基于LabVIEW的声卡数据采集系统设计毕业设计(论文).doc

毕业设计毕业设计( (论文论文) ) 题 目： 基于基于 labview 的声卡数据采集系统设计的声卡数据采集系统设计 系 别： 物理与机电工程系 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明 原创性声明原创性声明 本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师 的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以 标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究 成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而 使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均 已在文中作了明确的说明并表示了谢意。 作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日 期： 使用授权说明使用授权说明 本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文） 的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本； 学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与 阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论 文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 作者签名： 日 期： 学位学位论论文原文原创创性声明性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 日期： 年 月 日 学位学位论论文版文版权权使用授使用授权书权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名：日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 指导教师评阅书指导教师评阅书 指导教师评价：指导教师评价： 一、撰写（设计）过程 1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神 优 良 中 及格 不及格 2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度 优 良 中 及格 不及格 3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力 优 良 中 及格 不及格 4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性 优 良 中 及格 不及格 5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况 优 良 中 及格 不及格 二、论文（设计）质量 1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格 2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格 三、论文（设计）水平 1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格 2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格 3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格 建议成绩：建议成绩： 优优 良良 中中 及格及格 不及格不及格 （在所选等级前的内画“”） 指导教师：指导教师： （签名） 单位：单位： （盖章） 年年 月月 日日 评阅教师评阅书评阅教师评阅书 评阅教师评价：评阅教师评价： 一、一、论论文（文（设计设计） ）质质量量 1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格 2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格 二、二、论论文（文（设计设计）水平）水平 1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格 2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格 3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格 建议成绩：建议成绩： 优优 良良 中中 及格及格 不及格不及格 （在所选等级前的内画“”） 评阅教师：评阅教师： （签名） 单位：单位： （盖章） 年年 月月 日日 教研室（或答辩小组）及教学系意见教研室（或答辩小组）及教学系意见 