基于虚拟仪器技术的语音采集系统设计.docx
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基于虚拟仪器技术的语音采集系统设计
2.1.4现代测控技术的发展趋势.....................................................................................9
1.设计任务书
《测控系统综合设计》设计任务书（四）
题目：
基于虚拟仪器技术的语音采集系统设计
一、设计任务
本课题所要求设计的基于虚拟仪器技术的语音采集系统硬件由语音芯片、MIC、喇叭和放大电路组成，其工作原理为语音芯片中包含的音乐由喇叭发出，MIC采集音乐信号，经过放大电路的放大，送入NIELVISII数据采集平台的模拟输入通道，然后利用虚拟仪器软件开发平台LabVIEW来开发系统软件，以实现对语音信号的采集、分析、处理与报表生成等。
语音信号由计算机进行分析和处理，在程序中通过设置采样点和采样率，对数据进行时域和频域的分析、处理，可以观察音频的分布和语音信号的特点。
具体指标与要求如下：
（一）硬件设计要求
1、理解语音信号的特点，认识语音信号处理的一些基本方法。
要求对语音采集信号调理电路进行设计，说明其工作原理。
2、理解NIELVISII数据采集平台的工作原理，通过NIELVISII数据采集平台对语音信号及其调理电路出来的电压信号进行采集、分析与处理。
（二）软件设计要求
要求采用状态机的软件设计结构来设计语音采集系统软件。
系统软件具有“系统初始化”、“系统等待”、“数据采集”、“报表生成”“打开报表”、“退出”等功能。
具体要求如下：
1、系统初始化
语音采集系统软件运行后，首先进入系统初始化状态。
系统初始化状态主要可以对NIELVISII数据采集平台，所用的数据采集通道及软件界面上的所有控件进行初始化。
系统初始化结束后，软件进行等待状态中，等待其他功能的选中与运行。
2、系统等待
在系统等待状态下，用户可选择其他功能并运行。
要求系统等待状态采用事件驱动结构来实现。
3、数据采集
要求系统可以对语音信号进行连续的实时采集、分析与显示。
可对采样参数进行设置包括对所用NIELVISII数据采集平台物理通道、采样速率、每通道采样点数等参数的设置。
可对频域波形参数进行设置包括对频域波形类型、截止频率（Hz）、上限截止频率（Hz）、下限截止频率（Hz）等参数的设置。
将采集到的时域波形等参数进行实时显示。
对信号进行频谱分析并显示其频谱波形。
4、报表生成
报表生成功能可以实现对语音信号连续采集与分析过程中的相关参数包括所用NIELVISII数据采集平台物理通道，电压最大值、最小值、采样速率、每通道采样点数、时域波形、频谱波形等参数或波形作为报表的内容进行保存。
5、打开报表
打开报表功能可以对保存的报表进行打开以便进行离线进行分析和处理。
6、退出
按下“退出”键，将退出系统软件。
要求系统软件界面设计友好，方便操作。
在系统软件界面即前面板上必须有状态显示栏，以显示软件当前运行的状态。
二、设计目的
通过本次设计使学生具备：
（1）初步了解测控系统的设计步骤，掌握系统设计方法，加深对专业理论知识的理解，能够综合运用所学的《传感器原理与检测技术》、《虚拟仪器技术》、《测控电路》、《测控系统原理与设计》等专业知识设计测控系统各个单元，并组成系统。
（2）通过制定测控系统设计方案，合理选择传感器及其他元件，正确计算、选择各电路和元件参数，确定尺寸和选择材料，以及较全面地考虑制造工艺、使用和维护等要求，达到了解和掌握测控系统综合设计过程和方法的目的。
（3）进行设计基本技能的训练。
如：
计算、绘图、熟悉和运用设计资料（手册、图册、标准和规范等）以及使用经验数据、进行经验估算和数据处理及计算机应用的能力。
（4）了解现代仪器科学与技术的发展前沿，学习和掌握基于虚拟仪器技术的测控系统组成和工作原理；进一步掌握虚拟仪器LabVIEW图形化软件设计方法与调试技巧。
