張巖文

（石河子大學(xué)師范學(xué)院 ，新疆 石河子 832003）

基于LabVIEW和聲卡的音頻信號(hào)采集與分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張巖文

（石河子大學(xué)師范學(xué)院 ，新疆 石河子 832003）

詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的開發(fā)背景，軟件結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，系統(tǒng)地分析了數(shù)據(jù)采集硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)，在此基礎(chǔ)上以聲卡為數(shù)據(jù)采集卡，以LabVIEW為開發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)了音頻信號(hào)采集與分析系統(tǒng)。這種系統(tǒng)具有界面友好，維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)不但可以實(shí)現(xiàn)對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行采集，還可以對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行分析和保存?？梢愿鶕?jù)需要改變系統(tǒng)的功能，具有很好的教學(xué)實(shí)驗(yàn)效果。

虛擬儀器；LabVIEW；數(shù)據(jù)采集；聲卡

虛擬儀器始于上世紀(jì)90年代初，是基于計(jì)算機(jī)的儀器，是計(jì)算機(jī)與儀器緊密結(jié)合的產(chǎn)物［1］。在虛擬儀器系統(tǒng)中，用靈活強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的某些硬件，從而使傳統(tǒng)儀器中的一些硬件甚至整臺(tái)儀器從系統(tǒng)中消失，而由計(jì)算機(jī)的軟件資源來完成它們的功能。利用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器有很大的差別，傳統(tǒng)儀器都有固定的功能，由儀器生產(chǎn)廠商定義，而虛擬儀器的功能完全由用戶來定義，利用計(jì)算機(jī)的圖形環(huán)境，編制各種應(yīng)用軟件，建立用戶自己的虛擬儀器面板，并由軟件完成對(duì)儀器的控制、數(shù)據(jù)分析與顯示。虛擬儀器能仿真整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)并能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、分析、處理、顯示和存儲(chǔ)［2］。一個(gè)傳統(tǒng)的測(cè)試實(shí)驗(yàn)需要很多的儀器、儀表，占用空間多，實(shí)驗(yàn)接線復(fù)雜，調(diào)試不方便，讀數(shù)誤差大，實(shí)驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)，生成實(shí)驗(yàn)報(bào)告過程繁瑣。而使用虛擬儀器操作同樣的實(shí)驗(yàn)則快速、準(zhǔn)確、方便、靈活，消除了人為因素對(duì)測(cè)量精度帶來的影響。實(shí)際應(yīng)用中還可隨時(shí)通過修改計(jì)算機(jī)軟件，改變儀器的功能。所以說虛擬儀器是未來儀表儀器發(fā)展的一個(gè)重要方向［3］。

目前在這一領(lǐng)域內(nèi)，使用較為廣泛的計(jì)算機(jī)語言是美國NI公司的LabVIEW。它是一款功能強(qiáng)大的可視化編程語言，被廣泛應(yīng)用于儀器控制、數(shù)據(jù)采集，以及復(fù)雜的測(cè)試和數(shù)據(jù)處理中，在信號(hào)采集領(lǐng)域更是被視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。美國的許多大學(xué)已經(jīng)將Lab－VIEW作為必須的教學(xué)內(nèi)容，成為工程師素質(zhì)培養(yǎng)的一個(gè)方面［4］。

大部分虛擬儀器都是基于數(shù)據(jù)采集卡，如NI公司的E系列數(shù)據(jù)采集卡、研華的數(shù)據(jù)采集卡等，這些卡價(jià)格均比較昂貴。在采樣頻率要求不高的情況下，用普通的計(jì)算機(jī)聲卡代替商用數(shù)據(jù)采集卡，利用聲卡的DSP技術(shù)和LabVIEW的多線程技術(shù)實(shí)現(xiàn)音頻信號(hào)的數(shù)據(jù)采集，開發(fā)基于PC機(jī)聲卡的虛擬音頻信號(hào)分析儀。該系統(tǒng)能夠正確采集聲卡設(shè)計(jì)頻率范圍內(nèi)的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)音頻信號(hào)時(shí)域分析和頻譜分析功能［5］。由于計(jì)算機(jī)在各個(gè)高校已經(jīng)普及，采用聲卡研制虛擬儀器能以很低的成本、在較短的時(shí)間內(nèi)更新和擴(kuò)充實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，在全新的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上開發(fā)綜合性和設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)。

