超聲波測距器的設計-畢業(yè)設計

太原工業(yè)學院畢業(yè)設計工業(yè)學院畢業(yè)設計PAGEI超聲波測距器的設計摘要隨著社會的發(fā)展，傳統(tǒng)的測距方法在很多場合已無法滿足人們的需求，例如在井深，液位，管道長度等場合，傳統(tǒng)的測距方法根本無法完成測量的任務。還有在很多要求實時測距的情況下，傳統(tǒng)的測距方法也很難完成測量的任務。于是，一種新的測距方法誕生了——非接觸測距。超聲波可用于非接觸測量，具有不受光、電磁波以及粉塵等外界因素的干擾的優(yōu)點，是利用計算超聲波在被測物體和超聲波探頭之間的傳輸來測量距離的，對被測目標無損害。而且超聲波傳播速度在相當大范圍內與頻率無關。超聲波的這些獨特優(yōu)點越來越受到人們的重視。目前對于超聲波精確測距的需求也越來越大，如油庫和水箱液面的精確測量和控制，物體內氣孔大小的檢測和機械內部損傷的檢測等。在機械制造，電子冶金，航海，宇航，石油化工，交通等工業(yè)領域也有廣泛地應用。此外，在材料科學，醫(yī)學，生物科學等領域中也占具重要地位。隨著計算機技術、自動化技術和工業(yè)機器人的不斷發(fā)展和廣泛應用，測距問題顯得越來越重要。目前常用的測距方式主要有雷達測距、紅外測距、激光測距和超聲測距4種。與其他測距方法相比較，超聲測距具有下面的優(yōu)點：（1）超聲波對色彩和光照度不敏感，可用于識別透明及漫反射性差的物體(如玻璃、拋光體)。（2）超聲波對外界光線和電磁場不敏感，可用于黑暗、有灰塵或煙霧、電磁干擾強、有毒等惡劣環(huán)境中。（3）超聲波傳感器結構簡單、體積小、費用低、技術難度小、信息處理簡單可靠、易于小型化和集成化。因此，超聲波作為一種測距識別手段，已越來越引起人們的重視。關鍵詞：超聲波；測距；電子電路AbstractWiththedevelopmentofsociety,thetraditionalrangingmethodonmanyoccasionshasfailedtomeetthedemandsofthepeople,forexampleinthewelldepth,liquidlevel,pipelengthandsoon,thetraditionalrangingmethodcan'tfinishthetaskofmeasurement.Andinmanyrequirementsundertheconditionofthereal-timelocation,thetraditionalmethodisalsodifficulttoperformacompletemeasurementrangeoftasks.Theseuniqueadvantagesofultrasonicmoreandmoreattentionbypeople.Atpresentthedemandforultrasonicaccuratelocationismoreandmorebig,suchasoilterminalandtheliquidsurfacewatertankprecisemeasurementandcontrol,theobjectofthestomatasizeintestingandmechanicalinternaldamagedetection,etc.transportationandotherindustrialareasalsohavewidelyapplication.Inaddition,inmaterialscience,medicine,biologicalsciencesandalsoaccountedforaimportantpositionin.Alongwiththecomputertechnology,automationtechnologyandthedevelopmentofindustrialrobotsandthewidespreadapplication,locationproblemisbecomingmoreandmoreimportantComparedwithotherrangingmethod,ultrasonicranginghasthefollowingadvantages:(1)tolightandcolorultrasonicnotsensitive,canbeusedtoidentifytransparentanddiffusesexualdifferenceofobjects(suchasglass,polishingbody).(2)ultrasonicoutsidelightandtheelectromagneticfieldstonotsensitive,andcanbeusedinthedark,dustorsmoke,electromagneticinterferenceisstrong,suchastoxicbadenvironment.