（5）培养学生查阅资料的能力和运用知识的能力；提高学生的论文撰写和表述能力；培养学生正确的设计思想、严谨的科学作风；培养学生的创新能力和运用知识的能力。
三、设计要求
1、了解和掌握整个以虚拟仪器技术平台构建的测控系统组成、工作原理、各单元功能和应用背景。
2、根据设计任务进行文献资料的检索，根据测控系统的功能和工作原理，确定测控系统的功能，制定设计方案和设计虚拟仪器面板。
3、合理选择传感器的种类与型号，设计信号调理电路；利用虚拟仪器技术软件开发平台LabVIEW来编写与调试系统软件。
4、按学校课程设计的撰写规范撰写且提交一份完整的设计报告。
四、设计内容
1、基于虚拟仪器技术的语音采集系统硬件设计。
2、基于虚拟仪器技术的语音采集系统软件设计。
具体设计内容详见前面的设计任务。
五、设计报告要求
报告中提供如下内容：
1、目录
2、正文
（1）设计任务书（只需要打印指导教师提供的设计任务书，不要对任务书的内容进行任何的修改）；
（2）总体设计方案（包括对现代测控系统发展的概述，构建一个测控系统的总体结构图，语音信号处理的基本原理、发展与概述等，语音采集信号调理电路的设计，并根据任务书要求，选择合适的技术参数和技术方案，对多种设计方案进行分析比较，系统总体结构图概述等）；
（3）系统硬件设计，包括传感器的选择（测量原理分析，传感器的量程、测量精度与结构、型号的确定）、信号调理电路的选择、设计及计算（根据测量要求、传感器的类型及特点，选择或设计合适的信号调理电路，并绘制电气系统原理图。
）；
（4）系统软件设计，包括系统软件程序流程图、前面板与框图程序的设计及功能实现方法等；
（5）系统总体调试、运行及其结果；要求有程序和运行结果等。
3、收获、总结与体会
4、参考文献（不低于20篇）
六、设计进度安排
本课程设计共需2周时间，其具体安排见下表:
序号
内容
时间安排
1
设计动员、布置设计任务
第1天上午
2
查找与消化相关资料
第1天下午，第2天
3
总体方案设计
第3天
4
系统硬件设计
第4--5天
5
系统硬件调试
第6天
6
系统软件设计
第7--10天
7
系统软件调试
第11--12天
8
系统总体调试及性能分析与总结
第13天
9
撰写设计报告
第14天
10
完成设计报告并上交
第15天上午
11
答辩
第15天下午
七、设计考核办法
本设计满分为100分，从设计平时表现、设计报告及设计答辩三个方面进行评分，其所占比例分别为20%、40%、40%。
2.总体设计方案
2.1、现代测控系统发展概述
现代测控技术是一门高新技术，以测控、测量、电子等学科为基础，涉及计算机技术、信息处理技术、电子技术、自动控制技术、测试测量技术、仪器仪表技术及网络技术等领域。
随着现代科学技术的飞速发展和不断融入，加快了现代测控技术的发展，使其正朝着智能化、集成化、微型化、虚拟化、网络化和远程化的方向大步迈进。
作为一门实践性很强的技术，现代测控技术在工业、农业和国防等领域的应用广度和深度正不断的扩大，并将为改进技水平和提高生产率做出巨大的贡献。
2.1.1现代测控系统概述
现代测控系统是一个综合系统，其目的是实现生产过程的自动化控制，它以计算机技术为核心，并集控制和测量为一体。
2.1.1.1现代测控系统的组成
现代测控系统的组成大致可以分为五个部分，即：
①控制器部分。
是系统的控制中心和指挥中心，主要指计算机、小型机、单片机等。
②程控设备和仪器。
包括：
激励源、程控伺服系统、各种程控开关及仪器、执行元件、存储器件、显示器件等。
测控应用软件。
包括I/O接口软件、可执行应用程序和仪器驱动程序等。
④总线与接口部分。
包括连接器、电缆、插槽、机械接插件等。
它是连接控制器与各种设备、程控仪器的通路以完成数据、命令及消息的交换与传输。
⑤被测对象。
主要是指生产线、系统、子系统、被测设备等，通过电缆、开关、接插件等于测控设备相连接。
