instruments a virtual oscilloscope has many advantages such as high measurement accuracy fast response easy to build and so on. It can replace traditional instruments for data measurement in many ways.
First this paper introduces the overview of virtual instruments and the development background and significance of a virtual oscilloscope. Then this paper introduces the correlative knowledge about the sound card and the TCP transmission technology analyses the feasibility of building a virtual oscilloscope system and discusses the module division of the virtual oscilloscope system. This paper also compares the advantages and disadvantages of various options with each other and chooses the final design scheme. Finally it introduces the design and implementation of the modules of the system in detail and builds one virtual oscilloscope which has a function of transmitting data from a long-distance ba
KEY WORD LabVIEW Virtual signal generator Virtual oscilloscope Sound card data acquisition Long-distance transmission
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
第一章 绪 论 1
1.1 虚拟仪器概述 1
1.1.1 虚拟仪器的概念与特点 1
1.1.2 虚拟仪器的开发平台 1
1.1.3 虚拟仪器的发展概况 2
1.2 虚拟示波器的研究背景和意义 4
1.2.1 虚拟示波器的研究背景 4
1.2.2 虚拟示波器的设计实现 4
1.2.3 虚拟示波器的研究意义 5
1.3 LabVIEW 8.20简体中文专业版简介 5
1.3.1 LabVIEW概述 5
1.3.2 LabVIEW应用 6
1.3.3 选用LabVIEW 8.20简体中文专业版的理由 6
1.4 论文组织结构 7
第二章 声卡与TCP传输技术简介 8
2.1 声卡简介 8
2.1.1 声卡概述 8
2.1.2 声卡工作原理 8
2.1.3 声卡性能指标 8
2.2 TCP传输技术简介 9
2.2.1 TCP概念 9
2.2.2 TCP协议 9
2.2.3 TCP特点与应用 10
第三章 虚拟示波器系统设计方案 12
3.1 系统实现的可行性分析 12
3.1.1 声卡作为数据采集卡的可行性分析 12
3.1.2 TCP远程数据传输的可行性分析 13
3.1.3 基于客户机/服务器方式的系统可行性分析 13
3.2 模块化设计 14
3.2.1 模块化编程思想 14
3.2.2 系统模块划分 15
3.2.3 系统各模块的功能 17
3.3 系统设计方案比较 17
第四章 虚拟示波器系统的设计与调试 20
4.1 服务器端的设计与调试 20
4.1.1 服务器端主程序的设计与调试 20
4.1.2 虚拟信号发生器的设计与调试 21
4.1.3 服务器端虚拟示波器的设计与调试 24
4.1.4 数据回放模块的设计与调试 35
4.2 客户端的设计与调试 38
4.2.1 客户端主程序的设计与调试 38
4.2.2 客户端虚拟示波器的设计与调试 39
第五章 总结与展望 42
5.1 总结 42
5.2 展望 43
致 谢 44
参考文献 45
摘 要
虚拟仪器是20世纪80年代兴起的一项新技术，是现代仪器仪表发展的重要方向。它具有性价比高、可操作性好等优点，在建模仿真、设计规划和教育训练等方面都有应用。作为常用的虚拟仪器之一，虚拟示波器具有测量精度高、响应速度快和系统组建时间短等优点，在许多方面都可以代替传统仪器进行数据测量。
