虛擬儀器——LABVIEW課程設(shè)計報告參考模板

1、課程設(shè)計任務(wù)書課程名稱： 虛 擬 儀 器 題 目： 基于聲卡的音頻采集分析儀與信號發(fā)生器設(shè)計 學(xué) 院： 環(huán)化學(xué)院 系： 化工系 專 業(yè)： 測控技術(shù)與儀器 班 級： 學(xué) 號： 學(xué)生姓名： 起訖日期： 17 18 周 指導(dǎo)教師： 職稱： 中級 系分管主任： 劉 雷 審核日期： - 0 - / 16一、課程設(shè)計的要求和內(nèi)容（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)要求、工作要求）虛擬儀器技術(shù)是測試技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它融合了測試?yán)碚?、儀器原理和技術(shù)、計算機(jī)接口技術(shù)、高速總線技術(shù)以及圖形化軟件編程技術(shù)于一身，實(shí)現(xiàn)了測量儀器的集成化、智能化、多樣化及可編程化，本課程設(shè)計的任務(wù)是幫助學(xué)生學(xué)習(xí)和了解虛擬儀器的原理及開發(fā)

2、技術(shù)，掌握虛擬儀器軟件平臺LabVIEW的基本的編程方法及調(diào)試技術(shù)，并結(jié)合計算機(jī)聲卡來完成一個信號發(fā)生器與時頻分析儀的設(shè)計。具體要求與內(nèi)容：1. 具備數(shù)字存儲示波器、信號發(fā)生器和信號分析儀三個主要功能模塊；2. 可以通過前面板交互界面實(shí)現(xiàn)示波器與信號發(fā)生器功能切換；3. 采集數(shù)據(jù)可以在單次和連續(xù)兩種方式進(jìn)行切換，采集的數(shù)據(jù)可以進(jìn)行存儲，類型可以在WAV、BIN和TXT三種類型進(jìn)行切換，數(shù)據(jù)存儲要求用子VI實(shí)現(xiàn)；4. 對于信號發(fā)生器，要求可以疊加各種噪聲，要求可以改變信號相關(guān)參數(shù)，同時能夠?qū)崿F(xiàn)兩個以上信號疊加為一個復(fù)合信號；5. 時頻分析儀應(yīng)該能夠完成大部分時域和頻域分析，可實(shí)現(xiàn)信號分析前的加窗

3、或?yàn)V波器操作，可以對原始數(shù)據(jù)和結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，示波器的各個參數(shù)靈活可調(diào)并且可以將已存數(shù)據(jù)重新載入進(jìn)行分析觀察。對于音頻信號可以選擇性的進(jìn)行播放。基于聲卡的音頻采集分析儀與信號發(fā)生器設(shè)計： 摘要：要在LABVIEW環(huán)境中進(jìn)行對聲卡采集編程，就是運(yùn)用常用周期信號及測試領(lǐng)域特殊信號的雙通道模擬輸出。由于專用數(shù)據(jù)采集卡成本比較昂貴、而且和計算機(jī)兼容性比較差等缺點(diǎn)，這個論文就是應(yīng)用性能良好、價格低廉的計算機(jī)聲卡設(shè)計一套基于 LabVIEW 的信號采集分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有雙通道、高保真、22K 甚至 44KHz 的采樣率，實(shí)現(xiàn)了音頻信號的實(shí)時采集、實(shí)時存儲、回放、信號分析（時域分析和頻域分析）等多種功能

4、。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該設(shè)計方案具有設(shè)計簡便、成本低、通用性高、擴(kuò)展性好、界面大方簡潔等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于工程測量和科學(xué)實(shí)驗(yàn)室等環(huán)境。關(guān)鍵詞：聲卡；數(shù)據(jù)采集；虛擬儀器；LabVIEW ；引言：數(shù)據(jù)采集是信號分析與處理的一個重要環(huán)節(jié)，在許多工業(yè)控制與生產(chǎn)狀態(tài)監(jiān)控中，都需要對各種物理量進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與分析。但是，專用數(shù)據(jù)采集卡的價格一般比較昂貴，而我們PC機(jī)的聲卡就是一個很好的雙通道數(shù)據(jù)采集卡。實(shí)際測量中，在滿足測量要求的前提下，可以充分利用計算機(jī)自身資源，完成數(shù)據(jù)采集任務(wù)，從而節(jié)省成本。虛擬儀器是基于計算機(jī)的軟硬件測試平臺。虛擬儀器技術(shù)的優(yōu)勢在于可由用戶定義自己的專用儀器系統(tǒng),且功能靈活,很容易構(gòu)建,所