(3)ultrasonicsensorsimplestructure,smallvolume,lowcost,technicaldifficultiessmall,informationprocessing,simpleandreliableeasytominiaturizationandintegration.Performanceoptimization;Performancesimulation;AutomaticexchangeopticalnetworkKeyWords:Ultrasonic；ranging；electroniccircuit目錄第1章緒論 11.1課題意義與背景 11.2國內外研究現(xiàn)狀 21.2.1國外虛擬儀器研究現(xiàn)狀 31.2.2國內虛擬儀器和基于聲卡的數(shù)采系統(tǒng)研究現(xiàn)狀 3第2章虛擬儀器技術概述 52.1虛擬儀器的概念 52.2虛擬儀器特點 52.3虛擬儀器和傳統(tǒng)儀器的比較 62.4虛擬儀器控制系統(tǒng)的組成 72.5虛擬儀器的軟件結構 82.5.1虛擬儀器的開發(fā)語言 82.5.2圖形化虛擬儀器開發(fā)平臺——LabVIEW 92.5.3基于LabVIEW平臺的虛擬儀器程序設計 9第3章數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)概述 113.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)概述 113.2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應用 113.3現(xiàn)行通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構成 123.3.1傳感器 123.3.2模擬多路開關 123.3.3程控放大器 123.3.4采樣/保持器 133.3.5A/D轉換器 133.4數(shù)據(jù)采集卡簡介 143.4.1數(shù)據(jù)采集卡的結構原理 143.4.2數(shù)據(jù)采集卡的性能指標 153.4.3數(shù)據(jù)采集卡的選擇與使用 17第4章聲卡簡介 194.1聲卡的分類 194.2聲卡的結構 194.3聲卡的工作原理 204.4聲卡的性能指標 214.5聲卡DSP技術簡介 234.5.1DSP微處理器 234.5.2DSP優(yōu)點 24第5章數(shù)據(jù)采集程序設計 255.1硬件實現(xiàn) 255.2軟件設計 265.2.1開發(fā)環(huán)境 265.2.2虛擬示波器的設計 275.2.3聲卡配置模塊 285.2.4數(shù)據(jù)采集與波形顯示模塊 295.2.5濾波模塊 325.2.6聲音回放模塊 33第6章總結 35參考文獻 36致謝 38附錄1：系統(tǒng)原理圖 39附錄2：主程序 40太原工業(yè)學院畢業(yè)設計第1章緒論1.1課題意義與背景數(shù)據(jù)采集在現(xiàn)代科學技術、工業(yè)生產和國防科技等諸多領域中應用十分廣泛，它的現(xiàn)代化已被認為是科學技術、國防現(xiàn)代化的重要條件和明顯標志。在數(shù)據(jù)采集過程中所需要的設備、儀器形成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，它是計算機智能儀器與外界物理世界聯(lián)系的橋梁，是獲取信息的重要途徑[1]。而為采集數(shù)據(jù)而采用的技術叫做數(shù)據(jù)采集技術，它主要指從傳感器輸出的微弱電信號，經信號調理、模數(shù)轉換到存儲、記錄這一過程所涉及的技術。隨著科學技術的進步，特別是以傳感器技術、通信技術和計算機技術為基礎的現(xiàn)代信息技術的發(fā)展，以及測試理論的不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)采集技術的發(fā)展也是日新月異。然而當今的測控領域面臨三大挑戰(zhàn)：測控成本不斷增加；測控系統(tǒng)越來越龐大；對測控投資的保護要求越來越強烈[2]。面對這些挑戰(zhàn)，用戶最可能的做法是選用標準化硬件平臺。硬件的標準化可以部分降低測試成本，但作用是非常有限的，而使用虛擬儀器則可以大大縮短用戶軟件的開發(fā)周期，增加程序的可復用性，從而降低測控成本，而且由于虛擬儀器是基于模塊化軟件標準的開發(fā)系統(tǒng)，用戶可以選擇最合適于其應用要求的任何測試硬件。