本文首先介绍虚拟仪器的概况及虚拟示波器的开发背景和意义；然后介绍了声卡和TCP传输技术的相关知识，分析系统实现的可行性，并讨论系统的模块划分；接着重点比较虚拟示波器系统不同设计方案的优劣，并确定最终的设计方案；最后，详细介绍系统模块的设计实现，构建了一个基于LabVIEW的具有远程数据传输功能的虚拟示波器系统。测试结果表明，该虚拟示波器系统界面友好，操作方便，性能稳定，并且测量精度高、延时少，达到了论文的设计目标。
关键词: LabVIEW，虚拟信号发生器，虚拟示波器，声卡数据采集，远程传输
ABSTRACT
第一章 绪 论
1.1 虚拟仪器概述
1.1.1 虚拟仪器的概念与特点
所谓的虚拟仪器，就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。灵活高效的软件能帮助用户创建完全自定义的用户界面，模块化的硬件能方便地提供全方位的系统集成，标准的软硬件平台能满足对同步和定时应用的需求。
与传统仪器相比，虚拟仪器具有以下特点[1]：
1) 虚拟仪器可以通过几个分面板上的操作来实现比较复杂的功能。
2) 在通用硬件平台确定后，由软件取代传统仪器中的硬件来实现仪器的功能。
3) 仪器的功能是用户根据需要由软件来定义的，而不是由厂家事先定义好的。
4) 仪器的性能改进和功能扩展只需更新相关软件，而不需购买新的仪器。
5) 研制周期比传统仪器大为缩短。
6) 虚拟仪器开放、灵活，可与计算机同步发展，与网络及其他周边设备互联。
此外，与传统仪器相比，虚拟仪器具有高效、易用、功能强大、性价比高、可操作性好等优点，具体表现为：
1) 智能化程度高，处理能力强。虚拟仪器的处理能力和智能化程度主要取决于仪器的软件水平。用户完全可以根据实际应用需求，将先进的信号处理算法、人工智能技术和专家系统应用于仪器设计与集成，从而将智能仪器水平提高到一个新的层次。
2) 复用性强，系统费用低。采用虚拟仪器技术，可以用相同的基本硬件构建多种不同功能的测量系统。这样形成的测量系统更灵活、更高效、更开放、更便宜。
3) 可操作性强，灵活易用。虚拟仪器面板可由用户定义，针对不同的应用可以设计不同的操作界面。计算机强大的多媒体处理能力使仪器操作变得更加直观、简便、易于理解。此外，测量完成后可以显示和打印所需的报表（或曲线），可以把测量数据存入数据库系统或通过网络进行数据共享。
1.1.2 虚拟仪器的开发平台
虚拟仪器的开发平台可以分为硬件平台和软件平台。构成虚拟仪器的硬件平台有两部分，(1) 计算机：一般为个人计算机、笔记本电脑或工作站，是硬件平台的核心。(2) I/O（Input/Output，输入/输出）接口设备：大致可分为4类，分别为DAQ（Data Acquisition，数据采集）、GPIB（General-Purpose Interface Bus，通用接口总线）、VXI（VME bus Extensions for Instrumentation，面向仪器扩展的VME总线）、PXI（PCI Extensions for Instrumentation，面向仪器扩展的PCI总线），因此组成了4种虚拟仪器体系结构。无论哪种结构，都是将硬件仪器嵌入到笔记本电脑、台式计算机或工作站等各种计算机平台上，再加上应用软件而构成的。
虚拟仪器的软件开发平台主要有两类：一类是文本式编程语言，如Visual C++、Visual Basic、LabWindows/CVI等；另一类是图形化编程语言，如LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，实验室虚拟仪器工程平台）、HPVEE等。这些软件开发工具为用户设计虚拟仪器应用软件提供了最大限度的方便条件与良好的开发环境。
1.1.3 虚拟仪器的发展概况
1. 虚拟仪器的发展历程
随着PC（Personal Computer，个人计算机）技术的出现，人们开始考虑用电脑处理传统仪器的测量数据。由此，GPIB技术在20世纪70年代发展起来，这就是IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers，电气和电子工程协会）488标准及后来的IEEE488.2标准。但由于GPIB的总线带宽（1Mbytes/s）限制了数据向计算机的实时传输，所以大量的数据处理工作仍然依靠仪器自身的数据处理能力[2]。
20世纪80年代，随着计算机技术的进一步发展，PC机一般都带有多个扩展槽，这就出现了可以插在计算机里的数据采集卡。它可以进行一些简单的数据采集，数据的后期处理由计算机软件完成，这就是虚拟仪器技术的雏形。1986年，美国国家仪器（National Instruments简称NI）有限公司提出了”软件即仪器的口号”，推出了图形化编程软件LabVIEW，开启了虚拟仪器的先河[3]。
20世纪90年代，计算机总线的发展速度进一步加快，PCI（Pedpherd Component Interconnect，周边元件扩展接口）总线的数据传输速率达到了132Mbytes/s。1996年底，美国NI公司在PCI数据总线的基础上提出了第一代PXI系统的技术规范。现在，PXI技术联盟已经有很多成员公司为这一平台开发产品。
