（计算机应用技术专业论文）基于labview的音频信号采集分析虚拟实验系统设计.pdf

基于l a b v i e w 的音频信号采集分析虚拟实验系统设计 摘要 近年来，虚拟仪器正逐步走进国内高校理工科课堂和实验室，越 来越多的高校与美国n i ( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ) 公司合作，投入几十万 甚至几百万元购置虚拟仪器产品来组建虚拟实验室。开发者利用n i 公 司提供的虚拟仪器开发平台l a b v i e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n t e n g i n e e r i n g ) 设计出适合专业特点的虚拟仿真实验。 目前n i 公司所提供数据采集设备性能好，但是价格昂贵，构建虚 拟实验系统成本偏高。p c 机声卡具备数据传输和a d 转换功能，若能 在虚拟实验系统的建设过程中利用普通声卡进行信号采集，不仅使构 建过程变得简单易行，而且大大降低了建设成本。基于上述分析，本 文在l a b v i e w 平台上设计开发了采用p c 机普通声卡作为数据采集设 备进行音频信号采集分析的虚拟实验系统，并在理工科典型信号分析 实验中进行了应用。 本文主要研究工作包括以下三个方面： ( 1 ) 提出了采用声卡作为数据采集设备构建虚拟实验系统的设想。通过 对一些高校传统实验教学方案的调研，分析了由声卡组建虚拟实验 系统的必要性和可行性。 ( 2 ) 构建了基于l a b v i e w 的音频信号采集分析虚拟实验系统。基于 l a b v i e w 平台设计开发了音频信号采集分析系统，具有信号采集、 分析、波形显示、存储以及数据文件再调用分析等功能。 ( 3 ) 研究了系统构建中的关键问题。信号采集是整个系统数据分析的基 础。针对普通p c 机声卡无法在l a b v i e w 中被实时调用的难题， 提出了采用c i n 节点调用法实现对声卡信号数据的实时采集。 关键词：虚拟仪器；l a b v i e w 数据采集；c i n ；c l f ； 本文受到安徽师范大学自然科学研究课题“网络环境下虚拟实验系 统在实验教学中的应用研究”( 2 0 0 5 b z x l 5 ) 的资助 d e s i g no fv i r t u a le x p e r i m e n ts y s t e mo na c q u i s i t i o na n d a n a l y s i so ft h ea u d i os i g n a lb a s e do nl a b v i e w a b s t r a e t i nr e c e n ty e a r s ，v i r t u a li n s t r u m e n ti sg r a d u a l l yu s e di ns c i e n c ea n d e n g i n e e r i n gc l a s s r o o m s a n dl a b o r a t o r i e si nd o m e s t i ci n s t i t u t i o n so f h i g h e rl e a r n i n g ，a n dag r o w i n gn u m b e ro fs c h o o l sc o o p e r a t ew i t hn i ( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ) ，s p e n dh u n d r e d so ft h o u s a n d so re v e nm i l l i o n s r m bi np u r c h a s i n gv i r t u a la p p a r a t u sp r o d u c t sf r o mn ia n df o r mav i r t u a l l a b o r a t o r y t h ed e v e l o p e r sd e s i g nv i r t u a le x p e r i m e n t so np r o f e s s i o n a l c h a r a c t e r i s t i c ss u i t a b l ei nv i r t u a li n s t r u m e n t a t i o nd e v e l o p m e n tp l a t f o r m l a b v i e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n g ) t h ea c q u i s i t i o ne q u i p m e n tf r o mn ih a sag o o dp e r f o r m a n c e ，b u t c o n s t r u c t i n gv i r t u a le x p e r i m e n t a ls y s