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1、毕业设计论文题目: 基于声卡的数据采集 摘 要当今，科学技术的不断进步，对测量技术的要求越来越高,并且测量技术在各个领域得到了广泛的应用。本文采用虚拟仪器的思想，结合计算机的结构特点，提出了一种以计算机为平台，基于声卡数据采集、显示与分析的虚拟仪器系统。介绍了声卡数据采集系统的制作要点，运用LabVIEW程序开发系统，在普通配备有声卡的计算机上，实现了单通道数据采集系统。实验结果表明：系统能够正确采集声卡设计频率内的信号，可用于该范围内的一般数据采集与应用。此方法生成的采集软件交互性好，性价比高，且实现简单，还可以根据用户的需求进行功能扩充，为低成本构建数据采集系统提供了一种思路。在LabVI
2、EW环境中简单、界面友好、实现了虚拟信号的采集分析及数据存盘重载。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：LabVIEW；声卡；数据采集；目录摘 要一 导言11.1 问题的提出11.2 虚拟仪器LabVIEW的概述21.2.1虚拟仪器的产生和概念21.2.2虚拟仪器的优点31.3 本课题研究意义41.4 本次设计的主要内容4二 LabVIEW编程环境介绍62.1 LabVIEW简介62.2 LabVIEW程序组成6三 声卡83.1 从数据采集角度认识声卡83.1.1声卡工作原理及性能指标83.1.2 声卡的硬件结构设计93.1.3 声卡的软件设计103.2
3、 声卡的主要技术参数113.2.1 采样的位数113.2.2 采样频率113.3 声卡用于数据采集时的一些设置12四 基于声卡数据采集系统的总体设计方案144.1 硬件的选择144.2 软件的实现154.2.1设计方案软件流程154.2.2 开发环境164.2.3 软件模块组成174.24 声卡设置模块174.2.5 波形实时显示模块184.2.6数据采集存储模块194.2.7 滤波模块204.2.8 整个软件程序款图如图4-9所示：21五 信号发生器信号测试实验225.1 信号测试系统组成225.2 实验数据记录225.2.1使用正弦信号225.2.2使用三角波信号245.2.3使用方波信号
4、255.3 实验结果分析265.3.1信号曲线异常现象265.3.2 误差分析27六 结 论28参考文献29收获和体会30一 导言1.1 问题的提出现代科技发展日新月异，计算机尤其如此。计算机强大的处理能力，使得它成为一种很好的工具，其应用范围也越来越广泛。虽然传统仪器已经得到迅猛的发展，仪器精度越来越高，功能越来越强，性能越来越好，但传统仪器基本上没有摆脱单独使用、手动操作的模式。在工业自动化测试及测量领域，传统的方法有许多重复建设，使用起来很不方便，其局限性非常明显，显然己经不能适应时代发展的需要了。传统台式仪器是由厂家设计并定义好功能的一个封闭结构，它有固定的输入/输出接口和仪器操作面板
5、。每种仪器只能实现一类特定的测量功能，并以确定的方式提供给用户。常用的数字示波器、数字万用表、信号发生器、数据记录仪及温度和压力监控器就是传统仪器的代表。一方面，目前我国高档台式仪器如数字示波器、频谱分析仪、逻辑分析仪等还主要依赖进口，这些仪器加工工艺复杂、对制造水平要求高，生产突破有困难。另一方面，用户可以将一些先进的数字信号处理算法应用于虚拟仪器的设计，提供传统台式仪器所不具备的功能，而且完全可以通过软件配置实现多功能集成的仪器设计。因此，目前研制一种结构简单、操作方便、生产技术要求不高、费用低的数字示波器是非常必要的。如何利用先进的计算机技术提高效率则成为测量领域迫切需要解决的问题。 1
6、.2 虚拟仪器LabVIEW的概述1.2.1虚拟仪器的产生和概念虚拟仪器(Virtual Instrument，简称VI)的概念，是美国国家仪器公司(National Instruments .简称NI)于1986年提出的。NI公司时也提出了“软件即仪器”的口号，彻底打破了传统仪器只能由厂家定义，用户无法改变的局面，从而引起了仪器和自动化工业的一场革命。随着现代软件和硬件技术的飞速发展，仪器的智能化和虚拟化已经成为各级实验室以及研究结构发展的方向。虚拟仪器，它既具有传统仪器的功能，又有别于其他传统仪器。它能够充分利用和发挥现有计算机的先进技术，使仪器的测试和测量及自动化工业的系统测试和监控变得