2. 虚拟仪器的发展现状
虚拟仪器是计算机管理的数字化仪器系统，因此，依据某种通用或专用总线标准或规约，或以某种接口形式，与计算机进行通信和管理，并与计算机系统共同工作运行的仪器系统，目前多数属于虚拟仪器系统它的典型特征是不可脱离计算机而独立工作[4]。
在信号源类虚拟仪器系统中，种类不是很多，主要有D/A（Digital/Analog，数字/模拟转换）卡系统和任意波发生器，另外还有函数发生器、合成信号源等。在测量仪器类虚拟仪器系统中，则有许多种类，其中最主要的是A/D（Analog/ Digital，模拟/数字转换）卡系统和数据采集系统，另外还有数字存储示波器、瞬态记录仪、数字化仪、数字多用表、频率计数器、信号分析仪、相位计、失真仪、噪声分析仪、阻尼计等多种。原则上，非虚拟仪器里的仪器，都可以用虚拟仪器方式实现，但在大功率领域以及射频微波领域里的仪器设备，虚拟仪器实现比较困难，模块也较少；低频领域，以及小功率领域里，虚拟仪器已经具有了良好的发展态势。
目前，主流的虚拟仪器主要是VXI、PXI、各种计算机总线等总线标准的各种插卡和仪器模块间或有少数其他总线形式的仪器模块，工作方式多是插入各种总线式仪器机箱内或直接插入计算机主机箱内，少数情况下是独立模块以接口形式接入计算机。它们多数属于中低频范围，主要是工程应用类仪器设备，射频微波类以及高准确度类仪器设备较少。由于一部分虚拟仪器模块及系统（如数据采集系统）早在虚拟仪器概念提出之前就已经存在，所以，虚拟仪器概念的建立、提出和发展，一直是围绕着现有仪器设备的功能和性能，逐步强调和加大软件在仪器中的地位和作用，并以软件技术代替硬件技术为核心进行，逐渐将非虚拟仪器虚拟化。
3. 虚拟仪器的发展展望
我国的VXI总线技术是反映我国目前虚拟仪器水平的一个方面。此外，互联网已经使数据共享进入新阶段，加速了虚拟仪器的新网络技术及远程计算技术的发展，而这些技术是传统独立仪器不可能实现的。虚拟仪器技术很好地利用了互联网的功能，因此，可以把来自测量或控制设备中的数据直接发布到网页上，或是用手持式的数字助理工具读取数据，甚至还可以将数据输出到手机上。使用虚拟仪器技术，可以使用互联网的强大功能远距离控制仪器设备，或是与远在其它办公地点甚至其它国家的同事合作处理一个项目。
未来的这种连通水平将会更高，届时将赋予模块化新的定义。随着互联网和无线技术的发展，工程师们不仅能够重新使用模块化的组成部分，还可以更方便地在全球范围内共享知识和经验��巩固工程师们在开发过程中每个阶段的努力成果。
商业科技的发展浪潮将会继续，同时也会将虚拟仪器技术推向新的水平。因此，性能的提高将会更容易实现，从而节省宝贵的开发及系统集成时间，同时又比传统仪器测量方案成倍地降低成本。没有人能够准确地预测未来的虚拟仪器将会发展到怎样的程度，但是有一点可以肯定��PC机及其相关的科技将会是虚拟仪器技术的核心，而有了它的帮助虚拟仪器技术将会更成熟。
总之，虚拟仪器技术的应用前景是很广阔的。它可应用于建模与仿真、科学计算可视化、设计与规划、教育与训练、遥作与遥现、医学、艺术与娱乐等多个方面。网络时代的到来和信息化要求的不断提高，网络技术应用到虚拟仪器领域中是虚拟仪器发展的大趋势。虚拟仪器和网络技术的结合可以实现资源共享，共同完成测试任务，可以在任何地点、任意时刻获取到测量数据信息；可以进行异地或远程控制、数据采集、故障监测、报警等。
1.2 虚拟示波器的研究背景和意义
1.2.1 虚拟示波器的研究背景
传统台式示波器是由仪器厂家设计并定义好功能的一个封闭结构，它有特定的输入/输出接口和仪器操作面板，具有波形显示、参数测量等功能。当要实现更多的测量功能时，就要配置更多的仪器，这给用户的使用带来诸多不便，并且传统示波器的测量精度比较低，无法满足高精度的测量要求。而且，传统示波器缺乏相应的计算机接口，配合数据采集及数据处理比较困难。此外，传统示波器体积相对庞大，制造成本比较高，这就增加了测量系统的开发成本。
随着计算机技术和测量技术的发展，虚拟仪器技术得到飞快发展，虚拟示波器系统也就应运而生。虚拟示波器系统由用户定义仪器功能，桌面整洁，操作条理，不但使测量人员从繁复的仪器堆中解放出来，而且具有测量精度高、测量速度快、系统组建时间短、可扩展性强、技术更新快和仪器智能化等优点。此外，虚拟示波器系统开发成本低，结合网络技术可以实现远程数据自动测量、自动记录、自动数据处理。
1.2.2 虚拟示波器的设计实现
设计虚拟信号发生器，能产生常用的信号（如正弦波、方波、三角波和锯齿波等），在无法获得实际信号的时候能用仿真信号测试虚拟示波器的工作性能。
用声卡作为数据采集卡不仅价格低廉，而且兼容性好、性能稳定、灵活通用，软件特别是驱动程序升级方便。声卡用DMA(Direct Memory Access，直接内存读取)方式传送数据，极大地降低了CPU（Central Processing Unit，中央处理器）占用率。一般声卡16位的A/D转换精度，比通常12位A/D卡的精度高。因此，在虚拟示波器中嵌入声卡数据采集模块可以使虚拟示波器成为一种可以测量实际信号的实用工具。
