LabVIEW基于声卡的数据采集处理

   摘要—声卡是一种多通道数字和模拟信号转换系统。它可以取代在一些虚拟仪器数据采集卡。通过虚拟示波器,函数波形发生器设计使用虚拟仪器和声卡。通过声卡外部信号的示波器可以准确显示声音信号。函数波形发生器能用波形的公式产生正弦波形,波形,三角波形,锯齿波形,高斯白噪声波形、音调和正弦波形。这些信号的振幅在1 v且这些信号的频率范围在20 hz 20 khz内。它证明了基于声卡的虚拟仪器可用于数据采集和控制应用程序。

关键字——虚拟仪器;虚拟仪器;声卡;示波器;函数波形发生器

    I / O接口的虚拟仪器主要是五个类型:PC-DAQ / PCI卡,GPIB总线,VXI总线和串行总线和PXI总线。PC-DAQ / PCI卡是最基本和最便宜的VI[1]。通常虚拟仪器只支持美国国家仪器的数据采集卡,而这些卡片的价格相对昂贵。为了能够推动公共数据在虚拟仪器中的应用,用户必须调用库函数节点和接口节点的代码编写相应的采集卡的驱动程序。

    声卡是一个双通道a / D和D / a信号采集和输出设备。声音的大批量生产,价格远低于类似的A / D和D / A卡(通常几十倍的区别)。与PCI声卡设计,它可以更好的与CPU。

虚拟仪器有一个强大的信号处理功能,包括图像和声音。处理的声音函数在函数波形发生器输出。这一系列的功能是用windows底层功能。随着windows底层函数直接处理声卡驱动程序,他们速度快,打包等级低。他们可以访问、采集数据从缓冲区的任何地方。他们有很多的灵活性以满足实时连续采集的需要。

    声卡一般有4 - 5个外部接口。有两个输入接口,即麦克风和线。麦克风接收弱信号幅度的0.02 - -0.2 v,在收到不超过1.5 v信号。这两个接口可用于示波器的输入接口。有两个输出接口,即波SPK输出。波的输出信号不需要外部功率放大器放大。输出信号从SPK放大,使用者可以直接收到。这两个接口可以用作双通道信号发生器输出。乐器数字接口(MIDI)可以记录和回放各种现实的声学乐器的音乐。

 

A.虚拟示波器的实现

     在虚拟仪器数据采集对象,是特殊的声音信号。接收声音信号后将声音信号通过声卡传感器转换成模拟电信号。之后,再将模拟信号转化为数字信号到用户程序。在这种情况下,声卡将完全取代数据采集卡采集模拟信号(数据收集)。如图1所示,我们可以使用声卡采集电信号。有几个关于声音处理,如声音输入配置功能。VI和声音输入读取。在虚拟仪器VI中所使用功能和我设计的虚拟示波器的声卡。在这篇文章中,所有程序都是使用LabVIEW8.20编程的。

 

    图2是虚拟示波器前面板,显示详细的波形,平均周期,最大峰值,瞬时振幅,RMS,阶段,幅频特性和相位频率正弦信号的特点。正弦波形是由(gfg - 8250 a)函数发生器(频率范围1 Hz - 1 m赫兹)显示的。

 

    图3是VI的框图,其中包括声音输入配置。VI,声音输入读取。VI,FFT.VI.振幅和水平等级。这些振幅测量的功能。VI.可以计算一个完整的周期信号,信号电平的平均水平和最小，最大峰值。

    在麦克风上的前置放大器。它会引入噪声导致信号过载。当信号通过线路导入到用户程序,干扰较小。因此,选择导入信号[2]。在前面板上,我们设置的设备ID号是0。将线连接到信号发生器。设置声音输入系统参数。VI:缓冲区长度是8 kb,采样频率是22.05 kHz。通过电脑,我们可以观察正弦波形。示波器成功的显示(GFG - 8250 a)函数发生器的信号。

