基于LABVIEW和PC机声卡的测试系统

基于LABVIEW和PC机声卡的测试系统 基于LABVIEW和PC机声卡的虚拟测试系统 测控技术与仪器专业 [摘 要] 针对传统测试系统所需仪器繁多、资金投入大、功能单一、灵活性较差的弱 点，本文利用声卡DSP技术和LabVIEW技术，提出了一种基于声卡的数据采集与分析的 廉价方案，具有实现简单、界面友好、性能稳定可靠等诸多优点，在LabVIEW环境中实 现了音频信号的采集分析及数据存盘重载，并结合应用实例验证了该系统的可行性及有 效性;而且该系统具有双通道、高保真、22KHz甚至44KHz的采样率，实现了音频信号的实 时采集、实时存储、信号分析(时域分析和频域分析)等多种功能，可以推广到语音识 别、环境噪声监测和实验室测量等多种领域，应用前景广阔。 [关键词] 声卡;数据采集;信号分析;LabVIEW Virtual Test System Based on LabVIEW and PC Sound Card Measurement , Control Technology & Instrument Major LI Xiao-fan Abstract:The traditional vibration test system have many disadvantages，such as plenty of instruments，large investment，single function，less flexibility(Therefore， Based on DSP technology and LabVIEW, this paper brings forward a low price solution of sound card based data acquisition and analysis system, with its advantages of easy implementation, friendly interface and steady performance. In the range of voice frequency，data saving and overloading is successful in LabVIEW .In addition，the feasibility and availability of this system are validated with an apphcation example(As this system has the qualities of dual channel, high-fidelity, 22 KHz even 44KHz sampling rate, it realized the multiple functionof real-time audio signal acquisition, real-time storage, playback, signal analysis (time domain analysisand frequency domain analysis), etc. With broad application prospect, this solution can be extended to the field of speech recognition, ambient noise monitoring and laboratory measurement etc. Key words:sound card;data acquisition;signal analysis;LabVIEW 1 基于LABVIEW和PC机声卡的测试系统 目 录 1 引 言 .................................................................................................................... 1 1.1 选背景及意义 .......................................................................................................... 1 1.2 虚拟仪器技术国内外研究状况 ............................................................................... 2 1.2.1 虚拟仪器发展综述 ............................................................................ 2 1.2.2 国外虚拟仪器研究现状 .................................................................... 2 1.2.3 国内虚拟仪器和基于声卡的数采系统研究现状 .............................. 3 1.3 LabVIEW的编程环境简介 ....................................................................................... 4 1.3.1 labview简介 ....................................................................................... 