教研室（或答辩小组）评价：教研室（或答辩小组）评价： 一、答一、答辩过辩过程程 1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况 优 良 中 及格 不及格 2、对答辩问题的反应、理解、表达情况 优 良 中 及格 不及格 3、学生答辩过程中的精神状态 优 良 中 及格 不及格 二、二、论论文（文（设计设计） ）质质量量 1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格 2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格 三、三、论论文（文（设计设计）水平）水平 1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格 2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格 3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格 评定成绩：评定成绩： 优优 良良 中中 及格及格 不及格不及格 （在所选等级前的内画“”） 教研室主任（或答辩小组组长）：教研室主任（或答辩小组组长）： （签名） 年年 月月 日日 2010 届电子信息工程毕业论文（论文） 1 教学系意见：教学系意见： 系主任：系主任： （签名） 年年 月月 日日 高凡：基于 labview 的声卡数据采集系统设计 2 目录目录 摘要 3 第一章 引言 .5 1.1 数据采集系统概述 .5 1.1.1 数据采集系统的应用 .5 1.1.2 现行通用数据采集系统的构成 .5 1.1.1.1. 传感器 6 1.1.1.2. 模拟多路开关 6 1.1.1.3. 程控放大器 6 1.1.1.4. 采样/保持器 .6 1.1.1.5. a/d 转换器 .7 1.1.1.6. 计算机 7 1.2 虚拟仪器技术概述 .7 1.2.1 虚拟仪器的概念 .7 1.2.2 虚拟仪器的特点 .7 1.2.3 虚拟仪器和传统仪器的比较 .8 1.2.4 虚拟仪器测试系统的组成 .9 1.2.5 虚拟仪器的软件结构 10 1.3 虚拟仪器的开发软件 10 1.3.1 虚拟仪器的开发语言 10 1.3.2 图形化虚拟仪器开发平台labview .11 1.3.3 基于 labview 平台的虚拟仪器程序设计 11 1.4 数据采集卡 12 1.4.1 数据采集卡的主要性能指标 12 1.4.2 数据采集卡(daq 卡)的组成 13 1.4.3 数据采集卡的现状 13 第二章 声卡数据采集系统的结构 14 2.1 声卡数据采集系统的结构 14 2.1.1 采集系统的硬件结构 14 2.1.2 采集系统的软件 14 2.2 pc 机 .15 2010 届电子信息工程毕业论文（论文） 3 2.3 声卡 15 2.3.1 dsp 处理芯片 15 2.3.2 功率放大芯片 15 2.3.3 总线连接端口 15 2.3.4 输入输出端口 16 2.4 声卡数据采集的特点 16 2.5 声卡的选择 16 2.6 声卡数据采集系统的设计软件labview17 第三章 面向声卡的信号调理电路 18 3.1 通用数据采集系统信号调理 18 3.2 面向声卡数据采集系统的信号调理 19 第四章 基于 labview 的声卡数据采集系统的编程 21 4.1 声音初始化模块 21 4.1.1 sound format 22 4.1.2 si config .23 4.1.3 case 函数 .23 4.2 数据读取模块 24 4.3 数据处理模块 24 4.4 实际信号分析 25 结论 .28 致谢语 .29 参考文献 .30 高凡：基于 labview 的声卡数据采集系统设计 4 基于 labview 的声卡数据采集系统设计 高凡 三明学院 06 级电子信息工程 福建三明 365004 摘要：本课题在 labview 的开发环境中,描述了基于 labview 的 pc 机声卡数据采集系 统,采用计算机声卡作为替代普通数据采集卡的信号记录仪器,从而实现对外部多种信号 的数据采集、模数/数模处理和输出，并对系统的结构、原理进行了说明。 关键词：声卡 labview 数据采集系统 高凡：基于 labview 的声卡数据采集系统设计 5 the design of sound card date collections system based on the labview gao fan 2006 electronics and information engineering sanming university, sanming, fujian 365004 abstract: this paper describes the data acquisition system which based on sound card is developed by laview. in this system, the sound card is used to replace the common data acquisition card to act as signal recorder, and then realized the acquisition of many kinds of signals, a/d or d/a convertion and processing. at last, the structure and principle are explained. keywords: sound card labview data acquisition system 2010 届电子信息工程毕业论文（论文） 6 第一章 引言 1.1 数据采集系统概述 数据采集在现代科学技术、工业生产和国防科技等诸多领域中应用十分广泛，它的现代化已被 认为是科学技术、国防现代化的重要条件和明显标志。