t e mw i l l c a u s eh i g hc o s t i ft h e o r d i n a r ys o u n dc a r dw i t hd a t at r a n s m i s s i o na n da dc o n v e r t e rf u n c t i o n s c o u l db eu s e df o rb u i l d i n gv i r t u a le x p e r i m e n ts y s t e m ，i tn o to n l ym a k e s t h ep r o c e s ss i m p l e ，b u ta l s og r e a t l yr e d u c e st h ec o n s t r u c t i o nc o s t b a s e do nt h ea b o v ea n a l y s i s ，f r o mt h ep e r s p e c t i v eo fc o s t - e f f e c t i v e ， t h i st h e s i su s e ss o u n dc a r da sag e n e r a ld a t aa c q u i s i t i o ne q u i p m e n to ft h e a u d i os i g n a la c q u i s i t i o n ，d e s i g n st h ev i r t u a le x p e r i m e n ts y s t e mb a s e do n l a b v i e w ，a n di m p l e m e n t si ti nt h es i g n a la n a l y s i se x p e r i m e n t s t h em a i nc o n t e n t sa r el i s t e da sf o l l o w s ： ( 1 ) a ne n v i s a g ef o ru s i n gs o u n dc a r da sav i r t u a ld a t aa c q u i s i t i o n e q u i p m e n tt oc o n s t r u c tt h ee x p e r i m e n t a ls y s t e mi sp u tf o r w a r d t h e n e c e s s i t ya n df e a s i b i l i t yb yt h es o u n dc a r ds y s t e mt o s e tu pv i r t u a l e x p e r i m e n tb a s e do nr e s e a r c ho ft e a c h i n gp r o g r a mo fe x p e r i m e n t si nt h e n u m b e ro ft r a d i t i o n a lc o l l e g ei sa n a l y z e d ( 2 ) v i r t u a la u d i os i g n a la c q u i s i t i o na n da n a l y z ee x p e r i m e n t a ls y s t e m i sc o n s t r u c t e db a s e do nl a b v i e w t h ee x p e r i m e n t a ls y s t e mh a sf u n c t i o n s o fv i r t u a ls i g n a la c q u i s i t i o n ，a n a l y s i s ，w a v e f o r md i s p l a y ，s t o r a g ea n d t r a n s f e ro fd a t af i l e st om e e tt h en e e d so ft h ee x p e r i m e n t a lt e a c h i n g ( 3 ) t h ek e yi s s u eo ft h es y s t e mc o n s t r u c t i o ni ss t u d i e d s i g n a l a c q u i s i t i o ni sb a s i so fd a t aa n a l y s i so ft h ee n t i r es y s t e m f o rt h ep r o b l e m s t h a tc o m m o np cs o u n dc a r di sn o tr e a l t i m ec a l l e di nt h el a b v i e w ，a m e t h o do fc a l l i n gc i nn o d e so nt h ea u d i os i g n a lt oa c h i e