虚拟仪器课设报告

课程设计报告课程名称： 虚拟仪器课程设计 题 目：基于声卡的音频采集分析仪与信号发生器设计 学 院：环化学院 系：过程装备与测控工程专 业： 测控技术与仪器 班 级： 测仪103班 学 号： 5801210114 学生姓名： 汪 超 起讫日期： 17 18 周 指导教师： 邓懿波 涂文峰 职称： 中级 系分管主任： 杨大勇 审核日期： 2014-1-10 摘要本课程设计基于计算机中的声卡，利用虚拟仪器并借助LabVIEW进行音频采集分析仪设计，内容包括音频的采集和存储、音频的时频分析等内容。时频分析仪能够完成大部分时域和频域分析，可实现对原始信号分析前的加窗，实现滤波器操作，频谱分析，原始数据和结果数据可进行保存，示波器的各个参数灵活可调并且可以将已存数据重新载入进行分析观察。信号发生器具备单次发生和连续发生两种形式，并可以叠加各种噪声，信号类型和参数可调，具备双通道发生，同时两个通道信号能够叠加为一个复合信号；另外支持读取数据文件作为信号来源。关键词：声卡；音频采集；时频分析；虚拟仪器；LabVIEW；信号发生器；目录一、课程设计简介11.1 课程设计概述11.2 课程设计内容及要求1二 虚拟仪器简介22.1 虚拟仪器概念22.2 LabVIEW简介3三、声卡的简介42.1 声卡的结构42.2 声卡的工作原理4四、总体设计64.1 硬件设计64.2 软件设计84.2.1 软件设计流程图84.2.2 声卡设置模块84.2.3信号采集存储模块94.2.4 TXT文本读取模块104.2.5 信号插值模块114.2.6 波形声卡输出模块134.2.7 信号发生模块与信号合成模块134.2.8 信号分析仪模块15五、总结17参考文献：17使用说明181 信号采集182 信号发生183 时频域分析19一、课程设计简介1.1 课程设计概述虚拟仪器技术是测试技术和计算机技术相结合的产物，它融合了测试理论、仪器原理和技术、计算机接口技术、高速总线技术以及图形化软件编程技术于一身，实现了测量测试仪器的集成化、智能化、多样化及可编程化，本课程设计的任务是帮助学生学习和了解虚拟仪器的原理及开发技术，掌握虚拟仪器软件平台LabVIEW的主要编程方法及调试技术，并结合计算机声卡来完成一个信号发生器与时频分析仪的设计。1.2 课程设计内容及要求具体内容与要求：应用计算机声卡完成以下功能（1）具备数字存储示波器、信号分析仪和信号发生器三个主要功能模块，其中示波器与分析仪整合在一个界面，信号发生器在另一个界面，共两个界面；两个组成部分可以分别独立完成；（2）信号采集模式可以在单次和连续两种方式间进行切换，采集的数据可以进行存储，类型为TXT类型，数据存储要求用子VI实现；（3）对于信号发生器，应具备单次发生和连续发生两种形式，并且要求可以叠加各种噪声，信号类型和参数可调，具备双通道发生，同时两个通道信号能够叠加为一个复合信号；另外支持读取数据文件作为信号来源，数据文件类型为TXT，数据读取用子VI实现。（4）时频分析仪应该能够完成大部分时域和频域分析，可实现对原始信号分析前的加窗，实现滤波器操作，频谱分析，原始数据和结果数据可进行保存，示波器的各个参数灵活可调并且可以将已存数据重新载入进行分析观察。分析结果的横纵坐标物理意义必须明确，并与实际情况相符。（5）滤波器截止频率值要求用实际频率作为输入。分析仪的分析对象可以是采集的真实信号、模拟的仿真信号或数据文件中存储的信号。二 虚拟仪器简介2.1 虚拟仪器概念虚拟仪器技术就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。灵活高效的软件能帮助您创建完全自定义的用户界面，模块化的硬件能方便地提供全方位的系统集成，标准的软硬件平台能满足对同步和定时应用的需求。这也正是NI近30年来始终引领测试测量行业发展趋势的原因所在。只有同时拥有高效的软件、模块化I/O硬件和用于集成的软硬件平台这三大组成部分，才能充分发挥虚拟仪器技术性能高、扩展性强、开发时间少，以及出色的集成这四大优势。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。这种结合有两种方式。一种方式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，这类仪器的功能也越来越强大，目前已经出现含有嵌入式系统的仪器。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。与传统仪器相比，虚拟仪器的主要特点有：（1）虚拟仪器的软件和硬件具有开放性、模块化、互换性以及可重复使用等特点。