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1、基于LaabVIIEW的的声卡信信号采集集分析系系统设计计 0070441155班022号摘要：要要在LAABVIIEW环环境中进进行对声声卡编程程，就是是运用常常用周期期信号及及测试领领域特殊殊信号的的双通道道模拟输输出。由由于专用用数据采采集卡成成本比较较昂贵、而而且和计计算机兼兼容性比比较差等等缺点，这这个论文文就是应应用性能能良好、价价格低廉廉的计算算机声卡卡设计一一套基于于 LaabVIIEW 的信号号采集分分析系统统。该系系统具有有双通道道、高保保真、222K 甚至 44KKHz 的采样样率，实实现了音音频信号号的实时时采集、实实时存储储、回放放、信号号分析（时时域分析析和频域域分
2、析）等等多种功功能。实实验结果果表明：该设计计方案具具有设计计简便、成成本低、通通用性高高、扩展展性好、界界面大方方简洁等等优点，可可广泛应应用于工工程测量量和科学学实验室室等环境境。关键词：声卡；数据采采集；虚虚拟仪器器；LaabVIIEW ；引言数据采集集是信号号分析与与处理的的一个重重要环节节，在许许多工业业控制与与生产状状态监控控中，都都需要对对各种物物理量进进行数据据采集与与分析。但但是，专专用数据据采集卡卡的价格格一般比比较昂贵贵，而我我们PCC机的声声卡就是是一个很很好的双双通道数数据采集集卡。实实际测量量中，在在满足测测量要求求的前提提下，可可以充分分利用计计算机自自身资源源，
3、完成成数据采采集任务务，从而而节省成成本。虚拟仪器器是基于于计算机机的软硬硬件测试试平台。虚虚拟仪器器技术的的优势在在于可由由用户定定义自己己的专用用仪器系系统,且且功能灵灵活,很很容易构构建,所所以应用用面极为为广泛。目目前应用用最广、发发展最快快、功能能最强的的图形化化软件集集成开发发环境是是美国国国家仪器器公司的的创新软软件产品品1。它是是将仪器器装入计计算机中中, 以以通用的的计算机机硬件及及操作系系统为依依托, 可以实实现各种种仪器的的功能。LabVVIEWW是一种种图形化化编程语语言，广广泛应用用于工业业界、学学术界和和研究实实验室,主要应应用于仪仪器控制制、数据据采集、数数据分析
4、析、数据据显示等等领域,适用于于多种不不同的操操作系统统平台。与与传统CC、C+等编编程语言言不同，LLabVVieww采用强强大的图图形化语语言编程程,面向向测试工工程师而而非专业业程序员员，编程程方便,人机交交互界面面直观友友好，具具有强大大的数据据可视化化分析和和仪器控控制能力力等特点点2。1 声卡卡信号采采集系统统总体设设计方案案声卡采集集系统原原理框图图如下图图1所示示。它主要由由声源、信信号调理理模块、计计算机声声卡以及及安装于于计算机机机上的的LabbVIEEW软件件等几部部分组成成。图1 声声卡采集集系统原原理框图图工作过程程为：输输入时，测测试信号号首先经经过信号号调理电电路
5、，利利用PCC机声卡卡的麦克克风输入入（miic iin）或或线路输输入（llinee inn）作为为信号的的输入端端口，将将获取到到的模拟拟音频信信号经过过左右两两个通道道和A/D转换换后送入入计算机机，通过过LabbVIEEW编写写的采集集程序进进行各种种处理和和保存；输出时时，经过过采集系系统处理理的数据据通过总总线将数数字化的的信号以以PCMM方式送送到D/A转换换器，编编程模拟拟的音频频信号由由线路输输出（llinee ouut）端端口通过过耳机或或音响转转换为音音波播放放出来。信号调理理电路：在信号号进入声声卡之前前必须经经过信号号调理，主主要包括括信号的的放大、滤滤波、隔隔离和线
6、线性化处处理，以以使其能能够被声声卡正确确的识别别。声卡卡的麦克克风（mmic in）输输入端具具有高增增益放大大器，会会使得信信号产生生较大失失真，所所以选择择线路（llinee inn）输入入信号时时，其输输入电压压应为-1+1V。声卡：计计算机的的声卡作作为数据据采集卡卡，其AA/D转转换功能能已经成成熟，而而且计算算机无需需添加额额外配件件便能完完成所有有音频信信号的采采集功能能，具有有价格低低廉、采采样精度度高，与与LabbVieew结合合编程简简单等优优点，因因此，利利用声卡卡可以构构成一个个较高采采样精度度、中等等采样频频率、灵灵活性好好的信号号采集系系统。声卡主要要技术指指标有