4 1.3.2 labview编程环境 ............................................................................... 5 2 声卡的简介 ........................................................................................................... 5 2.1 声卡的分类 ................................................................................................................... 5 2.2 声卡的结构 ................................................................................................................... 6 2.3 声卡的工作原理 .......................................................................................................... 6 2.4 声卡的性能指标 .......................................................................................................... 7 3 系统功能设计 ....................................................................................................... 8 3.1 硬件实现 ........................................................................................................................ 8 3.2 软件设计 ...................................................................................................................... 10 3.2.1开发环境 .......................................................................................... 10 3.2.2 虚拟示波器的设计 .......................................................................... 11 3.2.3 声卡配置模块 .................................................................................. 12 3.2.4 数据采集模块 .................................................................................. 14 3.2.5 信号分析 ......................................................................................... 16 3.2.6 滤波模块 ......................................................................................... 18 4 进行数据采集前的试验准备 .............................................................................. 20 5 系统调试过程 ..................................................................................................... 22 结束语 .................................................................................................................... 23 参考文献 ................................................................................................................ 23 致谢 ........................................................................................................................ 24 2 基于LABVIEW和PC机声卡的测试系统 1 引 言 1.1 选题背景及意义 目前市售的数据采集卡都包含了完整的数据采集电路和与计算机的接口电路，但其价格与性能基本成正比，一般比较昂贵。