LabVIEW作為第一個借助于虛擬面板用戶界面和方框圖建立虛擬儀器的圖形程序設計系統(tǒng)，它廣泛地被工業(yè)界、學術界和研究實驗室所接受，被視為一個標準的數(shù)據(jù)采集儀器和儀器控制軟件。

LabVIEW是美國國家儀器公司開發(fā)的基于圖形編譯語言（G語言）的實驗室虛擬儀器集成環(huán)境，它具有十分強大的功能，包括函數(shù)數(shù)值運算、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、信號生成、信號處理、輸入/輸出控制，以及聲音與圖像獲取、處理和傳輸?shù)鹊?。與傳統(tǒng)編程編程采取的文本語言相比，使用圖形語言G語言，界面友好直觀，都是人們熟悉的開關、旋鈕、波形圖等，是一種直覺式圖形程序語言。本設計中，充分利用計算機資源進行數(shù)據(jù)采集及分析，用普通的計算機聲卡代替商用數(shù)據(jù)采集卡，設計了基于LabVIEW的音頻數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。伴隨著DSP技術不斷走向成熟，PC聲卡逐步成為一個成熟的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，它同時具有A/D和D/A轉換功能，不僅價格低廉，而且兼容性好、性能穩(wěn)定、靈活通用。聲卡采用的是DMA(直接內存讀取)方式傳送數(shù)據(jù)，充分發(fā)揮了DSP芯片的性能，極大地降低了CPU占用率。一般聲卡16位的A/D轉換精度，比通常12位A/D卡的精度高，對于許多工程測量和科學實驗來說已能滿足需要，如果利用聲卡作為數(shù)據(jù)采集設備，可以組成一個低成本高性能的數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)實際測量中。表1.1中，對目前使用率較高、由美國國家儀器公司（NI）出品的USB-6008數(shù)據(jù)采集卡，與普通計算機上集成的AC97聲卡，在主要技術指標和價格上進行了比較。

表1.1

USB-6008采集卡與聲卡的比較USB-6008聲卡輸入通道數(shù)82采樣頻率（S/）10K44K分辨率（位）1216價格（元）180050由表1.1可知，一塊具有12bit/10kHz采樣率的8通道數(shù)據(jù)采集卡，雖然能夠滿足多種應用需要，但與計算機聲卡相比其價格昂貴，同時許多功能在具體的應用場合并不使用，造成資源浪費。而計算機聲卡具有16bit/44kHz信號采樣率，在許多領域能夠滿足數(shù)據(jù)采集與分析需要，個別性能指標還優(yōu)于商用數(shù)據(jù)采集卡,

而且價格十分便宜，已經成為計算機的標準配置。具有強大數(shù)據(jù)處理功能的LabVIEW，對采集到的音頻信號，進行功率、頻率、振幅的顯示與監(jiān)測。對于聲音的功率監(jiān)測，可直接應用于工業(yè)生產與城市生活的噪聲監(jiān)測，分貝的定義為兩種電或聲功率之比的一種單位，它等于功率比的常用對數(shù)的10倍，縮寫為dB。噪聲監(jiān)測中除交通環(huán)境噪聲、城市區(qū)域環(huán)境噪聲外，工業(yè)企業(yè)噪聲的監(jiān)測是相當重要的一項內容。做好整個監(jiān)測過程的質量保證工作，提高噪聲監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性、科學性、合理性至關重要。準確的監(jiān)測結果如實反映該企業(yè)污染源的狀況及變化趨勢，既維護企業(yè)的合理噪聲排放，又控制企業(yè)廠界噪聲的危害，從而保障城市生活環(huán)境質量。對于聲音信號的頻譜分析，在語音識別、地震勘探，振動測量，生物醫(yī)學中有相當廣泛的應用。此外，在PC上配置多塊聲卡并行工作，完全可以構成一個多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，滿足特定應用范圍內數(shù)據(jù)采集的需要。如果采用筆記本電腦則無需添加任何硬件就可以構成便攜式測量系統(tǒng)。1.2國內外研究現(xiàn)狀1.2.1國外虛擬儀器研究現(xiàn)狀國外的儀器產業(yè)早在上個世紀80年代末就開始了虛擬儀器的研究工作。在90年代以美國國家儀器公司(NI)，Motorola公司等著名企業(yè)為代表，開始了儀器產業(yè)從數(shù)字化儀器、智能儀器向虛擬儀器的過渡。1986年美國國家儀器公司第一次正式推出了虛擬儀器的概念。到1997年9月1日，NI發(fā)布了一種全新的開放性、模塊化儀器總線規(guī)范一一PXI為止，按照測控功能硬件的不同，業(yè)界已經存在GPIB、VXI、PC-DAQ、和PXI四種標準虛擬儀器硬件體系結構。