例如，为了提高仪器的性能，可加入一个通用的仪器模块，或者更换一个仪器模块，而不必重新购买整个仪器。（2）在通用硬件平台搭建后，由软件来实现仪器的具体功能，即软件在虚拟仪器中具有重要的作用。（3）虚拟仪器的功能是由用户根据实际需要通过软件来定义的，而不是事先由仪器厂商定义的。（4）虚拟仪器研制的周期较传统仪器大为缩短。（5）虚拟仪器的性价比较高。（6）由于虚拟仪器技术是建立在计算机技术和数据采集技术基础上的，因而技术更新较快、成本较低、测试自动化程度较高，而且可与网络及其他设备互联。（7）虚拟仪器具有友好、灵活的人机界面。虚拟仪器技术指在包含数据采集设备的通用计算机平台上，根据需求可以高效率地构建形形色色的测量系统。对大多数用户而言，主要的工作变成了软件设计。虚拟仪器技术突破了传统仪器的局限，可以将许多信号处理的方法方便地应用于军事、航空、航天、等领域和科研院所，现在已经越来越多地出现在工厂及其他的民用场合。2.2 LabVIEW简介LabVIEW是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言。传统文本编程语言根据语句和指令的先后顺序决定程序执行顺序，而 LabVIEW则采用数据流编程方式，程序框图中节点之间的数据流向决定了VI及函数的执行顺序。VI指虚拟仪器，是 LabVIEW的程序模块。该环境包含包括三个部分: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，为虚拟仪器的框图程序提供数据:输出量被称为显示，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。LabVIEW中有两种类型的数据端口:控制端口和指示端口以及节点端口。控制端口和指示端口用于前面板对象，当VI程序运行时，从控制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中显示。每个节点端口都有一个或数个数据端口用于输入或输出.LabVIEW采用的一种获得专利的数据流编程模式，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。但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(Sub VI)。 图标/连接端口可以把VI变成一个Sub VI，然后像子程序一样在其他程序中调用。图标是Sub VI的直观标记，是Sub VI在其他程序框图中被调用的节点表现形式;而连接端口则表示该Sub VI与调用它的VI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。三、声卡的简介2.1 声卡的结构从数据采集的角度看，声卡是一种音频范围内的数据采集卡，是计算机与外部模拟量环境联系的重要途径。一般声卡都由以下几个部分组成：声音控制/处理芯片，功放芯片，声音输入/输出端口等。声音控制/处理芯片是声卡的核心，集成了采样保持、A/D 转换、D/A 转换、音效处理等电路，它决定了声卡的性能和档次，基本功能包括对声波采样和回放的控制、处理MIDI 指令等，有的厂家还加进了混响、合声、音扬调整等功能；功放芯片完成信号的功率放大以推动喇叭发声工作;声音输入/输出端口是音频信号的输入和输出，它主要有外接端口和内接端口。外接端口有“SPK Out”喇叭输出端口，“Wave Out”（或“Line Out”）线性输出端口，“Line In”线性输入端口，“MIC”麦克风输入端口，还有MIDI 端口，连接电子乐器以及游戏控制器。内接端口是内置的输入/输出端口，是CD音频接口。Line InMic InLine OutSPK OutMIDI InA/DDSPD/A波表MIDI 合成器图2-1声卡的硬件结构2.2 声卡的工作原理音的本质是一种波，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。声卡采集系统主要由声源、信号调理模块、计算机声卡以及安装于计算机机上的LabVIEW软件等几部分组成，系统原理框图如下图3所示。模拟声音信号输入信号输出信号前置处理A/D 转换波形重建D/A 转换数据输入缓冲区处理数据输出缓冲区处理数字信号处理 波形重建声音控制处理图2-2 声卡的工作原理其基本工作过程为：模拟信号经过声卡前置处理及A/D 转换后变成数字信号，送入输入缓冲区，然后通过各种数字信号处理的方法对波形输入缓冲区的数据进行处理，完成声音消噪、音效处理、声音合成等功能，最后把处理好的数据保存到存储设备，这就是声音信号的录制过程。