7、异常方便和快捷虚拟仪器（virtual instrument）是基于计算机的仪器计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。简单的说，这种结合有两种方式。一种方式是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器的功能也越来越强大，目前已经出现含有嵌入式系统的仪器。另一种方式是将仪器装入计算机，以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能。虚拟仪器主要是指这种方式。如图1-1反映了常见的虚拟仪器组建方案。信号调理数据采集卡数据处理虚拟仪器面板被测对象图1-1 常见的虚拟仪器组建方案虚拟仪器的主要特点有：（1）尽可能采用通
8、用的硬件，各种仪器的差异主要是软件。（2）可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功能强大的仪器。（3）用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。数据采集系统的主要任务是将被测对象的各种参数做A/D转换后送入计算机，并对采集到的信号做相应的处理。数据采集系统分为软件和硬件两个部分。数据采集软件通常根据用户的要求进行编写，选择好的开发平台可以起到事半功倍的效果。LabVIEW是一个较好的图形化开发环境，它内置了信号采集、测量分析与数据显示功能，提供超过450个内置函数用于分析测量数据及处理信号，将数据采集、分析与显示功能集中在了同一个开方式的开发环境中。LabVIEW的交互式测量
9、、自动代码生成以及与多种设备的简易连接功能，使它能够较好的完成数据采集。 虚拟仪器的起源可以追朔到20世纪70年代，那时计算机测控系统在国防、航天等领域已经有了相当的发展。PC机出现以后，仪器级的计算机化成为可能，甚至Microsoft公司的Windows诞生之前，NI公司已经在Macintosh计算机上推出了LabVIEW2.。以前的版本。对虚拟仪器和LabVIEW长期、系统、有效的研究开发使得该公司成为业界公认的权威。虚拟仪器技术指在包含数据采集设备的通用计算机平台上，根据需求可以高效率地构建形形色色的测量系统。对大多数用户而言，主要的工作变成了软件设计。虚拟仪器技术突破了传统仪器的局限，
10、可以将许多信号处理的方法方便地应用于军事、航空、航天、等领域和科研院所，现在已经越来越多地出现在工厂及其他的民用场合。1.2.2虚拟仪器的优点一台性能优良的虚拟仪器不仅可以实现传统仪器的大部分功能，而且在许多方面有传统仪器无法比拟的优点，如使用灵活方便、功能丰富、价格低廉、可一机多用、可重复开发等。与传统仪器相比虚拟仪器主要有以下优点:（1）融合了计算机强大的硬件资源，突破了传统仪器在数据处理、显示、存储等方面的限制，大大增强了传统仪器的功能。而且高性能处理器、高分辨率显示器、大容量硬盘等已成为虚拟仪器的标准配置。（2）利用了计算机丰富的软件资源，一方面，实现了部分仪器硬件的软件化，节省了物质
11、资源，增加了系统的灵活性:一方面，通过软件技术和相应的数值算法，实时、直接地对测量数据进行各种分析与处理;另一方面，通过图形用户界面(Graph User Interface)技术，真正做到界面友好、人机交互。1.3 本课题研究意义在声卡数据采集系统设计中，硬件解决信号的输入和输出，软件可以方便地修改、改变仪器系统的功能，以适应不同使用者的需要。其中信号的输入部分一般使用数据采集卡实现，商用的数据采集卡具有较大的通用性，但其价格昂贵。在具体的应用场合，有些功能可能不实用。普通声卡具有16位的量化精度、数据采集频率是44kH完全可以满足特定应用范围内数据采集的需要，个别性能指标还优于商用数据采集
12、卡，而价格却为商用数据采集卡的十几分之一甚至几十分之一。本文利用普通声卡作采集卡，美国NI公司的虚拟仪器软件LabV工EW作开发平台，设计实现了一种方便的、灵活性强的虚拟示波器，该系统能够正确采集声卡设计频率范围内的信号(如声音、脉搏、心电、脑电、电话等)，对一些应用领域是一种很好的选择。目前高精度、具有数据存储能力的示波器，由于工艺复杂、技术要求高，因而价格昂贵，所以虚拟数字存储示波器的设计有一定的经济价值;虚拟示波器能充分发挥虚拟仪器结构简单、灵活方便、功能丰富、价格低廉、一机多用、能重复开发、可由用户自定义的优势。基于声卡的数据采集，声卡输入信号的同时，还可同时显示、记录、采集、存储、处
13、理等功能，使用者能更清楚地观察波形的变化、及时进行数据处理、观察和分析实验结果。所以本课题具有一定的研究意义。1.4 本次设计的主要内容本设计首先要进行声卡数据采集总体方案设计;由于技术条件有限，所以本次设计采用单通道的数据采集方式。设计中应掌握虚拟仪器的软件编程环境LabVIEW的使用;熟悉声卡的使用，进行示波器硬件模块的设计;用图形化编程语言LabVIEW实现虚拟示波器的声卡设置模块、核心是数据采集程序的实现，其中也包括数据存盘与重载、波形显示及采样、信号分析与处理等几个环节。本设计各章的安排如下:1、LabVIEW编程环境介绍，包括LabVIEW的简介和LabVIEW的程序组成。2、主要