根据测控任务的不同，被测对象也是千差万别的。
2.1.1.2现代测控系统的基本类型
按照结构不同，现代测控系统可以分为三类：
基本型、闭环控制型和标准通用接口型。
基本型测控系统主要由传感器、数据采集卡、信号调理和计算机组成。
它能够完成对多点的实时、快速测量，并能进行信号和数据分析，消除干扰，最终做出判别。
闭环控制型是指应用于闭环控制系统的测试系统，其过程的自动控制可归纳为实时数据采集、实时控制、实时判断决策三个阶段。
标准通用接口型是由模块组合而成，并且所有模块的对外接口都是按照规定标准设计的。
2.1.2现代测控技术的特点
现代测控技术的特点可以概括为：
智能化、数字化、网络化、分布式化。
（1）智能化现代测控系统中应用的仪器仪表都是智能化的仪器，以微处理器为基础，具有方便使用、灵巧、多功能等特点。
随着微电子技术的发展和更多的人工智能的不断引入，智能化仪器的计算能力和计算方法将得到大大增强。
（2）数字化数字化在测控领域中的应用主要体现在：
控制器到远程终端设备的数字化控制，传感器的数字化控制，通信、信号处理等过程的数字化控制等。
（3）网络化传感器技术、测控技术、计算机技术与网络技术的结合，使分布式、网络化的测控系统的组建变得十分便捷。
随着计算机网络技术的迅猛发展及其他相关技术的不断完善，使得计算机网络的规模更加庞大，其在航空航天、气象、通信和国防等领域的应用也更为广泛。
（4）分布式化分布式测控技术是以网络技术和微型计算机术为基础，采用分布式的结构将系统内所使用设备连接起来，从而组合成符合要求的分布式测控系统。
在生产过程的控制中，分布式测控系统可以实现测量———控制———管理的全自动化，大大降低了测控成本，提高了测控效率。
2.1.3现代测控技术的应用
2.1.3.1新型传感器技术
传感技术是当今世界发展最迅速的高新技术之一。
为了适应现代科学技术的发展，新型传感器逐渐融入了诸如计算机技术、智能技术和网络技术等新技术，使其结构更加完善，功能更加强大。
新型传感器技术的应用体现在：
①微型化气体传感器广泛应用于交通、医学、化工、机器人、国防、防伪等领域。
②数字化传感器在实际生产和生活中应用广泛，如：
银行监控、测量环境温度、图像传感器等。
③集成化传感器主要用于温度测量、压力测量和视觉测量。
④智能化传感器的典型应用，如：
火车机车的状态监测、心内压监控系统等。
⑤网络化传感器在工业、农业、军事国防、医疗、抢险救灾、环境监测、城市管理、反恐等许多领域具有潜在的实用价值和重要的科研价值。
2.1.3.2现代测控总线技术
在现代测控系统中，利用总线技术可以在很大程度上简化测控系统结构，增加系统的可靠性、开放性、兼容性及可维护性，从而降低系统成本。
现代测控总线技术的应用有：
①GPIB总线技术利用计算机实现了对仪器的操作和控制，促使测控技术向大规模测控系统的方向迅速发展。
②USB总线具有低成本、速度快、使用灵活、即插即用、易于扩展等优点，在低速设备上应用广泛。
③IEEE总线具有支持多种总线速率、支持等时和异步两种传输方式、分层的硬件和软件、支持点对点传输、可扩展总线、错误检测和处理等优点，成为外部硬盘、视频设备、高度数字音频和其他高速外设的首选接口。
④自动化系统与设备正朝着现场总线体系结构的方向前进，将极大的促进企业网络和自动化相关行业的发展。
⑤LXI总线有着巨大的竞争潜力和广阔的发展空间，尤其适合于多个单位合作研究开发生产的项目和分布在不同地区的研发机构。
2.1.3.3虚拟仪器技术
虚拟仪器技术是计算机辅助测试领域的一项重要技术，是现代仪器技术和现代计算机技术深层次结合的产物，具有功能强大、交互性、灵活性、系列化和模块化、网络化等优点。
虚拟仪器技术的应用也较广泛，如：
①利用虚拟仪器技术测量不同进口压力和转速下的液力变矩器的性能参数。
②虚拟仪器技术用于蚕茧无损质量检测。
③利用虚拟仪器计算机视觉软件和开发工具，开发出计算机自动化秧苗分析系统，可用于预测在最后发芽期限发芽良好的秧苗数量及监视秧苗质量。
