【文章內(nèi)容簡介】 秀的硬件模塊與軟 件產(chǎn)品。 比較典型的如 NI 公司的 LabVIEW，它是一種采用圖形化編程的 32 位面向計算機測控領(lǐng)域的軟件開發(fā)平臺公司。 LabVIEW 是一種用圖標代碼來代替編程語言創(chuàng)建應(yīng)用程序的開發(fā)工具。在基于文本的編程語言中，程序的執(zhí)行依賴于文本所描述的指令，而LabVIEW 使用數(shù)據(jù)流編程方法來描述程序的執(zhí)行。 LabVIEW 用圖形語言 （ G 語言 ） 、圖標和連線代替文本的形式編寫程序。像 VB、 VC 等高級語言一樣， LabVIEW 也是一種帶有擴展庫函數(shù)程序開發(fā)系統(tǒng)。 LabVIEW 的庫函數(shù)包括數(shù)據(jù)采集、通用接口總 線和串口儀器控制、數(shù)據(jù)顯示、分析與存儲等。為了便于程序調(diào)試， LabVIEW 還帶有傳統(tǒng)的程序開發(fā)調(diào)試工具，例如可以設(shè)置斷點，可以單步執(zhí)行，也可以激活程序的 ,執(zhí)行過程，以動畫方式查看數(shù)據(jù)在程序中的流動。 LabVIEW 是一個通用編程系統(tǒng)，它不但能夠完成一般的數(shù)學運算與邏輯運算和輸入輸出功能，它還帶有專門的用于數(shù)據(jù)采集和儀器控制的庫函數(shù)和開發(fā)工具以及專門的數(shù)學分析程序包，基本上可以滿足復(fù)雜的工程計算和分析要求。在 LabVIEW 環(huán)境下開發(fā)的程序成為虛擬儀器 VI，因為它的外型與操作方式可以模擬實際的儀器。實際 上，VI 類似于傳統(tǒng)編程語言的函數(shù)或子程序。 VI 由前面板、框圖程序和圖標 /連線端口組成 ，類似于儀器的面板包括旋鈕、按鈕、圖形和其它控制元件與顯示元件，以完成用鼠標、鍵盤向程序輸入數(shù)據(jù)或從計算機顯示器上觀察結(jié)果。 。框圖程序用圖形化編程語言編寫，框圖程序是對具體編程問題的圖形解決方案，即 VI 的源代碼。 程序使用圖標連線端口來替代文本編程的函數(shù)參數(shù)表，每個輸入和輸出的參數(shù)都有自己的連接端口，其它的 VI 可以由此向 SubVI（ 即 VI 子程序 ） 傳遞數(shù)據(jù)。 LabVIEW的強大功能歸因于它的層次化結(jié)構(gòu)，用戶可以把創(chuàng)建的 VI 程序當作 SubVI 來調(diào)用以創(chuàng)建更加復(fù)雜的 V 工，并且這種調(diào)用的遞階次數(shù)是無限制的。 LabVIEW 簡化了科學計算、過程監(jiān)控和測試軟件的開發(fā)，已經(jīng)在航空、航天、通信、汽車、半導(dǎo)體、電子、機械等世界范圍領(lǐng)域的眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。由于虛擬儀器的巨大優(yōu)越性，國內(nèi)外已經(jīng)在使用虛擬儀器進行測試方面作了一系列有益工作，目前己開發(fā)了一些成功的虛擬測試系統(tǒng)。如挪威的 CARDIAC 公司的基于 LabVIEW 平臺的測試北海油田石油、大氣、水流 的 MPFM 系統(tǒng)等。在國內(nèi)，許多高等院校、研究所等也都開展了虛擬儀器技術(shù)的研究，如清華大學應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建的用于檢測汽 車發(fā)動機性能的出廠檢測系統(tǒng)，哈爾濱工業(yè)大學的 “儀器王 ”虛擬儀器系統(tǒng)等。 我國傳統(tǒng)儀器技術(shù)還比較落后，與國外相比，測量精度和可靠性均較低，且自動化程度較低。當前，各種測試軟件、專用集成電路和固化軟件的廣泛應(yīng)用，使系統(tǒng)技術(shù)和模塊式儀器得以迅速發(fā)展，這些都給虛擬儀器的研究和應(yīng)用創(chuàng)造了良好條件，同時也為我們提供了一個縮小與國際先進水平差距的機會。虛擬儀器在我國的研究和開發(fā)有著十分現(xiàn)實的意義 ，廣泛采用虛擬儀器技術(shù)有助于提高我國儀器的整體水平，節(jié)省儀器開發(fā)的人力和費用。