基于LabVIEW的虛擬音頻數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)

1、942 計(jì)算機(jī)技術(shù)與應(yīng)用進(jìn)展·2007基于LabVIEW的虛擬音頻數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)劉延華1 合肥工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)信息學(xué)院 ，安徽合肥 2300092 安徽師范大學(xué)教育科學(xué)學(xué)院，安徽蕪湖 241000摘 要：利用聲卡DSP技術(shù)和LabVIEW多線程技術(shù)，提出了一種在LabVIEW平臺(tái)下設(shè)計(jì)開發(fā)基于聲卡的數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)的廉價(jià)方案。該系統(tǒng)在LabVIEW環(huán)境中實(shí)現(xiàn)了音頻信號(hào)的采集分析及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及重載，具有實(shí)現(xiàn)簡單、界面友好、性能穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)?？赏茝V到語音識(shí)別、環(huán)境噪聲監(jiān)測(cè)和實(shí)驗(yàn)測(cè)量等多種領(lǐng)域，應(yīng)用前景比較廣闊。關(guān)鍵詞: 聲卡 數(shù)據(jù)采集 信號(hào)分析 LabVIEW1 前 言伴隨著D

2、SP(數(shù)字信號(hào)處理)技術(shù)不斷走向成熟，PC聲卡逐步成為一個(gè)成熟的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，它同時(shí)具有A/D和D/A轉(zhuǎn)換功能，不僅價(jià)格低廉，而且兼容性好、性能穩(wěn)定、靈活通用。聲卡采用的是DMA(直接內(nèi)存讀取)方式傳送數(shù)據(jù)，充分發(fā)揮了DSP芯片的性能，極大地降低了CPU占用率。一般聲卡16位的A/D轉(zhuǎn)換精度，比通常12位A/D卡的精度高，對(duì)于許多工程測(cè)量和科學(xué)實(shí)驗(yàn)來說已能滿足需要。如果利用聲卡作為數(shù)據(jù)采集設(shè)備，可以組成一個(gè)低成本高性能的數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)。當(dāng)然，它只適合采集音頻域的信號(hào)，即輸入信號(hào)頻率必須處于2020000Hz的音頻范圍內(nèi)。如果需要處理直流或緩變信號(hào)，則需要其他技術(shù)的配合1。本文的系統(tǒng)設(shè)計(jì)將信

3、號(hào)頻率的范圍限定在2020000Hz范圍內(nèi)。2 聲卡工作原理聲音的本質(zhì)是一種波，表現(xiàn)為振幅、頻率、相位等物理量的連續(xù)性變化。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，即將所獲取的模擬音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過DSP音效芯片的處理，再將該數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)輸出。衡量聲卡的技術(shù)指標(biāo)包括復(fù)音數(shù)量、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)2。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，即立體聲雙聲道，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

4、路輸入信號(hào)的最高頻率可達(dá)22.05 KHz，輸出16位的數(shù)字音頻信號(hào)，信噪比可達(dá)96dB。3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)3.1 硬件實(shí)現(xiàn)聲卡一般有Line In和Mic In兩個(gè)信號(hào)輸入插孔，聲音傳感器信號(hào)可通過這兩個(gè)插孔連接到聲卡。若基金項(xiàng)目：安徽師范大學(xué)2006年教學(xué)研究項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：XJJYB200614）。作者簡介：劉延華（1970），男，安徽蕪湖人，實(shí)驗(yàn)師，合肥工業(yè)大學(xué)在讀研究生，安徽師范大學(xué)教育科學(xué)學(xué)院教師。848基于LabVIEW的虛擬音頻數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì) 943 由Mic 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，故推薦使用Line In，其噪聲干擾小且動(dòng)態(tài)特性良

