基于计算机声卡的虚拟仪器关键技术与应用实例

基于计算机声卡的虚拟仪器关键技术与应用实例 王运生1,2 王家映1 郭玉松2 (1. 中国地质大学地空学院,武汉 430074; 2.黄河水利委员会设计研究院,郑州 450003) [摘要] 本文首先对基于计算机声卡的虚拟仪器开发原理和关键技术进行论述，然后通 过工程物探应用实例验证了这一技术的先进性和实用性。理论与大量应用实例表明，这种 仪器充分体现了现代仪器技术的发展趋势，即“软件就是仪器”。未来的虚拟仪器将会具有 更为优异的性能并且能够得到更为广阔的应用和发展。 [关键词] 计算机声卡；虚拟仪器；工程物探 1 引 言 虽说NI公司很早提出了“软件就是仪器”的概念，然而真正使这一概念完 美实现的是基于声卡的虚拟仪器技术。这一技术使得我们的工作如此简便，带 上笔记本电脑和所需要的传感器即可进行信号测试与工作。应用这一技术 所设计的虚拟仪器主要是由软件和计算机组成，因此又可称为“软件仪器”。 虚拟仪器的核心部件是数据采集板(A/D)，一块具有 12 bit/200 kHz采样率的 8 通道数据采集板能够满足多种应用需要，但其价格昂贵，同时许多功能在具体 的应用场合并不使用，造成资源浪费。计算机声卡（A/D）具有 16 bit/44 kHz 信号采集频率，在许多领域能够满足数据采集与分析需要, 个别性能指标还优 于商用数据采集板, 而且价格十分便宜，已经成为计算机的配置。因此基 于计算机声卡的虚拟仪器在工程物探、自动化控制、医疗和电力等许多领域得 到深入研究和广泛应用 [1-6]。随着计算机技术的飞速发展，需多计算机公司最 新推出超小型笔记本电脑，整机重量不到 0.9Kg，体积上并不比PDA大多少性 能却十分强大。配置有AC97 声卡，屏幕显示十分清晰，电池最大续航时间可 超过 7 个小时，特别适合于户外携带和应用。同时Intel公司 2004 年初发布了 音频芯片新规格(Azalia)，计算机声卡将具有更高的性能，支持 32bit/192KHz 信号采样率。因此，未来的虚拟仪器将会提供更为优异的性能，并且得到更为 广阔的应用。 基于计算机声卡的虚拟仪器在工程物探领域有着广阔的应用前景，这是因 为一方面声卡的频率特性和采样精度完全能够满足工程物探很多应用需要；另 一方面许多测试只需要单道或者两道信号采样即可完成，并且虚拟仪器又 具有携带方便、操作简单等优点，非常适合野外测试工作。笔者早期使用工控 计算机在DOS操作系统下开发出低应变桩基检测和瞬态面波测试虚拟仪器[1]， 随着计算机技术的飞速发展，目前计算机普遍使用Windows98/XP操作系统， 很多超小型笔记本电脑配置有高品质声卡，因此使用笔记本电脑在Windows操 作系统下开发虚拟仪器更具有现实意义和实用价值。结合近几年来所做工作成 果，本文首先对Windows下常用编程开发原理作简要介绍，然后对其关键方法 技术进行较为详细的论述，最后通过应用实例验证其先进性和实用性。 2 基本原理与关键技术 基于计算机声卡的虚拟仪器，其基本原理就是通过编程技术控制声卡录音 口(MIC/Line In)所具有的A/D功能，实现对所测信号进行采集记录和分析处理。 显然这一技术的关键是软件，在Windows操作系统下利用MCI命令来控制声卡 录音时，无法对信号进行实时处理分析，并且在采样的过程中有时会停止下来 进行文件操作, 造成采样信号的丢失和不连续。利用API函数编程技术，在信 号采样过程中可以随时对数据进行实时处理与分析[7]，但是这要求程序员对 2 API函数有非常深入的了解，并且编程工作量较大，其可靠性很难得到保证。 实践表明，基于Delphi高级编程语言同时利用其丰富的控件资源进行虚拟仪器 开发，具有编程工作量小、程序性能稳定、安全可靠等明显优点，然而在具体 开发应用过程中需要注意以下几点方法技术。 多缓冲区技术：如果只为信号输入设备开辟一个缓冲区，则当该缓冲区被 采样数据填满后，信号输入设备就无缓冲区可用，不得不停止采样进行文件操 作或者处理分析，从而造成了采样信号的丢失和不连续。所以在实际应用中， 至少要为信号输入设备开避两个或多个缓冲区。当应用软件开始对信号进行采 样时，信号输入设备首先向某一个缓冲区存放数据，当缓冲区填满数据时系统 发出消息，应用程序收到消息后即可对这一缓冲区中数据进行处理分析，同时 信号输入设备开始向另一空白缓冲区存放数据。