隨著軟件業(yè)和測試技術(shù)的發(fā)展，虛擬儀器技術(shù)必將在更多、更廣泛的領(lǐng)域中得到應(yīng)用和普及。 第二章 設(shè)計需求分析 系統(tǒng)的功能設(shè)計包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩部分 .考慮到市場上銷售的數(shù)據(jù)采集卡價格昂貴 ， 本系 統(tǒng)僅對音頻信號進行采集處理 .本系統(tǒng)的硬件設(shè)計 采用 PC 機自帶的聲卡作為聲音信號采集設(shè)備 .由 于聲卡采用 DMA（ 直接內(nèi)存讀取 ） 方式傳送數(shù)據(jù) ， 極大地降低了 CPU 占用率 ， 而且其具有 16 位的 A/D 轉(zhuǎn)化精度 ， 比通常 12 位 A/D 卡的精度高 ，對于許 多工 程測量和科學實驗來說都是足夠高的 ， 其價格 卻比后者便宜得多 ， 完全符合本系統(tǒng)設(shè)計要求 .軟件 設(shè)計部分利用 LabVIEW 軟件自帶的聲音處理模塊 配合其它常用功能模塊完成 . 硬件實現(xiàn) 聲卡一般有 Line In 和 Mic In 兩個信號輸入插孔，聲音傳感器 （ 本文采用通用的麥克風 ） 信號可通過這兩個插孔連接到聲卡。若由 Mic In 輸入，由于有前置放大器，容易引入噪聲且會導(dǎo)致信號過負荷，故推薦使用 Line In，其噪聲干擾小且動態(tài)特性良好。聲卡測量信號的引入應(yīng)采用音頻電纜或屏蔽電纜以降低噪聲干擾。若輸入信號電平高于聲卡所規(guī) 定的最大輸入電平，則應(yīng)在聲卡輸入插孔和被測信號之間配置一個衰減器，將被測信號衰減至不大于聲卡最大允許輸入電平。此外，將聲卡的 Line Out 端口接到耳機上 還可以實時的監(jiān)聽聲音信號。 聲卡的工作流程如圖 所示 。 圖 聲卡的工作流程 目前市售的數(shù)據(jù)采集卡都包含了完整的數(shù)據(jù)采集電路和與計算機的接口電路，但其價格與性能基本成正比，一般比較昂貴。隨著 DSP（ 數(shù)字信號處理 ） 技術(shù)走向成熟， PC聲卡本身就成為一個優(yōu)秀的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，它同時具有 A/D 和 D/A 轉(zhuǎn)換功能，不僅價 格低廉，而且兼容性好、性能穩(wěn)定、靈活通 用，軟件特別是驅(qū)動程序升級方便。 ISA 總線向 PCI 總線的過渡，解決了以往聲卡與系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)的瓶頸問題，同時也充分發(fā)揮了DSP 芯片的性能。而且聲卡用 DMA（ 直接內(nèi)存讀取 ） 方式傳送數(shù)據(jù)，極大地降低了 CPU占用率。一般聲卡 16 位的 A/D 轉(zhuǎn)換精度，比通常 12 位 A/D 卡的精度高，對于許多工程測量和科學實驗來說都是足夠高的，其價格卻比后者便宜得多。 如果利用聲卡作為數(shù)據(jù)采集設(shè)備，可以組成一個低成本高性能的數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)。當然，它只適合采集音頻域的信號，即輸入信號頻率必須處于 20~20xx0Hz 的音頻范圍內(nèi)。 如果需要處理直流或緩變信號，則需要其他技術(shù)的配合。 聲卡工作原理及性能指標 聲音的本質(zhì)是一種波，表現(xiàn)為振幅、頻率、相位等物理量的連續(xù)性變化。聲卡作為聲音 信號與計算機的通用接口，其主要功能就是將所獲取的模擬音頻信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，經(jīng)過 DSP 音效芯片的處理，將該數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號輸出。聲卡的基本工作流程為：輸入時，麥克風或線路輸入 （ Line In） 獲取的音頻信號通過 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，送到計算機進行播放、錄音等各種處理；輸出時，計算機通過總線將數(shù)字化的聲音信號以 PCM（ 脈沖編碼調(diào)制 ） 方式送到 D/A 轉(zhuǎn)換器，變成模擬的音頻信號，進而通過功率放大器或線路輸出 （ Line Out） 送到音箱等設(shè)備轉(zhuǎn)換為聲波，人耳偵測到環(huán)境空氣壓力的改變，大腦將其解釋為聲音。 