相应的声音信号回放过程为：把处理好的数据送到输出缓冲区，再由声卡的D/A 转换，将数字音频信号转换为模拟信号，经过功率放大，送到喇叭。如果将工程中所需采集的信号仿照声音信号输入，即可实现对信号的采集和存储。信号调理电路：在信号进入声卡之前必须经过信号调理，主要包括信号的放大、滤波、隔离和线性化处理，以使其能够被声卡正确的识别。声卡的麦克风（mic in）输入端具有高增益放大器，会使得信号产生较大失真，所以选择线路（line in）输入信号时，其输入电压应为-1+1V。放大电路：经实际测量，声卡输出信号的最大峰-峰值约为3.5V，这样的幅值还不能满足一般的实验要求，本系统利用放大电路，使输出信号的峰-峰值放大到10V，实验中调制声卡的音量即可控制输出信号的幅值大小。四、总体设计4.1 硬件设计数据采集系统是指将特定的物理信号真实的记录,以供人们进行进一步分析的电子系统。一般基于计算机的数据采集系统包括传感器(对于非电量)、信号调理器、数据采集卡和控制软件等。其中数据采集卡是核心部件,它的采样率、采样精度和通道数直接影响着采集数据的质量和数量。一般商用的12bit采样精度、采集频率为200kHz的数据采集卡能够满足多种应用,但是其价格昂贵。在某些应用场合,它的有些功能可能并不需要。然而,我们只要观察现今任何一台多媒体电脑,就会发现,16bit精度,4411kHz采样频率的声卡本身就是一块性价比非常高的数据采集转换卡。根据采样定理,声卡处理信号的上限频率,理论上仅能达到22kHz左右,但对于低频电路的分析测试,已基本满足要求,个别性能指标还优于商用数据采集卡,而它的价格只有商用数据采集卡的十几分之一。衡量声卡的技术指标包括采样频率、采样位数（即量化精度）、缓冲区等,主要介绍如下：（1）采样频率目前，声卡的最高采样频率是44.1KHz，少数达48KHz，对于民用声卡，一般将采样频率设为4挡，分别是44.1KHz、22.05KHz和8KHz。22.05KHz只能FM广播的声音品质；44.1KHz是理论上的CD音质界限，48KHz则更好一些。对20KHz范围内的音频信号，最高采样频率才48KHz，虽然理论上没有问题，但似乎余量不大。使用声卡比较大的局限性在于，它不允许用户在最高采样频率之下随意设定采样频率，而只能分4挡设定。这样虽然可以使制造成本降低，但不便于使用。用户基本上不可能控制整周期采样，只能通过信号处理的方法来弥补非整周期采样带来的问题。（2）采样位数采样位数可以理解为声卡处理声音的解析度。这个数值越大，解析度就越高，录制和回放的声音就越真实。声卡的位是指声卡在采集和播放声音文件时所使用的数字声音信号的二进制位数，它客观地反映了数字声音信号对输入声音信号描述的准确程度。位数越高，在定域内能表示的声波振幅的数目越多，记录的音质也就越高。例如，8位代表28=256；16位则代表216=64103。比较一下，一段相同的音乐信息，16位声卡能把它分为16103个精度单位进行处理，而8位声卡只能处理256个精度单位，最终的采样效果自然是无法相提并论的。(3)缓冲区与一般数据采集卡不同，声卡面临的D/A和A/D任务通常都是连续状态的。为了在一个简易的结构下较好地完成某个任务，声卡缓冲区的设计有其独到之处。为了节省CPU资源，计算机的CPU并不是在每次声卡D/A或A/D结束后都要响应一次中断，而是采用了缓冲区的工作方式。在这种方式下，声卡的A/D、D/A都对某一缓冲区进行操作。以输入声音的A/D变换为例，每次转换完毕后，声卡控制芯片都将数据存放在缓冲区中，待缓冲区满时，发出中断给CPU，CPU响应中断后一次性将缓冲区内的数据全部读走。计算机总线的数据传输速率非常高，读取缓冲区数据所用的时间极短，不会影响A/D变换的连续性。缓冲区的工作方式大大降低了CPU响应中断的频度，节省了系统资源。声卡输出声音时的D/A变换也是类似的。LabVIEW数据采集库包含了许多有关采样和生成数据的函数，它们与NI的插卡式或远程数据采集产品协同工作。数据采集卡是进行高速直接控制以及低速控制的理想设备。由于数据采集卡价格低廉、操作携带方便，因此大大的降低了每个通道的成本。商用的数据采集卡虽具有较大的通用性，但其价格昂贵，在具体的应用场合，有些功能可能并不实用。普通声卡，具有16位的量化精度、数据采集频率是44 kHz完全可以满足特定应用范围内数据采集的需要，个别性能指标还优于普通商用数据采集卡，而价格却为商用数据采集卡的十几分之一甚至几十分之一，本设计选用普通声卡作采集卡大大降低了成本。