5、好。聲卡測(cè)量信號(hào)的引入應(yīng)采用音頻電纜或屏蔽電纜以降低噪聲干擾。若輸入信號(hào)電平高于聲卡所規(guī)定的最大輸入電平，則應(yīng)在聲卡輸入插孔和被測(cè)信號(hào)之間配置一個(gè)衰減器，將被測(cè)信號(hào)衰減至不大于聲卡最大允許輸入電平。LabVIEW對(duì)聲音采集的設(shè)置默認(rèn)于其所處的操作系統(tǒng)，本文使用的是最普通的聲卡，對(duì)于高級(jí)的聲卡采集信號(hào)時(shí)，要注意關(guān)閉如混響之類的一些特效，避免影響測(cè)量結(jié)果的真實(shí)性。3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)根據(jù)VI結(jié)構(gòu)化的特征，把整個(gè)系統(tǒng)分為聲卡設(shè)置、數(shù)據(jù)采集和信號(hào)分析三個(gè)模塊3，以友好的圖形界面與用戶進(jìn)行交互。3.2.1聲卡設(shè)置模塊在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集之前，首先需要對(duì)聲卡參數(shù)，如設(shè)備ID（對(duì)由多塊聲卡組成的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，I

6、D圖1 聲卡設(shè)置面板 的設(shè)置是必須的）、采樣模式（連續(xù)采樣/有限采樣）、每通道采樣數(shù)（512/1024/2048/8196）、采樣率、通道數(shù)（單通道/雙通道）以及比特率（8位/16位）進(jìn)行設(shè)置，其界面如圖1所示，對(duì)應(yīng)的程序框圖如圖2 所示。圖2 聲卡設(shè)置模塊程序框圖3.2.2 數(shù)據(jù)采集模塊數(shù)據(jù)采集模塊的功能是根據(jù)用戶設(shè)置的聲音格式從聲卡獲得數(shù)據(jù)，采集的數(shù)據(jù)以直觀的圖形方式呈現(xiàn)于用戶面前，并對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)保存。數(shù)據(jù)采集過程分為三步：初始化/配置聲卡；采樣；釋放聲卡。圖3為數(shù)據(jù)采集面板，圖4為數(shù)據(jù)采集部分框圖程序。3.2.3 信號(hào)分析模塊LabVIEW把聲卡的聲道分為mono 8-bit(

7、單聲道8位)、mono 16-bit(單聲道16位)、stereo 8-bit(立體聲8位)和stereo 16-bit(立體聲16位)。若用單聲道采樣，左右聲道信號(hào)都相同，而且幅值為原信號(hào)的1/2；用立體聲采樣，左右聲道互不干擾，可以采集兩路不同的信號(hào)，而且幅值與原信號(hào)相同。聲卡的采樣頻率分為8000Hz、11025Hz、22050Hz和44100Hz，應(yīng)根據(jù)具體情況采用合適的頻率。849944 計(jì)算機(jī)技術(shù)與應(yīng)用進(jìn)展·2007信號(hào)分析模塊從采集模塊獲得數(shù)據(jù)，或者從文件重載以前采集并存盤的數(shù)據(jù)；對(duì)全部數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域和頻域分析并顯示相應(yīng)的時(shí)域圖和頻域圖；重新做增強(qiáng)的數(shù)據(jù)保存工作，即保存所

8、選時(shí)段數(shù)據(jù)的頻譜信息，以便作進(jìn)一步的分析。用戶還可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分段處理，對(duì)該段數(shù)據(jù)按頻段進(jìn)行分析。其面板如圖5所示。圖3 數(shù)據(jù)采集面板圖 圖4 數(shù)據(jù)采集模塊程序框圖圖5 信號(hào)分析面板 圖6 信號(hào)分析模塊程序框圖LabVIEW完全圖形化的編程環(huán)境和數(shù)據(jù)流的驅(qū)動(dòng)方式使用戶可以非常直觀的觀察到程序代碼的并行執(zhí)行。該系統(tǒng)充分利用LabVIEW的多線程(Multithreading)技術(shù)，為整個(gè)系統(tǒng)中的用戶接口、數(shù)據(jù)采集、信號(hào)分析以及文件讀寫等多個(gè)操作自動(dòng)分配優(yōu)先級(jí)，讓它們相互獨(dú)立運(yùn)行，避免了單線程系統(tǒng)中的調(diào)用阻塞，且不會(huì)浪費(fèi)CPU時(shí)間4。例如，用戶接口操作被分配在一個(gè)特定的線程并被賦予較低的優(yōu)先級(jí)，移