衡量聲卡性能的主要技術(shù)指標有復(fù)音數(shù)量、采樣位數(shù)、采樣頻率、波表合成方式和波表庫容量、聲道數(shù)、信噪比、總諧波失真和緩沖區(qū)等。 a） 復(fù)音數(shù)量：復(fù)音數(shù)不是聲卡的 DAC（ DigitaltoAnalog Conversion，數(shù)字 /模 擬轉(zhuǎn)換器）或 ADC（ AnalogtoDigital Conversion，模擬 /數(shù)字轉(zhuǎn)換器）的轉(zhuǎn)換位數(shù)，而 是代表聲卡能同時發(fā)出多少種聲音。復(fù)音數(shù)越大，音色就越好，播放 MIDI（ Musical Instrument Digital Interface，音樂設(shè)備數(shù)字接口）時可以聽到的聲部越多、越細膩。如果一首 MIDI 樂曲中的復(fù)音數(shù)超過了聲卡的復(fù)音數(shù)，則將丟失某些聲部，但一般不會丟失主旋律。目前聲卡的硬件復(fù)音數(shù)都不超過 64 位。 b） 采樣位數(shù)：將聲音從模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號的二進制位數(shù)，即進行 A/D、D/A 轉(zhuǎn)換的精度。目前有 8 位、 12 位和 16 位三種，將來還有 24 位的 DVD（ Digital VideoDisk，數(shù)字視頻光盤）音頻采樣標準。位數(shù)越高，采樣精度就越高。例如， 16 位聲卡把音頻信號的大小分為 216— 65536 個量化等級來實施上述轉(zhuǎn)換。在計算機中一般的聲卡是 16 位的，信噪比可達 96dB。 c） 波表合成方式和波表庫容量：現(xiàn)在的 PCI 聲卡大量采用先進的 DSL（ Downloadable Sample，可下載音色庫）波表合成方式，其波表庫容量通常是 2MB、4MB、 8MB，而像 SB Live 品牌聲卡甚至可以擴展到 32MB。 d） 聲道數(shù)：聲道數(shù)是衡量聲卡檔次的重要指標之一 ，可以分為單聲道（早期聲卡采用）、準立體聲（錄音時采用單聲道，放音時用立體聲）、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，左右聲道信號都相同，且幅值為原信號的 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，而且幅值與原信號相同。一般聲道數(shù)為 2，需要時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）計算的信號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，噪音在寂靜時有可能被發(fā)現(xiàn)。 f） 總諧波失真：英文全稱為 Total Harmonic Distortion，簡稱 THD，是指用信號源輸入信號時，輸出信號（諧波及其倍頻成分）比輸入信號多出的額外諧波成分，通常用百分數(shù)來表示。一般來說， 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。所以測試總諧波失真時，是發(fā)出 1000Hz 的聲音來檢測，這個值越小越好。 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 都對某一緩沖區(qū)進行操作，待緩沖區(qū)數(shù)據(jù)操作完畢時產(chǎn)生中斷， CPU 響應(yīng)中斷信號進行處理。一般聲卡的緩沖區(qū)是 8KB（ 8192）。用戶可以通過測試 聲 卡 的 性 能指 標 來 評 價聲 卡 的 好 壞， 聲 卡 性能 指 標 的 測試 主 要 有 3D（ ThreeDimensional，三維圖形）定位精度測試、波形回放與錄音測試、多音頻流播放測試、全雙工通訊模式測試、 MIDI 音效測試和 CPU 占用率測試等。 LabVIEW 對聲音采集的設(shè)置默認于其所處的操作系統(tǒng)，本文 使用的是最普通的聲卡，對于高級的聲卡采集信號時，要注意關(guān)閉如混響之類的一些特效，避免影響測量結(jié)果的真實性。 