14、介绍了从数据采集角度认识声卡，声卡的工作原理，在硬件和软件方面的实现，最后讲述了声卡主要技术参数的设置。3、基于声卡数据采集的总体设计方案。主要介绍以下几个方面的内容:声卡和数据采集卡的选择，对软件开发环境和软件模块组成做出分析。4、信号发生器信号测试实验。包括信号测试系统的组成和实验数据记录及分析。最后，对论文进行总结。设计内容流程图为图1-2所示：基于声卡数据采集的总体设计方案信号处理与分析波形显示及采样数据采集和数据采集卡声卡的认识程序的实现图1-2 设计内容流程图二 LabVIEW编程环境介绍2.1 LabVIEW简介LabVIEW是一种图形化的编程语言和开发环境，它广泛地被工业界和研
15、究实验室所接受，被公认为是标准的数据采集控制软件。不仅提供了与遵从GPIB,VXI，RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通信的全部功能，还内置了支持TCP/IP,ActiveX等软件标准的库函数，而且其图形化的编程界面使编程过程变得生动有趣。LabVIEW是一个功能大而且灵活的软件，利用它可以很方便地建立自己的虚拟仪器。利用LabVIEW，可以产生独立运行的可执行文件。LabVIEW是真正的32位编译器。像其他的软件一样，提供了LabWindows, Linux和Macintosh等多种版本。2.2 LabVIEW程序组成该环境包含包括三个部分:程序前面板、框图程序和图标/连接端口
16、。程序前面板用于设置输入数值和观察输出量，用于模拟真实仪表的前面板。在程序前面板上，输入量被称为控制(Controls)，为虚拟仪器的框图程序提供数据:输出量被称为显示(Indicators)，显示虚拟仪器流程图中获得或产生的数据。控制和显示是以各种图标形式出现在前面板上，如旋钮、开关、按钮、图表、图形等，这使得前面板直观易懂。一个程序前面板都对应着一段框图程序。框图程序用LabVIEW图形编程语言编写，可以把它理解成传统程序的源代码。框图程序由节点(Node)、数据连线(Wire )构成。节点是vi程序中的执行元素，类似于文本编程语言程序中的语句、函数或子程序。节点之间数据连线按照一定的逻辑
17、关系相互连接，可定义框图程序内的数据流动方向。节点之间、节点与前面板对象之间是用数据端口和数据连线来传递数据的。数据端口是数据在前面板对象和框图程序之间传输的通道，是数据在框图程序内节点之间传输的接口。LabVIEW中有两种类型的数据端口:控制端口和指示端口以及节点端口。控制端口和指示端口用于前面板对象，当VI程序运行时，从控制输入的数据通过控制端传递到框图程序，供其中的程序使用，产生的输出数据在通过指示端口传输到前面板对应的指示中显示。每个节点端口都有一个或数个数据端口用于输入或输出.LabVIEW采用的一种获得专利的数据流编程模式，这不同于一些基于文本的编程语言的线性结构，不同于执行一个传
18、统的控制流方法。控制流执行的是指令驱动，而数据流执行的是数据流驱动。但一个虚拟仪器的图标被放置在另一个虚拟仪器的流程图中时，它就是一个子仪器(Sub VI)。 图标/连接端口可以把VI变成一个Sub VI，然后像子程序一样在其他程序中调用。图标是Sub VI的直观标记，是Sub VI在其他程序框图中被调用的节点表现形式;而连接端口则表示该Sub VI与调用它的VI之间进行数据交换的输入/输出口，就像传统编程语言子程序的参数。三 声卡3.1 从数据采集角度认识声卡3.1.1声卡工作原理及性能指标声音的本质是一种波，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
19、主要功能就是将所获取的模拟音频信号转换为数字信号，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（脉冲编码调制）方式送到D/A转换器，变成模拟的音频信号，进而通过功率放大器或线路输出（Line Out）送到音箱等设备转换为声波，人耳侦测到环境空气压力的改变，大脑将其解释为声音。图3-1是声卡的工作框图，模拟声信号经过声卡前置处理及A/D转换后变成数字信号，送人输入缓冲区，然后通过各种数字信号
20、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把保存到存储设备，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。图3-1声卡工作框图衡量声卡的技术指标包括复音数量、采样频率、采样位数（即量化精度）、道数、信噪比（SNR）和总谐波失真（TDH）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