5、以應(yīng)用面極為廣泛。目前應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強(qiáng)的圖形化軟件集成開發(fā)環(huán)境是美國國家儀器公司的創(chuàng)新軟件產(chǎn)品1。它是將儀器裝入計算機(jī)中, 以通用的計算機(jī)硬件及操作系統(tǒng)為依托, 可以實(shí)現(xiàn)各種儀器的功能。LabVIEW是一種圖形化編程語言，廣泛應(yīng)用于工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室,主要應(yīng)用于儀器控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示等領(lǐng)域,適用于多種不同的操作系統(tǒng)平臺。與傳統(tǒng)C、C+等編程語言不同，LabView采用強(qiáng)大的圖形化語言編程,面向測試工程師而非專業(yè)程序員，編程方便,人機(jī)交互界面直觀友好，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)可視化分析和儀器控制能力等特點(diǎn)2。一 、聲卡信號采集系統(tǒng)總體設(shè)計方案聲卡采集系統(tǒng)原理框圖如下圖1

6、所示。它主要由聲源、信號調(diào)理模塊、計算機(jī)聲卡以及安裝于計算機(jī)機(jī)上的LabVIEW軟件等幾部分組成。圖1 聲卡采集系統(tǒng)原理框圖工作過程為：輸入時，測試信號首先經(jīng)過信號調(diào)理電路，利用PC機(jī)聲卡的麥克風(fēng)輸入（mic in）或線路輸入（line in）作為信號的輸入端口，將獲取到的模擬音頻信號經(jīng)過左右兩個通道和A/D轉(zhuǎn)換后送入計算機(jī)，通過LabVIEW編寫的采集程序進(jìn)行各種處理和保存；輸出時，經(jīng)過采集系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)通過總線將數(shù)字化的信號以PCM方式送到D/A轉(zhuǎn)換器，編程模擬的音頻信號由線路輸出（line out）端口通過耳機(jī)或音響轉(zhuǎn)換為音波播放出來。信號調(diào)理電路：在信號進(jìn)入聲卡之前必須經(jīng)過信號調(diào)理，主

7、要包括信號的放大、濾波、隔離和線性化處理，以使其能夠被聲卡正確的識別。聲卡的麥克風(fēng)（mic in）輸入端具有高增益放大器，會使得信號產(chǎn)生較大失真，所以選擇線路（line in）輸入信號時，其輸入電壓應(yīng)為-1+1V。聲卡：計算機(jī)的聲卡作為數(shù)據(jù)采集卡，其A/D轉(zhuǎn)換功能已經(jīng)成熟，而且計算機(jī)無需添加額外配件便能完成所有音頻信號的采集功能，具有價格低廉、采樣精度高，與LabView結(jié)合編程簡單等優(yōu)點(diǎn)，因此，利用聲卡可以構(gòu)成一個較高采樣精度、中等采樣頻率、靈活性好的信號采集系統(tǒng)。聲卡主要技術(shù)指標(biāo)有采樣位數(shù)、采樣頻率、頻率范圍和頻率響應(yīng)、基準(zhǔn)電壓等。（1）采樣位數(shù)：采樣位數(shù)可以理解為聲卡處理聲音的解析度。這

8、個數(shù)值越大，解析度就越高，錄制和回放的聲音就越真實(shí)。如今市面上所有的主流產(chǎn)品都是16位的聲卡，而一般的數(shù)據(jù)采集卡大多也才有12位，因此，聲卡相較于常用的數(shù)據(jù)采集卡毫不遜色3。（2）采樣頻率：采樣頻率是指錄音設(shè)備在一秒鐘內(nèi)對聲音信號的采樣次數(shù)，采樣頻率越高聲音的還原就越真實(shí)越自然。在當(dāng)今的主流民用聲卡上，采樣頻率一般共分為8 KHz 、11.025KHz、22.05KHz和44.1KHz四個等級，少數(shù)可以達(dá)到48 KHz 。對于20Hz20KHz范圍內(nèi)的音頻信號，如果采用48 KHz采樣頻率，雖然理論上是可行的，但是效果已經(jīng)不是最好。因而使用聲卡的局限性就是不允許用戶在最高采樣率下隨意設(shè)定采樣頻