20 世纪 70 年代以来，计算机、微电子等技 术迅猛发展，在其推动下，数据采集系统所用的仪器与技术不断进步，相继诞生了智能仪器、pc 仪 器、vxi 仪器、虚拟仪器及互换性虚拟仪器等微机化仪器及其系统，计算机与现代化仪器设备间的 界限日渐模糊，测控领域和范围不断拓宽。 在数据采集过程中所需要的设备、仪器形成数据采集系统，它是计算机智能仪器与外界物理世 界联系的桥梁，是获取信息的重要途径。而为采集数据而采用的技术叫做数据采集技术，它主要指 从传感器输出的微弱电信号，经信号调理、模数转换到存储、记录这一过程所涉及的技术。随着科 学技术的进步，特别是以传感器技术、通信技术和计算机技术为基础的现代信息技术的发展，以及 测试理论的不断发展，数据采集技术的发展也是日新月异。 1.1.1 数据采集系统的应用 随着社会的高速发展，计算机技术的广泛应用，数据采集系统在生产领域和日常生活等各方面 的应用越来越为重要，如化学工业中，数据采集系统可针对化工过程复杂，工艺参数多，分布广等 特性来进行生产过程中的实时监测数据，可以解决生产中的生产动态实时数据的收集与处理，且数 据准确，收集、处理、反馈等过程所需时间短。 在环境监测方面，数据采集系统也同样发挥着其优越的数据采集、监测、处理的性能，它能将 所监测区域内的各类环境数据快速而准确的进行收集，并根据设置进行准确的处理和反馈，在环境 监测方面起着十分巨大的作用。 同时，在农业生产、设备生产等方面，数据采集系统也扮演着十分重要的角色，然而，数据采 集领域本身也正在进行着一次又一次的发展与变化，以满足日益进步的社会生产技术和各个领域的 要求。 1.1.2 现行通用数据采集系统的构成 现行通用数据采集系统主要由硬件和软件两部分组成，它是由传感器、模拟多路开关、程控放 大器、采样/保持器、a/d 转换器、计算机等部分组成。 高凡：基于 labview 的声卡数据采集系统设计 7 1.1.1.1.传感器 环境中的某些物理信号，如光、压力、温度、声音等都是非电量。首先要通过相应的传感器将 这些非电量转换为电信号，然后才能实现进一步的处理。 1.1.1.2.模拟多路开关 数据采集系统往往要对多路模拟量进行采集。在不要求高速采样的场合，一般采用公共的 a/d 转换器，分时对各路模拟量进行模/数转换，目的是简化电路，降低成本。可以用模拟多路开关来 轮流切换各路模拟量与 a/d 转换器间的通道，使得在一个特定的时间内，只允许一路模拟信号输入 到 a/d 转换器，从而实现分时转换的目的。 一般模拟多路开关有 2n 个模拟输入端，n 个通道选择端，由 n 个选通信号控制选择其中一个开 关闭合，使对应的模拟输入端与多路开关的输出端接通，让该路模拟信号通过。有规律地周期性改 变 n 个选通信号，可以按固定的序列周期性闭合各个开关，构成一个周期性分组的分时复印输出信 号，由后面的 a/d 转换器分时复用对各通道模拟信号进行周期性转换。 1.1.1.3.程控放大器 在数据采集时，来自传感器的模拟信号一般都是比较弱的低电平信号。程控放大器的作用是将 微弱输入信号进行放大，以便充分利用 a/d 转换器的满量程分辨率。 一般通用数据采集系统支持多路模拟通道，而各通道的模拟信号电压可能有巨大差异，因此最 好是对各通道采用不同的放大倍数进行放大，即放大器的放大倍数可以实时控制改变。程控放大器 能够实现这个要求，它的放大倍数随时可以由一组数码控制。这样，在多路开关改变其通道序号时， 程控放大器也由相应的一组数码控制改变放大倍数，即为每个模拟通道提供最合适的放大倍数，它 的使用大大拓宽了数据采集系统的适应面。 1.1.1.4.采样/保持器 a/d 转换器完成一次转换需要一定的时间，在这段时间内希望 a/d 转换器输入端的模拟信号电 压保持不变，以保证有较高的转换精度。这可以用采样/保持器来实现，采样/保持器的加入，大大 提高了数据采集系统的采样频率。 2010 届电子信息工程毕业论文（论文） 8 1.1.1.5.a/d 转换器 因为计算机只能处理数字信号，所以须把模拟信号转换成数字信号，实现 这一转换功能的器 件是 a/d 转换器。a/d 转换器是采样通道的核心，因此 a/d 转换器是影响数据采集系统采样速率和 精度的主要因素之一。 1.1.1.6.计算机 对数据采集系统的工作进行管理和控制，并对采集到的数据做必要的处理。 1.2 虚拟仪器技术概述 现行的数据采集系统普遍都是在虚拟仪器的平台上进行开发与设计的，虚拟仪器因其设计的便 捷、灵活与直观而被人们越来越重视，本课题以虚拟仪器为平台进行设计，可以更加直观、方便地 对所采集信号进行处理与分析，并可以灵活地对程序进行修改，大大减少了设计的时间，同时又能 起到很好的效果。 