此外，随着计算机网络的发展，虚拟仪器与Internet技术的结合为虚拟仪器网络化、工业现场远程测控提供了更好的实现平台。因此，在设计中结合TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）技术实现数据远程传输具有更好的应用前景。
总之，虚拟示波器系统的具体实现有：
1) 有虚拟信号发生器，在无法获得实际信号的时候可以用仿真信号测试示波器的工作性能。
2) 用声卡代替商用数据采集卡采集数据，编程控制声卡信号的输入与输出。
3) 虚拟示波器具有数据采集、波形显示、参数测量、数据分析、滤波、数据存储与回放等多种功能。
4) 能实现远程数据采集与传输功能，这就要求设计的示波器有服务器端和客户端，能通过TCP方式进行数据传输。
5) 设计的虚拟示波器有良好的性能扩展能力。
1.2.3 虚拟示波器的研究意义
示波器、信号发生器、频谱分析仪是科研机关、企业研发实验室、大专院所的必备测量设备，而虚拟示波器系统集成了示波器、信号发生器和频谱分析模块，具有很大的应用价值，主要为：
1) 可以加强实验室技术基础建设。实验室仪器仪表的现代化水平反映了实验室技术基础，而基于计算机技术的虚拟示波器系统极大地降低了仪器成本，使大部分学校的实验室都能配备，这给学生的实验操作带来了极大的方便。同时，虚拟示波器系统是计算机技术和测量技术的完美结合，不仅提高实验仪器的技术含量，还符合实验室仪器仪表现代化的教学要求。
2) 缩短测量系统的开发时间。虚拟示波器系统提供良好的性能扩展能力，用户可以通过自定义模块快速开发出一整套测量系统，提高系统的开发效率。
3) 远程数据测量。有的测量环境十分恶劣，用传统仪器测量数据可能会使测量人员的人身安全受到威胁，用虚拟示波器系统可以进行远程数据测量，使测量人员远离危险环境。
4) 仪器智能化。虚拟示波器系统是计算机技术与测量技术的完美结合，利用它可以实现24小时无人值守的参数测量、数据分析、数据存盘等功能，为数据的实时测量提供保障。
总之，虚拟示波器系统是虚拟仪器在测量方面的典型应用，具有十分实用的价值。
1.3 LabVIEW 8.20简体中文专业版简介
1.3.1 LabVIEW概述
LabVIEW是美国国家仪器有限公司的创新软件产品，也是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件开发集成环境。
LabVIEW是一种图形化编程语言，又称G语言，其编写的程序称为虚拟仪器VI（Virtual Instrument，虚拟仪器）。VI的组成如下：
1) 前面板（Panel）：控制（Control），指示（Indicator），修饰（Decoration）。将前面板中的控制和指示统称为前面板对象或控件。
2) 框图程序（Diagram Programme）：节点（Node），数据连线（Wire）。节点有功能函数(Functions)，结构(Structures)，代码接口节点(CIN)，子VI(SubVI)等。数据端口有控制端口，指示端口，节点端口等。
LabVIEW的运行机制就宏观上讲已经不再是传统上的冯��诺伊曼计算机体系结构的执行方式。传统的编程语言（如C语言）中的顺序执行结构在LabVIEW中被并行机制所代替；从本质上讲，它是一种带有图形控制流结构的数据流模式（Data Flow Mode），这种方式确保了程序中的函数节点（Function Node）只有在获得它的全部数据后才能够被执行[5]。也就是说，在这种数据流程序的概念中，程序的执行是数据驱动的，它不受操作系统、计算机等因素的影响。
1.3.2 LabVIEW应用
LabVIEW在航天、通讯、生物医学、电子、地球物理、机械等各个领域内得到广泛的应用，从简单的仪器控制、数据采集到尖端的测试和工业自动化，从大学实验室到工厂，从探索研究到技术集成，都可以找到用LabVIEW开发的产品。
LabVIEW应用于测试与测量。LabVIEW已成为测试与测量领域的工业标准，通过GPIB、VXI、PXI串行设备和插卡数据采集板可以构成实际的数据采集系统。它提供了工业界最大的仪器驱动程序库，同时还支持通过Internet、DDE（Dynamic Data Exchange，动态数据交换）和SQL（Structured Query Language，结构化查询语言）等交互式通信方式实现数据共享，它提供的众多开发工具使复杂的测试与测量任务变得简单易行。
LabVIEW应用于过程控制和工业自动化。LabVIEW强大的硬件驱动、图形显示能力和便捷快速的程序设计为过程控制和工业自动化应用提供了优秀的解决方案。
LabVIEW应用于实验室研究与自动化。LabVIEW为科学家和工程师们提供功能强大的高级数学分析库，包括统计、估计、回归分析、线性代数、信号生成算法、时域和频域算法等众多科学领域，可满足各种计算和分析需要。即使在联合时域分析、小波和数字滤波器设计等高级或特殊分析场合，LabVIEW也为此提供专门的附加软件包。