图4-1声卡虚拟仪器硬件图4.2 软件设计4.2.1 软件设计流程图图4-2声卡数据采集流程图声卡数据采集虚拟示波器是采用基于计算机的虚拟技术，用以模拟通用示波器的面板操作和处理功能，也就是使用个人计算机及其接口电路来采集现场或实验室信号，并通过图形用户界面(GUI)来模仿示波器的操作面板，完成信号采集、调理、分析处理和显示输出等功能。本设计的虚拟示波器，是在数据采集硬件的支持下，配备一定功能的软件，完成波形的存储、分析、显示等功能。一般测试仪器由信号采集、信号处理和结果显示三大部分组成，这三部分均由硬件构成。虚拟示波器也是由这三大部分组成，但是除了信号采集部分是由硬样实现之外，其它两部分都是由软件实现。4.2.2 声卡设置模块 LabVIEW具有强大的信号处理能力。其中音频输入的相关节点从功能模版中调用，路径为：函数/图形与声音/声音/输入。处理声卡的步骤如下：在使用声卡之前，必须先对其进行初始化。一般声音输入设备是不可共享的，若在某个程序运行之前，设备已经被其他应用程序所占用，则此应用程序不能再使用该设备。所以，在程序中一旦对声卡使用完毕，应立即释放它。函数“配置声音输入”用于配置声卡；“启动声音输入采集”用于开启声卡；“读取声音输入”用于读取声音；“停止声音输入采集”用于停止采集；“声音输入清零”用于清楚缓冲区，释放声卡。在编程过程中，使用LabVIEW中与声卡相关的一些函数进行编程。对于声卡的声道可以分为单声道8位、单声道16位、立体声8位和立体声16位。其中，16位声道比8位声道采样的信号质量好，立体声比单声道采样的信号质量好。所以本系统将采样比特数设为16。按照目前市面上的声卡，LabVIEW设置的声卡采样频率设置的范围可以从8000Hz到44100Hz不等，采样频率不同，采集波形的质量也不相同，本系统中，所采样的信号均为低频信号，所以将进行采样频率设置为22050Hz较为合理。由于系统对信号采样的要求为不间断采样，因而采样模式选择“连续采样”。4.2.3信号采集存储模块该信号采集模式的设计实现了在单次和连续两种方式间进行切换，采集的数据可以进行存储，类型可以在WAV、TXT和BIN三种类型进行切换，数据存储用子VI实现；开始存储和停止存储在前面板控制等功能。本设计采用TXT类型。TXT文件格式采集存储的程序框图如下图所示图4-4TXT文件连续采集程序框图图4-5TXT文件单次采集程序框图图4-6数据采集前面板4.2.4 TXT文本读取模块该信号发生器可实现波形自发生以及读取TXT文本实现波形输出，TXT文件读取程序框图如下图所示：图4-4TXT文件读取程序框图图4-5TXT文件读取前面板4.2.5 信号插值模块在离散数据的基础上补插连续函数，使得这条连续曲线通过全部给定的离散数据点。插值是离散函数逼近的重要方法，利用它可通过函数在有限个点处的取值状况，估算出函数在其他点处的近似值。对数据采集可采用插值的方法对信号进行逼近。图4-6信号插值模块程序框图图4-7信号插值模块前面板图4.2.6 波形声卡输出模块波形通过声卡输出子vi程序框图如下图所示：图4-8波形声卡输出模块程序框图图4-9波形声卡输出模块前面板4.2.7 信号发生模块与信号合成模块信号发生器与信号合成程序框图和前面板图形如下：图4-10信号发生模块程序框图图4-11信号发生模块前面板图4-12波形合成程序框图（模拟信号）图4-13波形合成程序框图（读取TXT文本信号）图4-14波形合成前面板由图4-12信号发生器前面板可知，该信号发生器的设计可以叠加各种噪声，信号类型和参数可调，具备双通道发生，同时两个通道信号能够叠加为一个复合信号；另外支持读取数据文件作为信号来源，数据文件类型可以是TXT、BIN或WAV。数据读取用子VI实现。对发生的信号可进行实时显示，显示的样本数可调。4.2.8 信号分析仪模块图4-15信号分析仪程序框图图4-16信号分析仪前面板信号分析仪输入来自信号发生器的信号，并对信号进行分析，由图中可知信号分析后和分析前存在有偏差，这属于系统误差。另外波形是否加窗处理有很大的区别，加窗可以频谱的泄漏。同时，在LabVIEW中有各种数字滤波器，他们的主要功能是把输入序列通过一定得运算变成输出序列，同时起到滤波作用。这些数字滤波器可以直接调用，而不考虑其内部结构。五、总结本次课程设计共历时两周，通过实际动手操作，自己的各方面的知识得到强化，通过在实际操作中不断解决遇到的问题，让自己对虚拟仪器有了更深入的认识。这次设计的课题是基于声卡的音频采集分析仪与信号发生器设计 ，是根据这学期所开设的虚拟仪器这门课的内容。这次课设进一步加深了我对LabVIEW软件的理解和运用，同时也深化了自己对声卡的认识。在课程设计中共使用两个版本的LabVIEW，分别是LabVIEW 2012、L