随着DSP(数字信号处理)技术走向成熟，PC声卡本身就成为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，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。ISA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。而且声卡用DMA(直接内存读取)方式传送数据，极大地降低了CPU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，对于许多工程测量和科学实验来说都是足够高的，其价格却比后者便宜得多。如果利用声卡作为数据采集设备，可以组成一个低成本高性能的数据采集与分析系统。当然，它只适合采集音频域的信号，即输入信号频率必须处于20~20000Hz的音频范围内。如果需要处理直流或缓变信号，则需要其他技术的配合。数据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。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。表1中，对目前使用率较高、由美国国家仪器公司(NI)出品的USB-6008数据采集卡，与普通计算机上集成的AC97声卡，在主要技术指标和价格上进行了比较。 表1 USB-6008采集卡与声卡的比较 USB-6008 声卡 输入通道数 8 2 采样频率(S/) 10K 44K 分辨率(位) 12 16 价格(元) 1950 50 由表1可见，一块具有12bit/10kHz采样率的8通道数据采集卡，虽然能够满足多种应用需要，但与计算机声卡相比其价格昂贵，同时许多功能在具体的应用场合并不使用，造成资源浪费。而计算机声卡具有16bit/44kHz信号采样率，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卡, 而且价格十分便宜，已经成为计算机的配置。基于声卡的数据采集系统适合于任何一台装有声卡的计算机，具有廉价、方便、稳定、性能可靠等优点，配置多块声卡可构成高信噪比的多通道系统。因此，其在自动化控制、医疗、电力、教学等许多领域已经得到了深入研究和广泛应用。 1 基于LABVIEW和PC机声卡的测试系统 1.2 虚拟仪器技术国内外研究状况 1.2.1 虚拟仪器发展综述 虚拟仪器(Virtual Instruments，简称VI)是基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(NATIONAL INSTRUMENTS，简称NI)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。，随着计算机技术的发展，尤其是数字信号处理技术的进步，实现各种信号处理功能的软件算法越来越快，可用软件代替硬件实现信号处理功能。虚拟仪器是用户根据自己定义、自行组合和开发的，因而利用虚拟仪器来替代传统的仪器设备后，用户将可大大提高工作效率或生产效率。 1.2.2 国外虚拟仪器研究现状 电子仪器发展至今，大体可分为如图1中四个时代:模拟仪器、数字化仪器、智能仪器和虚拟仪器。 模数智虚 拟字能拟 仪化仪仪 器 器 仪器 器 图1 虚拟仪器的发展 20世纪80年代中期，随着计算机技术与电子技术的飞速发展，在以计算机为平台的测控仪器中软件和总线的作用日益突出，测试仪器的物理功能越来越多，对计算功能的要求越来越强，传统的硬件化仪器的固有缺点(如封闭性、缺乏灵活性、响应速度慢等)已使它越来越不能满足测试仪器功能日益强大的要求，因此用软件取代硬件便成为仪器仪表领域的一个迫切需要解决的问题;同时，因为被测对象的频率范围越来越宽，因此要求总线具有相应的高速数据传输能力和灵活的扩展性能。计算机总线技术、软件技术及相关技术的发展，使得微机在计算机仪器上的作用远远超出了计算机仪器发展初期主要是用来完成控制的范围。特别是近10年来出现的数字信号处理器(DSP)，它与微机软件相结合将产生强大的计算与控制能力，这使其在一定的实时性要求下取代了许多原来 2 基于LABVIEW和PC机声卡的测试系统 由硬件完成的功能并能完成许多硬件不能胜任的功能，这标志着“软件即仪器”时代的到来。正是由于微电子技术和计算机技术飞速发展，一种全新的仪器结构概念导致了新一代仪器——虚拟仪器的出现。它是现代计算机技术、通信技术和测量技术相结合的产物，是传统仪器观念的一次巨大变革，是仪器产业发展的一个重要方向。 国外的仪器产业早在上个世纪80年代末就开始了虚拟仪器的研究工作。在90年代以美国国家仪器公司(NI)，Motorola公司等著名企业为代表，开始了仪器产业从数字化仪器、智能仪器向虚拟仪器的过渡。1986年美国国家仪器公司第一次正式推出了虚拟仪器的概念。到1997年9月1日，NI发布了一种全新的开放性、模块化仪器总线规范一一PXI为止，按照测控功能硬件的不同，业界已经存在GPIB、VXI、PC-DAQ、和PXI四种标准虚拟仪器硬件体系结构。 从1990年开始，国际上陆续有虚拟仪器面市。此后，虚拟仪器产品成倍增加，到1994年底，虚拟仪器制造厂已达95家，共生产1000种虚拟仪器产品销售额达3亿美元。生产虚拟仪器的主要厂家有HP公司(目前生产100多种型号的虚拟仪器)，Tektronix公司(目前生产80多种型号的虚拟仪器)，Aglent公司(目前生产60多种型号的虚拟仪器)。