7、采采样位数数、采样样频率、频频率范围围和频率率响应、基基准电压压等。（1）采采样位数数：采样样位数可可以理解解为声卡卡处理声声音的解解析度。这这个数值值越大，解解析度就就越高，录录制和回回放的声声音就越越真实。如如今市面面上所有有的主流流产品都都是166位的声声卡，而而一般的的数据采采集卡大大多也才才有122位，因因此，声声卡相较较于常用用的数据据采集卡卡毫不逊逊色33。（2）采采样频率率：采样样频率是是指录音音设备在在一秒钟钟内对声声音信号号的采样样次数，采采样频率率越高声声音的还还原就越越真实越越自然。在在当今的的主流民民用声卡卡上，采采样频率率一般共共分为88 KHHz 、111.002
8、5KKHz、222.005KHHz和444.11KHzz四个等等级，少少数可以以达到448 KKHz 。对于于20HHz220KHHz范围围内的音音频信号号，如果果采用448 KKHz采采样频率率，虽然然理论上上是可行行的，但但是效果果已经不不是最好好。因而而使用声声卡的局局限性就就是不允允许用户户在最高高采样率率下随意意设定采采样频率率。对于于高于448KHHz的采采样频率率人耳已已无法辨辨别出来来了，因因此没有有实用价价值。（3）频频率范围围和频率率响应：前者是是指音响响系统能能够回放放的最低低有效回回放频率率与最高高有效回回放频率率之间的的范围；后者是是指将一一个以恒恒电压输输出的音音频
9、信号号与系统统相连接接时，音音箱产生生的声压压随频率率的变化化而发生生增大或或衰减、相相位随频频率而发发生变化化的现象象。以声声卡作为为虚拟测测试仪器器的硬件件设备必必须对其其频率特特性有所所了解。本本系统所所用计算算机主板板集成声声卡是RReakktekk的ALLC8880 CCodeec，根根据其性性能指标标，设置置采样率率为444.1KKHz，采采样位数数为双通通道，采采样比特特数为116位，以以保证采采样时的的干扰较较小、波波形稳定定4。（4）基基准电压压：声卡卡没有基基准电压压，因此此无论是是A/DD还是DD/A转转换器，都都需要用用户参照照基准电电压进行行标定5。2 声卡卡信号采采
10、集系统统设计实实现LabVVIEWW软件是是一种基基于图形形语言编编程的可可视化软软件开发发平台，与与VC，VVB等其其他可视视化编程程语言相相比，其其函数库库丰富、编编程简单单直观、调调试方便便，而且且界面开开发简单单，界面面风格与与传统仪仪器相似似。LaabVIIEW是是一个外外观和操操作能模模仿实际际的仪器器的程序序开发环环境，类类似于CC、BAASICC等编程程语言。但但LabbVIEEW的特特点在于于，它使使用图形形化编程程语言GG在流程程图中创创建源程程序，而而非使用用基于文文本的语语言来产产生源程程序代码码。LaabVIIEW还还整合了了诸如满满足GPPIB、VVXI、UUSB、
11、RRS-2232和和RS-4855以及数数据采集集卡等硬硬件通讯讯的全部部功能。内内置了便便于TCCP/IIP、AActiive X等软软件标准准的库函函数。虽虽然LaabVIIEW是是一个通通用编程程系统，但但是它也也包含了了数据采采集和仪仪器控制制等特别别设计的的函数库库和开发发工具。由由于LaabVIIEW所所使用的的术语、图图标和概概念都是是技术人人员、科科学家、工工程师所所熟悉的的，故而而即使用用户没有有多少编编程经验验，同样样也能利利用LaabVIIEW来来开发自自己的应应用程序序6。以LabbVIEEW为基基础的本本声卡信信号采集集系统主主要完成成了信号号采集、存存储、回回放和频