21、。（2）采样频率每秒采集声音样本的数量。采样频率越高，记录的声音波形就越准确，保真度就越高，但采样数据量相应变大，要求的存储空间也越多。（3）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（bit）。位数越高，在定域内能表示的声波振幅的数目越多，记录的音质也就越高。例如,16位声卡把音频信号的大小分为216=65536个量化等级来实施上述转换。3.1.2 声卡的硬件结构设计 声卡虚拟仪器的硬件组成如（图4-2）所示：图4-2声卡接口示意图硬件连接采用两种连接线：（1）一条一头是3.5mm插孔，另外一头是鳄鱼夹的连接线；（2）是一条双头为3.5mm插孔的音频连接线（在市面上可以买到）。为测试
22、声卡的频率特性，可使用测试线（2）将声卡的输入端与输出端连接起来，形成一个闭合的环路。连接时要注意区分Mic In和SPK Out口，不要把它们当作Line In与Line Out接入。如果测试输入信号，则使用测试线（1）把信号源接到声卡输入端Line In口；如果测试输出信号，就把该测试线接到声卡输出端Line Out口。可以使用坏的立体声耳机做一个双通道的输入线，减去耳机，保留线和插头即可。注意这两个通道是共地的。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，容易引入噪音且会
23、导致信号过负载，故推荐使用Line In，其噪音干扰小且动态特性良好。声卡测量信号的引入应用音频电缆或屏蔽电缆以降低噪音干扰。若输入信号电平高于声卡所规定的最大允许输入电平。此外，将声卡的Line Out端口接到耳机上还可以实现的监听声音信号。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卡，由于存在隔直耦合电容，一般声卡的信号频率测量范围受限为10Hz22KHz，输入电压范围为1Vpp5Vpp。另外，对于高级的声卡采集信号时，要注意关闭如混响之内的一些特效，避免影响测量结果的真实性。目前的独立声卡或者板载声卡都包括有晶振、A/D、D/A转换芯片和数字信号处理芯片
24、及其它辅助电路，因此它可作为数据采集卡使用。现在的声卡一般都采用PCI接口，完全满足最高16bit的采样精度、44.1kHz的采样频率所需705.6kb的数据采集传输率要求。而且，声卡是用DMA方式进行数据采传送的，这样就级大地降低CPU的占有率。3.1.3 声卡的软件设计在Windows环境下,应用程序对声卡波形音频设备进行处理有3种方法。第一种是使用高层音频服务的MCI函数来控制波形设备。第二种是应用DirectX的音频服务技术。第三种则是使用低层音频服务API函数。MCI提供了一组与设备无关的控制命令,是一种访问多媒体设备的高层次方法。它使用简便,但灵活性较差,在录音的过程中不能直接访问
25、内存中的采样数据,无法满足实时性要求。采用DirectSound的方法,控制灵活,但实现起来比较困难,而且它在信号采集方面的应用性能并不比低层音频函数优越。Windows的低层音频函数可直接与声卡驱动程序进行通信,提供了对声卡的最大灵活性的操作,允许在采样过程中随机地访问内存中的每个采样数据,完全可以克服使用MCI命令所遇到的实时性问题。因此,本文在VC+6.0环境下,使用低层音频API函数进行采集软件的设计。（1）低层音频函数本系统是对信号波形输入设备的操作,因此采用以wave开头的一系列低层音频服务API函数,实现对波形输入缓冲区数据的控制。（2）软件实现用低层音频函数控制声卡进行数据采集
26、的程序。它主要包括查询波形输入设备,打开、关闭输入设备驱动程序,输入数据缓冲区的分配、准备和管理,采样数据的显示和存储,以及错误处理这几大部分。3.2 声卡的主要技术参数3.2.1 采样的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，录制和回放的声音就越真实。声卡的位是指声卡在采集和播放声音文件时所使用的数字声音信号的二进制位数，它客观地反映了数字声音信号对输入声音信号描述的准确程度。例如，8位代表28=256；16位则代表216=64103。比较一下，一段相同的音乐信息，16位声卡能把它分为16103个精度单位进行处理，而8位声卡只能处理256个精度单位，最终的采样