目前，这些厂家的产品已经进入我国市场。 1.2.3 国内虚拟仪器和基于声卡的数采系统研究现状 (1)国内虚拟仪器研究现状 虚拟仪器在国内的现状和发展态势不容乐观。由于虚拟仪器是随着传统电子测控技术、计算机技术和通讯技术不断发展、不断完善而产生的一项综合性结构化电子测量与控制技术。而我国计算机、通信及电子产业的发展和欧美国家相比呈相对滞后的地位，因而决定了我国虚拟仪器产业底子薄，缺少必要的软硬件技术支持，起步较晚，发展缓慢的特点，直到上世纪九十年代中后期虚拟仪器这一概念才逐渐的被引入到我国的计算机应用行业中。先天的不足使得我国的虚拟仪器行业还处在起步阶段。 近几年来，国内已有部分高等院校的实验室引进了虚拟仪器系统，并在此基础上，又开发了一批新的虚拟仪器系统用于教学和科研。其中，华中理工大学机械学院工程测试实验室将其开发成果在网上公开展示。清华大学汽车系利用虚拟仪器技术构建的汽车发动机检测系统，使用方便、灵活，用于汽车发动机的出厂检验。主要检测发动机的功率特性、负载特性等。一台发动机检测完成后，就可以打印出完整的检测报告。此外，国内已有几家企业在研制PC虚拟仪器，哈工大仪器王电子有限公司的产品已达到一定得批量。其主要产品有:数字存储示波器、任意波形发生器、多通道打容量波形仪等。北京中科泛华测控技术有限公司开发的汽车传感器测试系统，应用于汽车传感器生产线测试。 (2)基于声卡的数采系统国内研究现状 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 3 基于LABVIEW和PC机声卡的测试系统 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分析工作。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)，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。 1.3 LabVIEW的编程环境简介 1.3.1 labview简介 ,D转换后送虚拟测试系统是工程测试中的常见内容，它将被测的振动模拟信号经A人计算机，再对采集到的信号进行的处理。传统的虚拟测试系统由于资金投入大、所需仪器繁多、功能单一、灵活性较差等弱点，其应用范围受到的限制。LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)，即实验室虚拟仪器集成环境，是美国NI公司具有革命性的图形化虚拟仪器开发平台，是一个功能强大的图形化编程工具。它内置信号采集、测量分析与数据显示等功能，软件开发、调试、运行于一体，提供了几乎所有经典的信号处理函数和大量现代的高级信号分析函数，这些函数用图标的方式提供给用户，使用着采用图标与连线的方式，可以像画电路板一样编写程序，非常形象直观，又便于修改和移植。LabVlEW以软件为中心，利用计算机强大的计算、显示和连接能力，在屏幕上组建用户自己的仪器、仪表，在必需的硬件环境下尽可能发挥软件功能，完成信号采集、信号处理以及测试结果的存储显示等工作。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，故而即使用户没有多少编程，同样也能利用LabVIEW来开发自己的应用程序。 LabVIEW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特点。 LABVIEW为虚拟仪器设计者提供了一个便捷、轻松的设计环境，设计者利用它可以像搭积木一样，轻松组建一个测量系统以及构建自己的仪器面板，而无需进行任何的程序代码的编写。用LABVIEW程序作为虚拟仪器的开发平台的最大优势就是程序开发效率高，根据经验，使用LABVIEW开发虚拟仪器比使用基于文本语言开发的效率提高大约10 4 基于LABVIEW和PC机声卡的测试系统 倍;同时LABVIEW在信号处理等方面的强大功能又远非组态软件可比。 1.3.2 labview编程环境 (1) 前面板(Front panel) 此选项页包含前面板显示相关选项的设置，主要是控件的默认属性，包括标签、动画效果及样式等。 (2) 程序框图(Block Diagram) 此选项页包含程序框图的相关设置，主要是程序框图编写的默认属性。 (3) 对齐网格(Alignment Grid) 此选项页用来设定前面板和程序框图上的网格、使对象在放置、移动或调整大小时与网格对齐。 (4) 控件/函数选项(Control/functions Palettes) 在前面板/背面板上右击，会弹出控件/函数选板。用户可以设置选板的显示模式和加载方式。 (5) 菜单快捷方式 该页用于设置VI菜单项的键盘快捷方式，是LabVIEW8.20的一项新功能。 (6) 修订历史 该页用于设置修订历史的添加规则，与VI属性不同的是，主要是选择通用的添加注释的方法及显示的格式。 (7) 调试 此选项页用来对LabVIEW提供的调试工具进行设置。 2 声卡的简介 2.1 声卡的分类 按声卡是否为单独一块扩展卡可分为:扩展卡型声卡和板载声卡。 (1) 扩展卡型声卡 (a) PCI声卡 传输率为132Mbit/s，多个音频的合成，3D环绕音效处理。 (b) ISA声卡 传输率为8Mbit/s，占用大量的CPU资源进行信号处理(20%)。 (c) USB声卡 通过USB接口与计算机交换声音信号，便于安装，成本较高。 (2) 板载声卡 主要分为两类:板载硬声卡和板载软声卡。 