v et h er e a l t i m e d a t aa c q u i s i t i o ni sr a i s e d k e y w o r d s ：v i r t u a li n s t r u m e n t ；l a b v i e w ；d a t aa c q u i s i t i o n ；c i n ；c l f ； 插图清单 图1 1 虚拟仪器工作方式1 图2 1 声音数据采集过程示意图1 1 图2 2 系统模块图1 2 图2 3 系统流程图1 3 图2 4 系统前面板示意图1 3 图2 5 声卡设置程序1 4 图2 6 数据采集面板1 4 图2 7 数据采集程序1 5 图2 8 信号分析面板1 5 图2 9 时域波形读取程序1 6 图2 1 0 信号参数测量分析程序1 6 图2 1 l 幅度相位谱分析程序1 6 图2 1 2 谱分析程序1 7 图3 1c i n 节点的创建流程2 l 图3 2c i n 节点端口与控件连接2 l 图4 1 实验操作界面2 7 表格清单 表1 1 传统仪器与虚拟仪器功能对比分析3 表1 2 对传统实验仪器功能评价的调查统计8 表1 3 两种多功能教学实验平台解决方案成本对比分析9 表4 1 信号生成、测量数据对比分析表2 8 表4 - 2 误差分析2 9 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盒世王些态堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 伊1 旦 签字日期：z 7 年，月，。 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金肥王些盔堂有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被 查阅和借阅。本人授权金壁王些太堂可以将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、汇编学位 论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 1 乡绪 i 1 签字日期：刎年i t 月；v 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位 通讯地址 唧喂勿 名刊岬 签字帆7 钏月7 嵋 | 电话： 邮编： 致谢 值此论文完成之际，我要感谢一年来对我提供热心帮助和关心的 老师和同学。 首先我要感谢我的导师刘晓平教授，本论文的工作是在他的悉心 指导下完成的。从开题的第一天起，刘老师自始至终一直关心着我， 从论文的创作动机、选题以及最后的定稿，都不厌其烦，给予我悉心 的督促和指导，大到框架结构，小到标点文字、语气语法，都一一更 正。他严谨的治学态度、勤奋的工作作风令我非常敬仰，受益颇深。 每次去v c c 倾听老师谆谆教诲，总是获益匪浅，令我终生感激。 感谢安徽师范大学教育科学学院袁晓斌副教授在论文写作过程中 给予的指导和帮助。 感谢v c c ( 可视化与协同计算) 研究室的罗月室老师、郑利平老 师，余烨、卫兴武以及工程硕士班的同学给我提出的宝贵意见。 感谢所有关心和帮助过我的老师、同学和朋友们，在我的研究工 作中也凝聚着他们的关心和友谊。 我能够顺利完成本论文，还要感谢我的妻子桂万云、女儿刘梦瑶 在生活上的关怀和学习上的鼓励，他们的支持是我前进的动力。 时光荏苒，回想过去，思绪万千。各位老师、同学、朋友和亲人 给我的关怀和帮助，使我永远难忘。这些经历将是我人生不可多得的 财富。 刘延华 2 0 0 7 年11 月 第一章绪论 虚拟仪器是一种计算机技术和电子技术相结合的产物，产生于8 0 年代末，相对于传统仪器在概念和功能上有着重大的突破，它通过计 算机软件把通用计算机和基本的信号采集调理硬件有机结合起来，完 成传统仪器所具有的以及无法实现的功能【l 】。虚拟仪器的出现，彻底改 变了传统的仪器观。 近年来，在国内高校，虚拟仪器正逐步走进理工科课堂和实验室， 越来越多的学校通过购置美国n i 公司的虚拟仪器产品组建高中档次的 虚拟实验室，如华中科技大学计算材料科学与测量模拟中心虚拟实验 室，福建省广播电视大学实验中心虚拟实验室等。利用虚拟仪器开发 平台l a b v i e w ，开发者可方便地设计出适合专业特点的虚拟仿真实验。 本文旨在运用虚拟仪器开发软件l a b v i e w 8 2 ，设计开发音频数据 采集分析系统，使其具有通过普通声卡进行声音数据的采集、分析、 显示以及存储功能。重点论述在l a b v i e w 中调用外部非n i 采集设备 ( 如普通声卡) 的方法。 1 1 虚拟仪器 1 1 1 虚拟仪器概念 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t s ，简称v i ) 的概念，是美国国家仪器 公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t sc o r p 简称n i ) 于1 9 8 6 年提出的一种基于 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。