Matlab環(huán)境下用聲卡產(chǎn)生特殊波形

張光成 陳 娟 魯曉東

浙江海洋學(xué)院 浙江舟山 316000

Matlab環(huán)境下用聲卡產(chǎn)生特殊波形

張光成 陳 娟 魯曉東

浙江海洋學(xué)院 浙江舟山 316000

介紹了一種在Matlab環(huán)境下利用虛擬儀器技術(shù)實(shí)現(xiàn)聲卡產(chǎn)生特殊波形的方法。該方法以手繪波形或數(shù)學(xué)圖形為信號(hào)數(shù)據(jù)源，通過調(diào)用Matlab DAQ工具控制聲卡D/A轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)了聲卡在音頻范圍內(nèi)波形信號(hào)的輸出。

虛擬儀器；特殊波形；聲卡；Matlab

1 實(shí)現(xiàn)原理

1.1 聲卡工作原理

從功能上看，聲卡是一塊完整的音頻數(shù)據(jù)采集卡，其中模數(shù)變換器ADC(Analogue Digital Converter)用于采集音頻信號(hào),數(shù)模變換器DAC(Digital Analogue Converter)則負(fù)責(zé)將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為能被喇叭等設(shè)備所使用的模擬信號(hào)。由于D/A在轉(zhuǎn)換時(shí)需要一個(gè)數(shù)據(jù)鎖存的過程，使得輸出信號(hào)呈階梯形變化。D/A轉(zhuǎn)換位數(shù)、速率越高，階梯效應(yīng)就不明顯，信號(hào)的平滑度就越好。

聲卡在工作時(shí)是用DMA方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的，即先把采集到的數(shù)據(jù)送到緩沖區(qū)，然后將緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)整塊讀出來，所以必須預(yù)先設(shè)置采樣率、數(shù)據(jù)格式、緩沖區(qū)長(zhǎng)度等參數(shù)，之后就不需要CPU的參與，因此具有較高的工作效率。

1.2 軟件控制原理

虛擬儀器技術(shù)是通過計(jì)算機(jī)軟件控制硬件進(jìn)行工作的。軟件首先要完成對(duì)波形數(shù)據(jù)的采集，借助Matlab的數(shù)據(jù)處理函數(shù)，使要輸出的任意信號(hào)圖形轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)序列，并根據(jù)聲卡采樣率裝配成幀，即1秒內(nèi)的數(shù)據(jù)，若信號(hào)的頻率為f，則要保證1幀內(nèi)有f個(gè)波形，但幀內(nèi)數(shù)據(jù)量保持不變；其次是對(duì)聲卡的控制，Matlab很多音頻處理函數(shù)支持聲卡的運(yùn)行，其控制的方法是面向?qū)ο蟮?，主要完成聲卡的參?shù)設(shè)置、信號(hào)輸出和停止結(jié)束任務(wù)。

(1)波形數(shù)據(jù)的導(dǎo)入

波形可以通過手繪或繪圖軟件描繪，并以圖片文件格式保存，需要時(shí)可以隨時(shí)調(diào)入內(nèi)存，然后提取圖片中的波形數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)提取算法如圖1所示，具體實(shí)現(xiàn)可以描述為：①讀入圖片文件到內(nèi)存；②轉(zhuǎn)為灰度格式；③計(jì)算波形數(shù)據(jù)，設(shè)圖形如圖2所示共M行，則第k列m行位置數(shù)據(jù)點(diǎn)的波形數(shù)據(jù)為：

依據(jù)美國(guó)心臟協(xié)會(huì)給出的15段分段法實(shí)施評(píng)估，閉塞即為達(dá)到100%狹窄程度；重度狹窄即為處于75至100%之間的狹窄程度；中度狹窄即為處于50至75%之間的狹窄程度；輕度狹窄即為低于50%的狹窄程度；無狹窄即為不存在狹窄程度。

圖1 波形數(shù)據(jù)的提取

圖2 波形采樣

所要注意的是：圖片中曲線數(shù)據(jù)的像素點(diǎn)數(shù)必須足夠聲卡每次的采樣，若不夠則必須通過插值運(yùn)算補(bǔ)足。對(duì)于超過一次采樣的量，則可以繼續(xù)作均勻間隔的抽取。此過程Matlab的控制語句：

(2)聲卡控制

Matlab對(duì)外設(shè)操作時(shí)先建立設(shè)備對(duì)象，再操作對(duì)象的屬性或方法?？刂频姆椒▽?shí)際是調(diào)用軟件工具箱提供的聲卡控制函數(shù)，設(shè)計(jì)者要根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置函數(shù)所需參數(shù)，便能有效地控制聲卡的工作狀態(tài)，操作時(shí)比其他編程軟件更加簡(jiǎn)單。

創(chuàng)建一個(gè)設(shè)備對(duì)象，'winsound’是指聲卡

ao=analogoutput('winsound')；

在對(duì)象中創(chuàng)建或增加一個(gè)信號(hào)通道，由于聲卡只有左右2個(gè)通道，所以最多可以增加到2個(gè)通道

chan=addchannel(ao,1)；

設(shè)置采樣頻率,即每秒向D/A轉(zhuǎn)換器發(fā)送的數(shù)據(jù)量Fs=44100;

set(ao,'SampleRate', Fs)；

要保證信號(hào)的連續(xù)性，要不停地發(fā)送數(shù)據(jù)，這兒可以設(shè)置為無限次

set(ao,'RepeatOutput',inf)；輸出數(shù)據(jù)操作的函數(shù)putdata(ao,yout);