1.2.1 虚拟仪器的概念 虚拟仪器的概念是由美国国家仪器公司（national instruments）最先提出的。所谓虚拟仪器 是基于计算机的软硬件测试平台，它可代替传统的测量仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、 频谱分析仪等；可集成于自动控制、工业控制系统之中；可自由构建成专有仪器系统。虚拟仪器是 智能仪器之后的新一代测量仪器。 虚拟仪器的核心技术思想就是“软件即是仪器” 。该技术把仪器分为计算机、仪器硬件和应 用软件三部分。虚拟仪器以通用计算机和配备标准数字接口的测量仪器（包括 gpib、rs-232 等传 统仪器以及新型的 vxi 模块化仪器）为基础，将仪器硬件连接到各种计算机平台上，直接利用计算 机丰富的软硬件资源，将计算机硬件（处理器、存储器、显示器）和测量仪器（频率计、示波器、 信号源）等硬件资源与计算机软件资源（包括数据的处理、控制、分析和表达、过程通讯以及图形 用户界面）有机的结合起来。 1.2.2 虚拟仪器的特点 虚拟仪器是基于计算机的功能化硬件模块和计算机软件构成的电子测试仪器，而软件是虚拟仪 器的核心，如图 1-1 所示，其中软件的基础部分是设备驱动软件，而这些标准的仪器驱动软件使得 高凡：基于 labview 的声卡数据采集系统设计 9 系统的开发与仪器的硬件变化无关。这是虚拟仪器最大的优点之一，有了这一点，仪器的开发和换 代时间将大大缩短。虚拟仪器中应用程序将可选硬件（如 gpib，vxi，rs-232，daq 板）和可重复 用库函数等软件结合在一起，实现了仪器模块间的通信、定时与触发。源代码库函数为用户构造自 己的虚拟仪器（vi）系统提供了基本的软件模块。由于 vi 的模块化、开放性和灵活性，以及软件 是关键的特点，当用户的测试要求变化时可以方便地由用户自己来增减硬、软件模块，或重新配置 现有系统以满足新的测试要求。这样，当用户从一个项目转向另一个项目时，就能简单地构造出新 的 vi 系统而不丢失己有的硬件和软件资源。 虚拟仪器开发者 虚拟仪器软件面板 虚拟仪器软件开发平台 底层驱动程序 硬件模块 虚拟仪器开发者 操作系统 图 1-1 虚拟仪器开发框图 虚拟仪器技术的优势在于可由用户定义自己的专用仪器系统，且功能灵活，很容易构建，所以 应用面极为广泛。它可实现示波器、逻辑分析仪、频谱仪、信号发生器等多种普通仪器全部功能且 操作灵活。 1.2.3 虚拟仪器和传统仪器的比较 虚拟仪器具有传统独立仪器无法比拟的优势。 (1）传统仪器的面板只有一个，上面布置了种类繁多的显示和操作元件。由此导致许多识读和 操作错误。虚拟仪器与之不同，它可以通过在几个分面板上的操作来实现比较复杂的功能。这样， 在每个分面板上就可以实现功能操作的单纯化和面板布置的简洁化，从而提高操作的正确性和便捷 性。同时，还可以根据要求和操作需要来设计仪器面板。 (2）在通用硬件平台确定后，软件取代传统仪器中由硬件完成的仪器功能。 (3）仪器的功能是由用户根据需要用软件来定义，不是事先由厂家定义的。 (4）仪器性能的改进和功能扩展只需更新相关软件设计，不需购买新仪器。 2010 届电子信息工程毕业论文（论文） 10 (5）虚拟仪器开放、灵活，与计算机同步发展，与网络及其他周边设备互联。 (6）由于其以 pc 为核心，使得许多数据处理的过程不必像过去那样由测试仪器本身来完成， 而是在软件的支持下，利用 pc 机 cpu 的强大的数据处理功能来完成，使得基于虚拟仪器的测试系 统的测试精度、速度大为提高，实现自动化、智能化、多任务测量。 (7）可方便地存贮和交换测试数据，测试结果的表达方式更加丰富多样。 (8）虚拟仪器在高性价比的条件下，降低系统开发和维护费用，缩短技术更新周期。 表 1-1 虚拟仪器与传统仪器的比较 虚拟仪器虚拟仪器传统仪器传统仪器 开发维护费用低开发维护费用高 技术更新周期短（0.51 年）技术更新周期短（510 年） 软件是关键硬件是关键 价格低价格昂贵 开放、灵活与计算机同步，可重复用和重配置固定 可用网络联络周边各仪器只可连有限的设备 自动化、智能化、多功能、远距离传输功能单一，操作不便 1.2.4 虚拟仪器测试系统的组成 虚拟仪器是基于计算机的仪器。计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。这 种结合基本有两种方式，一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。随着计 算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式 系统的仪器。另一种方式是将仪器装入计算机。以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种 仪器功能，虚拟仪器主要是指这种方式。虚拟仪器的组成与传统仪器一样，主要由数据采集与控制、 数据分析和处理、结果显示三部分组成。如图 1-2 所示。 采集与控制 插入式数据采集板 gpib仪器 vxi/pxi仪器 rs-232仪器 数据分析和处理 数字信号处理 数字滤波 统计分析 数值分析 结果显示 网络通信 硬盘拷贝输出 文件i/o 图形用户接口 图 1-2 虚拟仪器的内部功能的划分 对于传统仪器，这三个部分几乎均由硬件完成；对于虚拟仪器，前一部分由硬件构成，后两部 分主要由软件实现。