9、率。對于高于48KHz的采樣頻率人耳已無法辨別出來了，因此沒有實(shí)用價值。（3）頻率范圍和頻率響應(yīng)：前者是指音響系統(tǒng)能夠回放的最低有效回放頻率與最高有效回放頻率之間的范圍；后者是指將一個以恒電壓輸出的音頻信號與系統(tǒng)相連接時，音箱產(chǎn)生的聲壓隨頻率的變化而發(fā)生增大或衰減、相位隨頻率而發(fā)生變化的現(xiàn)象。以聲卡作為虛擬測試儀器的硬件設(shè)備必須對其頻率特性有所了解。本系統(tǒng)所用計算機(jī)主板集成聲卡是Reaktek的ALC880 Codec，根據(jù)其性能指標(biāo)，設(shè)置采樣率為44.1KHz，采樣位數(shù)為雙通道，采樣比特數(shù)為16位，以保證采樣時的干擾較小、波形穩(wěn)定4。（4）基準(zhǔn)電壓：聲卡沒有基準(zhǔn)電壓，因此無論是A/D還是D/

10、A轉(zhuǎn)換器，都需要用戶參照基準(zhǔn)電壓進(jìn)行標(biāo)定5。二、聲卡信號采集系統(tǒng)設(shè)計實(shí)現(xiàn)LabVIEW軟件是一種基于圖形語言編程的可視化軟件開發(fā)平臺，與VC，VB等其他可視化編程語言相比，其函數(shù)庫豐富、編程簡單直觀、調(diào)試方便，而且界面開發(fā)簡單，界面風(fēng)格與傳統(tǒng)儀器相似。LabVIEW是一個外觀和操作能模仿實(shí)際的儀器的程序開發(fā)環(huán)境，類似于C、BASIC等編程語言。但LabVIEW的特點(diǎn)在于，它使用圖形化編程語言G在流程圖中創(chuàng)建源程序，而非使用基于文本的語言來產(chǎn)生源程序代碼。LabVIEW還整合了諸如滿足GPIB、VXI、USB、RS-232和RS-485以及數(shù)據(jù)采集卡等硬件通訊的全部功能。內(nèi)置了便于TCP/IP、

11、Active X等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫函數(shù)。雖然LabVIEW是一個通用編程系統(tǒng)，但是它也包含了數(shù)據(jù)采集和儀器控制等特別設(shè)計的函數(shù)庫和開發(fā)工具。由于LabVIEW所使用的術(shù)語、圖標(biāo)和概念都是技術(shù)人員、科學(xué)家、工程師所熟悉的，故而即使用戶沒有多少編程經(jīng)驗(yàn)，同樣也能利用LabVIEW來開發(fā)自己的應(yīng)用程序6。以LabVIEW為基礎(chǔ)的本聲卡信號采集系統(tǒng)主要完成了信號采集、存儲、回放和頻域分析等功能。本設(shè)計對于信號采集如此多的功能采用了分模塊顯示設(shè)置，這樣使得主程序前面板簡單明了，且功能齊全，方便了用戶的操作。三、 信號采集的設(shè)計采集音頻信號面板圖2：信號采集前面板如圖2，信號采集原理是利用計算機(jī)聲卡的實(shí)際特性

