基于LabVIEW的声卡信号采集分析系统设计.doc

1、基 于 LabVIEW 的 声 卡 信 号 采 集 分 析 系 统 设 计0704115 班 02 号摘 要 ： 要 在 LABVIEW 环 境 中 进 行 对 声 卡 编 程 ， 就 是 运 用 常 用 周 期 信 号 及 测 试 领 域特 殊 信 号 的 双 通 道 模 拟 输 出 。 由 于 专 用 数 据 采 集 卡 成 本 比 较 昂 贵 、 而 且 和 计 算 机 兼 容 性比 较 差 等 缺 点 ， 这 个 论 文 就 是 应 用 性 能 良 好 、 价 格 低 廉 的 计 算 机 声 卡 设 计 一 套 基 于 LabVIEW 的 信 号 采 集 分 析 系 统 。 该 系 统

2、 具 有 双 通 道 、 高 保 真 、 22K 甚 至 44KHz 的 采 样率 ， 实 现 了 音 频 信 号 的 实 时 采 集 、 实 时 存 储 、 回 放 、 信 号 分 析 （ 时 域 分 析 和 频 域 分 析 ）等 多 种 功 能 。 实 验 结 果 表 明 ： 该 设 计 方 案 具 有 设 计 简 便 、 成 本 低 、 通 用 性 高 、 扩 展 性 好 、界 面 大 方 简 洁 等 优 点 ， 可 广 泛 应 用 于 工 程 测 量 和 科 学 实 验 室 等 环 境 。关 键 词 ： 声 卡 ； 数 据 采 集 ； 虚 拟 仪 器 ； LabVIEW ；引 言数 据

3、 采 集 是 信 号 分 析 与 处 理 的 一 个 重 要 环 节 ， 在 许 多 工 业 控 制 与 生 产 状 态 监 控 中 ，都 需 要 对 各 种 物 理 量 进 行 数 据 采 集 与 分 析 。 但 是 ， 专 用 数 据 采 集 卡 的 价 格 一 般 比 较 昂 贵 ，而 我 们 PC 机 的 声 卡 就 是 一 个 很 好 的 双 通 道 数 据 采 集 卡 。 实 际 测 量 中 ， 在 满 足 测 量 要 求 的前 提 下 ， 可 以 充 分 利 用 计 算 机 自 身 资 源 ， 完 成 数 据 采 集 任 务 ， 从 而 节 省 成 本 。虚 拟 仪 器 是 基

4、于 计 算 机 的 软 硬 件 测 试 平 台 。 虚 拟 仪 器 技 术 的 优 势 在 于 可 由 用 户 定 义自 己 的 专 用 仪 器 系 统 ,且 功 能 灵 活 ,很 容 易 构 建 ,所 以 应 用 面 极 为 广 泛 。 目 前 应 用 最 广 、发 展 最 快 、 功 能 最 强 的 图 形 化 软 件 集 成 开 发 环 境 是 美 国 国 家 仪 器 公 司 的 创 新 软 件 产 品 1。它 是 将 仪 器 装 入 计 算 机 中 , 以 通 用 的 计 算 机 硬 件 及 操 作 系 统 为 依 托 , 可 以 实 现 各 种 仪 器的 功 能 。LabVIEW 是

5、 一 种 图 形 化 编 程 语 言 ， 广 泛 应 用 于 工 业 界 、 学 术 界 和 研 究 实 验 室 ,主 要应 用 于 仪 器 控 制 、 数 据 采 集 、 数 据 分 析 、 数 据 显 示 等 领 域 ,适 用 于 多 种 不 同 的 操 作 系 统平 台 。 与 传 统 C、 C+等 编 程 语 言 不 同 ， LabView 采 用 强 大 的 图 形 化 语 言 编 程 ,面 向 测 试工 程 师 而 非 专 业 程 序 员 ， 编 程 方 便 ,人 机 交 互 界 面 直 观 友 好 ， 具 有 强 大 的 数 据 可 视 化 分 析和 仪 器 控 制 能 力 等