与传统仪器相比，虚拟仪器设计日趋模块化、标准化，设计工作量大大减小。 高凡：基于 labview 的声卡数据采集系统设计 11 1.2.5 虚拟仪器的软件结构 虚拟仪器技术的核心是软件，其软件基本结构如图 1-3 所示。用户可以采用各种编程软件来开 发自己所需要的应用软件。以美国 ni 公司的软件产品 labview 和 labwindows/cvi 为代表的虚拟仪 器专用开发平台是当前流行的集成化开发工具。这些软件开发平台提供了强大的仪器软面板设计工 具和各种数据处理工具，再加上虚拟仪器硬件厂商提供的各种硬件的驱动程序模块，简化了虚拟仪 器的设计工作。随着软件技术的迅速发展，软件开发的模块化、复用化，和各种硬件仪器驱动软件 的模块化、标准化，虚拟仪器软件开发将变得更加快速、方便。 硬件驱动程序 数据处理 用户界面 图 1-3 虚拟仪器软件结构 1.3 虚拟仪器的开发软件 1.3.1 虚拟仪器的开发语言 虚拟仪器系统的开发语言有：标准 c，visual c+ ，visual basic 等通用程序开发语言。但 直接由这些语言开发虚拟仪器系统，是有相当难度的。除了要花大量时间进行测试系统面板设计外， 还要编制大量的设备驱动程序和底层控制程序。这样直接影响了系统开发的周期和性能。除了通用 程序开发语言以外，还有一些专用的虚拟仪器开发语言和软件，如 labview。labview 采用图形化 编程方案，是非常实用的开发软件。 1.3.2 图形化虚拟仪器开发平台labview labview(laboratory virtual instrument engineering)是一种图形化的编程语言，它被视为 一个标准的数据采集和仪器控制软件。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，是一个功能强大且灵活的软件。利用它可以方便地建立自己的 2010 届电子信息工程毕业论文（论文） 12 虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都更加形象化。 传统的文本式编程是一种顺序的设计思路，必须写出执行的语句。而 labview 是基于数据流的 工作方式，同时是基于图形化的编程，不必掌握大量的编程语言和程序设计技巧便可设计出虚拟仪 器系统。 利用 labview ，可产生独立运行的可执行文件，它是一个真正的 32 编译器。像许多通用的软 件一样，labview 提供了 windows、unix、linux、macintosh os 等多种版本。 1.3.3 基于 labview 平台的虚拟仪器程序设计 所有的 labview 应用程序，即虚拟仪器(vi)，它包括前面板(front panel)、流程图(block diagram)以及图标/连结器(icon/connector)三部分。 (1）前面板：前面板是图形用户界面，也就是 vi 的虚拟仪器面板，这一界面上有用户输入和 显示输出两类对象，具体表现有开关、旋钮、图形以及其他控制和显示对象。但并非画出两个控件 后程序就可以运行，在前面板后还有一个与之对应的流程图。 (2）流程图：流程图提供 vi 的图形化源程序。在流程图中对 vi 编程，以控制和操纵定义在前 面板上的输入和输出功能。流程图中包括前面板上的控件连线端子，还有一些前面板上没有，但编 程必须有的东西，例如函数、结构和连线等。 如果将 vi 与传统仪器相比较，那么前面板上的控件对应的就是传统仪器上的按钮、显示屏等 控件，而流程图上的连线端子相当于传统仪器箱内的硬件电路。在许多情况下，使用 vi 可以仿真 传统仪器，不仅在屏幕上出现一个惟妙惟肖的标准仪器面板，而且其功能也与传统标准仪器相差无 几。 (3）图标/连接设计：这部分的设计突出体现了虚拟仪器模块化程序设计的思想。在设计大型 自动检测系统时一步完成一个复杂系统的设计是相当有难度的。而在 labview 中提供的图标/连接 工具正是为实现模块化设计而准备的。设计者可把一个复杂自动检测系统分为多个子系统，每一个 都可完成一定的功能。 1.4 数据采集卡 在当今高速发展的时代，人们对数据采集系统的要求也越来越高，数据采集领域正在发生着重 要的发展与变化。而数据采集系统主要是通过数据采集卡对外部信号进行采集，因此，数据采集卡 的更新换代对数据采集系统起着重大的影响。 数据采集板卡的性能与众多因素相关，要根据具体情况来具体分析。所以在选择数据采集卡构 成系统时，首先必须对数据采集卡的性能指标有所了解。 高凡：基于 labview 的声卡数据采集系统设计 13 1.4.1 数据采集卡的主要性能指标 (1）采样频率 采样频率的高低，决定了在一定时间内获取原始信号信息的多少，为了能够较好的再现原始信 号，不产生波形失真，采样率必须要足够高才行。根据奈奎斯特理论采样频率至少是原信号的两倍， 但实际中，一般都需要 510 倍。 (2）采样方法 采集卡通常都有好几个数据通道，如果所有的数据通道都轮流使用同一个放大器和 a/d 转换器， 要比每个通道单独使用各自的经济的多，但这仅适用于对时间不是很重要的场合。如果采样系统对 时间要求严格，则必须同时采集，这就需要每个通道都有自己的放大和 a/d 转换器。