1.3.3 选用LabVIEW 8.20简体中文专业版的理由
之所以选用LabVIEW 8.20中文版作为虚拟示波器的开发软件，是因为：
1) LabVIEW是一种图形化编程语言，编写程序时，不必受常规程序设计语法细节的限制。用LabVIEW编制出的VI是层次化和模块化的，我们可以将之用于顶层（Top Level）程序，也可用作其他程序的子程序。
2) 强大的Express VIs（Express Virtual Instruments，虚拟仪器程序）技术。所谓Express VIs技术是指用许多功能强大的Express VIs将一些常用的测量功能打包在简单易用的、交互式的VI程序中，从而帮助用户简化常用测量应用的开发任务。在开发过程中，用户无需编程，只需在整个程序流程图中调用Express VI程序，并使用属性设置页面配置系统的采集、分析与显示功能，这样可以简化测试测量应用系统的开发过程。
3) 使用母语编程更加方便有效。LabVIEW 8.20简体中文专业版是全中文界面，在系统开发前期的软件熟悉阶段能更快地熟悉软件，从而把更多的时间用在程序设计和系统开发之中，提高系统的开发效率。
1.4 论文组织结构
本文介绍了虚拟仪器在国内外的发展情况，以及虚拟示波器的开发背景和意义，并分析比较系统各种设计方案的优劣，确定最终的设计方案，构建了一个基于LabVIEW的具有远程数据传输功能的虚拟示波器系统。
论文由五章构成，各章的主要研究内容如下：
第一章为绪论，主要论述论文的研究背景和意义，分析了目前虚拟仪器的发展状况与虚拟示波器的设计要求，介绍了虚拟仪器最常用的开发软件��LabVIEW，并提出了论文的组织结构。
第二章介绍了声卡的工作原理与性能指标，以及TCP协议的相关知识，分析了TCP传输的特点和应用。
第三章分析了声卡作为数据采集卡的可行性、利用TCP技术进行远程数据传输的可行性和基于客户机/服务器方式的系统实现的可行性；介绍了模块化编程思想，以及系统模块的划分和各模块的实现功能；比较系统的各种设计方案并确定最终的设计方案。
第四章重点介绍虚拟示波器系统各个模块的设计实现，以及系统的调试，并详细分析了调试结果。
第五章总结了论文所做的工作，对虚拟示波器系统的优缺点进行了分析，并确定了下一步的工作目标。
第二章 声卡与TCP传输技术简介
2.1 声卡简介
2.1.1 声卡概述
声卡，也叫音频卡，是MPC（Multimedia Personal Computer，多媒体个人计算机）的基本组成部分，是计算机进行声音处理的适配器。它有三个基本功能：一是音乐合成发音功能；二是混音器（Mixer）功能和DSP（Digital Signal Processor，数字信号处理器）功能；三是模拟声音信号的输入和输出功能。声卡处理的声音信息在计算机中以文件的形式存储。声卡工作应有相应的软件支持，包括驱动程序、混频程序和CD播放程序等。
2.1.2 声卡工作原理
麦克风、扬声器、耳机等所用的都是模拟信号，而电脑所能处理的信号都是数字信号，声卡的作用就是实现两者之间的转换。从结构上分，声卡可分为模拟/数字转换电路和数字/模拟转换电路两部分，模拟/数字转换电路负责将麦克风等声音输入设备采集到的模拟声音信号转换为电脑能处理的数字信号；数字/模拟转换电路负责将电脑使用的数字信号转换为扬声器等声音输出设备使用的模拟信号。
声卡的基本工作流程为：输入时，麦克风或线路输入(Line In)获取的音频信号通过A/D转换器转换成数字信号，送到计算机进行播放、录音等各种处理；输出时，计算机通过总线将数字化的声音信号以PCM(Pulse Code Modulation，脉冲编码调制)方式送到D/A转换器，变成模拟的音频信号，通过功放或线路输出(Line Out)送到音箱等设备转换为声波。
2.1.3 声卡性能指标
衡量声卡性能的主要技术指标有复音数量、采样位数、采样频率、波表合成方式和波表库容量、声道数、信噪比和总谐波失真[6]等。
a) 复音数量：复音数不是声卡的DAC（Digital-to-Analog Conversion，数字/模转换器）或ADC[7]（Analog-to-Digital Conversion，模拟/数字转换器）的转换位数，而是代表声卡能同时发出多少种声音。复音数越大，音色就越好，播放MIDI（Musical Instrument Digital Interface，音乐设备数字接口）时可以听到的声部越多、越细腻。如果一首MIDI乐曲中的复音数超过了声卡的复音数，则将丢失某些声部，但一般不会丢失主旋律。目前声卡的硬件复音数都不超过64位。
b) 采样位数：将声音从模拟信号转化为数字信号的二进制位数，即进行A/D、D/A转换的精度。目前有8位、12位和16位三种，将来还有24位的DVD（Digital Video Disk，数字视频光盘）音频采样标准。位数越高，采样精度就越高。