9、動(dòng)面板窗口這樣的事件不會(huì)影響數(shù)據(jù)采集等對(duì)時(shí)間要求非常嚴(yán)格的操作，從而保證了系統(tǒng)的可靠性。圖6為信號(hào)分析模塊的框圖程序。該VI主要使用了LabVIEW中While Loop結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)整個(gè)程序的信號(hào)采集、存儲(chǔ)和運(yùn)行退出等功能，并且應(yīng)用了Sound Input和Signal Processing模板中的節(jié)點(diǎn)完成信號(hào)采集、時(shí)域圖實(shí)時(shí)顯示、加窗和功率譜分析等操作。在信號(hào)分析之前加入了Butterworth低通濾波器，對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行平滑濾波處理以消除高次諧波失真和噪聲干擾，提高信噪比。和模擬濾波器相比，該數(shù)字濾波器不需要精度組件，不會(huì)因溫度、濕度的變化產(chǎn)生誤差。4 結(jié) 束 語本文采用PC技術(shù)、DSP技術(shù)和

10、LabVIEW多線程技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)音頻信號(hào)實(shí)時(shí)、高保真的采集與處理。實(shí)踐證明，整個(gè)系統(tǒng)性價(jià)比高，通用性強(qiáng)，界面友好，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方便，性能穩(wěn)定可靠。在PC上配置多塊聲卡并行工作，完全可以構(gòu)成一個(gè)多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，滿足特定應(yīng)用范圍內(nèi)數(shù)據(jù)采集的需要5。如果采用筆記本電腦則無需添加任何硬件就可以構(gòu)成便攜式測(cè)量系統(tǒng)。在聲卡性能越來越好，成本越來越低，普及率越來越高的情況下，這種方法值得在工程測(cè)量應(yīng)用及相關(guān)實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)一步推廣和擴(kuò)充。例如，對(duì)環(huán)境噪聲進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，采集語音信號(hào)并進(jìn)行分析和處理來實(shí)現(xiàn)850基于LabVIEW的虛擬音頻數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì) 945 語音識(shí)別，還可以實(shí)現(xiàn)示波器、信號(hào)發(fā)生器及萬用

11、表等設(shè)備在音頻信號(hào)范圍內(nèi)的基本功能，其應(yīng)用前景較為廣闊。參考文獻(xiàn)1 鄭詩推，黃文達(dá)基于LabVIEW的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)儀器的開發(fā)J實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2005(1):26-292 劉國福，張屺，淳靜等DSP與ISA總線聲卡的接口技術(shù)研究J測(cè)控技術(shù)，2002(3):61-633 張仁亮，劉北英，李占鋒基于LabVIEW虛擬儀器自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)J機(jī)械制造與自動(dòng)化，2006(1):143-1454 李力，耿軍曉基于LabVIEW的試驗(yàn)裝置測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)J鑿巖機(jī)械氣動(dòng)工具，2006(2):23-265 劉子民，何廣軍，白云，金鳳杰基于LabVIEW和MATLAB的虛擬儀器設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)J彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，

12、2006(2):788-789，7936 鄧焱，王磊等LabVIEW 7.1測(cè)試技術(shù)與儀器應(yīng)用M北京，機(jī)械工業(yè)出版社，20047 雷振山LabVIEW7 Express實(shí)用技術(shù)教程M北京，中國鐵道出版社，20048 楊樂平，李海濤，趙勇，楊磊LabVIEW高級(jí)程序設(shè)計(jì)M北京，清華大學(xué)出版社，20039 National Instruments. LabVIEW User Manual M. Texas: National Instruments, 200310 National Instruments. Using LabVIEW to Create Multithreaded VIs M.

13、Texas: National Instruments, 2000 Analysis and Design for Virtual Audio Data Acquisition SystemBased on LabVIEWLIU Yan-hua1 College of Computer Science, Hefei university of technology, Hefei, Anhui, 2300002 College of Education Science , Anhui Normal University, Wuhu, Anhui, 241000Abstruct: Based on

14、 DSP technology and LabVIEW multithreading, this paper brings forward a low pricesolution of sound card based data acquisition and analysis system, In the range of voice frequency，datasaving and overloading is successful in LabVIEW. with its advantages of easy implementation, friendly interface and steady performance.