但是处于成本 的考虑，现在普遍流行的是各个数据通道公用一套放大器和 a/d 转换器。 (3）分辨率 adc 的位数越多，分辨率就越高，可区分的电压就越小。例如，三位的 a/d 转换把模拟电压范 围分成 23=8 段，每段用二进制代码在 000 到 111 之间表示。因而，数字信号不能真实地反映原始 信号，因为一部分信息被漏掉了。如果增加到十二位，代码数从 8 增加到 212=4096，这样就可以获 得就能获得十分精确的模拟信号数字化表示。 (4）电压动态范围 电压范围指 adc 能扫描到的最高和最低电压。一般最好能够使进入采集卡的电压范围刚好与其 符合，以便利用其可靠的分辨率范围。例如，一个 12 位多功能 daq 卡，其可选的范围从 0 到 10v， 或5 到5v，其可选增益有 1，2，5，10，20，50 或 100。电压取值范围从 0 到 10v，增益为 50， 则理想分辩电压是： 12 10 48.8 v 50*2 v (5）i/o 通道数 该参数表明了数据采集卡所能够采集的最多的信号路数。 1.4.2 数据采集卡(daq 卡)的组成 (1）多路开关。将各路信号轮流切换至放大器的输入端，实现多参数多路信号的分时采集。 (2）放大器。将切换进入采集卡的信号放大至需要的量程内。通常中的放大器都是增益可调的， 使用者可根据需要来选择不同的增益倍数。 (3）采样保持器。把采集到的信号瞬间值，保持在 a/d 转换的过程中不变化。 (4）a/d 转换器。将模拟的输入信号转化为数字量输出，完成信号幅值的量化。 2010 届电子信息工程毕业论文（论文） 14 目前，通常将采样保持器和 a/d 转换器集成在同一块芯片上。以上四个部分是数据采集卡的重 要组成部分，与其他的电路如定时/计数器、总线接口等电路仪器组成 daq。 1.4.3 数据采集卡的现状 目前市场上的数据采集卡大致有以下几个类别：usb 数据采集卡、pci 数据采集卡、pci 高速数 据采集卡、无线数据采集卡、pxi 数据采集卡、pxi 高速数据采集卡、ni pci-6221 数据采集卡等。 其中 usb 是最新技术的数据采集卡，具有精度高，可携性好等优点，它能充分地利用计算机的资源， 大大增加了测试系统的灵活性和扩展性。 pxi(pci extension for instrumentation)是 compact pci 总线在仪器领域的扩展，是一种新 的开放性、模块化仪器总线规范。pxi 是在 pci 内核技术上增加了成熟的技术规范和要求形成的。 pxi 增加了用于多个板卡同步的触发总线和 10mhz 参考时钟、用于精确定时的星形触发总线，以及 用于相邻模块间高速通信的局部总线等。 ni pci-6221 是 ni 公司的 m 系列多功能数据采集卡，采用的是一个 a/d 转换器，虽然是多路采 集，实际上是分时工作的，所有在多路同时工作时采样率会成倍降低。 这些数据采集卡种类繁多，有着各自的优点，但却有着普遍的共同点，那就是价格高昂，成本 过高，这对于设计一个简而易用的数据采集系统而言负担过重。 高凡：基于 labview 的声卡数据采集系统设计 15 第二章 声卡数据采集系统的结构 与普通数据采集卡不同的是，声卡自身已带有前置放大器，能直接接受比较微弱的信号，例如 来自话筒的信号，同时相对其他数据采集卡而言，声卡本身已经具有模数转换（adc）和数模转换 （dac）的功能，无需另外增加 a/d 转换硬件即可实现对信号的数模转换，而且，声卡作为数据采 集系统的数据采集卡还具有着成本低、信号接收能力强等优点。 2.1 声卡数据采集系统的结构 2.1.1 采集系统的硬件结构 声卡数据采集系统的硬件组成如图 2-1 所示。 根据传感器选择相应的信号调理仪器。信号处理与记录采用计算机，计算机内置的声卡作为 a/d 转换设备。由于声卡是计算机的标准配置，有成熟的驱动程序和操作系统配合，因此无需考虑 软硬件方面的兼容问题，在跨操作系统平台时也不存在程序的移植问题。 图 2-1 声卡数据采集系统的硬件组成 2.1.2 采集系统的软件 采集系统软件分为数据采集和数据分析两大部分，利用 labview 编制。labview 采用图形化开 发环境，以数据流驱动程序的运行。 传感器 信号 调理 程 控 放 大 a / d 转 换 器 采样 / 保持 器 计算 机 被测物理量 声卡 信号处理、记录 2010 届电子信息工程毕业论文（论文） 16 2.2 pc 机 虚拟仪器就是利用计算机强大的数据处理能力代替以往需要硬件电路才能完成的功能，所以数 据采集系统软件运行的计算机平台的选择至关重要。本课题所选用的计算机型号为联想 3000 g430。 相关配置： 处理器：intel (r) pentium (r) dual cpu t3400 2.16ghz 内存：1gb 硬盘：250gb 显卡：512m 2.3 声卡 声卡 (sound card)：声卡是实现模拟信号和数字信号相互转换的一种硬件。 声卡的麦克风和喇叭所用的都是模拟信号，而电脑所能处理的都是数字信号，两者不能混用， 声卡的作用就是实现两者的转换。从结构上分，声卡可分为模数转换电路和数模转换电路两部分, 模数转换电路负责将输入设备采到的信号转换为电脑能处理的数字信号；而数模转换电路负责将电 脑使用的数字信号转换为模拟信号。 声音卡的产品虽然比较多，但其基本组成是一样的。