利用普通聲卡作為數(shù)據(jù)采集卡，以Lab-VIEW作為軟件開發(fā)平臺(tái)，搭建一套音頻信號(hào)測(cè)試與分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)音頻信號(hào)時(shí)域分析和頻譜分析功能。該分析儀具有波形顯示功能和頻譜分析功能，即具有示波器和頻譜分析儀的基本功能。

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和方法

在LabVIEW平臺(tái)下利用聲卡采集功能實(shí)現(xiàn)音頻信號(hào)采集分析系統(tǒng)。設(shè)計(jì)的數(shù)字音頻信號(hào)分析儀具備3個(gè)功能：示波器、頻譜分析儀和系統(tǒng)設(shè)置。示波器的前面板中包含實(shí)時(shí)波形顯示窗口，可以顯示實(shí)時(shí)采樣波形和濾波后信號(hào)波形及加窗后信號(hào)波形。系統(tǒng)設(shè)置可以設(shè)置聲卡的采樣頻率和采樣位數(shù)，同時(shí)可以設(shè)置緩沖區(qū)的容量。頻譜分析儀面板中，采用FFT算法完成自功率譜分析。通過圖形窗口的選擇、單位的選擇、坐標(biāo)顯示模式的選擇等參數(shù)設(shè)置，顯示信號(hào)的自功率譜。還可以顯示頻譜分析測(cè)量的音頻信號(hào)的最大值和信號(hào)基頻。

1.1 虛擬儀器創(chuàng)建過程

創(chuàng)建虛擬儀器的過程分為四步：

（1）創(chuàng)建前面板。前面板是圖形化用戶界面，用于設(shè)置輸入數(shù)值和觀察輸出量。它模仿了實(shí)際儀器的面板。前面板包含了旋鈕、按鈕、圖形和其他控制與顯示對(duì)象。通過鼠標(biāo)和鍵盤輸入數(shù)據(jù)、控制按鈕，也可在計(jì)算機(jī)顯示器上直接觀看結(jié)果。

（2）創(chuàng)建框圖程序。切換到框圖程序窗口，根據(jù)需要在功能模板中找到所需的節(jié)點(diǎn)，并將節(jié)點(diǎn)圖標(biāo)放置到框圖程序窗口。用數(shù)據(jù)連線將這些端口和節(jié)點(diǎn)的圖標(biāo)連接起來，形成一個(gè)完整的框圖程序。

（3）創(chuàng)建圖標(biāo)。一個(gè)虛擬儀器的圖標(biāo)/連接端口就象一個(gè)圖形（表示某一虛擬儀器）的參數(shù)列表。圖標(biāo)和連接允許將此儀器作為最高級(jí)的程序，也可以作為其它程序或子程序中的子程序（子儀器）。

（4）運(yùn)行和調(diào)試程序。在LabVIEW中，如果一個(gè)VI程序存在語法錯(cuò)誤，則在面板工具條上的運(yùn)行按鈕將會(huì)變成一個(gè)折斷的箭頭，表示程序不能被執(zhí)行。

1.2 聲卡工作原理

聲卡作為語音信號(hào)與計(jì)算機(jī)的通用接口，其主要功能就是實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換（A/D轉(zhuǎn)換）。衡量聲卡的技術(shù)指標(biāo)包括采樣頻率、采樣位數(shù)（即量化精度）、聲道數(shù)、信噪比（SNR）和總諧波失真（THD）等參數(shù)。目前一般的聲卡最高采樣頻率可達(dá)96KHz；采樣位數(shù)可達(dá)16位甚至32位；聲道數(shù)為2，可同時(shí)采集兩路信號(hào)，需要時(shí)還可選用多路輸入的高檔聲卡或配置多塊聲卡；每路輸入信號(hào)的最高頻率可達(dá)22.05KHz，輸出16位的數(shù)字音頻信號(hào)，信噪比可達(dá)96dB。對(duì)于工程測(cè)試，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［6］。

