【導讀】電壓表、示波器、頻譜儀、相位差計、頻率計等虛擬儀器的功能。C++Builder或Matlab實現(xiàn)操作屆面。，具有較高的可讀性和可移植性，結(jié)構(gòu)清晰。基礎(chǔ)及應(yīng)用技巧。電子測量（第二版）。計算機強大的處理能力，使得它成為一種很好的工具，其應(yīng)用范圍也越來越廣泛。經(jīng)得到迅猛的發(fā)展，儀器精度越來越高，功能越來越強，性能越來越好，但傳統(tǒng)儀器基本上沒有擺脫單獨使用、手動操作的模式。本文運用普通的計。算機聲卡代替商用數(shù)據(jù)采集卡，設(shè)計了一種雙通道數(shù)字存儲虛擬儀器。具有16位的量化精度，最高采樣頻率為44KHz。該系統(tǒng)能夠正確采集聲?？ㄔO(shè)計頻率范圍內(nèi)的信號。件緊密結(jié)合在一起。虛擬示波器系統(tǒng)由信號采集、信號處理和結(jié)果顯示三。我們所設(shè)計的虛擬示波器總體上包括數(shù)據(jù)采集、對數(shù)據(jù)進行處。據(jù)文件，以便進行永久保存、隨時調(diào)用數(shù)據(jù)，進行波形實時顯示。聲卡構(gòu)建低成本的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是切實可行的。

　　

【正文】 程叫 Analogyto Digital Conversion ( ADC 模數(shù)轉(zhuǎn)換 )。相反，聲卡將電腦中的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號的過程叫 Digital to Analog Conversion( DAC 數(shù)模轉(zhuǎn)換 )，這些模擬信號通過功率放大電路后，經(jīng)喇叭播出，大家就可以聽到各種聲音了。 聲卡的工作過程 當一個音源輸入后，會先經(jīng)過濾波器做預(yù)先的采樣、模擬 /數(shù)字變換，再由數(shù)字信息處理芯片負責將此音源進行各種音效處理，其中可能包括由FM 芯片產(chǎn)生的音效，或者到 WaveTable(波表合成 )取出音源，更可以透過總線接口芯片 (Bus Interface Chip)必存取光盤或硬盤中的有效文件，這些經(jīng)過處理后的數(shù)字音源，再透過數(shù)字 /模擬轉(zhuǎn)換而輸出到音箱或者其他聲音設(shè)備 ]22[ 。那么，聲卡的各部件是如何分擔這些工作的呢 ? (1)接口 聲卡接口主要負責聲卡與 CPU 進行數(shù)據(jù)交換，當 CPU 要聲卡處理聲音的時候，馬上會給聲卡發(fā)出相關(guān)的指令，而聲卡處理完畢后，也通過接口報告 CPU 就目前來說，聲卡的接口已經(jīng)完全過渡到 PCI。 PCI卡同 ISA 卡最大的區(qū)別就是它們用來傳輸數(shù)據(jù)的總線不同。顧名思義， ISA卡用的總線是傳統(tǒng)的 ISA 總線。這種總線已經(jīng)沿用了數(shù)十年，它的弊端很多，最大的缺點就是它的帶寬較低，僅提供 ，而PC 最高可 提供 133MB/ s 的帶寬，遠遠高于 ISA 總線，因此 PCI 卡不會像ISA 卡那樣因數(shù)據(jù)帶寬較低而成為系統(tǒng)運行的“瓶頸”。借助 PCI 接口較高燕山大學本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 20 的帶寬，聲卡可以實現(xiàn)更多的技術(shù)特性，如它可以將波表合成樣木存放在系統(tǒng)硬盤中，實現(xiàn)即用即取，這就使得波表面聲卡的成木大大減低。在即插即用方面， PCI 也要比 ISA 卡好得多。 (2)輸出輸入接口 聲卡通常都會有 Line In/ Line Out, MIC/ Speaker Out 倆組輸出 /輸入插孔及一個 15pin(針 )的游戲手柄 (或 MID 股 )接頭。如果要輸入 CD 或卡帶中的音樂 時，可以連接 Line In 接口，至于用MIC(麥克風 )接口則是用來輸入聲音的，這兩種輸入接口的差別在于信號的放大率不同。麥克風的信號一般較小，所以 MIC 的放大率會設(shè)計得較大。并且會配合麥克風的特性來修正，所以 Line In 及 MCI 能混用，以免造成失真或放大率不足的情形。