聲卡的振動(dòng)測(cè)量技術(shù)

基于PC聲卡的振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)與技術(shù)發(fā)布日期:2008-08-02作者:蔡小華來(lái)源:微計(jì)算機(jī)信息摘要：多媒體聲卡技術(shù)的發(fā)展，使得基于聲卡的信號(hào)產(chǎn)生和數(shù)據(jù)采集成為可能。通過(guò)對(duì)振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的分析，提出了一套以計(jì)算機(jī)聲卡作為激勵(lì)源和采集模塊組建振動(dòng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的方案，闡述了計(jì)算機(jī)聲卡的基本原理、軟件結(jié)構(gòu)，并對(duì)系統(tǒng)中的多聲卡訪問(wèn)控制技術(shù)、共享多線程技術(shù)等關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了論述。關(guān)鍵詞：振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)采集聲卡技術(shù)多線程1引言激振源和數(shù)據(jù)采集模塊是各種振動(dòng)測(cè)試平臺(tái)或系統(tǒng)的兩個(gè)主要組成部分，在大多的振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中，針對(duì)系統(tǒng)的具體應(yīng)用對(duì)象和功能，都提供了專(zhuān)用的激振源和數(shù)據(jù)采集模塊。然而，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和多媒體聲卡技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，在這些以計(jì)算機(jī)為核心的振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)特別是振動(dòng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，配置專(zhuān)用的激振源和數(shù)據(jù)采集模塊將是一種資源的浪費(fèi)，計(jì)算機(jī)聲卡在很多振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中完全可以同時(shí)作為兩路激振源和兩路數(shù)據(jù)采集模塊。針對(duì)在科研和教學(xué)廣泛使用的振動(dòng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，采用多媒體計(jì)算機(jī)聲卡設(shè)計(jì)的兩通道激振源和雙通道數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)了聲卡左右聲道的獨(dú)立工作，不僅很好地滿足和保證了振動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教學(xué)要求和教學(xué)效果，而且充分利用了現(xiàn)有計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源以及大大降低了振動(dòng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組建成本和系統(tǒng)投入。2系統(tǒng)總體方案在基于聲卡的振動(dòng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)是核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)聲卡激勵(lì)源、功率放大器、振動(dòng)臺(tái)、電荷放大器以及聲卡采集等的管理和控制，它負(fù)責(zé)每個(gè)振動(dòng)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程控制、激勵(lì)信號(hào)的產(chǎn)生與數(shù)據(jù)的采集和處理，其組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)中，聲卡在計(jì)算機(jī)的控制下利用它的輸出通道實(shí)現(xiàn)振動(dòng)臺(tái)激勵(lì)信號(hào)的產(chǎn)生。計(jì)算機(jī)聲卡作為音頻輸出設(shè)備的同時(shí)也是輸入設(shè)備，它的硬件結(jié)構(gòu)中有將模擬信號(hào)向數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換的A\D轉(zhuǎn)換器以及濾波部分?，F(xiàn)在主流聲卡A\D的轉(zhuǎn)換精度已經(jīng)達(dá)到16位，最高采樣頻率44.1kHz，對(duì)于信號(hào)頻率范圍一般在10Hz?44kHz的振動(dòng)實(shí)驗(yàn)，聲卡的輸出和輸入性能完全可以滿足激振和采集的要求。此外，現(xiàn)在聲卡一般支持立體聲，其左右聲道可以獨(dú)立控制，因此一塊聲卡就可以獨(dú)立的兩路激勵(lì)源和數(shù)據(jù)采集通道，根據(jù)系統(tǒng)的需要，通過(guò)增加聲卡可以實(shí)現(xiàn)更多路的激勵(lì)源和數(shù)據(jù)采集通道。[123]

