基于LabVIEW和声卡的音频分析仪设计_周南权

信 号采 集 分 析 系 统 包 括 传 感 器 、信 号 调 理 器 、数 据 采集卡和控制软件等。在实际测量中，需要根据被测量 的精度、信 号 频 率 范 围 等 具 体 要 求，选 购 数 据 采 集 卡。 然而 ，在满足一 定 条 件 下 ，人 们 并 不 一 定 需 要 通 过 购 买 数 据 采 集 卡 完 成 数 据 采 集 ，而 可 以 利 用 计 算 机 上 的 声 卡 结合 ＰＣ机硬件资源和 ＶＣ＋＋、ＶＢ、ＬａｂＶＩＥＷ 等 软件 开发环境构成数据采集系统，完成音频范围内（２０ Ｈｚ～
１ 声卡工作原理和 ＬａｂＶＩＥＷ 简介
１．１ 声 卡 工 作 原 理 声 卡 也 叫 音 频 卡 ，是 多 媒 体 个 人 计 算 机 （ｍｕｌｔｉｍｅ－
ｄｉａ ｐｅｒｓｏｎａｌ ｃｏｍｐｕｔｅｒ，ＭＰＣ）的 基 本 组 成 部 分，是 计 算机进行声音处理的适配器。声卡有３个基本功能：
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实 验 技 术 与 管 理
图３为声音信号 实 时 采 集 系 统 的 后 面 板 程 序：主 要利用平铺式顺序结构（ｆｌａｔ ｓｅｑｕｅｎｃｅ．ｖｉ）和循环 结 构 （ｗｈｉｌｅ ｌｏｏｐ）进行整个程序的框架设计。从 ＬａｂＶＩＥＷ 软件声音模块（Ｇｒａｐｈｉｃｓ ＆ Ｓｏｕｎｄ）中找到声音输入打
收 稿 日 期 ：２０１１－１２－１２ 修 改 日 期 ：２０１２－０３－２０ 基 金 项 目 ：重 庆 市 高 等 教 育 教 学 改 革 研 究 重 点 项 目 （１０２４０４） 作者简介：周南权（１９７４—），男，重 庆 潼 南，工 学 硕 士，讲 师，研 究 方 向 为
光电信息处理、测量仪器和虚拟仪器软件开发 ． Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｎｑ５５５５５＠１２６．ｃｏｍ
波 。 声 卡 的 具 体 工 作 流 程 ［６］如 图 １ 所 示 。 目 前 的 独 立 声 卡 或 者 板 载 声 卡 都 包 括 晶 振 、Ａ／Ｄ、
Ｄ／Ａ 转换 芯 片 和 数 字 信 号 处 理 及 其 他 辅 助 电 路，因 此，它可以作为数 据 采 集 卡 使 用。 现 在 的 声 卡 一 般 采 用 ＰＣＩ接 口，能 实 现 １６ 位 的 采 样 精 度、双 通 道、最 高 ４４．１ｋＨｚ的 采 样 频 率 所 需 ７０５．６ｂｉｔ／ｓ 的 数 据 传 输 率，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 。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎ ａｕｄｉｏ ｓｉｇｎａｌ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ－ａｎａｌｙｓｉｓ－ｓｙｓｔｅｍ ｐｒｏｊｅｃｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｏｕｎｄ ｃａｒｄ ａｎｄ ＬａｂＶＩＥＷ ｉｓ ｐｒｏｖｉｄ－ ｅｄ，ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｏｕｎｄ ｃａｒｄ ｉｓ ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ ａｎｄ ｉｔｓ ｌｏｗ ｐｒｉｃｅ，ｐｒａｃｔｉｃａｂｉｌｉｔｙ，ａｎｄ ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ａｓ ａ ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｂｏａｒｄ ｗｉｔｈｉｎ ｔｈｅ ｒａｎｇｅ ｏｆ ａｕｄｉｏ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ．Ａｕｄｉｏ ｓｉｇｎａｌｓ ｗｅｒｅ ｃｏｌｌｅｃｔｅｄ ｉｎｔｏ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｔｈｒｏｕｇｈ ｓｏｕｎｄ ｃａｒｄ，ｔｈｅｎ ａｎａｌｙｓｅｄ ｂｏｔｈ ｉｎ ｔｉｍｅ ｄｏｍａｉｎ ａｎｄ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｏｍａｉｎ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｇｒａｐｈｉｃ ｐｒｏ－ ｇｒａｍｍｉｎｇ ｌａｎｇｕａｇｅ ｉｎ ＬａｂＶＩＥＷ．Ｐｒａｃｔｉｃａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｉｓ ｐｒｏｊｅｃｔ ｐｒｏｖｅ ｔｈａｔ ｂｏｔｈ ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｐａｒｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ｐａｒｔ ｏｆ ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ｂｅ ｅａｓｉｌｙ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｎｄ ｔｈｅｒｅ ａｒｅ ｍａｎｙ ｏｔｈｅｒ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｌｉｋｅ ｓｈｏｒｔ ｄｅｖｅｌｏｐ－ ｍｅｎｔ ｃｉｒｃｌｅ，ｌｏｗ－ｃｏｓｔ，ｈｉｇｈ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ａｃｃｕｒａｃｙ，ｓｔｒｏｎｇ ｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｅｘｔｅｎｓｉｂｉｌｉｔｙ，ｅａｓｙ ｔｏ ｕｐｇｒａｄｅ ａｎｄ ｍａｉｎｔａｉｎ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｕｓｅｒｓ ｃａｎ ｒｅａｌｉｚｅ ｍｕｌｔｉ－ｃｈａｎｎｅｌ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｂｙ ａｄｄｉｎｇ ｓｅｖｅｒａｌ ｓｏｕｎｄ ｃａｒｄｓ ｏｎ ｔｈｅｉｒ ＰＣｓ ａｎｄ ｍａｋｉｎｇ ｔｈｅｓｅ ｓｏｕｎｄ ｃａｒｄｓ ｗｏｒｋ ｉｎ ｐａｒａｌｌｅｌ．Ｉｎ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ，ｔｈｉｓ ｓｉｇｎａｌ－ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｃｏｍ－ ｂｉｎｉｎｇ ｓｏｕｎｄ ｃａｒｄｓ ａｎｄ ＬａｂＶＩＥＷ ｈａｓ ｖｅｒｙ ｂｒｏａｄ ｐｒｏｓｐｅｃｔ ｉｎ ｔｈｅ ａｒｅａ ｏｆ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｔｅａｃｈｉｎｇ ｐｒａｃｔｉｃｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ａｕｄｉｏ ａｎａｌｙｚｅｒ；ｓｏｕｎｄ ｃａｒｄ；ＬａｂＶＩＥＷ；ｖｉｒｔｕａｌ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ
２ 音 频 分 析 仪 系 统 总 体 设 计 原 理
本系统以 ＮＩ（Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）公 司 的 Ｌａｂ－ ＶＩＥＷ 虚拟仪器软件为开发平 台，由 硬 件 电 路 和 Ｌａｂ－ ＶＩＥＷ 软件程序２部分组成。硬件部分需要将外部设 备（如声卡）产生的 待 测 信 号 数 据 采 集、输 入 到 计 算 机 中 ；然 ［１１－１２］ 后利用 ＬａｂＶＩＥＷ 对此数据进行 处 理（包 括 测 试 信 号 的 参 数 、进 行 波 形 运 算 、存 储 及 读 取 数 据 等 ）；
同 时 ，在 前 面 板 显 示 信 号பைடு நூலகம்波 形 以 及 测 量 结 果 ，以 便 于 观 察 。 整 个 系 统 的 设 计 包 括 数 据 采 集 、分 析 处 理 、信 号 存 储 和 信 号 显 示 等 功 能 ，如 图 ２ 所 示 。
图 ２ 系 统 总 体 框 图
３ 信 号 采 集