6、特 点 2。1 声 卡 信 号 采 集 系 统 总 体 设 计 方 案声 卡 采 集 系 统 原 理 框 图 如 下 图 1 所 示 。 它 主 要 由 声 源 、 信 号 调 理 模 块 、 计 算 机 声 卡以 及 安 装 于 计 算 机 机 上 的 LabVIEW 软 件 等 几 部 分 组 成 。图 1 声 卡 采 集 系 统 原 理 框 图工 作 过 程 为 ： 输 入 时 ， 测 试 信 号 首 先 经 过 信 号 调 理 电 路 ， 利 用 PC 机 声 卡 的 麦 克 风输 入 （ mic in） 或 线 路 输 入 （ line in） 作 为 信 号 的 输 入 端 口 ，

7、 将 获 取 到 的 模 拟 音 频 信 号经 过 左 右 两 个 通 道 和 A/D 转 换 后 送 入 计 算 机 ， 通 过 LabVIEW 编 写 的 采 集 程 序 进 行 各 种 处理 和 保 存 ； 输 出 时 ， 经 过 采 集 系 统 处 理 的 数 据 通 过 总 线 将 数 字 化 的 信 号 以 PCM 方 式 送 到D/A 转 换 器 ， 编 程 模 拟 的 音 频 信 号 由 线 路 输 出 （ line out） 端 口 通 过 耳 机 或 音 响 转 换 为音 波 播 放 出 来 。信 号 调 理 电 路 ： 在 信 号 进 入 声 卡 之 前 必 须 经 过

8、信 号 调 理 ， 主 要 包 括 信 号 的 放 大 、 滤波 、 隔 离 和 线 性 化 处 理 ， 以 使 其 能 够 被 声 卡 正 确 的 识 别 。 声 卡 的 麦 克 风 （ mic in） 输 入端 具 有 高 增 益 放 大 器 ， 会 使 得 信 号 产 生 较 大 失 真 ， 所 以 选 择 线 路 （ line in） 输 入 信 号时 ， 其 输 入 电 压 应 为 -1 +1V。声 卡 ： 计 算 机 的 声 卡 作 为 数 据 采 集 卡 ， 其 A/D 转 换 功 能 已 经 成 熟 ， 而 且 计 算 机 无 需添 加 额 外 配 件 便 能 完 成 所 有

9、音 频 信 号 的 采 集 功 能 ， 具 有 价 格 低 廉 、 采 样 精 度 高 ， 与LabView 结 合 编 程 简 单 等 优 点 ， 因 此 ， 利 用 声 卡 可 以 构 成 一 个 较 高 采 样 精 度 、 中 等 采 样频 率 、 灵 活 性 好 的 信 号 采 集 系 统 。声 卡 主 要 技 术 指 标 有 采 样 位 数 、 采 样 频 率 、 频 率 范 围 和 频 率 响 应 、 基 准 电 压 等 。（ 1） 采 样 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

10、， 录 制 和 回 放 的 声 音 就 越 真 实 。 如 今 市 面 上 所 有 的 主 流 产 品 都 是 16 位 的 声 卡 ，而 一 般 的 数 据 采 集 卡 大 多 也 才 有 12 位 ， 因 此 ， 声 卡 相 较 于 常 用 的 数 据 采 集 卡 毫 不 逊 色3。（ 2） 采 样 频 率 ： 采 样 频 率 是 指 录 音 设 备 在 一 秒 钟 内 对 声 音 信 号 的 采 样 次 数 ， 采 样 频率 越 高 声 音 的 还 原 就 越 真 实 越 自 然 。 在 当 今 的 主 流 民 用 声 卡 上 ， 采 样 频 率 一 般 共 分 为 8 KHz 、 11