5 基于LABVIEW和PC机声卡的测试系统 (a) 板载硬声卡 把扩展型的声卡的全部电路和元件集成在主板上。主板有焊接有声音处理芯片(DSP),CODEC和晶振。 (b) 板载软声卡 在主板南桥集成了音频控制器电路，从而只需在主板上PCB上布置CODEC芯片，晶振和滤波电路，再利用CPU进行DSP运算。一般通过主板上PCB上的CODEC芯片来衡量板载软声卡的音质。 2.2 声卡的结构 从数据采集的角度看，声卡是一种音频范围内的数据采集卡，是计算机与外部模拟量环境联系的重要途径。一般声卡都由以下几个部分组成:声音控制/处理芯片，功放芯片，声音输入/输出端口等。声音控制/处理芯片是声卡的核心， 集成了采样保持、A/D 转换、D/A 转换、音效处理等电路，它决定了声卡的性能和档次，基本功能包括对声波采样和回放的控制、处理MIDI 指令等，有的厂家还加进了混响、合声、音扬调整等功能;功放芯片完成信号的功率放大以推动喇叭发声工作;声音输入/输出端口是音频信号的输入和输出，它主要有外接端口和内接端口。外接端口有“SPK Out”喇叭输出端口，“Wave Out” (或“Line Out” ) 线性输出端口，“Line In”线性输入端口，“MIC”麦克风输入端口，还有MIDI 端口，连接电子乐器以及游戏控制器。内接端口是内置的输入/输出端口，是CD音频接口。 A/D Line In DSP Mic In D/A Line Out 波表MIDI 合 SPK Out 成器 MIDI In 图2 声卡的硬件结构 2.3 声卡的工作原理 音的本质是一种波，表现为振幅、频率、相位等物理量的连续性变化。声卡作为语音信号与计算机的通用接口，其主要功能就是将所获取的模拟音频信号转换为数字信 6 基于LABVIEW和PC机声卡的测试系统 号，经过DSP音效芯片的处理，将该数字信号转换为模拟信号输出。。声卡采集系统主要由声源、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，系统原理框图如下图3所示。 模拟声音信信号前置处数据输入缓 号输入 理A/D 转换 冲区处理 数字 信号 处理 波形 重建 信号输出 波形重建数据输出缓 D/A 转换 冲区处理 声音控制处理 图3 声卡的工作原理 其基本工作过程为:模拟信号经过声卡前置处理及A/D 转换后变成数字信号，送入输入缓冲区，然后通过各种数字信号处理的方法对波形输入缓冲区的数据进行处理，完成声音消噪、音效处理、声音合成等功能，最后把处理好的数据保存到存储设备，这就是声音信号的录制过程。相应的声音信号回放过程为:把处理好的数据送到输出缓冲区，再由声卡的D/A 转换，将数字音频信号转换为模拟信号，经过功率放大，送到喇叭。如果将工程中所需采集的信号仿照声音信号输入，即可实现对信号的采集和存储。 信号调理电路:在信号进入声卡之前必须经过信号调理，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。 放大电路:经实际测量，声卡输出信号的最大峰-峰值约为3.5V，这样的幅值还不能满足一般的实验要求，本系统利用放大电路，使输出信号的峰-峰值放大到10V，实验中调制声卡的音量即可控制输出信号的幅值大小。 2.4 声卡的性能指标 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音频信号采集功能，具有价格低廉、采样精度高，与LabView 7 基于LABVIEW和PC机声卡的测试系统 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。 衡量声卡的技术指标包括复音数量、采样位数(即量化精度)、采样频率、声道数、信噪比(SNR)、总谐波失真(THD)和基准电压等，主要介绍如下: (1)复音数量 代表了声卡能够同时发出多少种声音。复音数越大，音色就越好，播放声音时可以听到的声部越多、越细腻。 (2)采样位数:即采样值或取样值。它是用来衡量声音波动变化的一个参数，也就是声卡的分辨率，可以理解为声卡处理声音的解析度。它的数值越大，分辨率也就越高，所发出声音的能力越强，录制和回放的声音就越真实。由于受人耳的声音精确度限制，多媒体电脑中采用16位的声卡。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)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，采样频率一共分为8 KHz 、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。 (4)频率范围和频率响应: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。 (5)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。 3 系统功能设计 3.1 硬件实现 声卡一般有Line In和Mic In两个信号输入插孔，声音传感器(本文采用通用的麦克风)信号可通过这两个插孔连接到声卡。若由Mic In输入，由于有前置放大器，容易引入噪声且会导致信号过载负荷，故推荐使用Line In，其噪声干扰小且动态特性良好。声卡测量信号的引入应采用音频电缆或屏蔽电缆以降低噪声干扰。若输入信号电平高于声卡所规定的最大输入电平，则应在声卡输入插孔和被测信号之间配置一个衰减器，将被测信号衰减至不大于声卡最大允许输入电平。 