當(dāng)完成輸出數(shù)據(jù)操作后，并沒有真正輸出數(shù)據(jù)，必須啟動(dòng)聲卡，才能對(duì)外輸出信號(hào)，啟動(dòng)并觸發(fā)聲卡設(shè)備操作的命令如下：

start(ao);

信號(hào)輸出完成后，聲卡設(shè)備仍然保留在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，若不將聲卡設(shè)備停止并刪除，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中仍會(huì)保留該設(shè)備，在下次啟動(dòng)虛擬信號(hào)發(fā)生器系統(tǒng)時(shí)將會(huì)發(fā)出聲卡設(shè)備仍然在使用的錯(cuò)誤信息。從系統(tǒng)中停止和刪除聲卡設(shè)備操作的命令分別如下：

2 實(shí)現(xiàn)過程

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由于系統(tǒng)的功能可由軟件實(shí)現(xiàn)，使系統(tǒng)的硬件構(gòu)架得到很大的簡(jiǎn)化(如圖3所示)。根據(jù)要實(shí)現(xiàn)的功能，確定幾種產(chǎn)生波形數(shù)據(jù)的方式，例如可由函數(shù)生成的正弦波、方波等和由圖像產(chǎn)生的自定義波形。為了平滑輸出的波形，一般在輸出端接一個(gè)濾波器，最簡(jiǎn)單的就是使用一個(gè)RC電路。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

由于M a t l a b為用戶提供了一個(gè)界面開發(fā)環(huán)境(GUIDE)，使得圖形界面的創(chuàng)建變得簡(jiǎn)單。用戶通過一系列用戶控件來實(shí)現(xiàn)用戶與應(yīng)用程序的交互。信號(hào)發(fā)生系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)如圖4所示，由下拉框選擇不同波形，custom項(xiàng)表示用戶選擇自定義的任意波形。滑動(dòng)桿用于調(diào)節(jié)信號(hào)的頻率(Frequency)、幅度(AMP)和占空比(Duty)，同時(shí)用一個(gè)AXES控件顯示要描述的波形，確定后用一個(gè)Command按鈕啟動(dòng)聲卡D/A轉(zhuǎn)換。

圖4 波形交互界面

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析

先測(cè)試系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，外部導(dǎo)入一幅Marr小波波形圖如圖5(a)所示，示波器上顯示結(jié)果如圖5(b)所示，調(diào)節(jié)系統(tǒng)界面上的頻率和幅度，示波器上的圖形也隨之變化。為了觀察聲卡的音頻輸出特性，輸入選擇4kHz方波，在沒有濾波器的情況下，示波器上顯示如圖5(c)所示，信號(hào)存在明顯的階梯狀。連接RC低通濾波器，選R=1k，C=0.01uF，經(jīng)濾波平滑后如圖5(d)，但響應(yīng)信號(hào)的邊緣存在明顯的震蕩，這說明信號(hào)丟失了較多的高次諧波；由傅里葉分析可知，因周期信號(hào)的頻譜是離散的，頻譜的譜線只出現(xiàn)在基頻的整數(shù)倍上，當(dāng)基頻是4000Hz時(shí)，5次以上的諧波即超出音頻范圍內(nèi)的信號(hào)都被丟棄，因此造成一定的諧波失真。對(duì)于諧波不很豐富的信號(hào)在基頻接近10000Hz時(shí)，圖形也會(huì)嚴(yán)重失真。所以若要需要表達(dá)出信號(hào)的細(xì)節(jié)，要盡量減小基頻。

圖5 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)束語

虛擬技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于開發(fā)者不需要直接操作硬件，有效地降低了程序開發(fā)的復(fù)雜性，減小了程序開發(fā)的周期。實(shí)驗(yàn)中利用了Matlab強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力簡(jiǎn)化了波形數(shù)據(jù)的產(chǎn)生過程，實(shí)現(xiàn)了一些特殊波形的輸出。但要輸出任意的波形，顯然聲卡工作的精度和速度略顯不足，特別是表現(xiàn)一些階躍性的信號(hào)，失真較嚴(yán)重，這時(shí)建議使用專用的數(shù)據(jù)采集卡。

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Abstract: A method, with virtual instrument technique, realizing the sound card to generate special waveforms based on Matlab is introduced. According to its data source in hand-drawn waveform graph or mathematic plots, the sound card generates waveforms in audio range by controlling the A/D of sound card with Matlab DAQ.

Key words: virtual instrument; special waveform; sound card; Matlab

Using sound card to generate special waveform on Matlab

Zhang Guangcheng, Chen Juan, Lu Xiaodong
Zhejiang ocean university, Zhoushan, 316000, China

2010-11-08

張光成，在讀本科生。通訊作者：魯曉東，碩士，實(shí)驗(yàn)師。