简单地说这种结合有两种方式：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，目前这类含嵌入式 系统的仪器已经在信息家电、工业控制、商业金融、汽车以及医疗电 子等方面得到了应用。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【2 】，虚拟仪器主要是指 这种方式。下面的框图反映了常见的虚拟仪器方案。 圉日图日圉日圉日 圈 图1 1 虚拟仪器工作方式 虚拟仪器是由计算机硬件资源、模块化仪器硬件和用于数据分析、 过程通讯及图形用户界面的软件组成的测控系统，是一种由计算机操 纵的模块化仪器系统。利用特定软件( 如n i 公司的l a b v i e w ) 我们可 以在计算机屏幕上构建虚拟仪器面板，形成整体虚拟测试( 实验) 系 统，并在有足够硬件的支持下对信号进行采样，然后经过软件处理而 得到测量结果，实现测试数据的分析、存储、打印等功能。虚拟仪器 具有结构简单、一机多用、测量精度高等特点，使用者自己操作这台 计算机，就像在操作一台自己专门设计的传统电子仪器。 虚拟仪器的基本思想是利用计算机来管理、组织仪器系统，进而逐 步代替仪器完成某些功能。虚拟仪器实质上是软硬结合、虚实结合的 产物，是充分利用最新的计算机技术来实现和扩展传统仪器的功能。 在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是为了解决信号的输入输出，软件才是 整个仪器系统的关键。任何使用者都可通过修改软件的方法从而方便 地改变和增减仪器系统的功能和规模。 1 1 2 虚拟仪器特点 所谓的仪器一般分三个部分，即数据采集与控制、数据处理与分 析、数据的显示。传统仪器是将这三部分放在一个仪表机箱内，虚拟 仪器则是一种功能意义上的仪器，是具有传统仪器功能的软硬件组合， 而不强调物理上的实现形式，概括起来有以下特点睁】： ( 1 )融合计算机强大的硬件资源，突破了传统仪器在数据分析处 理、显示、存储等方面的限制，大大增强了传统仪器的功能。高性能 处理器、高分辨率显示器、大容量硬盘等已成为虚拟仪器的标准配置。 ( 2 )利用了计算机丰富的软件资源，实现了部分仪器硬件的软件 化，节省了物质资源，增加了系统灵活性；通过软件技术和相应数值 算法，实时、直接地对测试数据进行各种分析与处理；通过图形用户 界面( g u i ) 技术，真正做到界面友好、人机交互。 ( 3 )基于计算机总线和模块化仪器总线，仪器硬件实现了模块化、 系列化，缩小系统尺寸，可方便地构建模块化仪器 ( i n s t r u m e n to nac a r d ) 。 ( 4 )基于计算机网络技术和接口技术，v i 系统具有方便、灵活的 互联( c o n n e c t i v i t y ) ，广泛支持诸如c a n 、f i e l d b u s 、p r o f i b u s 等各种 工业总线标准。利用v i 技术可方便地构建自动测试系统( a t s ， a u t o m a t i ct e s ts y s t e m ) ，实现测量、控制过程的网络化。 ( 5 )基于计算机的开放式标准体系结构。虚拟仪器的硬、软件都 具有开放性、模块化、可重复使用及互换性等特点。因此，用户可根 据自己的需要，选用不同的v i 产品，使仪器系统的开发更为灵活、效 2 率更高，缩短了系统组建时间。 1 1 3 虚拟仪器与传统仪器比较 虚拟仪器相对传统仪器的优势概括起来有以下几个方面，如表1 - 1 所示： 表1 1 传统仪器与虚拟仪器功能对比分析 传统仪器 虚拟仪器 仪器功能由仪器厂商定义仪器功能由用户自己定义 面向应用的系统结构，可方便地 仪器与其它仪器设备的连接受限制 与网络、外设及其它应用连接 图形化界面，计算机直接读数、 图形界面小，人工读数，信息量少 分析处理 硬件仅实现信号的输入输出，信 硬件是传统仪器的关键部分号的测试与分析功能均由软件来 实现 仪器是基于计算机技术的开放灵 仪器系统封闭，功能固定 活的功能模块，可构成多种仪器 仪器扩展性差，数据无法编辑仪器数据可编辑，存储、打印 信号每经过一次硬件处理都会引起减少了硬件的使用，因而减少了 误差人为测量误差 价格高，技术更新慢( 周期为5 1 0价格低，可重复利用，技术更新 年) ，开发和维护费用高快，大大节省了开发和维护费用 虚拟仪器在国际上早已进入实用阶段，在我国虽刚起步，但发展 迅速，已在电子测量、物理探伤、电子工程、振动分析、声学分析、 物矿勘探、故障分析及教学科研等方面的数据采集和分析中得到广泛 应用。 1 1 4 虚拟仪器开发平台l a b v i e w l a b v l e w 广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一 个标准的数据采集和仪器控制软件。