LabView大作业基于声卡的LabVIEW数据采集与分析系统设计.docx

LabView大作业实验报告
第7 次实验
实验名称：基于声卡和LabView的虚拟仪器设计专业：
姓名：学号：
实验室: 实验组别：
同组人员：实验时间：
评定成绩：审阅教师：
目录
前言 (1)
1.实验说明 (2)
1.1设计原理
1.2设计内容与要求
1.3说明与注意事项
2.软件设计 (5)
2.1设计方案
2.2程序框图
2.3方案实现与前面板设计
3.结果分析 (12)
结束语 (15)
参考文献 (16)
附录（使用说明） (17)
前言
本文主要介绍了基于声卡和LabView的虚拟仪器设计这一实验的过程。

这次实验中主要包括了声卡、线路输入与保存、输入数据回放、信号分析处理以及对计算机内部产生信号的分析处理。

下面先对设计背景做简单介绍。

虚拟仪器技术是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。

在虚拟仪器系统中，硬件解决信号的输入和输出，软件可以方便地修改仪器系统的功能，以适应不同使用者的需要。

其中硬件的核心是数据采集卡。

目前市售的数据采集卡价格与性能基本成正比，一般比较昂贵。

随着DSP(数字信号处理)技术走向成熟，PC机声卡可以成为一个优秀的数据采集系统，它同时具有A／D和D／A转换功能，不仅价格低廉，而且兼容性好、性能稳定、灵活通用，驱动程序升级方便。

同时一般声卡16位的A／D转换精度，比通常12位A／D 卡的精度高，对于许多工程测量和科学实验来说都是足够高的，其价格却比普通数据采集卡便宜得多。

本文主要分为三大部分，第一部分为实验说明，介绍这次实验的要求与内容。

第二部分为软件设计，介绍软件的设计原理，程序框图等。

最后是结果分析与结束语。

在此次设计过程中，得到了两位老师的指导，同时也感谢许多同学对我在实验过程中的帮助。

1.实验说明
1.1设计原理
声音的本质是一种波，表现为振幅、频率、相位等物理量的连续性变化。

声卡作为语音信号与计算机的通用接口，其主要功能就是将所获取的模拟音频信号转换为数字信号，经过DSP音效芯片的处理，将该数字信号转换为模拟信号输出。

声卡的基本工作流程为：输入时，麦克风获取的音频信号通过A/D转换器转
换成数字信号，送到计算机进行播放、录音等各种处理；输出时，计算机通过总线将数字化的声音信号以PCM(脉冲编码调制)方式送到D/A转换器，变成模拟的音频信号，进而通过功率放大器送到音箱等设备转换为声波，人耳侦测到环境空气压力的改变，大脑将其解释为声音。

1.2设计内容与要求
本次大作业基于“硬件的软件化”思想，在对信号分析、虚拟仪器技术和声卡的实用性进行理论分析的基础上，利用虚拟仪器专用语言LabVIEW开发环境，设计基于声卡的虚拟仪器。

用普通的计算机声卡代替商用数据采集卡，利用声卡的DSP技术和LabVIEW的多线程技术实现信号的数据采集，开发基于PC机声卡的虚拟仪器，可实现数据采集，信号分析，信号存储，信号回放、输出等多种功能。

要求：
1.程序可通过声卡采集、存储线路输入口的信号，或麦克风接口
的信号或计算机内部产生的信号，并实时显示波形。

(1)缓存区大小调节按钮，用于调节数据缓存区大小；
(2)声音格式，调节声卡采集数据时的参数，可以调节通道数如单声道和双声道、采样频率可以选择8000Hz、11025Hz，22050Hz、44100Hz四种采样频率。

采样位数为8位，16位可选；
(3)一个用来停止采集的控制按键；
2.对采样的信号进行一些分析和处理（时域分析和频域分析）。

其中时域分析包括实时显示波形，测量信号电压、频率、周期等参数；频域分析包括幅值谱、相位谱、功率谱和FFT变换等。

3.保存采样的信号数据，以文本文件的形式保存，通过用户界面
可将数据以excel形式提交给用户。

4.点击回放按键。

面板上可显示回放存储数据的波形，或计算机
内部产生的信号波形（需通过控件来选择），同时信号通过声卡完成D／A转换输出，连接计算机线路输出接口与真实示波器，可对虚拟仪器前面板显示的波形与传统示波器显示波形做对比。