④虚拟仪器技术用于农机监控、检测上及农机现代化管理与教育。
2.1.3.4远程测控技术
常见的远程测控技术有：
专线远程测控技术、电话网远程测控技术、以太网远程测控技术和无线通信远程测控技术。
远程测控技术的应用主要有：
①基于Internet的远程测控技术，在核电站检测、电网运行监控、石油输送管道的远程监控、机器人的远程监控等领域应用广泛。
②基于现场总线的远程测控技术，主要应用于现场总线仪表、现场总线网络、现场总线远程测控系统等的监测。
③基于无线通信的远程测控技术特别适用于用户密度不高、距离较远、不易布线和地理环境复杂的地区和情况
随着计算机技术的发展，各领域逐渐开始采用以信息的获取与应用为中心的方式，以实现工业生产、仪器仪表的自动化控制。
同时，数据处理技术、信号传感技术、计算机控制技术等先进技术也在飞速发展，促使现代测控技术发生深刻的变化。
现代测控技术的未来发展将朝着智能化、系统化、标准化及系统功能的综合性等趋向，并更加的开放化、标准化，为促进技术水平的提高做出巨大的贡献。
2.1.4现代测控技术的发展趋势
现代测控技术正向智能化、网络化和集成化的方向发展。
大规模及超大规模集成电路的发展，提高了计算机的可靠性和性能价格比，从而使计算机控制系统的应用也越来越广泛。
随着现代科学技术以及复杂自动控制系统和信息处理与技术的提高，现代检测技术将朝着检测结果高精度、系统智能化、检测结果数字化、检测功能多元化、检测器件微型化、检测系统自动化的放向发展，它将广泛应用于工业、农业、家庭、医学、军事和空间科学技术等许多科学领域。
测控系统中，就控制仪表与装置涉及的面而言便是非常的广泛的，如DCS、PLC、新型控制仪表、变送器及执行器等都有自己的发展轨迹，但它们的发展都围绕着实现工厂整体自动化（FA）这个总目标，即将自动控制装置用于生产流程的整个操作过程，从开机到停机的全程控制及将控制、生产计划安排和工厂全面管理有机的结合起来，实现工厂整体的自动化、综合化、最佳化。
测量单元微小型化、智能化测量控制与仪器仪表大量采用新的传感器、大规模和超大规模集成电路、计算机及专家系统等信息技术产品，不断向微小型化、智能化发展，从目前出现的“芯片式仪器仪表”，“芯片实验室”、“芯片系统”等看，测量单元的微小型化和智能化将是长期发展趋势。
从应用技术看，微小型化和智能化测量单元的嵌入式连接和联网应用技术得到重视。
测控范围向立体化、全球化扩展，测量控制向系统化、网络化发展。
随着仪器仪表所测控的既定区域不断向立体化、全球化甚至星球的发展，仪器仪表和测控装置已不再呈单个装置形式，它必然向测控装置系统化、网络化方向发展。
例如一个大型水电站的测控系统，仅检测大坝安全性的传感器就达数千个，此外各个发电机组状态及水位情况的检测控制点（I/O测控点）将超过万点，要达到大型水电站的正常发电和送电，必须将各个测控点的测控装置形成一个有机的测控网络系统。
又例如卫星测控系统，运载火箭上配置的各种传感器就达到数千，而卫星上各种测控装置构成一个完整的自动测控系统，然后和多个地面站的测控系统构成一个广域测控系统。
正如清华大学出版社何克忠老师主编的《计算机控制系统》中所总结的：
现代测控系统的发展趋势可以概括为集成化、智能化、全球化、虚拟化、标准化和绿色化。
2.2、LabVIEW虚拟仪器介绍
2.2.1、LabVIEW虚拟仪器简介
LabVIEW是由美国NI公司开发的、优秀的图形化编程开发平台，是LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench的简称，即实验室虚拟仪器工程平台，是目前应用范围最广、功能最为强大的虚拟仪器开发平台。
LabVIEW集成了与满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。
。
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。