c) 采样频率：每秒采集声音样本的数量。标准的采样频率有三种：11.025kHz（语音）、22.05kHz（普通音乐）和44.1kHz（高保真音乐），有些高档声卡能提供5kHz～48kHz的连续采样频率。采样频率越高，记录声音的波形就越准确，保真度就越高，但采样产生的数据量也越大，要求的存储空间也越大。
d) 波表合成方式和波表库容量：现在的PCI声卡大量采用先进的DSL（Downloadable Sample，可下载音色库）波表合成方式，其波表库容量通常是2MB、4MB、8MB，而像SB Live！品牌声卡甚至可以扩展到32MB。
e) 声道数：声道数是衡量声卡档次的重要指标之一，可以分为单声道（早期声卡采用）、准立体声（录音时采用单声道，放音时用立体声）、立体声（录音和放音都是立体声）、四声道环绕（中高档声卡采用）和5.1声道（用于各类传统影院和家庭影院中）等。
f) 信噪比：以dB（Decibel，分贝）计算的信号最大保真输出与不可避免的电子噪音的比率。该值越大越好，低于75dB，噪音在寂静时有可能被发现。
g) 总谐波失真：英文全称为Total Harmonic Distortion，简称THD，是指用信号源输入信号时，输出信号（谐波及其倍频成分）比输入信号多出的额外谐波成分，通常用百分数来表示。一般来说，1000Hz频率处的总谐波失真最小，因此不少产品均以该频率的失真作为它的指标。所以测试总谐波失真时，是发出1000Hz的声音来检测，这个值越小越好。
用户可以通过测试声卡的性能指标来评价声卡的好坏，声卡性能指标的测试主要有3D（Three-Dimensional，三维图形）定位精度测试、波形回放与录音测试、多音频流播放测试、全双工通讯模式测试、MIDI音效测试和CPU占用率测试等。
2.2 TCP传输技术简介
2.2.1 TCP概念
TCP的中文全称是传输控制协议，是 TCP/IP（Internet Protocol，网间协议）协议栈中的传输层通信协议，它通过序列确认及包重发机制提供可靠的数据流发送和到应用程序的虚拟连接服务。与IP协议相结合，TCP组成了因特网协议的核心。
2.2.2 TCP协议
在TCP协议中，通信双方通过数据段（Segment）来交换数据，因此，协议是通过段格式来表达的，协议格式[8]如图2.1所示。一个TCP数据段由一个20B（Byte，字节）的头部、一个可选部分和一个用户数据部分组成。整个TCP段的长度是有限制的，一方面它受IP包64kB-1（65535B）用户数据长度限制；另一方面，每个网络都有一个最大的传送单元，每个段长度不能超过这个最大传送单元。
图2.1 TCP协议格式
由于大多数网络应用程序都在同一台机器上运行，计算机上必须能够确保目的地机器上的软件程序能从源地址机器处获得数据包，以及源计算机能收到正确的回复。这是通过使用TCP的”端口号”完成的。网络IP地址和端口号结合成唯一标识 我们称之为”套接字”或”端点”。TCP在端点间建立连接或虚拟电路进行可靠通信。TCP服务提供了数据流传输、可靠性、有效流控制、全双工操作和多路复用等技术。
关于流数据传输，TCP交付一个由序列号定义的无结构的字节流。这个服务对应用程序有利，因为在送出到TCP之前应用程序不需要将数据划分成块，TCP可以将字节整合成字段，然后传给IP进行发送。
TCP通过面向连接的、端到端的可靠数据报发送来保证可靠性。TCP在字节上加上一个递进的确认序列号来告诉接收者发送者期望收到的下一个字节。如果在规定时间内，没有收到关于这个包的确认响应，重新发送此包。TCP的可靠机制允许设备处理丢失、延时、重复及读错的包。超时机制允许设备监测丢失包并请求重发。
TCP提供了有效流控制。当向发送者返回确认响应时，接收TCP进程就会说明它能接收并保证缓存不会发生溢出的最高序列号。TCP是全双工传输的，其进程能够同时发送和接收包。此外，TCP还具有多路复用技术，大量同时发生的上层会话能在单个连接上进行多路复用。
2.2.3 TCP特点与应用
1. TCP传输的优点与不足
相对于其他网络协议，TCP/IP这种端对端传输具有两大优点。第一，TCP/IP跟其它协议相比，显得简洁清晰；利用通用接口，实现方便。第二，TCP/IP的传输效率相当高。TCP/IP中的IP协议是”尽力传递”方式，只有TCP层为保证传输可靠性而做必要的工作，这样的工作模式在物理网络可靠的环境下传输效率相当高，同时TCP实现的端对端连接也有效地保证传输的正确率。
TCP传输的不足之处在于它必须提供可靠性（确认），数据流（握手），流控制（窗口），中断数据流等连接管理功能。这些功能增加了TCP传输的复杂性，减少了协议的功能，并且开销比较大。用TCP方式传输数据时，网络延时也稍微大一些，对实时性要求很高的测量系统不太适用。
2. TCP应用