27、效果自然是无法相提并论的。3.2.2 采样频率目前，声卡的最高采样频率是44.1KHz，少数达48KHz，对于民用声卡，一般将采样频率设为4挡，分别是44.1KHz、22.05KHz和8KHz。22.05KHz只能FM广播的声音品质；44.1KHz是理论上的CD音质界限，48KHz则更好一些。对20KHz范围内的音频信号，最高采样频率才48KHz，虽然理论上没有问题，但似乎余量不大。使用声卡比较大的局限性在于，它不允许用户在最高采样频率之下随意设定采样频率，而只能分4挡设定。这样虽然可以使制造成本降低，但不便于使用。用户基本上不可能控制整周期采样，只能通过信号处理的方法来弥补非整周期采样带来的
28、问题。3.3 声卡用于数据采集时的一些设置一般声卡主要用于输出声音，输入部分可能没有处于正常工作状态。建议首先使用耳机和MIC检查声卡的功能，特别是输入功能（录音功能）是否正常。如果不正常。需要检查声卡的设置。一般来说，这里的设置有两层含义，首先是要配置所需要的功能，其次就是要保证已经配置的功能不处于关闭状态。下面介绍对Line In和Mic In的检查和设置。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。双击屏幕右下角的音量图标，弹出主音量设置菜单如图3-4所示。图3-4 主音量设置在“选项”菜单下选“属性”，得到属性菜单如图4-5所示，在此对话框上选择“录音”，并配置列表中的选项即
29、可。注意图3-5中相关的功能都不在静音状态。 图3-5属性菜单单击确定。出现录音控制菜单如图3-6所示。选择线路输入，通过调节线路输入可以更改数据采集波形幅值的大小。图3-6 录音控制菜单四 基于声卡数据采集系统的总体设计方案4.1 硬件的选择目前的独立声卡或者板载声卡都包括有晶振、A/D、D/A转换芯片和数字信号处理芯片及其它辅助电路，因此它可作为数据采集卡使用。现在的声卡一般都采用PCI接口，完全满足最高16bit的采样精度、44.1kHz的采样频率所需705.6kb的数据采集传输率要求。而且，声卡是用DMA方式进行数据采传送的，这样就级大地降低CPU的占有率。LabVIEW对声音采集的设
30、置默认于其所处的操作系统，本文使用的是最普通的声卡，计算机配置为Intel(R) Celeron(R)/1G内存，板载Realtek AC97 Audio声卡，图4-1为该声卡的实物图。图4-1 声卡实物图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。LabVIEW数据采集库包含了许多有关采样和生成数据的函数，它们与NI的插卡式或远程数据采集产品协同工作。数据采集卡是进行高速直接控制以及低速控制的理想设备。由于数据采集卡价格低廉、操作携带方便，因此大大的降低了每个通道的成本。商用的数据采集卡虽具有较大的通用性，但其价格昂贵，在具体的应用场合，有些功能可能并
31、不实用。普通声卡，具有16位的量化精度、数据采集频率是44 kHz完全可以满足特定应用范围内数据采集的需要，个别性能指标还优于普通商用数据采集卡，而价格却为商用数据采集卡的十几分之一甚至几十分之一，本设计选用普通声卡作采集卡大大降低了成本。数据采集系统的任务是采集模拟信号，其主要指标有采样精度、采样速度。采样精度由转换器的位数来决定，而采样速度是与采样频率不可分的。数据采集卡的选择主要与采样率、测量通道、分辨率和测量精度有关。采样率即在单位时间内的测量次数，一般用H:即采样频率来表示。采样率的选择，取决于被测量的信号的变化速度，根据香农采样定理，所需的采样频率应为所测信号的最高频率分量的两倍以
32、上，即应选用100kH的板卡才能完成最高频率为50kHz的被测信号的测量工作。测量中都需将模拟信号经A/D转换成二进制的数字信号，分辨率就是将满量程信号经A/D转换后得到的二进数的位数。分辨率越高，意味着可检测出来的电压变化越小，它和测量范围(可测量的最高电平和最高电平)及增益(板卡的放大倍数)一起决定了该板卡可测的最小电压变化量，也称为二进码的宽度，现在产品中有8位、12位、16位的最多。4.2 软件的实现4.2.1设计方案软件流程如图4-2所示，这个流程与一般数据采集卡并无多大差别，这也是本设计的最基本的骨干。图4-2 声卡数据采集流程图声卡数据采集虚拟示波器是采用基于计算机的虚拟技术，用
33、以模拟通用示波器的面板操作和处理功能，也就是使用个人计算机及其接口电路来采集现场或实验室信号，并通过图形用户界面(GUI)来模仿示波器的操作面板，完成信号采集、调理、分析处理和显示输出等功能。我所设计的虚拟示波器，是在数据采集硬件的支持下，配备一定功能的软件，完成波形的存储、分析、显示等功能。一般测试仪器由信号采集、信号处理和结果显示三大部分组成，这三部分均由硬件构成。虚拟示波器也是由这三大部分组成，但是除了信号采集部分是由硬样实现之外，其它两部分都是由软件实现。4.2.2 开发环境本数采系统使用的LabVIEW8.2中文版编程环境。其有两个基本的窗口：前面板窗口和流程图窗口，其中前面板是La