圖1基于聲卡的振動(dòng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)方框圖3多媒體聲卡技術(shù)聲卡技術(shù)是多媒體計(jì)算機(jī)中的關(guān)鍵技術(shù)之一，也基于聲卡的振動(dòng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)和部件之一?，F(xiàn)在主流聲卡都支持立體聲，每通道有同為16位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器，標(biāo)準(zhǔn)采樣頻率有44.1kHz、22.05kHz、11.025kHz三種。[4]3.1聲卡的工作原理聲卡的工作原理如圖2所示，主要包括兩個(gè)過(guò)程：聲音信號(hào)的數(shù)字化過(guò)程和聲音信號(hào)的重構(gòu)過(guò)程。T- *Line輸出竺地段—耳腳聲器ww.hlliaifh,ijumA/D爰克風(fēng)A/DLine輸入圖2聲卡的工作原理主機(jī)通過(guò)總線控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）將麥克風(fēng)或CD的輸入音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行各種處理，實(shí)現(xiàn)音頻信號(hào)的數(shù)字化的過(guò)程。同時(shí)又將數(shù)字化的音頻信號(hào)送到數(shù)模轉(zhuǎn)換器（D/A），將數(shù)字信號(hào)變成模擬的音頻信號(hào)，實(shí)現(xiàn)音頻信號(hào)的模擬輸出，即音頻信號(hào)的重構(gòu)過(guò)程。3.2聲卡的軟件結(jié)構(gòu)在Windows操作系統(tǒng)中，對(duì)聲卡的操作都是利用標(biāo)準(zhǔn)API函數(shù)進(jìn)行的，然后通過(guò)操作系統(tǒng)的MMSYSTEM標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)程序接口處理相關(guān)的音頻設(shè)備，如圖3所示。