l a b v i e w 提供了一个图形化的开 发环境，内置了便于应用t c p i p 、a c t i v e x 等软件标准的库函数，能完 成仿真、数据采集、仪器控制、测量分析和数据显示等任务。它具有 强大而灵活的图形化编程语言，使用者无需进行传统开发环境下的复 杂编程工作，即可在自己选择的平台上开发出一套完整的应用解决方 案。 在l a b v i e w 中使用的是一种图形化的程序语言，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。 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，l a b v i e w 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。 ( 1 ) g 语言简介 g 语言是一种适合应用于任何编程任务，具有扩展函数库的通用编 程环境。和b a s i c 及c 语言一样，g 语言也定义了数据类型、结构类 型和模块调用语法规则等编程语言的基本要素，在功能完整性和应用 灵活性上不逊于任何高级语言，同时g 语言丰富的扩展函数库还为用 户编程提供极大的方便。g 语言与传统高级编程语言最大的差别在于编 程方式一般高级语言采用文本编程，而g 语言采用图形化编程语言”j 。 ( 2 ) l a b v i e w 程序组成 l a b v i e w 环境包含三个部分：程序前面板、框图程序和图标连接 端口。 程序前面板用于设置输入数值和观察输出量，用于模拟真实仪表 的前面板。在程序前面板上，输入量被称为控制( c o n t r o l s ) ，为虚拟仪 器的框图程序提供数据；输出量被称为显示( i n d i c a t o r s ) ，显示虚拟仪器 流程图中获得或产生的数据。控制和显示是以各种图标形式出现在前 面板上，如旋钮、开关、按钮、图表、图形等，这使得前面板直观易 懂【6 1 。 每个程序前面板都对应着一段框图程序。框图程序用l a b v i e w 图 形编程语言编写，可以把它理解成传统程序的源代码。框图程序由节 点( n o d e ) 、数据连线( w i r e ) 构成。节点是v i 程序中的执行元素，类似 于文本编程语言程序中的语句、函数或子程序。节点之间数据连线按 照一定的逻辑关系相互连接，可定义框图程序内的数据流动方向。节 点之间、节点与前面板对象之间是用数据端口和数据连线来传递数据 的。数据端口是数据在前面板对象与框图程序之间传输的通道，是数 据在框图程序内节点之间传输的接口。 l a b v i e w 中有两种类型的数据端口：控制端口和指示端口，控制 端口和指示端口用于前面板对象，当v i 程序运行时，从控制端口输入 的数据通过控制端传递到框图程序，供其中的程序使用，产生的输出 数据在通过指示端口传输到前面板对应的指示对象中显示。每个节点 4 端口都有一个或数个数据端口用于输入或输出。 l a b v i e w 采用的是一种数据流编程模式，这不同于一些基于文本 的编程语言的线性结构，不同于执行一个传统的控制流方法。控制流 执行的是指令驱动，而数据流执行的是数据流驱动。一个虚拟仪器的 图标被放置在另一个虚拟仪器的流程图中时，它就是一个子仪器 ( s u b v i ) 。图标连接端口可以把v i 变成一个s u b v i ，然后象子程序一 样在其他程序中调用。图标是s u b v i 的直观标记，是s u b v i 在其他程 序框图中被调用的节点表现形式；连接端口则表示该s u b v i 与调用它 的v i 之间进行数据交换的输入输出口，就像传统编程语言子程序的参 数。 1 2 实验教学中虚拟仪器的应用优势 虚拟仪器本身最大的优势在于它的智能化和软件平台对用户的开 放性，“我的仪器我设计”是虚拟仪器为我们带来的以人为本的现代科 学理念。虚拟仪器能完全替代传统仪器并扩展其功能，这是虚拟仪器 在实验教学中最有价值的应用。使用l a b v i e w 软件在计算机上可以设 计出电压表、电流表、频率计、功率表、频谱分析仪、示波器、信号 发生器等虚拟仪器，并可实现相应的传统仪器的全部功能。虚拟仪器 能仿真整个测试系统并能实现数据的采集、分析、处理、显示和存储。 一个传统的测试实验需要很多的仪器、仪表，占用空间多，实验接线 复杂，调试不方便，读数误差大，实验时间长，生成实验报告过程繁 琐。而使用虚拟仪器操作同样的实验则快速、准确、方便、灵活，消 除了人为因素对测量精度带来的影响。 引入虚拟仪器系统，可灵活地增加各种设计性实验内容，使学生 的独立构思和设计能力得到充分的锻炼并激发其学习兴趣，更有利于 创新精神和实践能力的培养，以便走上工作岗位后，能从容应对各种 虚拟仪器和仿真测试系统。 1 2 1 虚拟实验室功能 虚拟实验室主要具有下述主要功能： ( 1 )教育功能。让学生通过使用虚拟或真实仪器、装置或系统的 模拟装置来熟悉实验过程，掌握相关技术；能满足不同知识背景学生 的要求，根据其能力、实验经验等调整资源模块( 如设备、组件、仪器、 生成器、数据采集板等) ，保证学生在单独使用模拟环境时能进行各种 实验操作。 ( 2 )辅助设计功能。