虚拟仪器大作业基于声卡的数据采集

1虚拟仪器大作业——基于声卡的声音信号采集分析与处理系统2目录1.前言····················································32.声卡硬件结构和特性······································43.LABVIEW中与声卡相关的函数节点··························64.LABVIEW程序设计········································84.1程序原理············································84.2操作界面············································84.3总程序·············································104.4结果分析···········································114.4.1频谱测量配置···································114.4.2滤波器配置·····································114.4.3信号采集与滤波·································124.4.4声音信号频谱分析·······························134.4.5指定路径内创建音频文件·························135.结束语·················································136.参考文献···············································1431、前言虚拟仪器技术是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。在虚拟仪器系统中，硬件解决信号的输入和输出，软件可以方便地修改仪器系统的功能，以适应不同使用者的需要。其中硬件的核心是数据采集卡。目前市售的数据采集卡价格与性能基本成正比，一般比较昂贵。随着DSP(数字信号处理)技术走向成熟，计算机声卡可以成为一个优秀的数据采集系统，它同时具有A／D和D／A转换功能，不仅价格低廉，而且兼容性好、性能稳定、灵活通用，驱动程序升级方便，在实验室中，如果测量对象的频率在音频范围，而且对指标没有太高的要求，就可以考虑使用声卡取代常规的DAQ设备。而且LABVIEW中提供了专门用于声卡操作的函数节点，所以用声卡搭建数据采集系统是非常方便的。42、声卡的硬件结构和特性声卡的主要功能就是经过DSP（数字信号处理）音效芯片的处理，进行模拟音频信号的与数字信号的转换，在实际中，除了音频信号以外，很多信号都在音频范围内，比如机械量信号，某些载波信号等，当我们对这些信号进行采集时，使用声卡作为采集卡是一种很好的解决方案。声卡的功能主要是录制与播放，编辑与合成处理，MIDI接口三个部分。（1）录制与播放通过声卡，人们可以将来自话筒等外部音源的声音录入计算机，并转换成数字文件存储到计算机中进行编辑等操作，人们也可以将这些数字文件转换成声音信号，通过计算机扬声器播放。（2）编辑与合成处理通过对声音文件的多种特技效果的处理，包括加入回声、倒放、淡入淡出、往返放音以及左右两个声道交叉放音等，可以实现对各种声源音量的控制与混合。（3）MIDI接口通过MIDI接口和波表合成，可以记录和回放各种接近真实乐器原声的音乐。基于声卡的数据采集系统框图如下图可示。图2.1声卡数据采集系统框图5使用声卡作为数据采集卡具有以下优点（1）价格便宜。一般情况下，声卡的价格一般在一百多元甚至几十元都可以买得到，比起数据采集卡便宜很多，而且绝大多数计算机都会配置相应的声卡，这更加节约了成本，开发周期短，节省了数据采集卡的开发时间或购买时期（2）与PC整合完美。使用声卡进行数据采集，不必担心像使用数据采集卡一样担心采集卡与系统的冲突，声卡与计算机紧密结合为一体，这正是虚拟仪器的实质。当然使用声卡也具有局限性，那就是声卡针对音频信号（20-20000）Hz设计的，因此它既不能采集高频信号，也不能采集低频信号。63、LABVIEW中与声卡相关的函数节点在LABVIEW中函数（Functions）→编程（programming）→图形与声音→（Graphics&Sound）→声音（Sounds）子选板下，提供了与声卡相关的函数节点，如图所示，这些节点都是使用Windows底层函数编写的，直接与声卡驱动联系，可以实现与声卡的快速访问与操作，具有比较高的执行性能。图3.1声音子函数选版声音函数自选板包含了输出、输入和文件3个子选板，他们分别提供声音输出、声音输入和文件相关的节点。对声音的实时采集主要用到声音子面板中的声音采集子函数，如下图所示，它从声音设备采集数据，供别的节点分析使用。图3.2声音采集子函数7其中的设备是计算机的声音设备，持续时间是设置需要采集数据的时间，采样率是设置采样率，通常频率设置为44.1Hz，22.05Hz和11.025Hz。通道数是指定采样的通道数，对于大多数声卡，1为单声道，2为立体声。84、LABVIEW程序设计4．1程序原理声音的本质是一种波，表现为振幅、频率、相位等物理量的连续性变化。声卡作为语音信号与计算机的通用接口，其主要功能就是将所获取的模拟音频信号转换为数字信号，经过DSP音效芯片的处理，将该数字信号转换为模拟信号输出。声卡的基本工作流程为：输入时，麦克风获取的音频信号通过A/D转换器转换成数字信号，送到计算机进行播放、录音等各种处理；输出时，计算机通过总线将数字化的声音信号以PCM(脉冲编码调制)方式送到D/A转换器，变成模拟的音频信号，进而通过功率放大器送到音箱等设备转换为声波。本程序目的是通过麦克风采集来自外界的声音，并显示其波形，然后对其进行频谱分析、相位分析，通过滤波器，达到消除噪音的目的。4.2操作界面操作面板1：控制面板图4.1操作面板19操作面板2：波形显示及滤波图4.2操作面板2操作面板3：声音信号的FFT幅频分析及相频分析图4.3操作面板3104.3总程序图4.4总程序图11程序构造过程如下：首先调用声音采集子VI，对来自麦克风的声音进行采集，采样信号的参数如采样率、通道数、分辨率等参数可以根据实际情况修改。对于采样的麦克风的声音通过在前面板的波形图表显示出来并创建声音文件，接下来是对采集的信号进行滤波处理，滤波后的信号经过程序创建一个新文件并保存另外一部分是对声音文件进行频谱测量处理，测量的结果同样用波形图表显示波形。最后播放滤波前的声音信息和滤波后的声音信息，比较其不同。4.4结果分析4.4.1频谱测量配置124.4.2滤波器配置4.4.3信号采集与滤波人为给入高频噪声，采集声音信息并滤去高频噪声134.4.3声音信号的谱分析4.4.5指定路径内创建音频文件5、结束语本文主要是通过利用计算机的声卡作为数据采集卡，实时采集声音数据，然后利用LABVIEW，对声音信号进行采集和分析，程序设计的相对不是很复杂，主要实现了一些简单的功能，主要目的就是进一步熟悉LABVIEW的使用和声音数据采集的相关知识，通过对程序的设计和实现，对LABVIEW有这更进一步的了解。本次设计不仅是我在知识上有了更深刻的理解，同时提升了动手和动脑能力。146、参考文献[1]李江全等.LABVIEW虚拟仪器数据采集与串口通信测试应用实践.北京：人民邮电出版社，2010.[2]刘胜等.LABVIEW2009程序设计.北京：电子工业出版社，2010.[3]程学庆等.LABVIEW图形化编程与实例应用.北京：中国铁道出版社，2005.[4]岂兴明等.LABVIEW入门与实践开发100例.北京:电子工业出版社，2011.