^SYSTEM

標(biāo)準(zhǔn)APiWindows應(yīng)用程序^SYSTEM

標(biāo)準(zhǔn)APiWindows應(yīng)用程序WindowsSoundSysttan

專(zhuān)有多媒體消鬲MicrosoftWindows合成管理API圖3Windows環(huán)境下音頻子系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)軟件的結(jié)構(gòu)框圖MMSYSTEM庫(kù)是Windows音頻子系統(tǒng)中與設(shè)備無(wú)關(guān)的翻譯層，該庫(kù)將應(yīng)用程序與設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序隔離開(kāi)，這使得應(yīng)用程序通過(guò)簡(jiǎn)單調(diào)用MMSYSTEM庫(kù)提供的統(tǒng)一設(shè)備控制接口(MCI—MediaControlInterface)既可以實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)的各種標(biāo)準(zhǔn)多媒體設(shè)備的訪問(wèn)和控制。4關(guān)鍵技術(shù)分析4.1多聲卡的訪問(wèn)控制技術(shù)應(yīng)用聲卡產(chǎn)生激振信號(hào)和采集數(shù)據(jù)的過(guò)程，就是調(diào)用相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)的API音頻函數(shù)控制聲卡，通過(guò)聲卡的D\A轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)輸出相應(yīng)的波形，通過(guò)A\D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換進(jìn)行采集數(shù)據(jù)的過(guò)程。聲卡的訪問(wèn)控制主要分為對(duì)聲卡設(shè)備信息查詢、聲卡輸出控制以及聲卡輸入控制三個(gè)部分，每個(gè)部分通過(guò)相應(yīng)的API函數(shù)實(shí)現(xiàn)。在本系統(tǒng)中，由于涉及到聲卡左右聲道的獨(dú)立工作與控制問(wèn)題，因此，正確有效地調(diào)用相應(yīng)的訪問(wèn)控制函數(shù)也是實(shí)現(xiàn)兩通道獨(dú)立并發(fā)工作的關(guān)鍵。一個(gè)典型的聲卡訪問(wèn)控制過(guò)程是：查詢音頻設(shè)備、獲取音頻設(shè)備的性能、打開(kāi)音頻設(shè)備、分配音頻數(shù)據(jù)塊、準(zhǔn)備音頻數(shù)據(jù)、關(guān)閉音頻設(shè)備，整個(gè)過(guò)程由相應(yīng)的輸入、輸出函數(shù)以及相關(guān)結(jié)構(gòu)體的調(diào)用而實(shí)現(xiàn)。在計(jì)算機(jī)配置多個(gè)聲卡的系統(tǒng)中，音頻設(shè)備信息查詢是實(shí)現(xiàn)對(duì)多聲卡訪問(wèn)控制的關(guān)鍵過(guò)程和步驟，與波形輸入輸出相關(guān)的API函數(shù)主要有WaveOutGetNumDevs和WaveInGetNumDevs，這兩個(gè)函數(shù)實(shí)現(xiàn)查找計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中有效的波形輸出設(shè)備數(shù)量和波形輸入(錄制)設(shè)備的數(shù)量。通過(guò)查詢?cè)O(shè)備過(guò)程返回的相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)相應(yīng)設(shè)備的訪問(wèn)和控制。4.2共享多線程技術(shù)為提高系統(tǒng)并發(fā)響應(yīng)和并發(fā)控制能力，要求計(jì)算機(jī)聲卡的左右聲道具備并行工作能力，即計(jì)算機(jī)聲卡的每個(gè)聲道能作為獨(dú)立的硬件資源分配給指定的實(shí)驗(yàn)和測(cè)試進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)每個(gè)聲道激振的振動(dòng)臺(tái)可以互不干擾進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)和測(cè)試。[56]但在Windows系統(tǒng)條件下，聲卡作為一種硬件設(shè)備資源應(yīng)用時(shí)，一次僅可以被一個(gè)進(jìn)程打開(kāi)，其左右聲道資源將被此進(jìn)程完全占有，同時(shí)其他進(jìn)程被禁止再次打開(kāi)或使用此設(shè)備。比如，要在配有一個(gè)聲卡的計(jì)算機(jī)上進(jìn)行一個(gè)雙聲道的振動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，并且要求兩個(gè)聲道進(jìn)行獨(dú)立的激勵(lì)和采集，這就產(chǎn)生了一個(gè)聲卡的兩個(gè)聲道如何獨(dú)立并發(fā)工作的問(wèn)題。為了解決上述問(wèn)題和提高系統(tǒng)的并發(fā)能力，系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)的設(shè)備控制模塊設(shè)計(jì)中，綜合使用共享與多線程兩項(xiàng)技術(shù)。共享指的就是將聲卡使用句柄實(shí)現(xiàn)共享；在共享的基礎(chǔ)上，再運(yùn)用多線程技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)聲卡的左右聲道進(jìn)行獨(dú)立控制，從而使得計(jì)算機(jī)聲卡具備并發(fā)響應(yīng)和并發(fā)控制能力，進(jìn)而增強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)聲卡的并發(fā)訪問(wèn)控制能力［7］5結(jié)束語(yǔ)計(jì)算機(jī)技術(shù)和多媒體聲卡技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，基于聲卡實(shí)現(xiàn)信號(hào)發(fā)生與數(shù)據(jù)采集變得更加直接、廉價(jià)和高性能。振動(dòng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的最大的優(yōu)點(diǎn)就是充分地利用了計(jì)算機(jī)聲卡資源，大大地降低系統(tǒng)組建的成本；而且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，集成度高，整個(gè)系統(tǒng)只是一臺(tái)多媒體計(jì)算機(jī)加上必備的振動(dòng)臺(tái)、傳感器、功率放大器、信號(hào)調(diào)理設(shè)備，即可實(shí)現(xiàn)振動(dòng)測(cè)試的相關(guān)測(cè)試和實(shí)驗(yàn)教學(xué)。基于聲卡的振動(dòng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)同時(shí)也具有很強(qiáng)的擴(kuò)展能力，通過(guò)在計(jì)算機(jī)中增加多塊多媒體聲卡，即可實(shí)現(xiàn)多通道的信號(hào)發(fā)生與采集，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多振動(dòng)臺(tái)、多激勵(lì)源以及多點(diǎn)采集的振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：在以計(jì)算機(jī)為核心的振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)特別是振動(dòng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，配置專(zhuān)用的激振源和數(shù)據(jù)采集模塊將是一種資源的浪費(fèi)，本文作者以計(jì)算機(jī)聲卡作為激勵(lì)源和采集模塊組建振動(dòng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，大大地降低系統(tǒng)組建的成本；極大提高系統(tǒng)的擴(kuò)展能力，實(shí)現(xiàn)多振動(dòng)臺(tái)、多激勵(lì)源以及多點(diǎn)采集的振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。［參考文獻(xiàn)］［1］ 張首軍、閻麗、種蘭祥，基于計(jì)算機(jī)聲卡的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)［J］，西北大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2002Vol.32No.6［2］ 李朝林、趙正敏、崔樹(shù)青、陳良海，雙通道聲卡構(gòu)成多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)［J］，電聲技術(shù)，2002No.11［3］ 馬云升、姚曉、夏志忠，VC++下聲卡低層音頻服務(wù)的編程技術(shù)［J］，計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2002Vol.22No.2［4］ 明德祥王躍科等，基于園區(qū)網(wǎng)的傳感器振動(dòng)測(cè)試平臺(tái)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與技術(shù)［J］，北京