主要有：输入输出端口、总线连接端口、 功率放大芯片、dsp 处理芯片等。 2.3.1 dsp 处理芯片 dsp 处理芯片基本上决定了声卡的性能和档次，其基本功能包括对声波采样和回放 的控制、处理 midi 指令等。 2.3.2 功率放大芯片 从声音处理芯片出来的信号还不能直接推动喇叭放出声音，绝大多数声卡都带有功率放大芯片 (简称：功放)以实现这一功能。由于它在放大声音、音乐等信号的过程中也同时放大了噪音信号， 所以从其输出端(speaker out)输出的噪音较大。随着技术的进步，为了尽量减少噪音，一种方法 是在功放前端加入滤波器来滤掉一些高频的噪音信号，另一种的解决方法是绕过功放，利用声卡上 线路输出(line out)端口。 高凡：基于 labview 的声卡数据采集系统设计 17 2.3.3 总线连接端口 声卡插入到计算机主板上的那一端称为总线连接端口，它是声卡与计算机互相交换信息的“桥 梁”。 2.3.4 输入输出端口 声卡的输入输出端口负责原始信号的输入与处理后信号的输出。如 line in（输入）和 mic in（输出）端口，此类端口传输的是模拟信号。一片声音卡通常会有 line in/line out、mic/speaker out 两组输入输出插孔及一个 15-pin 的 midi 接口，而各种声音卡在制作上都有 其考虑，所以会有些差异。因为一般麦克风的信号较小，所以 mic 端的放大率会设计得较大，并且 会配合麦克风的特性来修正，所以一般的信号输入和麦克风最好分别输往 line in 及 mic，不可混 用，以免造成失真或放大率不足的情形。 2.4 声卡数据采集的特点 基于声卡的虚拟仪器数据采集系统硬件组成部分是由传感器部件、信号调理、信号采集部件 （声卡）、通用计算机构成。系统软件部分通常用专用的虚拟仪器开发语言（如 labview）编写而 成。 几乎每台电脑或掌上电脑都有一个内置声卡。 从数据采集的角度来看，声卡是一个具有双通道模数转换（adc）和双通道数模转换（dac）的 信号采集和输出设备。它在音频范围内具有平滑的频率响应，采样频率通常为 44.1khz 和 48khz， 最大可达 192khz，采样位数通常为 16bit，最大可达 24bit。 正是因为声卡内部都带有增益控制（例如：话筒音量控制、话筒提升控制、线路输入音量控制） ，即使在不外加信号放大或衰减电路的情况下，它也可以测量从 1 微伏到 1 伏左右的信号。声卡支 持以连续数据流模式工作，因此可完全利用电脑自身的内存（从数百 mb 到数 gb）或电脑的硬盘 （从数十 gb 到数百 gb）来进行数据的不间断存储。与普通的独立式数字存储示波器相比，基于电 脑声卡的测试系统的存储深度极大。 2.5 声卡的选择 2010 届电子信息工程毕业论文（论文） 18 声卡的选择对于系统而言是十分重要的。声卡数据采集系统的数据采集能力取决于声卡硬件， 因此应根据对采集能力的要求来选择适当的声卡。对于本课题来说，我们在信号处理时只需要观测 信号的波形和频谱分布，因此电脑自带的声卡可以满足要求，因为目前的声卡至少是 16 位的，比 一般数字示波器的 8 位或 12 位的采样位数高。本课题所选声卡型号为 intel82801t(ich9)。 2.6 声卡数据采集系统的设计软件labview 今天，个人电脑的运算速度和存储能力已远非二十年前的 286 中央处理器、1mb 内存、10mb 硬 盘空间可比，可实时进行包括频谱分析所需要的快速傅里叶变换（fft）等在内的复杂运算，这使 得以前需要采用的极其昂贵的独立式传统仪器才能实现的功能，而近几年发展迅猛的虚拟仪器软件 则可免除传统仪器高成本的烦恼，通过在虚拟仪器的开发平台上建立一个虚拟的数据采集、处理平 台，对声卡所采集到的外部信号进行直观处理，并输出，使用虚拟仪器软件的优势在于它的成本比 传统仪器低了很多，而且维护方便，可不断升级。 因而，利用虚拟仪器设计的声卡数据采集系统有着过去的数据采集系统所不具有的优势和特点， 它可以近乎完美地测量任何在音频范围内的信号，例如：声音、振动、心肺音、脑电、心电、地震 波，电源谐波等，根据所用传感器的不同而不同，当然还要看所采用的软件所提供的功能。 目前市面上基于声卡的虚拟仪器软件有不少，在本课题中，我们选用 labview 这一虚拟仪器软 件，因为 labview 与其他计算机语言不同，它们之间的显著区别是：其他计算机语言都是采用基于 文本的语言产生代码，而 labview 使用的是图形化编辑语言 g 编写程序，产生的程序是框图的形式， 因此在设计过程中我们可以更加直观、更加便捷地找出设计中的问题，并方便地进行直观的修改。 另外，配上 labview，我们就无需添加任何 adc 和 dac 硬件，即可将一台 pc 机变成一台集示波器、 频谱分析仪、信号发生器、频率计等多种功能于一体的测试仪器。 高凡：基于 labview 的声卡数据采集系统设计 19 第三章 面向声卡的信号调理电路 3.1 通用数据采集系统信号调理 一般的数据采集系统中有许多噪声干扰，会影响信号质量；或系统信噪比过低；或信号源电压 过高，会破坏电路等，从而影响整个系统的操作，因此由信号源产生的信号一般不能直接被数据采 集板卡利用，需要进行信号调理。调理的主要方式有：放大、隔离、滤波、激励和线性化等。