12、把外部模擬信號經(jīng)過轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的保存同時能夠?qū)崟r顯示出來。根據(jù)計算機(jī)聲卡的實(shí)際特性，將聲卡設(shè)置為雙通道、44.1kHz采樣頻率、16位采樣比特數(shù)、連續(xù)采樣等，如圖2所示。本設(shè)計根據(jù)實(shí)際顯示需要，當(dāng)點(diǎn)擊開始采集按扭時，該虛擬示波器界面實(shí)時顯示了所采集歌聲的實(shí)時信號和保存成音頻格式文件。同時，實(shí)時顯示界面的示波器屬性設(shè)置為X、Y軸均設(shè)置為“自動調(diào)整標(biāo)尺”，從而保證無論信號幅值如何改變，總可以在縱坐標(biāo)上是清晰顯示，這樣不僅方便用戶操作，而且觀察方便。圖2 聲卡參數(shù)設(shè)置以及采集音頻信號圖音頻信號程序圖3 功能實(shí)現(xiàn)方法：首先創(chuàng)建好一個音頻格式的寫文件，另外選擇聲卡控件，對聲卡控件的配置，為了防止數(shù)據(jù)

13、溢出所以要先準(zhǔn)備好寫文件才能進(jìn)行聲卡的讀和寫，所以一定要在寫文件和聲卡控件當(dāng)中連上ERROR，這樣才能保證數(shù)據(jù)不會溢出。同時當(dāng)我們寫完文件時，一定要加上關(guān)閉文件的控件。運(yùn)行程序時，由于利用了一個事件控件，所以當(dāng)點(diǎn)擊開始采集時就能進(jìn)行聲卡信號的采集，實(shí)時保存和實(shí)時顯示等功能的實(shí)現(xiàn)。圖3 音頻信號后面板程序四、 信號發(fā)生器的設(shè)計信號發(fā)生器的前面板如下圖4所示。主要的功能有實(shí)現(xiàn)單通道信號發(fā)生、或者雙通道疊加，同時還能疊加各種噪聲信號，在對各種信號操作時，可以對如頻率、振幅、相位等的設(shè)置。它的程序框圖如圖5，實(shí)現(xiàn)方法如下：利用文件的打開方式，選擇創(chuàng)建一個音頻文件，當(dāng)文件準(zhǔn)備好寫以后，然后利用信號發(fā)生器

14、控件實(shí)現(xiàn)單、雙、混合噪聲的選擇，從而實(shí)現(xiàn)信號發(fā)生器的功能。信號發(fā)生器面板圖4：圖4 信號發(fā)生器面板設(shè)置信號發(fā)生器程序框圖如圖5：實(shí)現(xiàn)方法如下：利用文件的打開方式，選擇創(chuàng)建一個音頻文件，當(dāng)文件準(zhǔn)備好寫以后，然后利用信號發(fā)生器控件實(shí)現(xiàn)單、雙、混合噪聲的選擇，從而實(shí)現(xiàn)信號發(fā)生器的功能。圖5 信號發(fā)生器和示波器程序圖圖6 信號發(fā)生器所產(chǎn)生的波形圖三、虛擬示波器的設(shè)計虛擬示波器的前面板是應(yīng)該根據(jù)實(shí)際中的儀器面板以及該儀器所要實(shí)現(xiàn)的各種功能進(jìn)行設(shè)計的程序交互式圖形化用戶界面。根據(jù)計算機(jī)聲卡的實(shí)際特性，將聲卡設(shè)置為雙通道、44.1kHz采樣頻率、16位采樣比特數(shù)、連續(xù)采樣等，如圖6所示。本設(shè)計根據(jù)實(shí)際顯示需

15、要，設(shè)計的顯示前面板如圖3所示，該虛擬示波器界面實(shí)時顯示了所采集歌聲的實(shí)時信號。同時，實(shí)時顯示界面的示波器屬性設(shè)置為X、Y軸均設(shè)置為“自動調(diào)整標(biāo)尺”，從而保證無論信號幅值如何改變，總可以在縱坐標(biāo)上是清晰顯示，這樣不僅方便用戶操作，而且觀察方便。四、 虛擬數(shù)據(jù)分析儀設(shè)計數(shù)據(jù)分析儀主要包括數(shù)據(jù)回放、信號參量、幅度相位譜和功率譜的測量等。數(shù)據(jù)回放主要是將已存儲的信號重新讀取然后進(jìn)行分析；數(shù)據(jù)信號參量測量主要從時域上對信號的周期平均值、周期均方值、峰峰值、均值等測量；幅度相位譜和功率譜主要是從頻域上對回放信號的幅度、相位以及功率進(jìn)行測量。對手動保存的歷史采樣信號文件，通過歷史數(shù)據(jù)回放功能，可以逐塊地由