34、bVIEW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；流程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，在流程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；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。LabVIEW使用了数据流编程模式，它有别于基于文本语言的线性结构。在LabVIEW中执行程序的顺序是由块之间的数据流决定的，可以设计出可同时执行多个程序的流程图，目前在测控、自动化、通信、半导体、军事、航空航天、汽车、生物医疗、家电测试等
35、领域得到广泛的应用。 4.2.3 软件模块组成根据实际需要，软件模块有以下几部分组成：声卡设置模块、波形实时显示模块、数据采集的储存模块。另外。为了更有效、准确地采集所需数据，在软件中还加入了滤波功能。图4-4为程序的前面板，在前面板上设有声音格式、采集模式、每通道采集样数各声道滤波器高低截止频率的设置按键；同时，4个波形图分别来显示采集到的信号、功率谱、相位、滤波后的图形。图4-4 程序前面板4.2.4 声卡设置模块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
36、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，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4-5为各个与声
37、卡输入有关的函数。图4-5 声卡的输入函数在编程过程中，使用LabVIEW中与声卡相关的一些函数进行编程。对于声卡的声道可以分为单声道8位、单声道16位、立体声8位和立体声16位。其中，16位声道比8位声道采样的信号质量好，立体声比单声道采样的信号质量好。所以本系统将采样比特数设为16。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22050Hz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
38、区的大小，通过实验设置为10000较为合理。4.2.5 波形实时显示模块在本模块中，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。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。最后波形数据进去波形图进行实时显示。图4-6为程序的前半部分，同时也是程序的主要部分。其中包括了：数据采集、滤波、频谱分析和实时显示等功能。图4-6 波形实时显示模块4.2.6数据采集存储模块在数据采集过程中，程序会自动对采集到的数据进行存储，并创建一个txt文档进行数据的存储。如图4-7所示，当获取波形成分之后就进入到下一个节点，进行数组至电子表格字符串转换，然后把格式化
39、写入字符串，接着进行创建、打开或替换文件，最后产生文件存储对话框。图 4-7数据采集存储模块4.2.7 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可以取代模拟滤波器，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。 （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
40、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。 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。 在LabVIEW的信号处理函数中，具有以下几种常用的滤波器： 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 程序中，我们根据实验选择巴特沃斯带通滤波器并设置其高截至频率为10000Hz，低截至频率为系1000Hz，阶数为2阶。在实验环境下，由于信号频率的变化，所以本系统中加入和未加入滤波器会导致