TCP/IP协议体系是目前最成功、使用最频繁的Intranet/Internet协议。作为一个流行的工业标准，TCP/IP技术有着良好的实用性和开放性。它定义了网络层的网际互连协议IP，传输层的传输控制协议TCP、用户数据报协议UDP(User Datagram Protocol，用户数据报协议）等。基于TCP/IP技术可以架构各种Web服务，如邮件传输SMTP（Simple Mail Transfer Protocol，简单邮件传输协议）、文件传输FTP（File Transfer Protocol，文件传输协议），以及利用HTTP(Hyper Text Transfer Protocol，超文本传输协议)实现动态网页发布和网页浏览。
在数据传输中，TCP/IP网络通过提供通用网络服务，使得具体网络技术对用户或应用程序透明，从而将具体通信问题从网络细节中解放出来，使网络应用更加灵活方便[9]。在LabVIEW中，用户可以直接调用TCP模块完成流程编写，而无需考虑网络的底层实现。
协议结构上，TCP/IP体系利用基于无连接传输的IP协议，具体表现为用IP地址来区分网络中不同的数据站点。同时提供两种传输方式：传输控制协议（TCP）为典型的传输大量数据或需要接收数据许可的应用程序提供面向连接和可靠的通信；用户数据报协议（UDP）提供无连接的通信，典型的即时传输少量数据的应用程序使用UDP。
第三章 虚拟示波器系统设计方案
3.1 系统实现的可行性分析
3.1.1 声卡作为数据采集卡的可行性分析
数据采集卡的功能是对数据进行采集，把模拟信号转换成数字信号，便于对数据进行分析。目前市场上出售的数据采集卡一般包含了完整的数据采集电路、与计算机的接口电路和驱动程序，并且功能强大，性能良好。然而，其性能与价格基本成正比，少则几百、多则上万元的价格使得系统开发成本大大增加，系统性价比（性能/价格）大大减小。此外，数据采集卡种类繁多、良莠不齐，普通用户在选择的时候会无所适从。
随着DSP技术的成熟，现在的PC声卡本身就是一个优秀的数据采集系统。它同时具有A/D和D/A转换功能，能实现双通道、16位、高精度的数据采集，且每通道采样频率不小于44kHz，对于工程测量、教学实验等用途而言，其各项指标均可以满足要求。此外，声卡不仅价格低廉（大多数是PC主板集成），而且兼容性好、性能稳定、灵活通用，软件特别是驱动程序升级方便；ISA（Industry Standard Architecture，工业标准结构）总线向PCI总线的过渡，解决了以往声卡与系统交换数据的瓶颈问题，同时也充分发挥了DSP芯片的性能。
LabVIEW具有Express VIs技术，可以方便地调用声卡VI来控制声卡数据的输入与输出。此外，LabVIEW提供的多线程技术可以使开发出来的系统流畅地运行，并且模块之间互不干扰，通过设计降噪模块可以降低声卡作为数据采集卡的输入噪声。常用的声卡VI包括声音输入VI（如图3.1所示）和输出VI（如图3.2所示）。
图3.1 声音输入VI
图3.2 声音输出VI
从上面的分析可以知道，用声卡作为数据采集卡，结合LabVIEW编程可以组成一个低成本高性能的数据采集系统。因此，用声卡作为数据采集卡是可行的。
3.1.2 TCP远程数据传输的可行性分析
前面（2.2节）介绍了TCP的概念、TCP协议和TCP传输的优点，我们了解了TCP的相关知识。现在就开始分析在LabVIEW中用TCP技术进行远程数据传输的可行性。
用户在编程时，可以利用LabVIEW中的TCP控制VI及其子VI来实现TCP通信，常用的TCP控制VI如图3.3所示。
图3.3 TCP控制VI
数据发送模块调用TCP侦听VI、写入TCP数据VI、关闭TCP连接VI等，通过编程可以实现TCP数据的发送；数据接收模块调用打开TCP连接VI、读取TCP数据VI、关闭TCP连接VI等，通过编程可以实现TCP数据的接收。无论是数据的发送，还是数据的接收，编程时都不用考虑底层的实现方式，这就大大降低了编程难度，提高了用户的编程效率。
从上面的分析可以知道，在LabVIEW中使用TCP进行远程数据传输是可行的。
3.1.3 基于客户机/服务器方式的系统可行性分析
基于C/S（Client/Server，客户机/服务器）结构开发的系统可以充分利用两端硬件环境的优势，将任务合理分配到 Client端和Server端来实现，降低系统的通讯开销。此外，C/S结构能充分发挥客户端PC的处理能力，加快客户端的响应速度；同时，当开发的软件比较小或功能比较少时，这种方式对服务器端的要求比较低。
此次要开发的虚拟示波器系统是一个比较小的系统，采用C/S结构可以加强数据传输的实时性，降低服务器的数据处理开销。此外，采用C/S结构的虚拟示波器系统可以用普通的PC作为服务器，极大地降低了开发成本。
总之，开发基于客户机/服务器方式的虚拟示波器系统，无论是技术上还是经济成本上都是可行的。
3.2 模块化设计
3.2.1 模块化编程思想
所谓的模块化，就是在对一定范围内的不同产品进行功能分析和分解的基础上划分并设计、生产出一系列通用模块或标准模块，然后，从这些模块中选取相应的模块并补充新设计的专用模块和零部件一起进行相应的组合，以构成满足各种不同需要的产品的一种标准化形式[10]。
许多程序太长或太复杂，很难写在一个单元中。如果把代码分为较小的功能单元，将大大简化编程过程。模块化程序一般比单块程序容易编写、调试和修改。
