基于声卡的数据采集系统.doc

实验七：基于声卡的数据采集系统1 实验目的（1）学习用声卡作为数据采集装置的LabVIEW编程方法；（2）从设计中深入理解虚拟仪器的组成，理解数据采集、数据分析的重要性，用LabVIEW实现测试系统的优点；（3）实验的应用：目前的测试教学实验中常常要用到A/D采集卡，而A/D采集卡价格不菲，以实验室有限的经费，不能较多地购置以供同学们实验使用。进而考虑计算机中的声卡本身就是一个A/D、D/A的转化装置，而且造价低廉，性能稳定，在教学实验中完全可以满足实验的需求，可以进一步开发研制一个广泛应用的测试教学实验系统。2 实验设备、仪器 计算机、声卡、LabVIEW软件，其组成如下图。声卡（在PC机主机内）麦克风虚拟仪器界面3 实验任务设计一个基于声卡的频谱分析仪，它可以采集从麦克风输入的声音，仪器可以调节采样频率、数据缓冲区的大小等，可显示其波形，并对波形作幅值谱分析。4 实验原理41 声卡简介声卡是现在计算机中非常常见的一个组件，是多媒体的标准配置。目前市场上的一般声卡按照其位数可以分成8位和16位：8位：8位声卡把音频信号的大小（音量）分成256个等级（0255）。16位：16位声卡把音频信号的大小分成为65536个等级（065535）。位数的每一等级对应一个相应的二进制数。在声音录入（采样）时，按其音量大小给定一个二进制数，播放时按此二进制数实施还原。显然，在LabVIEW软件中，对于声卡的声道可以分为mono 8-bit（单声道8位）、mono 16-bit（单声道16位）、stereo 8-bit（立体声8位）、stereo 16-bit（立体声16位）。其中，16位声道比8位声道采样的信号质量好，立体声(stereo)比单声道(mono)采样信号好，采样的波形稳定，而且干扰小。另外，用单声道采样，左右声道信号都相同，而且每个声道的幅值只有原来幅值的1/2；用立体声采样，左右声道信号互不干扰，可以采两路不同的信号，而且采样的信号幅值与原幅值相同。声卡的采样频率（rate）有4种选择，即8000Hz、11025 Hz、22050 Hz、44100 Hz，采样频率不同，采到波形的质量也不同，应该根据具体情况而采用合适的频率。42 LabVIEW中有关声卡的函数简介LabVIEW中提供了一系列使用Windows底层函数编写的与声卡有关的函数。这些函数集中在下图所示的Sound VI下。由于使用Windows底层函数（不是更高级更方便的MCI函数以及DirectX接口）直接与声卡驱动程序打交道，因此封装层次低，速度快，而且可以访问、采集缓冲区中任意位置的数据，具有很大的灵活性，能够满足实时不间断采集的需要。 图 Sound VI本节主要关心的是Sound Output和Sound Input这两个子模板。下表是Sound Input中提供的函数。 表 Sound Input函数简介图标函数名称功 能 说 明SI Config该函数的功能是设置声卡中与数据采集相关的一些硬件，如采样率、数据格式、缓冲区长度。声卡的采样率由内部时钟控制，只有34种固定频率可以选择，一般采样频率设置为44100Hz，数据格式设置为16位字长。缓冲区长度可取默认值。SI Start该函数用于通知声卡开始采集外部数据。采集到的数据会被暂存在缓冲区中，这一过程无需程序干预，由声卡硬件使用DMA直接完成，保证了采集过程的连续性。SI Read该函数用于等待数据缓冲区满的消息。当产生这一消息时，它将数据缓冲区的内容读取到用户程序的数组中，产生一个采集数据集合。若计算机速度不够快，使得缓冲区内容被覆盖，则会产生一个错误信息。这时应调节缓冲区大小，在采样时间与读取数据之间找到一个理想的平台。SI Stop该函数用于通知声卡停止采集外部数据。已采集而未被读出的数据会留在缓冲区中，可以使用SI Read函数一次完成。SI Clear该函数用于完成最终的清理工作，例如关闭声卡的采样通道，释放请求的一系列系统资源（包括DMA、缓冲区内存、声卡端口等） 由上面的介绍可以看出，使用LabVIEW构建基于声卡的虚拟仪器思路是相当清晰的。实际的数据采集流程如下图所示，这个流程与一般数据采集卡并无多大差别。 图 声卡数据采集的流程声音的输出是声卡的主要功能。Sound Output中提供的有关声音输出的函数比Sound Input的函数相对多一些，有：SO Clear SO StopSO Config SO VolumeSO Pause SO WaiteSO Start SO WriteSO Set Num Buffers5 实验步骤1.选择FileNew，打开一个新的前面板窗口。2.从All ControlGraph中选择2个Waveform Graph放到前面板中。3.在第一个Waveform Graph的标签文本框中输入“Time Waveform”。4.在第二个Waveform Graph的标签文本框中输入“Spectrum”,然后在其属性对话框选择Scales,将纵坐标的name改为Magnitude。5.WindowsShow Block Diagram打开流程图窗口。从功能模块中选择对象,将它们放到流程图上组成下图； 图 流程图该流程图中新增加的控件有While Loop、Case Structure、SI Config、SI Start、SI Read、SI Stop、SI Clear、Build Waveform、以及减法器、等等，Spectrum、Time Waveform是由前面板的设置后自动带出来的；6.由FunctionsNumeric中拖出；7.从Functions Structure 中选择While 循环、Case结构，把它们放置在流程图中。将其拖至适当大小，再将相关对象移到循环圈内。8.从FunctionsGraphics & SoundSoundSound Input中选择SI Config、SI Start、SI Read、SI Stop、SI Clear，按图1-3所示将连续的模出和连续的模入通过Error的数据线相互关联在一起。9.从FunctionsBuild Waveform中选择Build Waveform。10.幅值谱分析从FunctionsAnalyzeWaveforme MeasurementsFFT Spectrum（MagPhase）.vi拖出；11.从由FunctionsNumericConversionTo Time Stamps拖出；12.可从 的error out，用create中导出一个cluster，选TF得到；13可从用create中导出一个cluster ，选（22050）rate得到； 14.用连线工具将各对象按流程图所示连接起来；15.选