LabVIEW对声音采集的设置默认于其所处的操作系统，本文使用的是最普通的声 8 基于LABVIEW和PC机声卡的测试系统 卡，对于高级的声卡采集信号时，要注意关闭如混响之类的一些特效，避免影响测量结果的真实性。 按照测试的内容选择适当的传感器，本文应用的声音传感器为麦克风。信号记录仪器采用计算机，计算机内置的声卡作为A/D转换设备。由于声卡是计算机的标准配置，有成熟的驱动程序和操作系统配合，因此无需考虑软硬件方面的兼容问题，在跨操作系统平台时也不存在程序的移植问题。图4为测试系统的硬件结构框图;其构成如下图所示: 数据 虚拟仪被 信 采集卡 器软件 测 传 号 量 感 调 对 理 器计算机平台 象 电 路 图4 测试系统的硬件结构 被测信号经传感器拾振后转变为电荷，信号调理器把电荷转变为电压并放大后传递给数据采集卡，计算机再通过LabVIEW编写的数据采集程序完成对振动信号的采集、分析处理、显示等。 图5为虚拟仪器对信号测量的流程。本系统中，由于传感器的输入信号已符合声卡输入的要求，故无需加入信号调理电路。数据采集卡由计算机声卡代替。本系统中仪器参数的设置、数据的采集、分析和显示可以在计算机上通过建立的虚拟软面板进行操作，通过声卡来完成参数的采集。 9 基于LABVIEW和PC机声卡的测试系统 传感器将被测信号转换为电信号 信号处理电路将电信号转换成标准信号 数据采集卡采集模拟信号，并转换为计算机能处理 的数字信号 通过设备程序，数字信号进入计算机 在LabVIEW 平台下，编写仪器功能流程、功能算 法，设计前面板 编译成应用程序 图5 虚拟仪器对信号测量流程 3.2 软件设计 3.2.1开发环境 本数采系统使用的LabVIEW8.5中文版编程环境。其有三个基本部分组成:前面板窗口、程序框图窗口和连接器，其中前面板是LabVIEW中图形用户接口，在虚拟仪器(VI)的前面板中，可以用鼠标选择Control菜单中的对象(Object)，为系统设置控制和数据显示;程序框图是虚拟仪器的图形化源代码，即用数据流连接起来的块图，在程序框图中对虚拟仪器进行编程来控制和操纵定义在前面板上的输入、输出功能;图标和连接器窗格用于把程序定义成一个子程序，以便在其他程序中加以调用。在编程方面，这种图形编程方法避免了将思想转换为代码的复杂工作，避免了通常的编译、链接过程。 虚拟测试系统的软件设计分信号采集与信号分析两个模块。 信号采集模块根据用户设置的声音格式从声卡获得数据，采集到的数据及其频谱特性以直观的图形方式呈现于用户面前。该模块还提供保存数据到磁盘的功能。 信号分析模块从信号采集模块获得数据，对全部数据进行时域和频域分析并显示相应的时域图和频域图，并按所需进行频谱分析、功率谱分析、相关分析、倒谱分析等诸多功能。本系统包括波形信号采集、信号处理和分析三个部分.其软件设计的流程图如图6所示: 10 基于LABVIEW和PC机声卡的测试系统 信号采集与分析 波形信号采集 信号出路与分析 选找找发接同择出出送受步信标采外触采号准集部发集路波信触并信径 形号发发号 的波脉出峰形冲 信值峰号点 值号 点 图6 软件设计流程图 以LabVIEW为基础的本声卡信号采集系统主要完成了信号采集、信号处理和频域分析等功能。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。 3.2.2 虚拟示波器的设计 虚拟示波器的前面板是应该根据实际中的仪器面板以及该仪器所要实现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单通道、22050Hz采样频率、8位采样比特数、连续采样等。其中设计的示例前面板如图7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，实时显示界面的示波器属性设为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，这正是界面上没有设置纵向缩放按钮的原因，这样不仅方便用户操作，而且观察方便。 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循环结构实现数据实时显示和数据实时存储，下图7为虚拟示波器的示例: 11 基于LABVIEW和PC机声卡的测试系统 图7 采集音频信号实时显示 虚拟示波器的后面板程序框图为图8所示: 图8 虚拟示波器后面板程序 3.2.3 声卡配置模块 LabVIEW提供了一系列使用Windows底层函数编写的与声卡相关的函数。这些函数使用Windows底层函数直接与声卡驱动程序打交道，因而封装层次低、速度快，而且可以访问、采集缓冲区中任意位置的数据，具有很大的灵活性，能够满足实时不间断采集的需要。 LabVIEW具有强大的信号处理能力。其中音频输入的相关节点从功能模版中调用， 12 基于LABVIEW和PC机声卡的测试系统 路径为:函数/图形与声音/声音/输入。处理声卡的步骤如下:在使用声卡之前，必须先对其进行初始化。一般声音输入设备是不可共享的，若在某个程序运行之前，设备已经被其他应用程序所占用，则此应用程序不能再使用该设备。所以，在程序中一旦对声卡使用完毕，应立即释放它。函数“配置声音输入”用于配置声卡;“启动声音输入采集”用于开启声卡;“读取声音输入”用于读取声音;“停止声音输入采集”用于停止采集;“声音输入清零”用于清楚缓冲区，释放声卡。图9为各个与声卡输入有关的函数。 