图形化的程序语言，又称为“G”语言。
使用这种语言编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是流程图或框图。
它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念。
因此，LabVIEW是一个面向最终用户的工具。
它可以增强你构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。
使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率
2.2.2、LabVIEW虚拟仪器特点
与传统仪器相比，虚拟仪器具有高效、开放、易用灵活、功能强大、性价比高、可操作性好等明显优点，具体表现为：
（1）智能化程度高，处理能力强虚拟仪器的处理能力和智能化程度主要取决于仪器软件水平。
用户完全可以根据实际应用需求，将先进的信号处理算法、人工智能技术和专家系统应用于仪器设计与集成，从而将智能仪器水平提高到一个新的层次。
（2）复用性强，系统费用低应用虚拟仪器思想，用相同的基本硬件可构造多种不同功能的测试分析仪器，如同一个高速数字采样器，可设计出数字示波器、逻辑分析仪、计数器等多种仪器。
这样形成的测试仪器系统功能更灵活、更高效、更开放、系统费用更低。
通过与计算机网络连接，还可实现虚拟仪器的分布式共享，更好地发挥仪器的使用价值。
（3）可操作性强，易用灵活虚拟仪器面板可由用户定义，针对不同应用可以设计不同的操作显示界面。
使用计算机的多媒体处理能力可以使仪器操作变得更加直观、简便、易于理解，测量结果可以直接进入数据库系统或通过网络发送。
测量完后还可打印、显示所需的报表或曲线，这些都使得仪器的可操作性大大提高而且易用、灵活。
虚拟仪器较之于传统仪器,有显而易见的优势，见下表2.1。
表2.1虚拟仪器与传统仪器的对比表
虚拟仪器
传统仪器
开放、灵活，与计算机技术保持同步发展
封闭，仪器间相互配合差
核心是软件，系统性能升级方便
关键技术是硬件，升级成本高
价格低廉，资源可重复利用
价格昂贵，仪器间一般不能相互利用
用户可根据需要定义仪器功能只有厂家能定义仪器功能
可与网络及周边设备方便连接功能单一，只能连接有限的独立设备
开发与维护费用可降至最低
开发与维护费用高
技术更新周期短（一般来说，1～2年）
技术更新周期长（一般来说，5～10年）
2.3.语音信号处理
在现代信息社会中，小至人们的日常生活，大到国家大事、世界新闻、社会舆论和各种重要会议，都离不开语言和文字。
近年来，普通电话、移动电话和互联网已经普及到家庭。
在这些先进的工具中，语音信号处理中的语音编码和语音合成就有很大贡献。
再进一步，可以预料到的口呼打字机（又称听写机，它能把语音转换为文字）、语音翻译机（例如输入为汉语，输出为英语，或者相反），已经不是梦想而是提到日程上的研究工作了。
2.3.1.语音信号所包含的信息量
语音信号一般被看作一种短时平稳的随机信号，语音信号中到底包含了多少信息量，需要多少比特才能够无失真地表示它们，这对于语音编码、语音合成和语音识别的研究都是很有用的。
但是这也是一个很复杂的问题，它涉及到对于信号失真的评价。
下面列举了三种评价，其中两种是由弗雷雷格（Flanagan）给出的，另一种是由约翰斯登（Johnston）提出的。
它们是建立在下面三种不同的失真评价上：
（1）语音信号的信噪比；
（2）接收语音信号时，信号由听觉外围处理以后，人们在主观上能够感觉到的失真；（3）人在接收语音信号时，不正确接收音素的数目和正确接收音素数目的比值。
2.3.2.语音信号处理的关键技术
语音信号处理的理论基础就是一般的数字信号处理理论，它的主要研究内容是语音编码和语音压缩技术。
考虑到人对听觉煤体的感应特点，研究语音信号处理必须与声音心理学联系起来。
2.3.2.1声音心理学声音的物理属性和心理
属性既有联系也有区别。