l a b v i e w 软件通过设计将仪器、仪表、模拟 器件、数字器件等直观地反映在计算机屏幕上，可灵活地改变电路结 5 构和参数，反复观察实验的结果，并动态显示电路的波形。 ( 3 )协同实验和研究功能。虚拟实验室利用当前网络技术和设施， 使参与试验的人员在远程相互合作，进行试验研究，为分布在世界各 地的研究人员提供共同从事一个项目的分布式问题解决环境。虚拟实 验室的研究可以用于许多方面，例如世界范围的大科学研究课题，大 型和复杂产品的设计和制造等。 1 2 2 基于l a b v i e w 的虚拟实验室类型 ( 1 ) 单机虚拟实验室 a ) 设计型虚拟电子实验室。在l a b v i e w 环境中实现的虚拟电子实 验平台，可以设计、测试和演示各种电子电路。它与传统电子电路实 验相比，除了功能全、虚拟元器件及虚拟仪器仪表全、可做各种类型 实验外，还可方便地对电路进行分析，利用打印机可直接打印实验数 据、测试曲线和电路原理图等。不仅可以作为现行的各种实型实验的 一种补充手段，而且可以作为复杂电子系统的设计、仿真与验证等实 用手段，是当今电子技术的一个发展方向。 b ) 测试型虚拟仪器实验室。它是利用定制或自行开发的虚拟仪器 ( v i r t u r a li n s t r u m e n t s ，虚拟仪器) 完成对实际电子电路的测试和分析。 ( 2 ) 基于网络的虚拟实验室 基于网络的虚拟实验室分为以下几种： a ) 基于局域网虚拟仪器实验室。其基础是上述测试型虚拟仪器实验 室，区别在于定制的虚拟仪器和完成数据采集和仪器控制的各虚拟仪 器是在不同的计算机上实现，计算机通过局域网连接，在网络上传输 的是数据。 b ) 基于i n t e r n e t 的b s 模式虚拟仪器实验室。这种方式是利用如前 所述的数据采集和仪器控制技术组建虚拟实验室，利用专用软件设计 所需要的虚拟仪器，并利用现有的互联网技术，使虚拟实验室加入 i n t e r n e t 。开发的l a b v i e w 虚拟仪器软件开发平台以及数据采集和仪器 控制硬件分别位于远程的w w w 服务器和仪器控制服务器，由用户登 录到远程实验室进行相应的实验内容。 c ) 基于w e b 技术的分布式虚拟仪器实验室。 基于w e b 技术的分布式虚拟实验室中，构建实验平台的元件和仪 器存储在分布式w w w 服务器数据库中。用户从分布式数据库中选取 所需要的虚拟仪器和生成器的基本组件，下载所需的组件和模拟引擎， 构建属于自己的工作平台。服务器通过软件技术对各种实验现象进行 仿真，并根据来自客户机端的不同实验操作请求，调整仪器的状态， 模拟产生实验的环境现象，输出对应的实验数据。 6 1 3 课题背景及必要性分析 1 3 1 课题背景 本文主要是基于以下三方面分析来确定课题研究方向。 ( 1 ) 目前采用n i 公司提供的专业数据采集设备能组建专业的虚拟实 验系统，但建设成本高。 ( 2 ) 普通声卡是p c 机最基本配置，使用普通声卡进行信号的采集， 与专业采集设备相比虽然效果有差距，但建设成本大大降低。 ( 3 ) 日常实验教学需要低成本的虚拟实验平台，基于声卡进行音频信 号的数据采集能满足日常实验教学的要求。 基于需求，本文将进行以下方面的研究工作：提出采用声卡作为 数据采集设备来构建虚拟实验系统的设想；在l a b v i e w 平台下构建音 频信号采集分析虚拟实验系统，并在具体实验教学中运用；对于在 l a b v i e w 中如何调用普通声卡这一关键问题进行研究，提出解决方案。 1 3 2 课题必要性分析 ( 1 ) 对传统实验仪器功能评价的调查分析 通过对省内安徽师范大学、安徽工程科技学院、安徽商贸职业技 术学院、芜湖职业技术学院四所不同类型高校理工科1 2 0 0 学生的抽样 调查，在传统实验仪器设备的功能、使用，学生希望实验设备功能改 进方面做了细致的调研，要求学生对调查表所列六类传统仪器的功能 特点分别作出。情况存在，并对实验过程有影响”、“情况存在，但对 实验过程影响不大”、“这种情况不存在”判断选择。在调研过程中， 各高校同学们积极配合，认真答卷，共发出调查问卷1 2 0 0 份，收回有 效答卷1 18 6 份，此次调研数据真实有效，基本能反映当前高校实验设 备的使用状况。 从数据统计结果( 如表1 2 所示) 我们可得出如下结论： a ) 认为传统实验仪器存在不足，并对实验过程产生影响的占 8 3 9 8 ，认为传统实验仪器存在不足，但对实验过程影响不大的占 1 3 9 4 ，尚未发现传统实验仪器不足的占2 0 8 。 b ) 被调查对象中认为“传统仪器提供的实验信息量少，由于人工读 数而导致实验结果误差率高”的所占比例较高，分别为9 7 5 1 和 8 6 2 3 。 c 1 因目前传统实验仅限制在本地进行这一区域性特点，被调查者中 认为“传统仪器无法进行远程实验，实现设备资源共享”的所占比例相对 较小，为7 7 3 2 。但随着远程教育的不断发展和深化，传统仪器所暴 露出的这个弱点将会对远程实验教学产生较大的负面影响。 