5.设计界面要美观，程序可读性好。

需合理排布用户前面板，体
现良好的程序用户交流界面。

注意：
1.计算机内部产生的信号：通过调用框程图中的不同功能函数，得到不同的信号。

面板上可选择信号类型按钮：选择正弦，余弦、三角波、方波、锯齿波等；频率选择按钮：调节输出信号的频率；幅值调节按钮：调节输出信号的幅值。

2.采集从线路输入口Line In或麦克风接口Mic In的外部信号由信号发生器提供。

注意幅值不同：
线路输入口Line In：可接入不超过1.5V的信号
麦克风接口Mic In：可接入大约为0.02～0.2V的信号
3.在运行程序时一定要选好计算机系统的声音选项。

要不然可能
得不到正确的波形。

比如要采集从线路输入口进入的外部信号。

那最好对录音选项里选择线路输入，而不是混合单声道或者是混合立体声，要不然会产生干扰．波形有极大的噪点。

当选择混合输入时，最好不要使计算机系统产生任何声音．要不然不能采集显示所需要的波形。

1.3说明与注意
1.除完成以上功能外，有余力的同学可进行功能的拓展。

2.2011年11月30号交大作业，包括：报告，VI程序，操作使用说明。

3.大作业报告应包括的主要内容：
封面、目录、页码、设计题目、任务分析、实现过程、程序前面板及流程图、测试结果和分析、使用说明、结束语、心得体会、参考文献等。

（报告除按照以前所给的要求之外，需增加目录、页码、参考文献。

）
注意：
①计算机前部：
粉色插头--- Mic In（接麦克风）--- 有前置放大器
绿色插头--- 音源输出Lin Out（接耳机、音箱）
②计算机后部：
粉色插头--- Mic In（接麦克风）--- 无前置放大器
绿色插头--- 音源输出Lin Out（接耳机、音箱）
蓝色插头--- 音源输入Lin In（录音机里的声音用电脑播放）
2.软件设计
2.1设计方案
在对程序框图进行设计之前，应先对前面板做一个框架设计，由于实验要求的内容比较多，前面板需要一个大选项卡，因此在程序中首先放入一个事件结构以选项卡控件连接。

之后将不同程序放入不同事件选显卡中。

程序中需要用到声音打开文件子VI，文件对话框、关闭声音文件子VI、配置声音输出子VI和写入声音输出子VI等等，利用之前学习的循环结构分别对各种信号进行输入、读取和写入的操作。

实验程序首先需要对输入信号进行记录显示，并且保存下来。

输入信号包括线路输入，语音输入以及计算机内部产生的信号，根据信号的不同，将外部信号独立为一个选项卡，内部信号也有一个选项卡。

接下来就是输入数据的回放，将保存的信号文件打开进行回放，同时显示该信号的文本信息。

最后再对该信号进行分析。

分析包括幅值谱，相位谱以及功率谱。

这便是总体的设计方案。

2.2程序框图
2.3方案实现与前面板设计2.
3.1方案实现
对于声卡、线路输入和保存部分的程序框图。

首先采用文件对话框，设置声音保存文件的格式为wav格式，接下来通过声音
打开文件将输入的信号写入目标文件中去保存起来。

再输入到循环结构中，写入测量文件，并且显示信号波形。

对于输入数据回放部分的程序框图，首先得通过声音读取文件将之前保存的声音或者信号文件打开，之后就与输入及保存部分的程序类似，将信号从循环结构中输入，这次不需要保存文本文件，只需要将信号的文本形式创建表格后显示出来就可以了，同时将其波形也显示出来。

将显示的文本文件与之前保存的文本文件中得数据进行对照即可。

信号分析处理部分，首先需要打开之前保存的文件，再对该信号进行分析处理，其中主要的处理方法就是将该信号的功率谱显示出来，两外还有信号的频谱图和幅值图，用到了功率谱子VI，FFT变换子VI。

最后是计算机内部产生信号的部分程序，其实就是产生几种不同的信号，比如正弦信号、方波信号、三角波信号和锯齿波信号。

然后再将这种信号利用波形显示控件显示出来，并且写入文件保存起来，这样就可以对计算机内部产生的信号同样进行信号分析与处理。

2.3.2前面板设计
3.结果分析
在声卡线路输入与保存界面，点击运行时弹出窗口提示输入保存文件路径与文件名。

接下来输入信号。

上图中为输入数据回放的结果，可以看到之前输入数据的波形以及文本数据。

上图为信号分析处理部分的程序结果，本来是一个动态的过程，这里只能截取某一瞬间的图片来展示，其右上角显示的是功率谱，左下角为频域幅值谱，右下角为频域相位谱。

上图为计算机内部产生方波信号，通过调节输入信号可以将方波变为三角波，锯齿波或者正弦波。

同时也将信号波形记录下来。

这是截取的信号文本，文本同时也可以通过回放信号直接再前面板中观察。

结束语
本次实验是这个学期以来最大的一次实验也是最复杂的一次实验，需要做的东西有许多，这次实验内容包含了之前所有实验的各种知识，需要对之前的知识都有较清楚的掌握才可以完成这次实验。