從1990年開始，國際上陸續(xù)有虛擬儀器面市。此后，虛擬儀器產品成倍增加，到1994年底，虛擬儀器制造廠已達95家，共生產1000種虛擬儀器產品銷售額達3億美元。生產虛擬儀器的主要廠家有HP公司(目前生產100多種型號的虛擬儀器)，Tektronix公司(目前生產80多種型號的虛擬儀器)，Aglent公司(目前生產60多種型號的虛擬儀器)[3]。目前，這些廠家的產品已經進入我國市場。1.2.2國內虛擬儀器和基于聲卡的數(shù)采系統(tǒng)研究現(xiàn)狀(1)國內虛擬儀器研究現(xiàn)狀

虛擬儀器在國內的現(xiàn)狀和發(fā)展態(tài)勢不容樂觀。由于虛擬儀器是隨著傳統(tǒng)電子測控技術、計算機技術和通訊技術不斷發(fā)展、不斷完善而產生的一項綜合性結構化電子測量與控制技術。而我國計算機、通信及電子產業(yè)的發(fā)展和歐美國家相比呈相對滯后的地位，因而決定了我國虛擬儀器產業(yè)底子薄，缺少必要的軟硬件技術支持，起步較晚，發(fā)展緩慢的特點，直到上世紀九十年代中后期虛擬儀器這一概念才逐漸的被引入到我國的計算機應用行業(yè)中。先天的不足使得我國的虛擬儀器行業(yè)還處在起步階段。

近幾年來，國內已有部分高等院校的實驗室引進了虛擬儀器系統(tǒng)，并在此基礎上，又開發(fā)了一批新的虛擬儀器系統(tǒng)用于教學和科研。其中，華中理工大學機械學院工程測試實驗室將其開發(fā)成果在網上公開展示。清華大學汽車系利用虛擬儀器技術構建的汽車發(fā)動機檢測系統(tǒng)，使用方便、靈活，用于汽車發(fā)動機的出廠檢驗。主要檢測發(fā)動機的功率特性、負載特性等。一臺發(fā)動機檢測完成后，就可以打印出完整的檢測報告。此外，國內已有幾家企業(yè)在研制PC虛擬儀器，哈工大儀器王電子有限公司的產品已達到一定得批量[4]。其主要產品有：數(shù)字存儲示波器、任意波形發(fā)生器、多通道打容量波形記錄儀等。北京中科泛華測控技術有限公司開發(fā)的汽車傳感器測試系統(tǒng)，應用于汽車傳感器生產線測試。

(2)基于聲卡的數(shù)采系統(tǒng)國內研究現(xiàn)狀

雖說NI公司很早提出了“軟件就是儀器”的概念，然而真正使這一概念完美實現(xiàn)的是基于聲卡的虛擬儀器技術[5]。這一技術使得我們的工作如此簡便，帶上筆記本電腦和所需要的傳感器即可進行信號測試與分析工作。應用這一技術所設計的虛擬儀器主要是由軟件和計算機組成，因此又可稱為“軟件儀器”。虛擬儀器的核心部件是數(shù)據(jù)采集板(A/D)，隨著計算機技術的飛速發(fā)展，需多計算機公司最新推出超小型筆記本電腦，整機重量不到0.9Kg，體積上并不比PDA大多少性能卻十分強大。配置有AC97聲卡，屏幕顯示十分清晰，電池最大續(xù)航時間可7個小時，特別適合于戶外攜帶和應用。同時Intel公司2004年初發(fā)布了音頻芯片新規(guī)格(Azalia)，計算機聲卡將具有更高的性能，支持32bit/192KHz信號采樣率。因此，未來的虛擬儀器將會提供更為優(yōu)異的性能，并且得到更為廣闊的應用。1.2.3本文主要研究的內容在本設計中，用普通的計算機聲卡代替商用數(shù)據(jù)采集卡，研究基于PC機聲卡的音頻數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。程序需通過聲卡采集麥克風接口的信號，在LabVIEW軟件上實時顯示波形。同時對采集到的信號進行一些分析和處理，包括幅值譜、相位譜、功率譜等。系統(tