【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ample，可下載音色庫(kù)）波表合成方式，其波表庫(kù)容量通常是 2MB、4MB、8MB，而像 SB Live 品牌聲卡甚至可以擴(kuò)展到 32MB。d） 聲道數(shù)：聲道數(shù)是衡量聲卡檔次的重要指標(biāo)之一，可以分為單聲道（早期聲卡采用） 、準(zhǔn)立體聲（錄音時(shí)采用單聲道，放音時(shí)用立體聲） 、立體聲（錄音和放音都是立體聲） 、四聲道環(huán)繞（中高檔聲卡采用）和 聲道（用于各類傳統(tǒng)影院和家庭影院中）等。LabVIEW 把聲卡的聲道分為單聲道（mono）和立體聲（stereo ）兩種。若用單聲道采樣，左右聲道信號(hào)都相同，且幅值為原信號(hào)的 1/2；用立體聲采樣，左右聲道互不干擾，可以采集兩路不同的信號(hào)，而且幅值與原信號(hào)相同。一般聲道數(shù)為 2，需要時(shí)還可選用多路輸入的高檔聲卡或配置多塊聲卡。e） 信噪比：以 dB（Decibel，分貝）計(jì)算的信號(hào)最大保真輸出與不可避免的電子噪音的比率。該值越大越好，低于 75dB，噪音在寂靜時(shí)有可能被發(fā)現(xiàn)。f） 總諧波失真：英文全稱為 Total Harmonic Distortion，簡(jiǎn)稱 THD，是指用信號(hào)源輸入信號(hào)時(shí)，輸出信號(hào)（諧波及其倍頻成分）比輸入信號(hào)多出的額外諧波成分，通常用百分?jǐn)?shù)來(lái)表示。一般來(lái)說(shuō)，1000H 頻率處的總諧波失真最小，因此不少產(chǎn)品均以該頻率的失真作為它的指標(biāo)。所以測(cè)試總諧波失真時(shí)，是發(fā)出 1000Hz 的聲音來(lái)檢測(cè)，這個(gè)值越小越好。g） 緩沖區(qū)：與一般 DAQ 卡不同，聲卡的 D/A 功能是連續(xù)狀態(tài)的，為了節(jié)省資源，聲卡的 D/A 或 A/D 都對(duì)某一緩沖區(qū)進(jìn)行操作，待緩沖區(qū)數(shù)據(jù)操作完畢時(shí)產(chǎn)生中斷，CPU 響應(yīng)中斷信號(hào)進(jìn)行處理。一般聲卡的緩沖區(qū)是 8KB（8192） 。用戶可以通過(guò)測(cè)試聲卡的性能指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)聲卡的好壞，聲卡性能指標(biāo)的測(cè)試主要有 3D（ThreeDimensional，三維圖形）定位精度測(cè)試、波形回放與錄音測(cè)試、多音頻流播放測(cè)試、全雙工通訊模式測(cè)試、MIDI 音效測(cè)試和 CPU 占用率測(cè)試等。LabVIEW 對(duì)聲音采集的設(shè)置默認(rèn)于其所處的操作系統(tǒng)，本文使用的是最普通的聲卡，對(duì)于高級(jí)的聲卡采集信號(hào)時(shí)，要注意關(guān)閉如混響之類的一些特效，避免影響測(cè)量結(jié)果的真實(shí)性。前置放大器，容易引入噪聲且會(huì)導(dǎo)致信號(hào)過(guò)負(fù)荷，故本系統(tǒng)使用，噪聲干擾小且動(dòng)態(tài)特性良好的 Line In。聲卡測(cè)量信號(hào)的引入采用音頻電纜或屏蔽電纜以降低噪聲干，可能在采集時(shí)帶來(lái)部分噪聲信號(hào)，但對(duì)一般的實(shí)驗(yàn)性研究不會(huì)帶來(lái)太多影響，在后面可以通過(guò)軟件濾波消噪達(dá)到良好的效果。 信號(hào)分析理論聲卡數(shù)據(jù)采集理論基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中以計(jì)算機(jī)作為處理機(jī)。眾所周知，計(jì)算機(jī)內(nèi)部參與運(yùn)算的信號(hào)是二進(jìn)制的離散數(shù)字信號(hào)，而被采集的物理量一般是連續(xù)的模擬信號(hào)。因此，在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中同時(shí)存在兩種不同形式的信號(hào)：連續(xù)模擬信號(hào)和離散數(shù)字信號(hào)。連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號(hào)，經(jīng)歷兩個(gè)斷續(xù)過(guò)程：1）時(shí)間斷續(xù)對(duì)連續(xù)的模擬信號(hào) x（t） ，按一定的時(shí)間間隔 Ts，抽取相應(yīng)的瞬時(shí)值（也就是通常所說(shuō)的離散化） ，這個(gè)過(guò)程稱為采樣。連續(xù)的模擬信號(hào) x（t）經(jīng)過(guò)采樣過(guò)程后轉(zhuǎn)為時(shí)間上離散的模擬信號(hào) xs（nTs） （即幅值仍是連續(xù)的模擬信號(hào)） ， 簡(jiǎn)稱為采樣信號(hào)。2）數(shù)值斷續(xù)把采樣信號(hào) xs（nTs ）以某個(gè)最小數(shù)量單位的整數(shù)倍來(lái)度量，這個(gè)過(guò)程稱為量化。采樣信號(hào) xs（nTs ）經(jīng)量化后變換為量化信號(hào) xq（nTs ） ，再經(jīng)過(guò)編碼，轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號(hào) x（n） （即時(shí)間和幅值是離散的信號(hào)） ，簡(jiǎn)稱為數(shù)字信號(hào)。在實(shí)際工作中，信號(hào)的抽樣是通過(guò) A/D 芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)的。圖 A/D 轉(zhuǎn)換原理通過(guò) A/D，將連續(xù)信號(hào) x（t）變成數(shù)字信號(hào) x（nTs） ，x（t）的傅立葉變換X（jΩ ）變成 X（ejw） 。模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)（A/D）變換轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的過(guò)程稱之為采樣，信號(hào)采樣后其頻譜產(chǎn)生了周期延拓，每隔一個(gè)采樣頻率 fs，重復(fù)出現(xiàn)一次。為保證采樣后信號(hào)的頻譜形狀不失真，采樣頻率必須大于信號(hào)中最高頻率成份的兩倍。這稱之為采樣定理。如圖 所示。圖 信號(hào)正常采樣和欠采樣 聲卡的可行性分析數(shù)據(jù)采集卡的功能是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，便于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。目前市場(chǎng)上出售的數(shù)據(jù)采集卡一般包含了完整的數(shù)據(jù)采集電路、與計(jì)算機(jī)的接口電路和驅(qū)動(dòng)程序，并且功能強(qiáng)大，性能良好。然而，其性能與價(jià)格基本成正比，少則幾百、多則上萬(wàn)元的價(jià)格使得系統(tǒng)開(kāi)發(fā)成本大大增加，系統(tǒng)性價(jià)比（性能/價(jià)格）大大減小。此外，數(shù)據(jù)采集卡種類繁多、良莠不齊，普通用戶在選擇的時(shí)候會(huì)無(wú)所適從。隨著 DSP 技術(shù)的成熟，現(xiàn)在的 PC 聲卡本身就是一個(gè)優(yōu)秀的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。幾乎每臺(tái)計(jì)算機(jī)都有一個(gè)內(nèi)置聲卡。聲卡通常被用來(lái)作為音頻輸入、輸出設(shè)備，用于記錄、合成和回放語(yǔ)言、音樂(lè)和歌曲。然而，聲卡其實(shí)可以做得更多，從測(cè)控的角度來(lái)看，聲卡是一個(gè)具有雙通道 A/D 和雙通道 D/A 的信號(hào)采集和輸出設(shè)備。它在音頻范圍內(nèi)有很平滑的頻率響應(yīng)，采樣頻率可達(dá) 192KHz，采樣深度可達(dá) 24 位，存儲(chǔ)深度極大，可完全利用計(jì)算機(jī)自身的內(nèi)存。由于聲卡內(nèi)部都帶有增益控制（例如話筒音量控制、話筒提升控制、線路輸入音量控制） ，即使在不外加信號(hào)衰減電路的情況下，它也可以測(cè)量從 1 微伏到 1 伏左右的信號(hào)。測(cè)量的準(zhǔn)確度由聲卡的質(zhì)量決定。通常是外置聲卡最好，其次是內(nèi)置獨(dú)立聲卡，最后是板載聲卡，專業(yè)級(jí)聲卡優(yōu)于消費(fèi)級(jí)聲卡。從價(jià)格上講，即使是專業(yè)級(jí)聲卡，其價(jià)格也遠(yuǎn)低于同類的 A/D 或 D/A 卡（通常是有數(shù)倍到數(shù)十倍之差） 。但是不能因?yàn)楸阋司托】戳寺暱?，因?yàn)楸阋酥皇谴笈可a(chǎn)的結(jié)果，正是因?yàn)榇笈可a(chǎn)，所以性能相當(dāng)穩(wěn)定。聲卡的時(shí)基精度通常為 %。例如，一個(gè)時(shí)基精度為 %的聲卡，在采樣頻率為 44100Hz 時(shí)，頻率誤差在 內(nèi)。一個(gè)好的聲卡，其噪聲電平可低于100dB， 總和諧波失真 THD 低于 %，對(duì)于工程測(cè)量、教學(xué)實(shí)驗(yàn)等用途而言，其各項(xiàng)指標(biāo)均可以滿足要求。此外，聲卡不僅價(jià)格低廉（大多數(shù)是 PC 主板集成） 、性能穩(wěn)定，而且兼容性好、靈活通用，軟件特別是驅(qū)動(dòng)程序升級(jí)方便；ISA（Industry Standard Architecture，工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)）總線向 PCI 總線的過(guò)渡，解決了以往聲卡與系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)的瓶頸問(wèn)題，同時(shí)也充分發(fā)揮了 DSP 芯片的性能。聲卡可以較準(zhǔn)確地測(cè)量音頻范圍內(nèi)的信號(hào)，例如：振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、心肺聽(tīng)診、心電圖、地震波，聲音，電源諧波等，根據(jù)所用傳感器的不同而不同，當(dāng)然還要看所用的軟件。LabVIEW 具有 Express VIs 技術(shù)，可以方便地調(diào)用聲卡 VI 來(lái)控制聲卡數(shù)據(jù)的輸入與輸出。此外，LabVIEW 提供的多線程技術(shù)可以使開(kāi)發(fā)出來(lái)的系統(tǒng)流暢地運(yùn)行，并且模塊之間互不干擾，通過(guò)設(shè)計(jì)降噪模塊可以降低聲卡作為數(shù)據(jù)采集卡的輸入噪聲。從上面的分析可以知道，用聲卡作為數(shù)據(jù)采集卡，結(jié)合 LabVIEW 編程可以組成一個(gè)低成本高性能的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。因此，用聲卡作為數(shù)據(jù)采集卡是可行的。 信號(hào)分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案比較信號(hào)分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案有很多，并且各有各的優(yōu)點(diǎn)與不足，下面探討系統(tǒng)的一些開(kāi)發(fā)方案，比較各個(gè)方案的優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)。1） 第一個(gè)方案是用美國(guó)國(guó)家儀器（NI）有限公司生產(chǎn)的數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)、用 LabVIEW 進(jìn)行軟件編程。這與第一個(gè)方案的不同之處在于數(shù)據(jù)采集卡，因此在這里重點(diǎn)比較數(shù)據(jù)采集卡的優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)。NI 公司生產(chǎn)的數(shù)據(jù)采集卡有多種總線類型（可選擇） ，模擬輸入有多通道（4 個(gè)通道以上） ，傳輸帶寬比較大，采樣精度高、延時(shí)少，而其價(jià)格（官方網(wǎng)站報(bào)價(jià)為 RMB 8，010～89，090 ）卻不是普通用戶能夠承受的。2） 第二個(gè)方案是用國(guó)產(chǎn)的普通數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)、用 LabVIEW 進(jìn)行軟件編程。這與第一個(gè)方案的不同之處依然是數(shù)據(jù)采集卡。