12、频域分析析等功能能。本设设计对于于信号采采集如此此多的功功能采用用了分模模块显示示设置，这这样使得得主程序序前面板板简单明明了，且且功能齐齐全，方方便了用用户的操操作。2.1 虚拟示示波器的的设计虚拟示波波器的前前面板是是应该根根据实际际中的仪仪器面板板以及该该仪器所所要实现现的各种种功能进进行设计计的程序序交互式式图形化化用户界界面。根根据计算算机声卡卡的实际际特性，将将声卡设设置为双双通道、444.11kHzz采样频频率、116位采采样比特特数、连连续采样样等，如如图2所所示。本本设计根根据实际际显示需需要，设设计的显显示前面面板如图图3所示示，该虚虚拟示波波器界面面实时显显示了所所采集歌
13、歌声的实实时信号号。同时时，实时时显示界界面的示示波器属属性设置置为X、YY轴均设设置为“自动调调整标尺尺”，从而而保证无无论信号号幅值如如何改变变，总可可以在纵纵坐标上上是清晰晰显示，这这样不仅仅方便用用户操作作，而且且观察方方便。图2 声声卡参数数设置图3 实实际采集集音频信信号实时时显示图4 虚虚拟示波波器后面面板程序序虚拟示波波器主要要是对声声卡采集集音频信信号的时时域实时时显示，其其后面板板程序主主要使用用whiile循循环结构构实现数数据实时时显示和和数据实实时存储储，实际际后面板板如图44所示。2.2 虚拟数数据分析析仪设计计数据分析析仪主要要包括数数据回放放、信号号参量、幅幅度
14、相位位谱和功功率谱的的测量等等。数据据回放主主要是将将已存储储的信号号重新读读取然后后进行分分析；数数据信号号参量测测量主要要从时域域上对信信号的周周期平均均值、周周期均方方值、峰峰峰值、均均值等测测量；幅幅度相位位谱和功功率谱主主要是从从频域上上对回放放信号的的幅度、相相位以及及功率进进行测量量。对手动保保存的历历史采样样信号文文件，通通过历史史数据回回放功能能，可以以逐块地地由软件件象采集集真实数数据一样样，重新新由软件件显示、处处理；由由此可以以重现试试验过程程、检验验各种功功能、验验证用户户的各种种设置；在软件件模块中中，用户户可以进进一步对对LabbVIEEW采集集的数据据进行进进一
15、步分分析、处处理；历历史数据据回放功功能能让让用户在在试验前前就调试试程序、在在试验后后反复用用试验数数据验证证，即用用实际数数据仿真真试验，减减少试验验成本、重重现关键键试验。历历史波形形回放程程序框图图如图55所示。图5 波波形回放放后面板板程序时域分析析是一种种直接在在时间域域中对系系统进行行分析的的方法，具具有直观观、准确确的优点点，可以以提供数数据采集集系统时时间响应应的全部部信息。图6 虚虚拟数据据分析仪仪框图程程序频域分析析是通过过傅里叶叶变换将将时域信信号变换换到频域域，其主主要是了了解信号号的频谱谱成分以以及各种种成分的的强度。本本设计主主要实现现了对采采集信号号的幅度度谱、
16、相相位谱和和功率谱谱分析等等功能。实实际程序序如图66所示。其其中，对对信号加加窗时，使使用矩形形窗将信信号突然然截断，在在频域上上造成很很宽的、原原信号中中不存在在的附加加频率成成分，即即有限化化带来的的泄露问问题。为为了防止止采集信信号发生生泄露，对对所采集集信号进进行加窗窗处理，系系统选择择了汉宁宁窗。虚虚拟分析析仪的界界面如图图7所示示，该图图显示为为实际采采集音频频信号的的FFTT变换频频谱。图7 虚虚拟频谱谱分析仪仪界面3 结束束语利用计算算机声卡卡代替昂昂贵的数数据采集集卡采集集数据，以以图形化化编程语语言的虚虚拟仪器器软件LLabVVIEWW为开发发工具，充充分利用用计算机机强
17、大的的信息处处理能力力和LaabVIIEW模模块化编编程技术术，实现现了常见见音频信信号的实实时采集集、显示示、存储储，回放放以及分分析等功功能。其其有效的的利用了了计算机机资源，节节约了数数据采集集成本，易易于构建建和升级级，并且且界面友友好，操操作简单单，成本本较低，易易于实现现，不仅仅可以应应用于科科研试验验，而且且可以应应用于检检测车辆辆等方面面，具有有比较广广阔的应应用前景景。参考文献献1 Nattionnal Insstruumennts. LaabVIIEW Useer MManuual M. TTexaas: Nattionnal Insstruumennts, 20003.2
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