构建基于声卡的数据采集与分析系统

构建基于声卡的数据采集与分析系统本章详细介绍了基于声卡的数据采集与分析系统的设计与实现，包括声卡的硬件结构及特性、文件存储、数据回放等等。

通过本章的学习，读者可以根据自己的需要，对例程进行适当修改后，轻松搭建一套实用的数据采集与分析系统。

本章各节内容要点如下：【本章重点】∙声卡的硬件结构与特性∙基于声卡的数据采集软件∙常用的信号时、频分析方法与实现∙声音文件的存储与回放∙界面修饰与软件调试15.1 声卡的硬件结构与特性声卡作为语音信号与计算机的能用接口，其主要功能就是经过DSP（数字信号处理）音效芯片的处理，进行模拟信号与数字信号的转换，因此，从其功能上来看，声卡可以作为数据采集卡来使用。

一般的声卡价格比较低廉，而且LabVIEW中提供了专门用于声卡操作的基本函数，所以用声卡搭建数据采集系统非常方便。

15.1.1 声卡的基本参数作为一种数据采集设备，最主要的是采样位数和采样率两个参数。

目前市场上主流声卡是16位的，相对大多数采集卡12位的分辨率来讲，这方面声卡的性能比较高。

但是作为一种音频处理设备，声卡的采样率不是很高，普通声卡的采样率分为4档：44.1kHz、22.05kHz、11.025kHz、8kHz。

对于少数专业的声卡，采样率能达到96kHz或者更高的192kHz等。

另外，声卡对20Hz~20kHz的音频信号有比较好的响应，而对这个频率范围之外的信号有很强的衰减，对于测试来讲，信号的频率最好在50Hz~10kHz范围之内。

15.1.2 声卡的硬件接口对于不同的声卡，其硬件接口有所不同，一般声卡有4~5个对外接口，Wave Out(Line Out)和SPK Out是输出接口，Wave Out输出的是没有经过放大的信号，SPK Out输出的是经过功率放大器放大后的信号，可直接接到扬声器上。

Mic In和Line In是输入接口，两者的区别在于，后者只能接入较弱的信号，幅值大约为0.02V~0.2V，这个信号较易受干扰，在作数据采集时常用Line In，它可接入幅值约不超过1.5V的信号。

这两个通道输入端口内部都有隔直电容，直流信号和频率太低的信号都不能被接受。

多数声卡在接入端把左右声道短接成一个通道，这种声卡可做为单通道数据采集卡用，声卡本身不提供参考电压，需要自行标定。

在进行数据采集时，信号可以通过3.5mm的音频插头通过声卡输入到电脑中或从电脑输出。

在进行数据采集时需要在PC机上对声卡进行设置，具体方法为：(1)双击音量图标，弹出“主音量”控制对话框，在菜单中选择“选项→属性”；(2)在属性页的混音器中选择“Realtek HD Audio input”（这个名称根据具体的PC机可能有所不同，总之选择输入那个选项就是了）；(3)在“显示下列音量控制”列表中勾选“线路音量”和“麦克风音量”。

这样，就可以对“线路音量”和“麦克风音量”进行调节了，如图1所示，将音频与对应的接口就可以进行数据采集了，对于普通的集成声卡，一般为3个接口，从外面上区分，粉红色的为Mic In，草绿色的为Wave Out，浅蓝色的为Line In。

图1 声卡录音控制15.2 声卡操作函数LabVIEW提供了一系列使用Windows底层函数编写的与声卡有关的函数，利用这些函数可以方便搭建基于声卡的信号采集程序，这些函数位于“函数→编程→图形与声音→声音”子面板上，如图2所示。

图2 声卡操作函数子面板这些函数都是用Windows底层函数编写的，直接与声卡驱动联系，可以实现对声卡的快速访问和操作，具有比较高的执行性能。

声音子面板下又分输出、输出与文件三个子面板，它们分别提供声音输出、输入与声音文件相关的VI。

声卡操作函数的用法比较简单，这里不再赘述，感兴趣的读者可以参考LabVIEW的帮助文档，另外，通过菜单栏的“帮助→查找范例”打开NI范例查找器后，在“硬件输入与输出→声音”可以找到这些函数的典型应用，通过对它的修改即可实现用户所需的功能。

15.3 构建基于声卡的数据采集与分析系统15.3.1 系统组成基于声卡的数据采集与分析系统主要由：传感器、信号调理电路、声卡和计算机四部分组成。

其中传感器的作用是获取外界信息，并转成相应的电信号，这些信号一般比较微弱，并且常常伴有较强的噪声，需要经过调理电路的滤波和放大，声卡将这些信号进行采样，变成数字信号后送入计算机进行显示和保存。

对于前置的传感器和信号调理电路，这里不作过多的讨论，这里采用的声卡就是普通PC机上的声卡，主要介绍的是软件的编写。

基于声卡的数据采集与分析系统软件主要由自动存储、手动存储和信号回放与分析三部分功能组成。

在自动存储中，用户只要指定每个文件的长度、总文件数，软件即可自动将这些文件保存到用户事先指定的文件夹中。

在手动存储中，需要用户手动控制信号存储的长度。

这些存储的文件还可以进行回放、基本的时频分析，同时还可以通过声卡对外输出。

15.3.2 编写波形显示子VI当一个程序比较复杂的时候，为了使整个程序框图看上去比较简洁，可以对部分代码进行封装，再通过“函数→选择VI”进行调用，在这里，把波形显示封装成一个子VI，能实现通道选择、滤波、频谱分析与波形显示等功能。