7 表1 2 对传统实验仪器功能评价的调查统计 抽样调查数据分布 情况存情况存 传统仪器的功能 在，并对在，但对这种情况 实验过程实验过程 不存在 有影响 影响不大 仪器系统封闭，功能固定，拓展 8 3 4 5 1 5 2 7 1 2 8 性差 仪器设备之间互通连接性不强7 6 5 5 2 0 3 4 3 1 1 仪器图形界面小，信息量少8 6 2 3 1 1 3 9 2 4 8 人工读数，误差率高9 7 5 1 2 1 3 o 3 6 无法进行远程实验，实现设备资 7 7 3 2 18 1 5 4 5 3 源共享 仪器功能更新周期慢，技术发展 8 2 8 4 1 6 3 3 1 8 3 滞后 ( 2 ) 虚拟仪器的运用可以较好的解决传统实验仪器功能的不足 a ) 仪器功能可以由用户自己定义，需要什么，定义什么。 b ) 图形化界面，系统读数、分析处理，减少了测量误差，数据可编 辑、存储、打印。 c ) 依托计算机互联网络，实验系统可广泛运用于远程实验教学，克 服了传统实验的地域限制。 d ) 可重复利用，技术更新快，基于软件的体系结构节省了开发和维 护费用。 ( 3 ) 本次设计的必要性分析 虚拟实验设计的基础是数据采集，这就要求设计者在设计工作的 前期需要解决数据的实时采集问题。目前，l a b v i e w 平台只提供了对 n i 公司生产的数据采集设备的调用，而n i 公司出品的数据采集设备包 含了完整的数据采集电路和与计算机的接口电路，其价格与性能基本 成正比，一般价格比较昂贵，对于一般性虚拟实验设计来说成本较高。 随着计算机技术的不断发展和d s p ( 数字信号处理) 技术不断走向 成熟，声卡作为p c 机和便携式计算机中基本配置设备，已成为一种高 性价比的音频信号采集输出系统，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，非常适合作为 虚拟仿真实验系统的首选采集设备。利用声卡作为数据采集设备，可 以组成一个低成本高性能的数据采集与分析系统。两种实验教学平台 解决方案成本对比分析如表1 3 所示。 表1 3 两种多功能教学实验平台解决方案成本对比分析 n i 方案声卡方案 l a b v i e w 图形化开发平台，n i s o f t w a r es o l u t i o n s d e p a r t m e n t l i c e n s e ( 5 0 套) 免费 l a b v i e w 图形化开 普通p c 机或便携式计算机( 单 发平台 解决方案 价；6 0 0 0 0 0 ) ( 2 0 台) ( 2 0 套 为例) n ie l v i s 多功能高校套件( 单 价2 8 0 0 0 0 0 ) 普通p c 机或便携式 p c i 6 2 5 1 ( 1 6 通道数据采集卡， 计算机( 单价： 1 2 5 m s s 采样率，1 6 b it s 精度) 6 0 0 0 0 0 ) ( 单价：2 。3 0 0 0 0 ) 费用合计 7 2 6 ，0 0 0 0 0 l2 0 0 0 0 0 0 ( 元) 1 4 本章小结及论文内容安排 本章首先介绍了虚拟仪器的概念、特点，虚拟仪器开发软件 l a b v i e w ，分析了虚拟仪器系统在实验教学中应用的优势，并对虚拟 仪器与传统仪器进行了对比，最后通过对调研数据的处理统计分析和 两种多功能教学实验平台解决方案成本对比，阐述了论题设计的必要 性和可行性。 论文其它章节的内容安排如下： 第2 章音频数据采集分析系统的设计。包括声卡设置、信号采集 和数据分析三部分，通过该系统可以实现对声音数据的采集、分析和 保存等功能。 9 第3 章全文的重点部分，论述了在l a b v i e w 中调用外部非n i 采 集设备( 如普通声卡) 的方法。通过问题的提出，分析了目前比较常 用的外部驱动的调用方法，即c l f ( c a l l i n gl i b r a r yf u n c t i o nn o d e ) 库函 数调用的优缺点，给出了一种更有效的外部驱动调用方法的实现过程， 即利用l a b v i e w 的代码接口节点c i n ( c o d ei n t e r f a c en o d e ) ，通过与 驱动程序源码的连接，达到调用外部普通非n i 采集设备的目的，重点 论述了此方法的设计与实现过程。 第4 章实验实例分析，通过实验验证虚拟实验系统的性能。 第5 章总结及应用展望。对课题的工作进行了总结，提出尚待开 展的工作。 1 0 第二章音频数据采集分析系统设计 本章从声卡的工作原理出发，分别从声卡设置、数据采集和信号分 析三方面阐述了在l a b v i e w 平台下利用声卡采集功能实现音频信号采 集分析系统的设计过程。 2 1 虚拟仪器创建过程 创建虚拟仪器的过程分为四步【4j ： ( 1 )创建前面板。前面板是图形化用户界面，用于设置输入数值 和观察输出量。它模仿了实际仪器的面板。前面板包含了旋钮、按钮、 图形和其他控制与显示对象。通过鼠标和键盘输入数据、控制按钮， 也可在计算机显示器上直接观看结果。 ( 2 )创建框图程序。切换到框图程序窗口，根据需要在功能模板 中找到所需的节点，并将节点图标放置到框图程序窗口。