上述过程循环进行，可以实现 任意长度信号连续采集和实时处理分析。 信号记录负延时技术：在低应变桩基质量检测等信号测试过程中，虚拟仪 器需要有自动触发记录功能。这一功能非常适合虚拟仪器的设计特点，同时又 完全可以避免采用外触发方式给工作造成的不便。虚拟仪器要使用自动触发记 录功能，必须应用负延迟技术才能够记录到完整的信号波形。如图 1 所示，其 基本原理是，把信号记录分为触发前负延迟部分和触发后记录部分，当应用软 件开始对信号进行采样时，应用程序对所采信号进行实时处理，在信号没有触 图 1.信号自动触发记录波形 (a)无负延迟；(b)使用负延迟技术 3 发规定电平时，所采集到的信号样点用循环移动方式被保存在负延迟贮存单 元，一旦信号触发规定电平，所采集到的信号样点依次保存在记录贮存单元， 负延迟贮存单元与记录贮存单元信号样点之和就是完整的信号记录。下面几行 Delphi 程序简要说明负延迟技术实现方法过程。 s_n:=d_n; trig=false; //d_n:负延迟样点数;s_n:信号记录点数 //信号采样之前分别对全局变量 s_n,trig 赋值 //……对填满信号数据的缓冲区进行处理 function AudioIn_BufferFilled(Buffer:PChar;var Size:Integer):Boolean; Var SP:^SmallInt; i,j,N,sv:Integer; begin N:=Size Div 2; SP:=Pointer(Buffer); //N:缓冲区信号样点数 For i :=0 to N-1 Do Begin sv:=SP^;Inc(SP); //得到缓冲区第 i 个样点 if (abs(sv)>trig_v) then trig:=ture; //如果样点绝对值大于触发电平 trig 赋值为真 if trig then inc(s_n) else for j:=0 to d_n-1 do signal_record[j]:=signal_record[j+1]; //如果采样信号已经触发电平开始记录,则记录点位 s_n 加 1, //否则所记录的负延迟信号向前移动一个点位.记录点位不变 s_n=d_n. signal_record[s_n]:=sv; //缓冲区第 i 个样点赋值到信号记录 s_n 位置 end; //......对信号记录 signal_record 进行其它操作处理 End; 传感器与声卡连接方法：根据具体的应用需要以及计算机声卡性能，传感 器与虚拟仪器的声卡连接方法有所不同。目前几乎所有笔记本计算机都配有话 筒录音口（MIC），使用话筒直接与MIC相连接即可组成一台音频信号记录分 析仪。如果使用速度型传感器与MIC相连接进行振动信号测试，由于MIC具有 4 前置放大器，因此最好选用较低灵敏度传感器，避免提前触发或者接收到的信 号被削波。如果计算机有立体声录音接口（Line In），一般能够避免上述问题， 同时可以提供两通道信号采样。通常左声道和地线与传感器相连是第一道，右 声道和地线与传感器相连为第二道。由于声卡（A/D）是对电压信号进行采样， 所以不能直接与电荷输出型加速度传感器相连接，但是可以使用具有电压输出 的加速度传感器。同时由于声卡的输入端往往带有隔直电容，所以如果需要对 信号的直流量进行采集，最好的解决就是将这个隔直电容短接[7]。 3 应用实例 理论与实践表明，本文所述虚拟仪器方法技术可以很好的应用于工程物探 许多测试领域。包括桩基和锚杆质量无损检测与智能珍断、瞬态面波信号测试 与分析、地震垂直反射剖面测试以及信号相关管道查漏和岩体波速测试等。下 面列举两例对其应用效果和方法进行简要分析说明。 桩基检测虚拟仪器：低应变桩基质量无损检测是目前工程物探应用最多的 方法之一。测试方法原理是，首先在桩顶安置检波器然后锤击，振动所产生的 弹性波在沿桩体向下传播过程中遇到波阻抗界面会产生反射波。虚拟仪器通过 图 2.虚拟桩基检测仪实测信号记录 5 图 3.虚拟面波测试仪实测信号及其解释结果 检波器接收到反射信号然后对其进行分析处理，即可确定桩体完整性以及缺陷 位置和类型。图 2 是使用虚拟仪器在云南某工地所测到的记录信号。通过对记 录信号分析可知，图 2.a 波形规则且桩底反射信号十分清楚是典型的完整桩信 号记录。图 2.b 所测得的信号记录表明桩体存在缩径、断裂等缺陷。 