完整word版构建基于声卡的数据采集与分析系统.docx
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完整word版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，WaveOut（LineOut）和SPKOut是输出接口，WaveOut输出的是没有经过放大的信号，SPKOut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。
MicIn和LineIn是输入接口,
（a）前面板框图
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LineIn，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“RealtekHDAudioinput"（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MicIn，草绿色的为WaveOut，浅蓝色的为LineIn。
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）。
图10手动存储程序框图
15.3.5信号回放与分析
信号回放与分析部分的功能就是将采集到的信号进行再现和分析，当然，也可以通过这个程序将信号通过声卡发射出去.读取声音文件用到的函数主要有：
声音文件信息.vi、读取并打开声音文件。
vi、读取声音文件。
vi、关闭声音文件。
vi；播放声音文件用到的函数主要有：
配置声音输出。
vi、设置声音输出音量.vi、写入声音输出.vi、声音输出等待.vi、声音输出清零.vi。
用While循环不断读取缓冲区中的数据实现续输出，滤波、谱分析等功能通过调用“波形显示”子VI实现，程序框图如图11所示。
图11信号回放与分析程序框图
15.3.6程序组合
将块程序代码组合在一起，在一个程序上实现多个功能，这些功能又互不干扰,最简单的方式就是利用“条件结构”或者“事件结构"。
在这个综合实例中,各个模块功能，如自动存储、手动存储、信号回放与分析，包括后面要讲到的帮助与退出程序都是用事件结构实现的，在信号回放与分析模块中滤波、幅度谱与相位谱、功率谱等功能是通过条件结构实现的。
7.主程序
主程序是建立在事件结构的基础上的，关于事件结构的详细内容请参考5.7中的相关内容,在这个实例中，各分支的事件源、事件及功能如表15-1所示。
表15—1主程序各事件分支说明
序号
事件源
事件
功能
0
自动采集
值改变
运行自动采集程序
1
手动采集
值改变
运行手动采集程序
2
播放
值改变
运行回放与分析程序
3
帮助
值改变
弹出帮助信息
4
退出
值改变
退出程序
&在编辑事件的时候，一定要注意取消对话框下面“锁定前面板（延迟处理前面板的用户操作）直至事件分支完成”的选择，否则，运行“手动保存"程序分支时，会造成里面的While循环假死，即程序在运行这个分支时，界面上的按钮会失去响应。
8.回放与分析模块
回放与分析模块要实现的功能是采集数据的再现与滤波、幅度─相位谱分析、功率谱分析等功能，因为界面显示有限,不可能一次把所有的程序运行结果都显示出来，这里用一个“条件结构”进行选择，选择条件由“选项卡"控件提供，将这三个功能模块分别放置在选项卡控件的不同页上，这样，切换选项卡页的时候就选择了不同的功能模块,如图12所示.
图12信号分析程序框图
15.4界面布局与修饰
界面修饰是程序编写的重要一步,一个布局合理,色彩搭配恰当的界面可以使人看去赏心悦目，而且易于操作。
界面的布局与修饰没有一个特定的公式可以参考,只要使人看上去舒服即可，一般来说,有下面几点可以用来作参考：
（1）把同一类型的控件放在一起；
（2）充分利用“控件→新式→修饰”中的线条、框框等进行划界修饰；
（3）用“查看→工具"打开“工具”选板之后，对界面进行着色修饰，但注意最不把色彩弄得过于复杂;
（4）充分利用菜单栏中的“对象对齐”、“分布对象”、“调整对象大小”、“重新排序”等工具对控件进行快速对齐、布局、调整大小等等;
（5）利用属性节点对控件的显示进行控制,如在本例中对“手动存储”模块中的“存储”按钮设置了“闪烁”，当按钮按下时，即进行数据保存时“存储”按钮会闪烁。
另外，对于一些控件，可以进行自定义,具体方法为：
在控件上单击鼠标右键，选择“高级→自定义”，打开控件自定义前面板,在这个前面板上可以对控件的形状、颜色、机械动作等进行修改，还可以加入图片，在本例中修改了两个“确定”按钮，一个作为“帮助"按钮,一个作为“退出”按钮，修改后的效果如图13所示。
图13自定义修改后的控件
整个程序的界面如图14所示，程序框图如图15所示。
需要特别说明的是：
（1）在进行存储前要先设置好保存路径、采样参数等；
（2）采样参数在运行过程中不可改变,滤波参数和显示参数可以改变;
（3）自动存储时不要指定文件后缀，由程序自动添加，手动存储和回放时要指定文件的后缀,后缀名为.wav；
（4）手动存储在点击“保存”后才开始保存数据；
（5）双击图表上的数值,可以改变波形显示的范围。
图14基于声卡的信号采集与分析软件界面
图15基于声卡的数据采集软件程序框图
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