也就 是说，信号调理装置可以将低压信号放大，加以隔离使前端和后端不会相互干扰，滤除各种噪音， 以便进行更加精确的测量。另外，有些传感器需要有电压或电流的激励才能工作，这就要求调理电 路为它们提供这些激励。信号调理还要使信号转化为数据采集板卡可以接受的方式，例如：电流信 号变为电压信号等，还要将信号控制在数据采集板卡量程范围内。有时为了单数采板系统增加采集 通道，还需要增置高速多路转换模块。按照以上标准设计或购买信号调理系统后，还要注意要使调 理电路接线标准与数据采集板卡匹配。 信号调理的主要功能如下： (1）放大 微弱信号都要进行放大以提高分辨率和降低噪声，使调理后信号的电压范围和 a/d 的电压范围相匹配。信号调理模块应尽可能靠近信号源或传感器，使得信号在受到传输信号的环境 噪声影响之前已被放大，使信噪比得到改善。 (2）隔离 隔离是指使用变压器、光或电容耦合等方法在被测系统和测试系统之间传递信号， 避免直接的电连接。使用隔离的原因：是从安全的角度考虑；二是隔离可使从数据采集卡读出来的 数据不受地电位和输入模式的影响。如果数据采集卡的地与信号地之间有电位差，而又不进行隔离， 那么就有可能形成接地回路，引起误差。 (3）滤波 滤波的目的是从所测量的信号中除去不需要的成分。大多数信号调理模块有低通滤 波器，用来滤除噪声。通常还需要抗混叠滤波器，滤除信号中感兴趣的最高频率以上的所有频率的 信号。另外，某些高性能的数据采集卡自身带有抗混叠滤波器。 (4）激励 信号调理也能够为某些传感器提供所需的激励信号，比如应变传感器、热敏电阻等 就需要外界电源或电流激励信号。很多信号调理模块都提供电流源和电压源以便给传感器提供激励。 (5）线性化 许多传感器对被测量的响应是非线性的，因而需要对其输出信号进行线性化，以 补偿传感器带来的误差。目前，数据采集系统也可以利用软件来解决这一问题。 (6）数字信号调理 即使传感器直接输出数字信号，有时也有必要进行调理，其作用是将传感 器输出的数字信号进行必要的整形或电平调整。大多数数字信号调理模块还提供其他一些电路模块， 使得用户可以通过数据采集卡的数字 i/o 比直接控制电磁阀、电灯、电动机等外部设备。 2010 届电子信息工程毕业论文（论文） 20 3.2 面向声卡数据采集系统的信号调理 对于基于声卡的系统，由于声卡是十分脆弱的，为了避免信号源电压过大而烧坏电路，因此从 传感器得到的信号大多要经过调理才能进入数据采集设备，信号调理功能包括放大、隔离、滤波、 激励、线性化等。由于不同传感器有不同的特性，除了这些功能外，还要根据具体传感器的特性和 要求来设计特殊的信号调理功能。 对于基于声卡的系统，被测信号应连接到声卡的话筒输入口或线路输入口。生成的信号可从扬 声器输出口或线路输出口输出。 在通常情况下，声卡话筒输入口的输入阻抗在 600 欧50 千欧之间（取决于声卡），它的模/ 数转换满程电压在1mv500mv 之间（取决于声卡），可通过 windows 控制面板中的录音控制进行 调节。若声卡带有外部硬件增益调节旋钮，也可由该旋钮进行调节。话筒输入口通常只允许单通道 输入。 对于声卡线路输入口，它的输入阻抗通常在 1 千欧50 千欧之间（取决于声卡），它的模/数 转换满程电压在500mv2v 之间（取决于声卡），可通过 windows 控制面板中的录音控制进行调 节。若声卡带有外部硬件增益调节旋钮，也可由该旋钮进行调节。在可能的情况下应尽量使用声卡 的线路输入来检测信号，因为它的信噪比（snr）和带宽都比话筒输入口好。 声卡线路输出口的输出阻抗在 20 欧500 欧之间（取决于声卡），能输出大约 2v 的信号。它 比扬声器输出口的信噪比（snr）好。 声卡扬声器输出口的输出阻抗在 4 欧8 欧之间（取决于声卡），能输出大约 2w 的功率。声卡 的耳机输出口的输出阻抗在 4 欧100 欧之间（取决于声卡）能输出约 100mw 的功率。 最简单的输入连接就是直接将被测信号连到声卡的线路输入口或话筒输入口，如图 3-1 所示。 请注意这种连接要求您额外小心，在连接前必须保证被测信号的幅度在声卡所允许的范围内。否则 可能会烧坏声卡甚至电脑。声卡通常只允许不超过 3v 的电压输入（取决于声卡）。 图 3-1 最简单的输入连接方式 左声道 地 右声道 至声卡的话筒输 入或线路输入 自被测电路 输出 高凡：基于 labview 的声卡数据采集系统设计 21 为避免过大的电压意外地进入声卡，可采用如下图 3-2 的限压电路。两个串联的硅二极管将输 入电压钳制在 20.65=1.3(v)左右。如果声卡的模/数转换满程范围因此受到限幅影响，则可多串 联一个硅二极管以将输入声卡的电压钳制在 30.65=1.95(v)左右。 当被测信号幅度超过声卡模/数转换满程电压时，应将它衰减后再连入声卡。最简单的衰减方 法就是在信号与声卡之间添加一个串联电阻，由此电阻与声卡的输入阻抗构成一个分压电路，电阻 的阻值越大，衰减比越大，此测量电路的输入阻抗越高。为保证测量的准确性，被测电路在被测点 处的输出阻抗应小于声卡测量电路的输入阻抗，否则被测信号将不能正常传给声卡。 图 3-2 具有简单过压保护的输入连接方式 声卡的输出连接如下图 3-3 所示。在不小心将输出短路的情况下，串联的电阻可起保护作用。 由于声卡的输出阻抗很小，当连接到外部电路时通常将不会遇到任何阻抗匹配的问题。 图 3-3 具有简单短路保护的输出连接方式 左