模块化编程方法类似于包含大量电路的硬件设计。器件或程序在逻辑上被分为多个”黑箱子”，这些黑箱子都有指定的输入和输出。只要把各个单元之间的接口定义好，各个单元的详细设计就可以独立进行了。
模块化编程有如下优点：
1) 高效率的程序开发：使用模块化编程可以更快地开发程序，因为较小的子程序比大程序更容易理解、设计和测试。定义好模块的输入和输出之后，程序员可以给模块提供需要的输入，通过检测输出来判断模块的正确性。然后由连接器把分立的模块连接、定位，生成一个有唯一绝对地址的可执行模块。最后，测试整个模块。
2) 子程序可以重用：为一个程序编写的代码经常可以用于其它的程序。在模块化编程中，可以把这些部分保存起来，以备将来使用。因为代码可以被重定位，所以保存的模块可以连接到满足其输入和输出要求的任意程序中。而在单块程序编程中，这样的部分深埋在整个程序中，不易被其它的程序使用。
3) 便于调试和修改：模块化程序一般比单块程序易于调试和修改。因为精心定义了程序的模块接口，很容易把问题定位到特定的模块。一旦找到有问题的模块，程序修改就相当容易了。模块化编程可以简化程序修改的工作。我们可以很方便地把新的或调试过的模块连接一个已有的程序，而不用更改程序的其余部分[11]。
LabVIEW内置有基于软件的测量函数和复杂的分析功能。用户可以采用模块化仪器创建完全自定义的测量系统：通过选择合适的硬件模块并在工业标准的软件环境中定制测量应用程序，即可满足各种独特的应用要求。此外，使用模块化仪器建立的系统比传统的仪器具有更高的灵活性、测量精度、数据吞吐量和同步特性。
虚拟示波器系统的程序设计比较复杂，重复使用的功能（如滤波、波形显示、通道选择等）比较多，采用模块化编程不但有上述优点，而且便于模块的集成、程序的扩展和系统功能的完善。
总之，模块化编程不但可以提高编程效率、重复利用子程序、便于程序调试和修改，而且便于模块的集成开发、程序的扩展和系统功能的完善。在LabVIEW中使用模块化仪器建立的系统比传统的仪器具有更高的灵活性、测量精度、数据吞吐量和同步特性。因此，在此次示波器系统的开发中，始终坚持模块化编程思想，这样可以少做许多无用功，从而取得更大的效益。
3.2.2 系统模块划分
按照系统的组织结构，系统的模块划分情况如下：
1) 虚拟示波器系统分为服务器端主程序和客户端主程序。
2) 服务器端主程序包含欢迎界面、虚拟信号发生器、服务器端虚拟示波器、数据回放等模块；客户端主程序包含欢迎界面、虚拟信号发生器、客户端虚拟示波器、数据回放等模块。
3) 虚拟信号发生器包含信号生成、波形显示、通道选择、声卡信号输出等模块；服务器端虚拟示波器包含波形显示、滤波、通道选择、录音存储、频谱分析、数据测量与保存、TCP传输控制等模块；数据回放包含波形显示、频谱分析、数据测量与保存等模块；客户端虚拟示波器包含TCP数据接收、波形显示、滤波、频谱分析、数据测量与保存等模块。
4) 声卡信号输出包含输出幅度控制和输出通道选择模块，录音存储包含声卡数据采集、波形数据存储等模块，频谱分析包含FFT（Fast Fourier Transform，快速傅立叶变换）分析和李沙育图形模块。
可见，整个系统的模块分为四级，第一级是服务器端主程序和客户端主程序，第二级是第一级包含的模块，第三级是第二级包含的模块，第四级是第三级包含的模块，具体的模块划分如图3.4、图3.5所示。
通过分析可以知道，在虚拟示波器系统中，有许多模块要重复调用（如虚拟信号发生器模块、滤波模块、波形显示模块和频谱分析模块等）。如果不采用模块化编程，重复的工作将会非常多。这不仅浪费许多宝贵的时间，还会使设计的程序杂乱无章，给程序调试和修改带来困难。可见，本次设计采用模块化编程是十分必要的。
图3.4 服务器端主程序模块划分图
图3.5 客户端主程序划分图
按照系统的功能划分，虚拟示波器系统可以划分为八个大的功能模块和十个小的功能模块。八个大的功能模块分别为服务器端主程序、客户端主程序、服务器端虚拟示波器、客户端虚拟示波器、数据回放、录音存储、虚拟信号发生器和欢迎界面；十个小的功能模块分别为波形显示、滤波、通道选择、频谱分析、数据测量与保存、声卡数据采集、波形数据保存、声卡信号输出、TCP传输控制和TCP数据接收。而欢迎界面、虚拟信号发生器、录音存储模块、数据回放和十个小的功能模块可以统称为系统的公共模块。
在系统设计时，先设计小的功能模块，然后按照系统的组织结构从下往上分别设计各个大的功能模块。这样，系统的设计将井然有序。
3.2.3 系统各模块的功能
系统八个大的模块都有各自的功能，具体如下：
1) 欢迎界面：当用户进入系统时，出现一个欢迎界面，把系统的基本资料（如系统的功能、应用范围、版权信息等）告知用户，用户点”确定”按钮即可关闭。
2) 虚拟信号生成器：能产生正弦波、方波、三角波、锯齿波和白噪声等常见信号。产生的虚拟信号可以通过声卡输出，也可以通过TCP方式传输，并且输出通道可以让用户自主选择。
3) 录音存储：声卡采集回来的信号送到示波器