雖然說(shuō)國(guó)產(chǎn)的數(shù)據(jù)采集卡比較便宜，但這只是相對(duì)國(guó)外品牌的數(shù)據(jù)采集卡而言的，對(duì)普通用戶來(lái)說(shuō)，價(jià)錢(qián)依然昂貴，如中泰的數(shù)據(jù)采集卡要 3000 多元人民幣，凌華的 DAQ2022（250k 四通道同步采樣，16 位分辨率）要 13000 多元人民幣。當(dāng)然，也有一些便宜的國(guó)產(chǎn)數(shù)據(jù)采集卡，但這些數(shù)據(jù)采集卡良莠不齊，讓用戶很難分辨其性能的好壞，且驅(qū)動(dòng)更新很困難、測(cè)量精度也不高、傳輸速率比較慢等。 3） 第三個(gè)方案是本次系統(tǒng)開(kāi)發(fā)所采用的方案，就是用聲卡作數(shù)據(jù)采集卡、用LabVIEW 進(jìn)行軟件編程。這個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)是充分發(fā)揮聲卡的數(shù)據(jù)采集性能，系統(tǒng)造價(jià)低、開(kāi)發(fā)方便、系統(tǒng)移植能力強(qiáng)；缺點(diǎn)是對(duì)低于 20Hz 的信號(hào)采集效果不理想，采樣精度不夠高、通道數(shù)量比較少（當(dāng)然，可以通過(guò)配置多塊聲卡來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題） ；LabVIEW 的多線程技術(shù)允許進(jìn)行多線程通信，程序運(yùn)行開(kāi)銷(xiāo)小、運(yùn)行更流暢。至此，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案已經(jīng)確定，那就是用聲卡作數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)，用LabVIEW 進(jìn)行軟件編程，開(kāi)發(fā)基于 LabVIEW 的風(fēng)扇故障檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)除了前面介紹的功能和優(yōu)點(diǎn)外，還具有良好的移植性。 模塊化編程思想所謂的模塊化，就是在對(duì)一定范圍內(nèi)的不同產(chǎn)品進(jìn)行功能分析和分解的基礎(chǔ)上，劃分并設(shè)計(jì)、生產(chǎn)出一系列通用模塊或標(biāo)準(zhǔn)模塊，然后，從這些模塊中選取相應(yīng)的模塊并補(bǔ)充新設(shè)計(jì)的專用模塊和零部件一起進(jìn)行相應(yīng)的組合，以構(gòu)成滿足各種不同需要的產(chǎn)品的一種標(biāo)準(zhǔn)化形式。許多程序太長(zhǎng)或太復(fù)雜，很難寫(xiě)在一個(gè)單元中。如果把代碼分為較小的功能單元，將大大簡(jiǎn)化編程過(guò)程。模塊化程序一般比單塊程序容易編寫(xiě)、調(diào)試修改。模塊化編程方法類似于包含大量電路的硬件設(shè)計(jì)。器件或程序在邏輯上被分為多個(gè)“黑箱子” ，這些黑箱子都有指定的輸入和輸出，只要把各個(gè)單元之間的接口定好，各個(gè)單元的詳細(xì)設(shè)計(jì)就可以獨(dú)立進(jìn)行了。模塊化編程有如下優(yōu)點(diǎn)：1） 高效率的程序開(kāi)發(fā)：使用模塊化編程可以更快地開(kāi)發(fā)程序，因?yàn)檩^小的子程序比大程序更容易理解、設(shè)計(jì)和測(cè)試。定義好模塊的輸入和輸出之后，程序員可以給模塊提供需要的輸入，通過(guò)檢測(cè)輸出來(lái)判斷模塊的正確性。然后由連接器把分立的模塊連接、定位，生成一個(gè)有唯一絕對(duì)地址的可執(zhí)行模塊。最后，測(cè)試整個(gè)模塊。2） 子程序可以重用：為一個(gè)程序編寫(xiě)的代碼經(jīng)?？梢杂糜谄渌某绦?。在模塊化編程中，可以把這些部分保存起來(lái)，以備將來(lái)使用。因?yàn)榇a可以被重定位，所以模塊可以連接到滿足其輸入和輸出要求的任意程序中。而在單塊程序編程中，這樣的部分深埋在整個(gè)程序中，不易被其它的程序使用。3） 便于調(diào)試和修改：模塊化程序一般比單塊程序易于調(diào)試和修改。因?yàn)榫亩x了程序的模塊接口，很容易把問(wèn)題定位到特定的模塊。