面波测试虚拟仪器：面波勘探在工程物探方法中起着重要作用。其基本原 理是通过计算两个传感器所接收振动信号相位差或者时间差，并由此进一步求 取面波频散曲线。因此可以使用首波信号自动触发记录方式，避免其它触发方 式所带来的麻烦。图 3.a是使用虚拟仪器在内蒙某水利工地所测得的面波信号。 测试方法是使用两个低频地震检波器直接与虚拟仪器Line In两个通道相连接， 选用不同检波距（1m、3m和 5m）测得多组信号，可以有效压制干扰提高测试 精度。计算过程首先用“F-V”法求取面波频散曲线，然后根据半波长原理和 近似分层公式，计算得出H-VR面波频散曲线和各层波速如图 3.b如示，解释结 果与实际情况吻合相当好。 4 结 论 本文首先对基于计算机声卡的虚拟仪器开发原理和关键技术进行论述，然 6 后通过应用实例验证了这一技术的先进性和实用性。 理论与大量应用实例表明，基于计算机声卡的虚拟仪器不仅具备常规仪器 所有的各种功能，而且具有体积小、重量轻、操作简便和高性价比等很多优点。 这种仪器充分体现了现代仪器技术的发展趋势，即“软件就是仪器”。随着计 算机技术的飞速发展，未来的虚拟仪器将具有更为优异的性能并且能够得到更 为广阔的应用和发展。 参考文献 1. 王运生，虚拟信号测试仪的实现与应用[J]，勘察科学技术，1999年 1期 2. 吴庆州，声卡在检测中低频信号中的应用[J]，沈阳师范学院学报(自然科学版)，1999年 3期 3. 彭利宁，陈启买，基于 PC 声卡噪声监测系统设计[J]，电机电器技术，2001年 1期 4. 谢小平，一种基于声卡的人体脉搏波采集系统的研制[J]，中国医学物理学杂志，2001年 2期 5. 杨建，罗 安、涂春鸣等，利用计算机声卡开发低成本高精度的电网谐波分析仪[J]，计算机工 程，2002年 4期 6. 种兰祥，阎 丽，张首军，基于计算机声卡的多通道数据采集系统[J]，西北大学学报(自然科学 版)，2002年 6 期 7. 朱晓娟，杨 放，Windows 下的声卡编程技术[J]，西安建筑科技大学学报(自然科学版)，2003 年 3期 The key technique and its application of virtual instrument based on sound card Wang Yunsheng1,2 Wang Jiaying1 Guo Yusong 1 1. Institute of Geophysics&Geomatics, China University of Geosciences, Wuhan, 430074; 2. Yellow River Conservancy Commission, Zhengzhou, 450003 Summary At first the developing principles and key techniques of virtual instrument (VI) based on sound card are discussed, Then the advantages and effect of the technique is verified by some examples of engineering geophysical exploration. It shows from theory and many cases that this kind of instrument represents the developing trend of modern instrument, that is: “the software is the instrument.” The future instruments will have more excellent function and will applied in wider fields. Keywords: sound card; virtual instrument; engineering geophysical exploration 7 1 引 言 2 基本原理与关键技术 3 应用实例 4 结 论 The key technique and its application of virtual instrument based on sound card