1.3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

1.3.1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

聲卡一般有Line In和Mic In兩個(gè)信號(hào)輸人插孔，信號(hào)可通過這兩個(gè)插孔連接到聲卡。若由Mie In輸入，由于有前置放大器，容易引入噪聲且會(huì)導(dǎo)致信號(hào)過負(fù)荷，而使用Line In，其噪聲干擾小且動(dòng)態(tài)特性良好。因此項(xiàng)目擬使用麥克風(fēng)作為聲音傳感器，通過Line In插孔輸入［7］。

1.3.2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

在LabVIEW 的Graphics＆Sound模塊下，提供了聲卡的相關(guān)VIs，如SI Config、SI Start、SI Read、SI Stop等，借此即可實(shí)現(xiàn)對(duì)聲卡的控制［8］。其基本流程為設(shè)置－采集－讀數(shù)－停止。當(dāng)設(shè)定好聲卡的設(shè)備ID、音頻格式、采樣模式和采樣點(diǎn)數(shù)后，啟動(dòng)聲卡開始采集，獲取的數(shù)據(jù)通過DMA方式存至指定緩沖區(qū)，然后一路用于波形顯示，另一路則用于文件存儲(chǔ)［9］。因此本軟件分成了如下幾個(gè)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)：

1.3.2.1 聲卡配置模塊

聲卡參數(shù)配置模塊可以根據(jù)自己的需要對(duì)采樣頻率、采集方式等參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)置完畢后點(diǎn)擊“設(shè)置完畢”按鈕，即可完成音頻信號(hào)采集參數(shù)的設(shè)置，本模塊默認(rèn)設(shè)置采樣頻率為44.1KHz，采樣位數(shù)為16位，采樣方式為單聲道。

1.3.2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊根據(jù)用戶設(shè)置的聲音格式從聲卡獲得數(shù)據(jù)。LabVIEW下提供了聲卡信號(hào)采集的函數(shù)，因此本模塊直接調(diào)用LabVIEW的函數(shù)［10］。整個(gè)程序采用while循環(huán)和事件結(jié)構(gòu)控制。為便于后續(xù)的處理和用戶查看，本模塊還具備了數(shù)據(jù)保存的功能。

圖1 基于LabVIEW和聲卡的音頻信號(hào)采集與分析系統(tǒng)示意圖

2 LabVIEW平臺(tái)設(shè)計(jì)開發(fā)的音頻信號(hào)采集分析系統(tǒng)

基于LabVIEW平臺(tái)設(shè)計(jì)開發(fā)了音頻信號(hào)采集分析系統(tǒng)，具有信號(hào)采集、分析、波形顯示、存儲(chǔ)以及數(shù)據(jù)文件再調(diào)用分析等功能，見圖2～圖4。

圖2 聲音輸入面板

圖3 聲音播放面板

圖4 讀取聲音面板

3 結(jié)束語

上述過程設(shè)計(jì)的信號(hào)分析系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集、波形顯示與保存、濾波、加窗、參數(shù)測(cè)量、數(shù)據(jù)分析、存儲(chǔ)以及數(shù)據(jù)文件再調(diào)用分析等功能，基本上滿足了音頻信號(hào)分析和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要。

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The Design of Acquisition and Analysis System Based on LabView and the Sound Card’s AudiOSignal

ZHANG Yan-wen

（Shihezi University，Xinjiang Shihezi 832003）

Compared with the data acquisition card，the sound card has the following merits：low-price，easy-developing and flexible-system.In this paper，the design technology of hard—ware and software has been introduced in detail，including the background，the structure.On this base，the sound card and LabVIEW has been used tOdevelop the audiOsigna1acquisition and analysis system，which can be used tOacquire and analyze the audiOsigna1.The system has better interface which can be maintained easily.In order tOmeet the need，the function of the system can be modified.It has been indicated in the application that the system has great sense in teaching and experiment.

virtual instrument；LabVIEW；data acquisition；sound card

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1007-2934（2011）05-0076-03

2011-05-03