1. 通道选择前面已经讲到，声卡有左右两个通道，它可以作为一种双通道数据采集卡使用，但这些数据在进入到电脑之后是以波形数组的形式出现的，两个通道混合在一起，通过分离用“函数→Express→信号操作”中的“拆分信号.vi”实现。

经过“拆分信号”如果，左、右通道的信号已经分离，对于每个通道的数据处理用“条件结构”实现，如图3所示，通道选择通过“菜单下拉列表”控件实现，如图4所示。

图3 不同通道的数据处理框图示意图4 通道选择控件与属性设置2. 数据类型转换“读取声音输入.vi”的输出数据是一个波形数据，如图5所示，这些数据包括t0、dt 和Y，其中t0表示数据采集的当前时间，dt表示采样周期，即1/f，Y就是采集到的数据。

对它进行某些处理（比如滤波）的时候先要进行类型转换，用“函数→Express→信号操作”中的“从动态数据转换.vi”即可实现，第一次把它放置到后面上时，或者双击打都可打开它的配置对话框，如图6所示，这里选择“一维标题数组─单通道”或者“单一波形都可以”。

图5 通道选择控件与属性设置图6 配置从动态数据转换VI对话框3. 谱分析谱分析的实现比较容易，LabVIEW已经为我们封装好了这些函数，我们只要对它进行相应的设置即可，进行谱分析的时候，有时候需要调整数据点数，可以通过“函数→编程→数组”中的“拆分一维数组.vi”实现。

在这里用“函数→信号处理→波形测量”中的“FFT 功率谱密度”实现信号的功率谱分析，用“FFT频谱（幅度─相位）.vi”实现对幅度─相位谱的分析，可以对处理结果的显示方式等进行设置。

另外，对于谱分析之前要用“函数→编程→波形”中的“创建波形.vi”对数据进行重组，把它还原成一个波形数据。

4. 滤波“函数→信号处理→滤波器”中提供了许多常用的滤波器，这些VI使用非常简单，这里选择“Butterworth滤波器”，可以进行低通、高通、带通等方式滤波，要注意的是它的fs 端口要连接数据的采样率，否则没有波形输出，另外在进行波形显示的时候，如果不对它进行波形重组，那么显示的横轴是数据点数。

5. 波形显示为了使显示比较符合我们的习惯，对滤波后的数据进行了波形重组，这样它显示的横轴是时间，另外，因为后面涉及到对双通道数据的处理，在显示的时候为了能在一个波形图中显示出来，需要用“创建数组.vi”将两路波形数据组合到一起，这样就会出现一个问题：在对单通道的数据进行处理的时候只有一路波形数据，为了使数组类型匹配，在单通道显示的时候，将另一通道数据用一个空数组来替代。

至此，整个波形显示子VI的功能已经全部实现，程序框图如图76所示。

图7 波形显示子VI程序框图6. 设置输入输出端口经过上面5个步骤，波形显示子VI的基本功能已经实现，但要能够被正常调用，还需要对它进行端口设置，也即进行封装。

端口设置比较简单，点击菜单栏右上角的图标，选择“显示连线板”，这样图标就变成了连线端口，如图8所示。

在图标上点击一个端口，然后在前面板上点击相应的控件，这样就和控件与端口对应上了，用户可以对端口的分布，数目进行调整。

另外，还可以对图标进行编辑，输入用户想要的字符或者图案作标记。

图8 显示连线板至此，波形显示子VI就制作完成了，将它保存为“波形显示.vi”，以后就可以对它进行调用了。

15.3.3 自动存储声卡对数据采集主要通过配置声音输入.vi、读取声音输入.vi、声音输入清零.vi三个VI 实现，声音文件的存储主要通过写入并打开声音文件.vi、写入声音文件.vi、关闭声音文件.vi 三个VI实现。

利用声卡进行数据采集之前，要先对声卡进行配置，这里的配置主要包括：设备ID号（0）、采样模式（选择连续采样）、每通道采样点数、采样率、通道数、每采样比特数（16）。

进行连续采集的时候，如果参数没有改变，则不需要每次都对声卡进行配置，只要循环读取缓中的数据即可。

在进行数据存储之前要先打开一个声音文件，而写入完成之后则要将它关闭。

如果一段数据太长，会对后置处理造成麻烦，经常会因为计算机内存不够而不能完整地读出存储的数据，解决这个问题的方法就是对数据进行分割，那么，针对这个问题，我们可以在存储的时候就把文件分割成一定长度的数据段，便于后置处理，也即这里所说的自动存储。

对于自动存储，它的目标是实现指定文件长度，指定文件数目的数据采集与存储，用For循环实现。

整个程序代码如图9所示，内层的For循环实现对单个文件长度的控制，循环次数=[采集时间×采样率÷每通道采样点数]+1，[ ]表示取整，在注意的是这里只是近似文件的长度，并不是十分精确的，比如设置文件长度为5s，实际采到的信号长度可能是5s 多一点。

在进行自动存储之前要先指定文件存放的路径、要保存的文件数目、每个文件的长度，要注意的是文件名不要加后缀，由程序自动添加序号和后缀。

波形显示调用“波形显示”子VI实现。

图9 自动存储程序框图15.3.4 手动存储手动存储需要经过用户的操作才能进行一段文件的存储，它的存储长度需要用户控制。

程序的编写与自动存储类似，将图9的外层循环去掉，内层循环改成While循环，对声卡参数的配置方式和波形显示方式不变，程序框图如图10所示。

在使用过程中，要先指定文件的存放路径（注意这里的文件名称要加后缀，后缀为“.wav”），程序一开始运行时，并不存储数据，点击“保存”按钮后才开始进行数据保存，在数据保存过程时，“保存”按钮会闪烁（这个功能用“属性节点”的“闪烁”实现）。