图9 声卡输入函数 按照目前市面上的声卡，LabVIEW设置的声卡采样频率设置的范围可以从8000Hz到44100Hz不等，采样频率不同，采集波形的质量也不相同，本系统中，所采样的信号均为低频信号，所以将进行采样频率设置为Hz或1102522050Hz较为合理。由于系统对信号采样的要求为不间断采样，因而采样模式选择“连续采样”。每通道采样数既缓冲区的大小，通过实验设置为8192较为合理。 图10为一个简单的声卡采集声音输入信号的例子，作者所编写的具体程序将在下文中列出。 图10 声卡采集示例 13 基于LABVIEW和PC机声卡的测试系统 声卡配置模块还提供保存所有或部分数据以及转到信号分析模块的功能。下图11是参数配置模块。用户可以根据自己的需要对采样频率、采样方式等参数进行设计，设计完毕后即可以完成音频信号采样参数的设置。本模块默认的采样频率为22050hz，采样位数为8位，采样通道为单通道。 图11 声卡参数设置 音频格式模块主要完成声卡采样频率、采样位数、缓冲区大小等参数的设置。其中: 采样频率:8 KHz 、11.025KHz、22.05KHz和44.1KHz 采样位数:8位、16位 音 质:mono、stereo 3.2.4 数据采集模块 数据采集模块根据用户设置的声音格式从声卡获得数据。采集到的数据及其频谱特性以直观的图形方式呈现于用户面前。该模块还提供保存所有或部分数据以及转到信号分析模块的功能。在前面板中，首先对声卡进行初始化，对声卡设置采样声道、频率、位数、缓冲区大小和设备号进行设置。 把声卡的声道分为mono 8-bit(单声道8位)、mono 16-bit(单声道16位)、stereo 8-bit(立体声8位)和stereo 16-bit(立体声16位)。若用单声道采样，左右声道信号都相同，而且幅值为原信号的1/2;用立体声采样，左右声道互不干扰，可以采集两路不同的信号，而且幅值与原信号相同。声卡的采样频率分8000Hz、11025Hz、22050Hz和44100Hz，应根据具体情况采用合适的频率。SI Start(vi用于声卡开始采集外部数据，采集到的数据会被暂存到缓冲区中，这一过程无需程序干预，由声卡硬件DMA直接完成，保证了采集过程的连续性。在数据采集程序设计中，经常需要用数组存放采集的数据，由于存储空间的限制，数组维数不可能设置的太大，所以当数组被填满后数据又从头开始依次存放，所以在数组中存放的数据会出现后采集的数据在钱，先采的数据在后的情况。当采集结束条件满足时，停止数据采集，这时需要对数组中的数据按时间的先后顺序进行重新组合，再做后续的数据处理工作。 14 基于LABVIEW和PC机声卡的测试系统 声卡对外部信号的采样在起始部分会有几十个不稳定的数据，所以无特殊要求时忽略了前100个数据。图12所示局部用户界面中的波形是通过麦克风实时采集的外界噪声信号，其效果已经满足了普通测量要求，在采集暂停和终止时可以通过LabVIEW波形显示器(Waveform Graph)自带的功能对波形进行观察和测量，对稳定的周期信号还可以直接准确的读出幅值和频率。 在本模块中，采集的数据通过“启动声音输入采集”节点进入While循环中，读取声音输入。数据首先通过“触发与门限”这个Express VI，当输入的电平达到预先设置的触发电平时，数据进入下一结点。因为所采集的波形为动态数据类型，所以将其转换为数组后，进入滤波器。通过滤波器提取符合系统要求频段的信号后，再将之前拆分的两个通道的信号合并。最后波形数据进入波形图进行实时显示。 图12 数据采集的前面板 图13为数据采集的程序框图: 图13 数据采集的程序框图 15 基于LABVIEW和PC机声卡的测试系统 3.2.5 信号分析 数据分析仪主要包括信号参量、幅度相位谱和功率谱的测量等。通常情况下，在获取到一个信号后，往往要对信号进行一系列的分析，从而获得信号中的有用的信息。分析一个信号，一般也是从输入信号中提取有用信息开始的，再对信号进行时域或频域上的分心。为达到这一目的，本模块包含了信号时域参数的测量，信号幅度相位谱、功率谱等参数。信号分析模块从采集模块获得数据，对全部数据进行时域和频域分析并显示相应的时域图和频域图;重新做增强的数据保存工作，即保存所选时段数据的谱信息，以便作进一步的分析。用户可以对数据进行分段处理，甚至对该段数据按频段进行分析。 LabVIEW还有自动错误处理功能，利用其函数节点的error in和error out端口可在程序运行中某一个函数发生错误时自动挂起，弹出错误信息对话框，高亮显示出错函数的图标并将出错信息依次向后传递，后续函数将不再进行任何操作，直到程序最后做出相应的错误处理。 本模块首先读取采集的信号波形，用户可以根据自己的需要，选择需要分析的数据长度。根据用户选定的数据长度，进行信号时域参数、功率谱和幅度相位的测量。 采集信号的时域分析是一种直接在时间域中对所要测试的横因素信号进行分析的方法，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。在LabVIEW环境中，我们打开Functions>>Analyze>>Waveform Measurements>>FFT Power Spectral Density.vi——PSD函数模块供调用，实现功率谱密度分析。下图14为虚拟数据分析仪的前面板为: 图14 时域分析的前面板框图 图15为时域分析的后面板程序框图: 16 基于LABVIEW和PC机声卡的测试系统 图15 时域分析的后面板程序框图 频域分析是通过傅里叶变换将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。