前置放大器 ， 容易引入噪聲且會導(dǎo)致信號過負荷 ， 故本系統(tǒng)使用 ， 噪聲干擾小且動態(tài)特性良好的 Line In。 聲卡測量信號的引入采用音頻電纜或屏蔽電纜以降低噪聲干擾 .由于該傳感器沒有前置濾波去噪功能 ， 可能在采集時帶來部分噪聲信號 ， 但對一般的實驗性研究不會帶來太多影響 ， 在后面可以通過軟 件濾波消噪 達到良好的效果 。 信號分析理論 聲卡數(shù)據(jù)采集理論基礎(chǔ) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中以計算機作為處理機。眾所周知，計算機內(nèi)部參與運 算的信號是二進制的離散數(shù)字信號，而被采集的物理量一般是連續(xù)的模擬信號。因此，在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中同時存在兩種不同形式的信號：連續(xù)模擬信號和離散數(shù)字信號。連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號，經(jīng)歷兩個斷續(xù)過程： 1） 時間斷續(xù) 對連續(xù)的模擬信號 x（ t） ，按一定的時間間隔 Ts，抽取相應(yīng)的瞬時值 （ 也就是通常所說的離散化 ） ，這個過程稱為采樣。連續(xù)的模擬信號 x（ t） 經(jīng)過采樣過程后轉(zhuǎn)為時間上離散的模擬信號 xs（ nTs） （ 即幅值仍是連續(xù)的模擬信號 ）， 簡稱為采樣信號。 2） 數(shù)值斷續(xù) 把采樣信號 xs（ nTs ） 以某個最小數(shù)量單位的 整數(shù)倍來度量 ， 這個過程稱為量化。采樣信號 xs（ nTs ） 經(jīng)量化后變換為量化信號 xq（ nTs ） ，再經(jīng)過編碼，轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號 x（ n）（ 即時間和幅值是離散的信號 ） ，簡稱為數(shù)字信號。在實際工作中，信號的抽樣是通過 A/D 芯片來實現(xiàn)的。 圖 A/D 轉(zhuǎn)換原理 通過 A/D，將連續(xù)信號 x（ t） 變成數(shù)字信號 x（ nTs） ， x（ t） 的傅立葉變換 X（ jΩ）變成 X（ ejw） 。模擬信號經(jīng)過 （ A/D） 變換轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的過程稱之為采樣，信號采樣后其頻譜產(chǎn)生了周期延拓，每隔一個采樣頻率 fs，重復(fù)出現(xiàn)一次。為保證采樣后信 號的頻譜形狀不失真，采樣頻率必須大于信號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)采集卡的功能是對數(shù)據(jù)進行采集，把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，便于對數(shù)據(jù)進行分析。目前市場上出售的數(shù)據(jù)采集卡一般包含了完整的數(shù)據(jù)采集電路、與計算機的接口電路和驅(qū)動程序，并且功能強大，性能良好。然而，其性能與價格基本成正比，少則幾百、多則上萬元的價格使得系統(tǒng)開發(fā)成本大大增加，系統(tǒng)性價比（性能 /價格）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 在選擇的時候會無所適從。隨著DSP 技術(shù)的成熟，現(xiàn)在的 PC 聲卡本身就是一個優(yōu)秀的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。幾乎每臺計算機都有一個內(nèi)置聲卡。聲卡通常被用來作為音頻輸入、輸出設(shè)備，用于記錄、合成和回放語言、音樂和歌曲。然而，聲卡其實可以做得更多，從測控的角度來看，聲卡是一個具有雙通道 A/D 和雙通道 D/A 的信號采集和輸出設(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 192KHz，采樣深