而 Line Out 與 Speaker Out 接口的區(qū)別也大致相同，如果聲卡輸出的聲音會透過具有功率擴大功能的音箱來播出的話，使用Line Out 就可以了，如果音箱沒有任何擴大功能而且也沒有使用外部的擴大器，建議你最好使用 Speaker Out 輸 出，因為通常聲卡會利用內(nèi)部的功率擴大功能將聲音從 Speaker Out 輸出，一般聲卡的最大輸出功率只有 4W 左右。 (3)數(shù) /模轉(zhuǎn)換芯片 聲音從原來的音源模擬信號轉(zhuǎn)成數(shù)字信號后，必須經(jīng)過聲卡的編輯處理，再經(jīng)由數(shù)模轉(zhuǎn)換，才可以從聲卡輸出，這一連串的轉(zhuǎn)換處理過程，都是由一塊數(shù) /模轉(zhuǎn)換芯片來完成的。由于輸出的聲音與原始的音源有所差別，所以產(chǎn)生了所謂的失真 (Distorsior)現(xiàn)象。 (4)數(shù)字音源處理器 (DSP)芯片 DSP(Digital Signal Processor)是數(shù)字信號處理芯片， DSP 的功能通 常包括了采樣頻率的控制，對聲音的錄制與播放控制，處理 MIDI 指令等等。有些聲卡的 DSP 還有音源資料壓縮的功能。另外，如果聲卡有混音芯片 (Mixer Chip)，就可以通過軟件的操作來對聲音進行各種控制，例如音調(diào)的高低控制、音場效果調(diào)整等。所以 DSP 可說是聲卡中非常重要的芯片，所有數(shù)字音源信號的處理，都可以說是 DSP的功能范圍。 (5)音效合成裝置 在聲音信號未經(jīng)過 DA 轉(zhuǎn)換之前都是數(shù)字式的，我們可以將幾個數(shù)字信號音源加以組合出各種聲占而產(chǎn)生音效，這就是一般所稱 FM( Frequency Modulation 調(diào)頻 )。 通過對聲卡工作過程的說明和理解，我們對聲卡的硬件組成部分，有了一個比較明確的概念。聲卡是本次設(shè)計的重要組成部分，數(shù)據(jù)采集的工作就是由它來完成。數(shù)據(jù)采集是一個很重要的前提工作，正是它才可使模擬信號變成數(shù)字信號，才可以被計算機處理和分析。 第 3 章 聲卡原理及其接口函數(shù) 21 聲卡的技術(shù)參數(shù)及接口函數(shù) 聲卡的技術(shù)參數(shù) 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。為了用聲卡采集數(shù)據(jù)必須先設(shè)定聲卡的主要技術(shù)參數(shù)： (1)采樣頻率 單位時間內(nèi)采集的語音樣本的數(shù)量。采樣頻率越大，語音的保真度就越高，要求的存儲空間也就越多。目前 ，普通聲卡的最高頻率為 ，一般采樣頻率分為 4 檔，分別為 ，,， 8kHz。根據(jù)采樣定理，采樣頻率應(yīng)為被測信號頻率的 2倍以上。 (2)采樣位數(shù) 將模擬語 音量化的位數(shù)。位數(shù)越大，量化就越精細，記錄 的音質(zhì)就越好，同時，量化信噪比也越高。一般聲卡的采 樣頻率從 8KHz一 96KHz分多個擋；采樣位數(shù) 8位、 16位、 32位可選；將聲音從模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號的二進制位 數(shù) (bit)。按位數(shù)分聲卡有 8位聲卡、 16位聲卡。位數(shù)越高，在定域內(nèi)能表示的聲波振幅的數(shù)目越多，記錄的音質(zhì)也就越高。例如， 16位聲卡把音頻信號的大小分為 65536個量化等級來實施上述轉(zhuǎn)換。所以一般設(shè)定為 16位。 (3)緩沖區(qū) 一 般聲卡使用的緩沖區(qū)為 8KB(8192字節(jié) )，這是由于對x86系列處理器而言，在保護模式下，內(nèi)存以 8KB為單位被分成了很多 頁，對內(nèi)存的任何訪問 都是按頁進行的。 CPU保證在讀寫 8KB長度的內(nèi) 存緩沖區(qū)時，速度足夠快，并且不會被其他外來事件打斷。設(shè)置 8192字節(jié)或其整倍數(shù)大小的緩沖區(qū)，可以較好地保證聲卡與 CPU的協(xié)調(diào)工作。