16、軟件象采集真實(shí)數(shù)據(jù)一樣，重新由軟件顯示、處理；由此可以重現(xiàn)試驗(yàn)過程、檢驗(yàn)各種功能、驗(yàn)證用戶的各種設(shè)置；在軟件模塊中，用戶可以進(jìn)一步對LabVIEW采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析、處理；歷史數(shù)據(jù)回放功能能讓用戶在試驗(yàn)前就調(diào)試程序、在試驗(yàn)后反復(fù)用試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，即用實(shí)際數(shù)據(jù)仿真試驗(yàn)，減少試驗(yàn)成本、重現(xiàn)關(guān)鍵試驗(yàn)。歷史波形回放程序框圖如圖7所示。對于其程序圖是把信號的回放、時域的分析以及頻域的分析全部結(jié)合在一起，如圖9所示?；胤欧治鰞x： 圖7 波形回放前面板圖時域分析儀：時域分析是一種直接在時間域中對系統(tǒng)進(jìn)行分析的方法，具有直觀、準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，可以提供數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時間響應(yīng)的全部信息。圖10 虛擬數(shù)據(jù)時域分析儀框

17、圖程序頻域分析：頻域分析是通過傅里葉變換將時域信號變換到頻域，其主要是了解信號的頻譜成分以及各種成分的強(qiáng)度。本設(shè)計主要實(shí)現(xiàn)了對采集信號的幅度譜、相位譜和功率譜分析等功能。實(shí)際程序如圖7所示。其中，對信號加窗時，使用矩形窗將信號突然截斷，在頻域上造成很寬的、原信號中不存在的附加頻率成分，即有限化帶來的泄露問題。為了防止采集信號發(fā)生泄露，對所采集信號進(jìn)行加窗處理，系統(tǒng)選擇了漢寧窗。虛擬分析儀的界面如圖8所示，該圖顯示為實(shí)際采集音頻信號的FFT變換頻譜。圖9 虛擬頻譜分析儀界面波形回放后面板程序以及虛擬數(shù)據(jù)分析儀框圖程序圖9所示：圖9波形回放后面板程序以及虛擬數(shù)據(jù)分析儀框圖程序圖9程序說明：該模塊的

18、程序把信號的回放、時域的分析以及頻域的分析全部結(jié)合在一起，利用一個while循環(huán)，首先實(shí)現(xiàn)信號的回放，通過時域控件從而得到時域相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)果，通過前面板把結(jié)果顯示出來；在對頻域分析時，首先打開一個既能實(shí)現(xiàn)傅里葉變換將時域信號變換到頻域，再利用一個cast事件得到不同頻譜成分以及各種成分的強(qiáng)度。本設(shè)計主要實(shí)現(xiàn)了對采集信號的幅度譜、相位譜和功率譜分析等功能。五、結(jié)束語利用計算機(jī)聲卡代替昂貴的數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)，以圖形化編程語言的虛擬儀器軟件LabVIEW為開發(fā)工具，充分利用計算機(jī)強(qiáng)大的信息處理能力和LabVIEW模塊化編程技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了常見音頻信號的實(shí)時采集、顯示、存儲，回放以及分析等功能。其有效的利用了計算機(jī)資源，節(jié)約了數(shù)據(jù)采集成本，易于構(gòu)建和升級，并且界面友好，操作簡單，成本較低，易于實(shí)現(xiàn)，不僅可以應(yīng)用于科研試驗(yàn)，而且可以應(yīng)用于檢測車輛等方面，具有比較廣闊的應(yīng)用前景。六、課程設(shè)計總結(jié)：本次課程設(shè)計我獲益良多，首先進(jìn)一步加深了對LABVIEW以及聲卡相關(guān)專業(yè)知識的理解以及對本專業(yè)的深刻理解，并初步掌握利用LABVIEW的控件對電腦聲卡參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。尤其在信號采集進(jìn)行回放過程中，對于運(yùn)作的順序不一樣就