为了保护声卡,我们应充分估计测量信号的振幅。如果它们是巨大的,它们不能被直接输入声卡。他们必须在1 V的有限范围内。

 

    声卡可以实现双通道16位或32位高精度数据采集。采样频率可以44.1 kHz,22.05 kHz,11.025 kHz,8 kHz。每个通道采样频率可达44.1 kHz。采样深度是24位。它可以几乎完美的测量范围内任何声音信号,例如:振动,速度,心脏和肺部听诊、心电图、地震波、声音、电力谐波等等。同时采集多路信号,你可以选择多个块声卡配置高端声卡或[3]。现在市场上有8个频道声卡，它的最大采样频率是48 kHz。声卡的性能更好。

声卡也有D / A功能。有几个声音的处理，声音输出的配置等功能。VI,声音输出的写出。VI,声音输出的清晰度。在虚拟仪器VI。我们可以使用这些函数和声卡组成一个函数波形发生器。

 

    数字数据转换成模拟数据后通过声卡,把他们运送到音箱等设备中。使用声卡D / A功能,我们可以设计一个虚拟的发电机。声音输出的配置。VI,声音输出的写出。VI,声音输出的清晰度。VI加上必要的功能和控制可以完成函数发生器的设计。图4是一个虚拟前面板的虚拟信号发生器输出，波形图表实时显示。

 

    图5是图的信号发生器。它主要由while循环,结构情况下,声音输出的配置。VI,声音输出的写出。VI,声音输出的清晰度.VI。While循环是一个设备开关。结构是用来选择信号的类型。有各种各样的信号类型,包括公式节点的信号处理功能。正弦波形,波形,三角波形,锯齿波形,高斯白噪声波形、音调和正弦波形和公式波形在这个程序中。每一个信号已经被设定成子程序。在这些子程序我们可以设置参数,如振幅、频率、相位等。虽然振幅和频率在子程序上可被任意设置。但事实上,输出信号振幅和频率是有限的。

 

   声音输出配置。VI是声卡用于设置参数,如采样率、数据格式、缓冲区长度。声音输出。VI是用来等待数据缓冲区的全部信息。当消息产生时，CPU将数据缓冲区的内容写入用户程序的数组。如果声音输入明确，VI将完成最后的清理工作。例如,它关闭声卡采样通道和发布一系列的系统资源(包括MDA、缓冲内存、声卡的I / O接口,等等)。

    首先,把声卡输出的波用线和示波器(CA1022 / CA1052)连接。其次,设置信号采样频率和声音输入的配置.VI缓冲区大小。第三,选择输出信号的类型。最后运行程序。调整示波器波形生成的虚拟信号发生器让它显示在示波器的屏幕上。

     如果声卡的采样频率最大是44.1 kHz,根据抽样理论,最大模拟信号是22.05 kHz的频率。系统抽样精度有关声卡。如果我们选择16位声卡,采样精度是1/2˄16 = 0.000015,分辨率约为0.0015%。声卡的最大带宽可以达到133千赫。

    声卡是一个专业的数据采集系统。它性能稳定,价格低廉。用一个虚拟示波器和信号发生器的设计使用声卡和虚拟仪器。基于声卡的仪器和虚拟仪器打开一个新的VI设计方法。它证明了VI基于声卡可以应用于常见的数据采集和控制应用程序。他们是方便、灵活和廉价的,对于某些应用程序是一个不错的选择。在市场上,高性能的声卡出现。连接到USB的声卡是下一代的趋势。基于声卡的虚拟仪器将会被广泛使用。

[1] Liu JH, Jia HQ. Virtual Instruments LabVIEW graphical programming language tutorial[M]. XIDIAN University Press. 2003.05. p102

 

[2] Qu XQ,Liu Z. Audio signal acquisition and analysis system design based on sound card[J] Electronic Test(Test Tool s & Solution).2009,02:75-77

 

[3] Chen DF, Wu GH. A virtual oscilloscope based on sound card[J]. Micro Computer Information (Control Automation). 2008,24(9):189- 190.