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16所示，该图显示为实际采集音频信号频谱。其中功率谱可以用来分析信号的频域信息。通过实验我们可以知道，数据块的大小是缓冲区的一半，这一部分主要对采集到的数据进行频谱分析，在频谱分析之前加入Butterworth Filter(vi，目的是对原始信号进行平滑滤波处理，以消除高次谐波失真和噪声干扰，提高信噪比，在程序结束后进行声音文件存储。和模拟滤波器相比，该数字滤波器不需要精度组件，不会因温度、湿度的变化产生误差.实际的频域分析如图16所示: 图16 虚拟频谱分析仪界面 程序框图如图17所示: 17 基于LABVIEW和PC机声卡的测试系统 图17 频域分析的程序框图 3.2.6 滤波模块 (1) 数字滤波器概述 现代的数字采样和信号处理技术已经何以取代模拟滤波器，尤其在一些需要灵活性和编程能力的领域中，如:音频、通讯、医疗监控技术。滤波器的作用是对信号进行筛选，只让特定频段的信号通过。 与模拟滤波器相比，数字滤波器具有下列优点: (a) 可以用软件编程; (b) 稳定性高，可预测; (c) 不会因温度、湿度的影响产生误差; (d) 很高的性价比。 采样理论指出，只要采样频率是信号最高频率的两倍以上，就可以根据离散的、等分的样本还原一个时域连续的信号。假设对信号以?t为时间间隔进行采样，并且不丢失任何信息，参数?t是采样间隔。可以计算出采样频率: fs,1/,t (1) 根据上式(1)和采样理论可知，信号系统的最高频率可表示为: fnyq,fs/2 (2) (2) 数字滤波器的选择 在LabVIEW中有各种数字滤波器，他们的主要功能是把输入序列通过一定得运算变成输出序列，同时起到滤波作用。这些数字滤波器可以直接调用，而不考虑其内部结构。 滤波器可以分为以下几种类型: (a) 低通滤波器，通过低频而衰减高频。 (b) 高通滤波器，通过高频而衰减低频。 18 基于LABVIEW和PC机声卡的测试系统 (c) 带通滤波器，通过指定的带宽频率。 (d) 带阻滤波器，衰减指定的带宽频率。 LabVIEW的信号处理函数中，具有以下几种常用的滤波器: 在 (a) 巴特沃斯滤波器 (b) 切比雪夫滤波器 (c) 反切比雪夫滤波器 (d) 椭圆滤波器 (e) 贝塞尔滤波器 图18为合理选择滤波器的方法，根据该方法，分析所测信号特性，属于非线性相位、 没有波路的宽带波带，所以最终选用巴特沃斯带通滤波器。 图18 滤波器选择方法 19 基于LABVIEW和PC机声卡的测试系统 图19为巴特沃斯带通滤波器控件。 图19 巴特沃斯带通滤波器 4 进行数据采集前的试验准备 在进行具体的数据采集之前，现对声卡进行一些相应的设置。双击屏幕左下脚的音量图标，弹出主音量设置菜单如图20所示。 图20 主音量设置 选择选项?属性，得到属性菜单如图21所示。选择声音输入，点击录音，勾选线路音量。 20 基于LABVIEW和PC机声卡的测试系统 图21 音量设置的属性菜单 单击确定。出现录音控制菜单如图22所示。选择线路音量，通过调节线路音量可以更改数据采集波形幅值的大小。 图22 录音控制菜单 21 基于LABVIEW和PC机声卡的测试系统 5 系统调试过程 前文介绍了音频分析的一般流程。从该流程可以发现，从信号的采集到信号的分析 和显示等等，始终是以信号数据流为中心，结合模块化思想可以将该系统抽象为采集模块，分析模块，显示模块，存储模块等。 数据采集模块通过硬件和软件两个部分的实现。硬件部分包括过话筒(传声器)和声卡，直接面向声音信号的原始形式，即电流或声波。软件部分主要负责采样参数的调整。分析模块主要基于LabVIEW 的分析平台对声卡转换所得到的数字信号进行各种运算，从而得到分析的结果。在这里，分析模块实际上就是计算这些参数的一系列的数学算法，这些数学算法代替了传统仪器中各种功能电路。显示模块运用了LabVIEW 中的前面板来代替，它形象地将传统仪器的控制面板运用在电脑屏幕上，使得显示结果既可以是波形输出也可以是数码形式，清晰地显示出原始信号，滤波信号，加窗后的信号以及信号的功率谱等波形。 22 基于LABVIEW和PC机声卡的测试系统 结束语 本文设计了基于声卡的数采系统，实现了对音频信号实时采集与处理，并具有波形回放和存储功能。本设计中，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实时采集、显示、存储，回放以及分析等功能。整个系统性价比高，通用性强，界面友好，数据存储方便，性能稳定可靠，其个别性能指标甚至优于市售数据采集板卡，而价格却不到后者的十分之一。在PC上配置多块声卡并行工作，可以构成一个多通道数据采集系统，以满足特定应用范围内数据采集的需要。如果采用笔记本电脑，则无需添加任何硬件就可以构成便携式测量系统。 其有效的利用了计算机资源，节约了数据采集成本，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。 在声卡性能越来越好、成本越来越低、普及率越来越高的情况下，这种办法值得在工程测量应用及相关实验室中进一步推广和扩充。例如，对环境噪声进行实时监测，采集语音信号并进行分析和处理来实现语音识别，还可以实现信号发生器及万用表等设备在音频范围内的基本功能，其应用前景较为广阔。 参考文献 [1] 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最后感谢测控技术与仪器的所有老师以及共同学习四年的同学。 24