这次实验包括了对声音以及其他各种信号的采集、保存和处理，对我们的各方面要求都比较高。

之前看到题目的时候都感觉无法下手，因为要做的东西太多，感觉前面板都不知道怎么排版了。

后来经过老师的提醒，才知道了可以用选项卡这种控件来实现前面板的美观与人机交互界面的完成。

让我有一次了解到了LabView的强大功能与方便美观。

解决了前面板的问题后，程序框图就的轮廓就出来了，接下来就是分块进行编程，首先是声音信号线路输入信号的采集与保存，这里用到了许多之前没用过的控件，像声音打开文件子VI，文件对话框、关闭声音文件子VI、配置声音输出子VI和写入声音输出子VI等等，在使用这些控件的时候都烦了许多错误，最后问过同学看过帮助后，才将每一个控件都正确使用了。

接下来还有数据回放，信号分析处理以及计算机内部信号这三个部分，编程的时候都遇到了大大小小的难题，但最后经过与同学之间的交流，上网查询等渠道都一一得到了解决。

运行程序后，发现结果总是不能让人满意，一开始信号输入进去都没有什么反应。

后来信号波形显示成功后，保存的wav文件又打开失败，不能记录信号输入的全过程。

在信号回放程序部分也有一些问题，即信号不能正常回放，有时候不能打开信号保存的wav文件，这些都是之前程序框图没有设计好的问题，有的是引用句柄的问题，有的是循环的问题。

在信号分析与处理部分，开始运行时，出现的原始信号波形以及处理过的功率谱、幅值谱、
频率谱波形都不是动态的，而是静态的，即在一张图中将整段信号波形统统显示出来，这样就无法看到信号的变化，同时，由于信号太过密集，是波形十分混乱不方便观察。

后来将波形处理控件放入循环过程中后，才将信号波形改换成为动态的波形。

在实验完成验收的那一刻，感觉很有成就感，这样大的一项实验被自己一点一点完成感觉非常好，觉得自己这一学期学习的知识得到了应用，同时也对之前一学期的知识重新做了一次巩固。

参考文献
《LabView8 实用教程》【美】Robert H.Bishop 著
电子工业出版社
附录（使用说明）
打开VI程序，进入前面板界面，看到一个大的选项卡，选项卡内容有四块，分别为：声卡、线路输入与保存、输入数据回放、信号分析与处理和计算机内部产生信号。

首先是声卡、线路输入与保存部分，设备ID，采样率和声音格式都选取默认值，将外部线路都搭好后，点击运行，弹出对话框输入要保存的信号文件的路径以及文件名，文件格式为wav，选择完毕后，点击确定，即可运行。

在信号输入的同时，将信号
写入测量文件，文件格式为lvm，文件保存路径默认为：
D:\Backup\我的文档\LabVIEW Data\test.lvm。

再点击停止，则停止外部信号的输入。

接下来是输入数据回放部分，首先输入保存的wav文件的路径，又来打开声音文件。

设备ID和采样数都采取默认值。

点击运行，即可将之前播放的信号波形显示出来，同时将文本文件也一同显示在波形显示控件下方的表格中。

旁边的进度条可以调节音量的大小。

再点击停止，则停止信号的回放。

再往下是信号分析与处理部分，点击选择之前信号文件保存的路径，设备ID和采样数都采取默认值。

点击运行即可显示处理好的信号波形：左上角为原始波形，右上角是功率谱，左下角是频域幅值谱，右下角是频域相位谱，音量进度条可以调节信号音量大小。

再点击停止，则停止信号的播放与处理。

最后是计算机内部产生信号部分的操作。

设备ID和采样数选择为默认值，频率可以选择适当小一些，100HZ、50HZ都可以，上面是波形选择，可以选择正弦波、方波、三角波和锯齿波四种波形，声音格式也采取默认值。

点击运行后弹出窗口，如第一部分一样选择保存信号文件的路径和文件名，格式为wav，点击停止可以停止信号的输入。

之后也可以通过保存的文件对计算机内部产生信号进行分析与处理。