数据采集是根据用户设置的声音格式从声卡获得 数据，采集的数据信 号 以 直 观 的 波 形 方 式 呈 现 于 用 户 面前，并对所采集 的 数 据 进 行 实 时 保 存。 数 据 采 集 过 程 分 为 ３ 步 ：（１）声 卡 初 始 化 ；（２）实 时 采 样 ；（３）释 放 声 卡 。 在 采 集 的 过 程 中 ，既 要 对 声 卡 参 数 进 行 设 置 ，又 要 进行实时信号的保存。点击数据采集模块前面板中的 “保存”按钮可以实 现 对 实 时 声 音 数 据 的 存 储，以 便 后 续对声音信号进行再分析。
周 南 权１ ，全 晓 莉２
（１．重庆航天职业技术学院 电子工程系，重庆 ４０００２１； ２．重庆理工大学 电子信息与自动化学院，重庆 ４０００５４）
摘 要：提出了一种基于声卡和 ＬａｂＶＩＥＷ 的音频信号采集分析系统的设计方案。利 用 声 卡 把 语 音 信 号 采 集 进入计算机，再利用 ＬａｂＶＩＥＷ 图形化编程语言对音 频 信 号 进 行 时 频 域 分 析。 实 际 应 用 表 明：该 系 统 的 硬 件 和软件设计简单，开发周期短，成本低，采 样 精 度 高，同 时 又 具 有 很 强 的 兼 容 性 和 扩 展 性，易 于 升 级 换 代 和 维 护。此外，用户还可以在 ＰＣ 上配置多块声卡并行工作，实现多通道采集系统。声卡与 ＬａｂＶＩＥＷ 相结合的信 号采集技术在工程测试测量以及教学实践领域中具有广阔的应用前景。 关 键 词 ：音 频 分 析 仪 ；声 卡 ；ＬａｂＶＩＥＷ；虚 拟 仪 器 中 图 分 类 号 ：ＴＮ９１１．６ 文 献 标 志 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１００２－４９５６（２０１２）０８－００６３－０４
一是音乐 合 成 发 音 功 能；二 是 混 音 器 （Ｍｉｘｅｒ）功 能 和 ＤＳＰ（ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ，数字 信 号 处 理 器）功 能； 三是模拟声音信号 的 输 入 和 输 出 功 能。 输 入 时，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 大器或线路输出 （ｌｉｎｅ ｏｕｔ）送 到 音 箱 等 设 备 转 换 为 声
图 １ 声 卡 工 作 流 程 图
１．２ ＬａｂＶＩＥＷ 简介 ＬａｂＶＩＥＷ （ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｖｉｒｔｕａｌ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｅｎｇｉ－
ｎｅｅｒｉｎｇ ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ）软件是一 个 功 能 强 大 的 图 形 化 的 虚拟仪器开发环境［７］，被工业界、学术界和实验室 广 泛 接受，亦被视为标 准 的 数 据 采 集 和 仪 器 控 制 软 件。 它 提供了一种全新的程 序 编 写 方 法，基 本 上 不 用 写 程 序 代码，取而代之的 是 程 序 流 程 图。 利 用 它 可 以 方 便 地 建立自己的虚拟仪器，其 图 形 化 的 界 面 使 得 编 程 及 使 用过程都生动 有 趣［８］。ＬａｂＶＩＥＷ 开 发 环 境 具 有 一 系 列优点，流程图式的 编 程 不 需 要 预 先 编 译 就 存 在 语 法 检 测 和 调 试 过 程 使 用 的 数 据 探 针 ，具 有 丰 富 的 函 数 、数 值 分 析、信 号 处 理 和 设 备 驱 动 等 功 能。 利 用 Ｌａｂ－ ＶＩＥＷ 进行虚拟仪 器 的 设 计 可 大 大 减 少 工 作 量，降 低 成本 。 ［９－１０］ 利用 ＬａｂＶＩＥＷ 设 计 的 程 序 包 括 前 面 板 和 后 面 板 ２ 个 部 分 ：前 面 板 是 一 个 图 形 用 户 界 面 ，用 于 模 拟 真 实 仪 器 的 面 板 操 作 ，可 输 入 数 值 、观 察 输 出 值 以 及 实现图表、文本等显 示；后 面 板 也 叫 方 框 图 程 序，用 图 形 编 程 语 言 编 写 ，相 当 于 传 统 程 序 的 源 代 码 ，用 于 传 送 前面板的命令参数，并 将 执 行 结 果 反 馈 到 前 面 板 进 行 显示。