41、的实验结果的差异。并且考虑到系统的通用性，希望其能在复杂的场合工作正常，所以滤波器的设计依然是必不可少的。图4-8为巴特沃斯带通滤波器控件。图4-8 巴特沃斯带通滤波器4.2.8 整个软件程序款图如图4-9所示：图4-9 整个软件程序框图五 信号发生器输入信号测试实验5.1 信号测试系统组成本实验是发生器信号测试实验，目的旨在测试设计的基于声卡的数据采集系统在实际实验中的应用。声卡的设计是为了满足人耳的听力,所以隔掉了直流,也不接收22kHz以上的频率部分。为了验证试验结果,本文选用上海无线电仪器厂的S101型函数发生器作为标准信号源,江苏扬中电子仪器厂的YB4320A型示波器进行对照测试。计
42、算机配置为intel i945G Rev.A2+/1G内存,板载Realtek AC97 Audio声卡。信号测试系统的组成如图5-1所示：获得结果LabVIEW计算机声卡信号发生器图5-1 信号测试系统组成5.2 实验数据记录实验使用butterworth滤波器，带通1000-10000HZ、采样频率22050.00fs。5.2.1使用正弦信号1.实验：输入信号频率等于8.036KHZ时，采集到的波形如图5-1所示：图5-1 信号频率为8.036KHZ时的波形2.实验：输入信号频率等于1.2276KHZ时，采集到的波形如图5-2所示：图5-2 信号频率为1.2276KHZ时的波形3.实验：输
43、入信号频率等于125.55HZ时，采集到的波形如图5-3所示：图5-3 信号频率为125.55HZ时的波形4.实验：输入信号频率等于12.509HZ时，采集到的波形如图5-4所示：图5-4 信号频率为12.509HZ时的波形5.2.2使用三角波信号1、实验：输入信号频率等于25.185HZ时，采集到的波形如图5-5所示：图5-5 信号频率为15.185HZ时的波形2、实验：输入信号等于频率253.47HZ时，采集到的波形如图5-6所示：图5-6 信号频率为253.47HZ时的波形3、实验：输入信号等于频率2.47KHZ时，采集到的波形如图5-7所示：图5-7 信号频率为2.47KHZ时的波形4
44、、实验：输入信号频率等于6.163KHZ时，采集到的波形如图5-8所示：图5-8 信号频率为6.163KHZ时的波形5.2.3使用方波信号1、实验：输入信号频率等于5.247KHZ时，采集到的波形如图5-9所示：图5-9 信号频率为5.247KHZ时的波形2、实验：输入信号频率等于1.587KHZ时，采集到的波形如图5-10所示：图5-10 信号频率为1.587KHZ时的波形3、实验：输入信号频率等于156.8HZ时，采集到的波形如图5-11所示：图5-11 信号频率为156.8HZ时的波形4、实验：输入信号频率等于16.04HZ时，采集到的波形如图5-12所示：图5-12 信号频率为16.0
45、4HZ时的波形5.3 实验结果分析为了验证本实验的数据采集效果，用示波器进行实验比较。上图所列举的只是部分实验数据，从实验的情况来看有一些值得讨论的问题。5.3.1信号曲线异常现象由于采用了2阶的Butterworth滤波器，其带通为1000-10000HZ，超出这个范围的信号波形，经过滤波后的波形会受到衰减。在功率谱的显示窗口中可以发现随着谐波等级的升高，能量逐次递减。5.3.2 实验分析（1）先从正弦波信号的实验结果分析。由上图可以看出，当正弦波信号频率为8.036KHZ和1.2276KHZ时，采集到的信号波形和滤波后的波形是一致的。而当正弦波信号频率为125.55HZ 和12.509HZ
46、时，采集到的信号波形和滤波后的波形不一致。产生这样的实验结果是由于实验采用了butterworth滤波器，其带通为1000-10000HZ，只有信号频率在这个范围内采集到的波形才不会滤波器虑除掉。超出这个范围，经过滤波器滤波后的波形就会被滤除掉。同理，分析方波信号和三角波信号也可得出同样的结论。（2）分析方波信号的实验结果可以发现，当方波信号频率较低时，信号出现失真。这是由声卡前面的隔直电容的作用引起的；同样，输入的方波信号频率过高也会引起失真。这是由于方波信号频谱比较复杂，包含了高次谐波成分，而对于高次谐波的信号采集，实验中设置的采样频率并不满足香农定理的要求。由此可见，本设计适用于中频信号，低频和高频会出现失真。第六章 结 论本设计给出了利用声卡和LabVIEW构建数据采集系统的方法，采用PC技术、DSP技术和LabVIEW多线程技术，实现了对音频信号实时采集与处理，为低成本下构建数据采集系统提供了一种思路。实践证明，整个系统性价比高，通用性强，界面友好，数据存储方便。在PC上配置多块声卡并行工作，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。在声卡性能越来越好、成本越来越低、普及率越