11、.025KHz、 22.05KHz 和 44.1KHz 四 个 等 级 ， 少 数 可 以 达 到 48 KHz 。 对 于20Hz 20KHz 范 围 内 的 音 频 信 号 ， 如 果 采 用 48 KHz 采 样 频 率 ， 虽 然 理 论 上 是 可 行 的 ， 但是 效 果 已 经 不 是 最 好 。 因 而 使 用 声 卡 的 局 限 性 就 是 不 允 许 用 户 在 最 高 采 样 率 下 随 意 设 定采 样 频 率 。 对 于 高 于 48KHz 的 采 样 频 率 人 耳 已 无 法 辨 别 出 来 了 ， 因 此 没 有 实 用 价 值 。（ 3） 频 率 范 围 和

12、频 率 响 应 ： 前 者 是 指 音 响 系 统 能 够 回 放 的 最 低 有 效 回 放 频 率 与 最 高有 效 回 放 频 率 之 间 的 范 围 ； 后 者 是 指 将 一 个 以 恒 电 压 输 出 的 音 频 信 号 与 系 统 相 连 接 时 ，音 箱 产 生 的 声 压 随 频 率 的 变 化 而 发 生 增 大 或 衰 减 、 相 位 随 频 率 而 发 生 变 化 的 现 象 。 以 声卡 作 为 虚 拟 测 试 仪 器 的 硬 件 设 备 必 须 对 其 频 率 特 性 有 所 了 解 。 本 系 统 所 用 计 算 机 主 板 集成 声 卡 是 Reaktek 的

13、ALC880 Codec， 根 据 其 性 能 指 标 ， 设 置 采 样 率 为 44.1KHz， 采 样 位数 为 双 通 道 ， 采 样 比 特 数 为 16 位 ， 以 保 证 采 样 时 的 干 扰 较 小 、 波 形 稳 定 4。（ 4） 基 准 电 压 ： 声 卡 没 有 基 准 电 压 ， 因 此 无 论 是 A/D 还 是 D/A 转 换 器 ， 都 需 要 用户 参 照 基 准 电 压 进 行 标 定 5。2 声 卡 信 号 采 集 系 统 设 计 实 现LabVIEW 软 件 是 一 种 基 于 图 形 语 言 编 程 的 可 视 化 软 件 开 发 平 台 ， 与 VC

14、， VB 等 其 他可 视 化 编 程 语 言 相 比 ， 其 函 数 库 丰 富 、 编 程 简 单 直 观 、 调 试 方 便 ， 而 且 界 面 开 发 简 单 ，界 面 风 格 与 传 统 仪 器 相 似 。 LabVIEW 是 一 个 外 观 和 操 作 能 模 仿 实 际 的 仪 器 的 程 序 开 发 环境 ， 类 似 于 C、 BASIC 等 编 程 语 言 。 但 LabVIEW 的 特 点 在 于 ， 它 使 用 图 形 化 编 程 语 言 G在 流 程 图 中 创 建 源 程 序 ， 而 非 使 用 基 于 文 本 的 语 言 来 产 生 源 程 序 代 码 。 LabV

15、IEW 还 整 合了 诸 如 满 足 GPIB、 VXI、 USB、 RS-232 和 RS-485 以 及 数 据 采 集 卡 等 硬 件 通 讯 的 全 部 功 能 。内 置 了 便 于 TCP/IP、 Active X 等 软 件 标 准 的 库 函 数 。 虽 然 LabVIEW 是 一 个 通 用 编 程 系统 ， 但 是 它 也 包 含 了 数 据 采 集 和 仪 器 控 制 等 特 别 设 计 的 函 数 库 和 开 发 工 具 。 由 于LabVIEW 所 使 用 的 术 语 、 图 标 和 概 念 都 是 技 术 人 员 、 科 学 家 、 工 程 师 所 熟 悉 的 ， 故