在設(shè)定了聲卡的主要參數(shù)后，在利用聲卡的 DMA方式進行數(shù)據(jù)采集。在 MATLAB環(huán)境中，MATAB提供了一系列使用 Windows底層函數(shù)編寫的與聲卡有關(guān)的函數(shù)。 (4)復(fù) 音數(shù)量 聲卡能同時發(fā)出聲音的數(shù)量。復(fù)音數(shù)越大，音色越好。 (5)聲道數(shù) 為 2 即單聲道和立體聲雙聲 道。 (6)信噪比 (SNR) 越大越好。 采集語 音信號時，將話筒插入聲卡的 line in端，打開 windows的錄音機燕山大學本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 22 開始錄音。錄音結(jié)束后選擇屬性進行存儲。屬性選擇為：音頻格式 — PCM；采樣頻率 — 8KHz或 10KHz；采樣位數(shù) — 8位、 10位、 12位或 16位；聲道 — 單聲道。在本文所述的系統(tǒng)中，最好將采集的音頻信號存入 MATLAB的 work中，這樣， 分析處理時音頻讀取文件和加載文件操作簡單；否則，需要數(shù)據(jù)文件完整的路徑名而使操作復(fù)雜化。 聲卡主要函數(shù)操作 (1)Windows多媒體支持 Windows多媒體是處理音頻和視頻外設(shè)的功能集合，其目的 是將很多不同的數(shù)據(jù)格式集成為單一的系統(tǒng)環(huán)境。Windows多媒體特征包括三個不同的組件：聲頻和視頻硬件設(shè)備、用于這些設(shè)備的驅(qū)動器以及通用化的 API，該 API將編程命令翻譯為可以用于任何多媒體驅(qū)動程序的指令。我們以 Windows 98操作系統(tǒng)為例，介紹多媒體服務(wù)及命令集。 (2)多媒體服務(wù) 在硬件和驅(qū)動程序之外，多媒體服務(wù)包括有一個軟件層， (預(yù)先 )為使用多媒體的程序定義獨立于設(shè)備的接口。例如，一套命令可以在任何波形設(shè)備上播放聲音。在 Windows 98和 Win32中，多媒體服務(wù)存在于 。 Win32解釋多媒體命令的那個層被稱為 WinMM。 注意：使用 WinMM命令的程序必須包括 ，并與。 (3)聲音數(shù)據(jù)格式 數(shù)字化聲音通常具有三種普通形式中的一種。一種是 Compact DiscDigital Audio格式 (也被稱為 Red book audio)。另一種更為緊湊的存儲格式是由 Musical Instrument Digital Interface (MIDI)定義的。第三種格式，即波形文件，不需要合成器即可生成適當?shù)穆曇?，而且與 CDDigital Audi。格式相比，所消耗的磁盤空間較少。波形音頻 ( waveform audio)是重新創(chuàng)建聲音波形的一種技術(shù)。在前面已經(jīng)講述，聲音以波的形式移動，通過定期地采集聲音，我們可以在波形上繪制更多的點，并能更準確地重現(xiàn)聲音。 WinMM支持三種采樣速率 :, , 。在一個使用 WAV文件中，每毫秒含有大約 11個樣本點。 (4)多媒體服務(wù)的四個命令集 Windows 98操作系統(tǒng)提供了四種不同的途徑來管理多媒體服務(wù)：四個高級 命令集、一個低級命令集和一個文件 I/0命令集。低級和高級命令集控制相同的多媒體設(shè)備。低級命令的效率更高，而高級命令的使用更為方便。例如，如果要錄制一個聲音，低級函第 3 章 聲卡原理及其接口函數(shù) 23 數(shù)要使用戶重復(fù)給設(shè)備發(fā)送一個空的緩沖區(qū)，并等待其全部充滿。但是低級函數(shù)還將允許。用戶將新的聲音與舊的聲音混合起來作為用戶的錄音結(jié)果、設(shè)置音高和回放速率、更改音量設(shè)置、錄制一首 MIDI歌曲以及發(fā)送由驅(qū)動程序定義的定制消息。此外，由于所有高級命令在內(nèi)部都是通過低級命令來實現(xiàn)的，所以，通過直接調(diào)用低級命令，用戶可以得到更好的性能。 對于特殊設(shè)備，低級命令 與驅(qū)動程序交互作用。對于邏輯設(shè)備，更通用化的高級命令與驅(qū)動程序交互作用。 Windows 98提供了三個驅(qū)動程序：一個 MIDI序列發(fā)生器、一個 CD播放器和一個波形音頻播放器。