用数据连线 将这些端口和节点的图标连接起来，形成一个完整的框图程序。 ( 3 )创建图标。一个虚拟仪器的图标连接端1 3 就象一个图形( 表 示某一虚拟仪器) 的参数列表。图标和连接允许将此仪器作为最高级的 程序，也可以作为其它程序或子程序中的子程序( 子仪器) 。 ( 4 1运行和调试程序。在l a b v i e w 中，如果一个v i 程序存在语 法错误，则在面板工具条上的运行按钮将会变成一个折断的箭头，表 示程序不能被执行。 2 2 声卡工作原理 声卡作为语音信号与计算机的通用接口，其主要功能就是实现模拟 信号和数字信号之间的转换( a d 转换) 。声音数据采集过程示意图如 图2 1 所示。 图2 1 声音数据采集过程示意图 衡量声卡的技术指标包括采样频率、采样位数( 即量化精度) 、声道 数、信噪比( s n r ) 和总谐波失真( t h d ) 等参数。目前一般的声卡最高采 样频率可达9 6 k h z ；采样位数可达1 6 位甚至3 2 位；声道数为2 ，可同 时采集两路信号，需要时还可选用多路输入的高档声卡或配置多块声 卡；每路输入信号的最高频率可达2 2 0 5k h z ，输出1 6 位的数字音频 信号，信噪比可达9 6 d b 。对于工程测试，教学实验等用途而言，其各 项指标均可以满足要求。 2 3 系统功能设计 2 3 1 硬件实现 声卡一般有l i n ei n 和m i ci n 两个信号输入插孔，声音传感器信号 可通过这两个插孔连接到声卡。由于m i ci n 输入容易引入噪声且而导 致信号过负荷，因此在设计中我们采用了l i n ei n 输入方式，其噪声干 扰小且动态特性良好。连接线路采用音频电缆或屏蔽电缆以降低噪声 干扰。在实际测量中，若输入信号电平高于声卡所规定的最大输入电 平，则应在声卡输入插孔和被测信号之间配置一个信号衰减器，将被 测信号衰减至不大于声卡最大允许输入电平。 2 3 2 系统设计 ( 1 ) 系统模块设计及工作流程 整个系统的设计分为数据采集、分析处理、人机交互、信号显示四 个功能模块，如图2 2 所示。 图2 - 2 系统模块图 首先，需要将外部设备( 如声卡) 产生的待测信号数据采集输入 到计算机中；然后，系统对此数据进行处理( 包括测试信号的参数、 进行波形运算、存储及读取数据等) ；同时，在前面板显示信号波形以 及测量结果，以便于观察。此流程的框图如图2 - 3 所示。 1 2 特刊信号 l 瓤 区圃 图2 - 3 系统流程图 ( 频辜、帽值 功率语 ( 2 ) 功能设计 根据虚拟仪器结构化的特征，把整个系统分为声卡设置、数据采 集和信号分析三个子系统，以友好的图形界面与用户进行交互，系统 前面板如图2 - 4 所示。 图2 - 4 系统前面板示意图 a ) 声卡设置 在进行数据采集之前，首先需要对声卡参数，如设备i d ( 对由多 块声卡组成的多通道数据采集系统，i d 的设置是必须的) 、采样模式( 连 续采样有限采样) 、每通道采样数( 5 1 2 1 0 2 4 2 0 4 8 8 1 9 6 ) 、采样率、通 道数( 单通道双通道) 以及比特率( 8 位1 6 位) 进行设置，对应的程 序如图2 5 所示。 图2 - 5 声卡设置程序 b 1 数据采集 数据采集的功能是根据用户设置的声音格式从声卡获得数据( 具 体的采集实现过程在第3 章中详细论述) ，采集的数据信号以直观的图 形方式呈现于用户面前，并对所采集的数据进行实时保存。数据采集 过程分为三步：声卡初始化；实时采样；释放声卡。图2 - 6 为数 据采集面板，图2 7 为数据采集部分程序。采集面板中的“保存”按钮可 以实现对实时声音数据的存储，以便对声音信号进行再分析。 图2 - 6 数据采集面板 声卡的采样频率可分为8 0 0 0 h z 、1 1 0 2 5 h z 、2 2 0 5 0 h z ，一般采用立 体声采样，左右声道互不干扰，可采集两路不同的信号，而且幅值与 原信号相同。 1 4 图2 7 数据采集程序 c ) 信号分析 信号分析可实现从历史文件重载以前采集、存盘的数据；对数据 进行时域和频域分析，显示相应的时域图和频域图，并保存所选时段 数据的频谱信息。其面板如图2 - 8 所示。 图2 - 8 信号分析面板 图2 - 9 为历史数据读取程序，图2 1 0 、图2 1 1 、图2 1 2 为信号分析 程序。该虚拟仪器主要完成信号( 均方根、峰值、周期平均等) 的显 示和测量，幅度相位谱( 幅频图、相频图) 、时域图实时显示，功率谱 分析等操作。在信号分析之前加入了b u t t e r w o r t h 低通滤波器，对原始 信号进行平滑滤波处理以消除高次谐波失真和噪声干扰，提高信噪比。 图2 - 9 时域波形读取程序 图2 1 0 信号参数测量分析程序 图2 1 1 幅度相位谱分析程序 1 6 图2 12 谱分析程序 l a b v i e w 完全图形化的编程环境和数据流的驱动方式使用户可以 非常直观的观察到程序代码的并行执行过程。本系统充分利用 l a b v i e w 的多线程( m u l t i t h