16、 而 即使 用 户 没 有 多 少 编 程 经 验 ， 同 样 也 能 利 用 LabVIEW 来 开 发 自 己 的 应 用 程 序 6。以 LabVIEW 为 基 础 的 本 声 卡 信 号 采 集 系 统 主 要 完 成 了 信 号 采 集 、 存 储 、 回 放 和 频 域分 析 等 功 能 。 本 设 计 对 于 信 号 采 集 如 此 多 的 功 能 采 用 了 分 模 块 显 示 设 置 ， 这 样 使 得 主 程序 前 面 板 简 单 明 了 ， 且 功 能 齐 全 ， 方 便 了 用 户 的 操 作 。2.1 虚 拟 示 波 器 的 设 计虚 拟 示 波 器 的 前 面 板

17、是 应 该 根 据 实 际 中 的 仪 器 面 板 以 及 该 仪 器 所 要 实 现 的 各 种 功 能进 行 设 计 的 程 序 交 互 式 图 形 化 用 户 界 面 。 根 据 计 算 机 声 卡 的 实 际 特 性 ， 将 声 卡 设 置 为 双通 道 、 44.1kHz 采 样 频 率 、 16 位 采 样 比 特 数 、 连 续 采 样 等 ， 如 图 2 所 示 。 本 设 计 根 据 实际 显 示 需 要 ， 设 计 的 显 示 前 面 板 如 图 3 所 示 ， 该 虚 拟 示 波 器 界 面 实 时 显 示 了 所 采 集 歌 声的 实 时 信 号 。 同 时 ， 实 时

18、 显 示 界 面 的 示 波 器 属 性 设 置 为 X、 Y 轴 均 设 置 为 “自 动 调 整 标尺 ”， 从 而 保 证 无 论 信 号 幅 值 如 何 改 变 ， 总 可 以 在 纵 坐 标 上 是 清 晰 显 示 ， 这 样 不 仅 方 便 用户 操 作 ， 而 且 观 察 方 便 。图 2 声 卡 参 数 设 置图 3 实 际 采 集 音 频 信 号 实 时 显 示图 4 虚 拟 示 波 器 后 面 板 程 序虚 拟 示 波 器 主 要 是 对 声 卡 采 集 音 频 信 号 的 时 域 实 时 显 示 ， 其 后 面 板 程 序 主 要 使 用while 循 环 结 构 实 现

19、 数 据 实 时 显 示 和 数 据 实 时 存 储 ， 实 际 后 面 板 如 图 4 所 示 。2.2 虚 拟 数 据 分 析 仪 设 计数 据 分 析 仪 主 要 包 括 数 据 回 放 、 信 号 参 量 、 幅 度 相 位 谱 和 功 率 谱 的 测 量 等 。 数 据 回放 主 要 是 将 已 存 储 的 信 号 重 新 读 取 然 后 进 行 分 析 ； 数 据 信 号 参 量 测 量 主 要 从 时 域 上 对 信号 的 周 期 平 均 值 、 周 期 均 方 值 、 峰 峰 值 、 均 值 等 测 量 ； 幅 度 相 位 谱 和 功 率 谱 主 要 是 从 频域 上 对 回

20、放 信 号 的 幅 度 、 相 位 以 及 功 率 进 行 测 量 。对 手 动 保 存 的 历 史 采 样 信 号 文 件 ， 通 过 历 史 数 据 回 放 功 能 ， 可 以 逐 块 地 由 软 件 象 采集 真 实 数 据 一 样 ， 重 新 由 软 件 显 示 、 处 理 ； 由 此 可 以 重 现 试 验 过 程 、 检 验 各 种 功 能 、 验证 用 户 的 各 种 设 置 ； 在 软 件 模 块 中 ， 用 户 可 以 进 一 步 对 LabVIEW 采 集 的 数 据 进 行 进 一 步分 析 、 处 理 ； 历 史 数 据 回 放 功 能 能 让 用 户 在 试 验 前