這些基本的驅(qū)動程序為特定的設(shè)備將高級命令轉(zhuǎn)換為低級函數(shù)調(diào)用。由基本驅(qū)動程序定義的高級 API被稱為多媒體接口 (MCI)。 MCI命令避免了用戶直接去與管理數(shù)據(jù)流的很多小的細節(jié)打交道，但其以犧牲某些靈活性為代價。高級命令提供相同種類的拉制，例如 wsprintf提供串輸出。 只有專門化的程序才要求使用低級多媒體函數(shù)。高級函數(shù)可以播放MIDI文件、 電影及 CDROM，而且還可以錄制和播放波形聲音。 MCI支持兩套平行的高級 MCI函數(shù)：一套命令接口和一套消息接口。命令串和命令消息完成相同的操作，但命令串可以用于定制系統(tǒng)，其中用戶可以寫入命令腳本來控制一個設(shè)備。除了低級命令、 MCI命令和 MCI串外，第四套命令集使得能夠?qū)Χ嗝襟w文件進行讀和寫的操作。多媒體 I/O(MMIO)命令理解標準 RIFF格式文件的組織，同時還完成緩沖區(qū)操作，這對數(shù)據(jù)密集型多媒體程序來說是一種有用的優(yōu)化操作。 (5)多媒體接口 (MCI)操作 MCI操作采取發(fā)送命令給設(shè)備的命令消息的形式 。通常，用戶從打開設(shè)備來開始一個操作，然后，就可以發(fā)送命令，如 MCI_PLAY或 MCI_STOP，使設(shè)備播放、停止、錄制或倒帶，最后關(guān)閉這個設(shè)備。 MCI函數(shù)中最重要以及最通用的函數(shù)是 MciSendCommand，這個函數(shù)是給設(shè)備發(fā)送任何信息的一條路線。 (6)多媒體文件函數(shù) 包括一套文件函數(shù)，具有塊文件的特殊特征。與其它函數(shù)相比，多媒體文件函數(shù)可以更好地理解塊。此外，它們允許對進行被緩沖的文件訪問。 本章小結(jié) 本章詳細闡述了本次畢業(yè)設(shè)計的硬件部分的內(nèi)容，包括工作原理、聲卡的技術(shù)參數(shù)、及聲卡的工作 過程。本次設(shè)計是基于硬件的軟件設(shè)計，因燕山大學本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 24 次硬件便是設(shè)計的基礎(chǔ)。軟件通過接口函數(shù)控制硬件的數(shù)據(jù)采集，因此對硬件原理及其接口函數(shù)的掌握必須明確，這也是軟件編程的基礎(chǔ)，本章的目的也就在此。 第 4 章 虛擬儀器的模塊化設(shè)計 25 第 4 章 虛擬儀器的模塊化設(shè)計 聲卡設(shè)置模塊 MATLAB 提供了一系列使用 Windows 底層函數(shù)編寫的與聲卡有關(guān)的函數(shù)。這些函數(shù)使用 Windows 底層函數(shù) (不用更高級更方便的 MCI 函數(shù)以及 DirectX 接口 )直接與聲卡驅(qū)動程序打交道，因而封裝層次低，速度快，而且可以訪問、采集緩沖區(qū) 中任意位置的數(shù)據(jù)，具有很大的靈活性，能夠滿足實時不間斷采集的需要。 MATLAB 513 及其以上版本中包含有數(shù)據(jù)采集工具箱 ， 它可以對聲卡以及其他數(shù)據(jù)采集設(shè)備進行控制。這樣將 MATLAB與 PC 機的聲卡相結(jié)合 ， 就可以組成一個廉價而性能優(yōu)越的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) ，而利 MATLAB 強大的數(shù)據(jù)處理功能 ， 可以對采集到的數(shù)據(jù)更深入地進行各種分析。而利用聲卡作為 A/ D 轉(zhuǎn)換工具 ， 經(jīng)過衰減和取樣電路得到的模擬信號送至聲卡的線路輸入端 LINEIN， 并利用 MATLAB 中提供的數(shù)據(jù)采集工具箱 ， 可滿足控制聲卡進行數(shù)據(jù)采集的要求。用戶通過調(diào)用 MATLAB 命令 ， 可對采集的數(shù)據(jù)進行分析和處理 ， 為用戶帶來了極大的方便?；谝陨峡紤] ， 系統(tǒng)組成如圖 41 所示。 信號源傳感器信號調(diào)理聲卡P C機M A T L A B軟 件 環(huán) 境信 號 采 集