声音有两个最明显的量纲，即响度和单调，其它还有音色、谐和、不谐和与乐意等。
物理属性主要有强度和频率。
声音的正弦波的强度增加，声的响度也增加；频率增加，音调南昌增高。
但这些关系不是线性的，且是耦合的，如频率的变化既影响响度也影响音调。
人的大脑处理听觉信息还有一些特性，产生了一些客观存在的效应，如屏蔽效应。
声的响度不仅取决于白身的强度和频率，而且也依赖同时出现的其它声音而定。
它分为听觉屏蔽、频谱屏蔽和瞬态屏蔽。
频谱屏蔽是高电平音调使附近频率的低电平声音不能被人耳听到。
声音的屏蔽特性可以用于声音特别是语音信号的压缩。
2.3.2.2语音编码
语音编码分为三类：
波形编码、参量编码和混合编码。
波形编码是将时域信号直接变换为数字代码，其目的是尽可能精确地再现原来的话音波形。
自适应量化、自适应比特分配和矢量量化等等。
现代数字信号处理的进步都能在语音信号处理技术中得到应用。
语音信号是最能体现信号非线性的一个领域。
现代数字信号处理的一个主要发展趋势是对非线性、非平稳信号的研究。
因此，循环而平稳信号分析、多谱分析和时频尺度理论对于语音信号的表示，关键特征的捕捉有很重要的应用前景。
2.3.3.语音信号数字处理应用
下面我们重点来谈谈语音信号数字处理应用技术领域中的语音编码、语音合成、语音识别与语音理解技术。
2.3.3.1语音编码技术（SpeechCodingTechnology）
在语音信号数字处理过程中，语音编码技术是至关重要的，直接影响到话音存储、语音合成、语音识别与理解。
语音编码是模拟语音信号实现数字化的基本手段。
语音信号是一种时变的准周期信号，而经过编码描述以后，语音信号可以作为数字数据来传输、存储或处理，因而具有一般数字信号的优点。
语音编码主要有三种方式：
波形编码、信源编码（又称声码器）和混合编码，这三种方式都涉及到语音的压缩编码技术。
通常把编码速率低于64kbps的语音编码方式称为语音压缩编码技术。
如何在尽量减少失真的情况下，降低语音编码的比特数已成为语音压缩编码技术的主要内容。
换言之，在相同编码比特率下，如何取得更高质量的恢复语音是较高质量语音编码系统的要求。
2.3.3.2语音合成技术（SpeechSynthesisTechnology）
语音合成技术就是所谓“会说话的机器”。
它可分为三类：
波形编码合成、参数式合成和规则合成。
波形编码合成以语句、短语、词或音节为合成单元。
合成单元的语音信号被录取后直接进行数字编码，经数据压缩组成一个合成语音库。
重放时根据待输出的信息，在语音库中取出相应的合成单元的波形数据，将它们连接在一起，经解码还原成语音。
参数式合成以音节或音素为合成单元。
2.3.3.3语音识别技术（SpeechRecognitionTechnology）
语音识别又称语音自动识别（AutomatedSpeechRecognition，ASR），语音识别基于模式匹配的思想，从语音流中抽取声学特征，然后在特征空间完成模式的比较匹配，寻找最接近的词（字）作为识别结果。
几十年来，语音识别技术经历了从特定人（SpeakerDependent，SD）中小词汇量的孤立词语和连接词语的语音识别到非特定人（SpeakerIndependent，SI）大词汇量的自然口语识别的发展历程。
尽管如此，语音识别技术要走出实验室、全面融入人们的日常生活还需假以时日。
当使用环境与训练环境有差异时，如在存在背景噪声、信道传输噪声、说话人语速和发音不标准等情况下，识别系统的性能往往会显著下降，无法满足实用的要求。
环境噪声、方言和口音、口语识别已经成为目前语音识别中三个主要的新难题。
2.3.3.4、语音理解技术（LanguageUnderstandingTechnology）
语音理解又称自然语音理解（NaturalLanguageUnderstanding，NLU），其目的是
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