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荣杰五金网 2022-01-14 20:41:48

基于声卡的LabVIEW数据采集与分析系统设计

基于声卡的LabVIEW数据采集与分析系统设计 2011年12月09日 来源: 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。1 LabVIEW简介LabVIEW是美国NI公司具有革命性的图形化虚拟仪器开发环境,是业界领先的测试、测量和控制系统的开发工具。它内置信号采集、测量分析与数据显示功能,集开发、调试、运行于一体,不仅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工具,而且LabVIEW虚拟仪器程序(Virtual Instrument,简称VI)可以非常容易的与各种数据采集硬件、以太网系统无缝集成,与各种主流的现场总线通信以及与大多数通用数据库链接。 “软件就是仪器”反映了其虚拟仪器技术的本质特征[1]。LabVIEW 7.0版本推出了Express技术,简化了测试测量应用系统的开发进程,其灵活的交互式VI易与各种范围的I/O信号连接,用户只需点击鼠标配置应用系统,即可完成搭建工作并开始运行。通过简单地修改Express VI的配置,可以快速反复地修改应用程序以适应新的测试测量需求。2 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[2]: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。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)、声道数、信噪比(SNR)和总谐波失真(THD)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。目前一般的声卡最高采样频率可达96KHz;采样位数可达16位甚至32位;声道数为2,即立体声双声道,可同时采集两路信号,需要时还可选用多路输入的高档声卡或配置多块声卡;每路输入信号的最高频率可达22.05 KHz,输出16位的数字音频信号,而16位数字系统的信噪比可达96dB。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。此外,将声卡的Line Out端口接到耳机上还可以实时的监听声音信号。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,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。3.2 软件设计根据VI结构化的特征,把整个系统分为数据采集和信号分析两个模块,以友好的图形界面与用户进行交互。3.2.1 数据采集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。由于PCM波形音频格式输出的信号质量最好,所以本文使用该格式对信

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