21、就 调 试 程 序 、 在 试 验 后 反 复 用 试 验 数据 验 证 ， 即 用 实 际 数 据 仿 真 试 验 ， 减 少 试 验 成 本 、 重 现 关 键 试 验 。 历 史 波 形 回 放 程 序 框图 如 图 5 所 示 。图 5 波 形 回 放 后 面 板 程 序时 域 分 析 是 一 种 直 接 在 时 间 域 中 对 系 统 进 行 分 析 的 方 法 ， 具 有 直 观 、 准 确 的 优 点 ，可 以 提 供 数 据 采 集 系 统 时 间 响 应 的 全 部 信 息 。图 6 虚 拟 数 据 分 析 仪 框 图 程 序频 域 分 析 是 通 过 傅 里 叶 变 换 将

22、 时 域 信 号 变 换 到 频 域 ， 其 主 要 是 了 解 信 号 的 频 谱 成 分以 及 各 种 成 分 的 强 度 。 本 设 计 主 要 实 现 了 对 采 集 信 号 的 幅 度 谱 、 相 位 谱 和 功 率 谱 分 析 等功 能 。 实 际 程 序 如 图 6 所 示 。 其 中 ， 对 信 号 加 窗 时 ， 使 用 矩 形 窗 将 信 号 突 然 截 断 ， 在 频域 上 造 成 很 宽 的 、 原 信 号 中 不 存 在 的 附 加 频 率 成 分 ， 即 有 限 化 带 来 的 泄 露 问 题 。 为 了 防止 采 集 信 号 发 生 泄 露 ， 对 所 采 集 信

23、 号 进 行 加 窗 处 理 ， 系 统 选 择 了 汉 宁 窗 。 虚 拟 分 析 仪 的界 面 如 图 7 所 示 ， 该 图 显 示 为 实 际 采 集 音 频 信 号 的 FFT 变 换 频 谱 。图 7 虚 拟 频 谱 分 析 仪 界 面3 结 束 语利 用 计 算 机 声 卡 代 替 昂 贵 的 数 据 采 集 卡 采 集 数 据 ， 以 图 形 化 编 程 语 言 的 虚 拟 仪 器 软件 LabVIEW 为 开 发 工 具 ， 充 分 利 用 计 算 机 强 大 的 信 息 处 理 能 力 和 LabVIEW 模 块 化 编 程 技术 ， 实 现 了 常 见 音 频 信 号 的

24、 实 时 采 集 、 显 示 、 存 储 ， 回 放 以 及 分 析 等 功 能 。 其 有 效 的 利用 了 计 算 机 资 源 ， 节 约 了 数 据 采 集 成 本 ， 易 于 构 建 和 升 级 ， 并 且 界 面 友 好 ， 操 作 简 单 ，成 本 较 低 ， 易 于 实 现 ， 不 仅 可 以 应 用 于 科 研 试 验 ， 而 且 可 以 应 用 于 检 测 车 辆 等 方 面 ， 具有 比 较 广 阔 的 应 用 前 景 。参 考 文 献1 National Instruments. LabVIEW User Manual M. Texas: National Instrum

25、ents, 2003.2 陈 锡 辉 LabVIEW 8.20 程 序 设 计 从 入 门 到 精 通 M.北 京 :清 华 大 学 出 版 社 ,20073 王 珍 宁 ,吴 先 球 ,张 诚 ,陈 俊 芳 .基 于 声 卡 的 远 程 数 据 采 集 J.微 计 算 机 信 息 （ 测试 自 动 化 ） ,2007,23(4):141 142.4 周 爱 军 ,马 海 瑞 .基 于 声 卡 的 LabView 数 据 采 集 与 分 析 系 统 设 计 J.微 计 算 机信 息 ,2005,21(9):108 110.5 徐 继 宁 ,程 志 强 .基 于 声 卡 的 虚 拟 信 号 发 生 器 设 计 与 实 现 J.工 业 控 制 与 计 算 机 ,2007,20(2):72 73.6 周 林 ,殷 侠 等 .数 据 采 集 与 分 析 技 术 M.西 安 电 子 科 技 大 学 出 版 社 ,2005