一旦找到有問(wèn)題的模塊，程序修改就相當(dāng)容易了。模塊化編程可以簡(jiǎn)化程序修改的工作。我們可以很方便地把新的或調(diào)試過(guò)的模塊連接一個(gè)已有的程序，而不用更改程序的其余部分。LabVIEW 內(nèi)置有基于軟件的測(cè)量函數(shù)和復(fù)雜的分析功能。用戶可以采用模塊化儀器創(chuàng)建完全自定義的測(cè)量系統(tǒng)：通過(guò)選擇合適的硬件模塊并在工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的軟件環(huán)境中定制測(cè)量應(yīng)用程序，即可滿足各種獨(dú)特的應(yīng)用要求。此外，使用模塊化儀器建立的系統(tǒng)比傳統(tǒng)的儀器具有更高的靈活性、測(cè)量精度、數(shù)據(jù)吞吐量和同步特性。采用模塊化編程不但有上述優(yōu)點(diǎn)，而且便于模塊的集成、程序的擴(kuò)展和系統(tǒng)功能的完善。總之，模塊化編程不但可以提高編程效率、重復(fù)利用子程序、便于程序調(diào)試和修改，而且便于模塊的集成開(kāi)發(fā)、程序的擴(kuò)展和系統(tǒng)功能的完善。在 LabVIEW 中使用模塊化儀器建立的系統(tǒng)比傳統(tǒng)的儀器具有更高的靈活性、測(cè)量精度、數(shù)據(jù)吞吐量和同步特性。因此，在此次風(fēng)扇故障檢測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)中，始終堅(jiān)持模塊化編程思想，這樣可以少做許多無(wú)用功，從而取得更大的效益。第三章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 程序設(shè)計(jì)流程圖程序設(shè)計(jì)流程圖，如圖 所示。聲音信號(hào)處理平臺(tái)的設(shè)計(jì)聲音采集 分析處理模塊時(shí)域分析 頻域分析諧波失真分析 傅里葉變換時(shí)域縮放處理自功率譜信號(hào)檢測(cè)模塊圖 風(fēng)扇故障檢測(cè)信號(hào)處理平臺(tái)的系統(tǒng)功能模塊圖風(fēng)扇故障檢測(cè)信號(hào)處理平臺(tái)的系統(tǒng)流程圖，如圖 所示。開(kāi) 始聲音信號(hào)的采集判斷頻率大小是否超出設(shè)定閾值未超出綠燈亮返回聲音信號(hào)處理超出則紅燈亮?xí)r域縮放處理諧波失真分析提取基波頻率傅里葉變換自功率譜分析圖 風(fēng)扇故障檢測(cè)信號(hào)處理平臺(tái)的系統(tǒng)流程圖 系統(tǒng)功能介紹整個(gè)系統(tǒng)包括聲音的采集，A/D 轉(zhuǎn)換，音頻數(shù)字信號(hào)的分析和處理，存儲(chǔ)、現(xiàn)場(chǎng)采集到的聲音采集過(guò)的聲音模板進(jìn)行精確的匹配等等。整個(gè)程序可以分為：樣本聲音采樣子系統(tǒng)，待檢聲音采樣子系統(tǒng)，聲音檢測(cè)子系統(tǒng)等等。：風(fēng)扇正常運(yùn)行聲音基波頻率輸入系統(tǒng)；：檢測(cè)時(shí)只需將風(fēng)扇運(yùn)行聲音輸入，系統(tǒng)將對(duì)其進(jìn)行識(shí)別，并對(duì)無(wú)故障基波頻率進(jìn)行響應(yīng)；，本文設(shè)置頻域范圍為（1，+1）Hz； 基本參數(shù)設(shè)定揚(yáng)聲器采樣頻率和深度如圖 所示。圖 揚(yáng)聲器采樣頻率和深度I/O 設(shè)備： 鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、耳機(jī)（或音響）、麥克風(fēng)?；緟?shù)設(shè)定人耳可以感覺(jué)的頻率范圍在 20Hz 到 20kHz 之間，并且聲卡一般的工作頻率在10Hz 到 20kHz 之間，對(duì)低于 10Hz 的信號(hào)可能出現(xiàn)失真，并且?guī)缀跛械穆暱ǘ际墙涣髋己系?，因而它將過(guò)濾掉信號(hào)中所有的直流分量，在使用中需要注意。另外本設(shè)計(jì)使用的是筆記本計(jì)算機(jī)，經(jīng)過(guò)測(cè)試表明：輸入信號(hào)頻率在 時(shí)，筆記本虛擬儀器采集的信號(hào)頻譜與理論信號(hào)的頻譜基本一致，誤差小于 2%，而小于 3Hz 或大于 48kHz 后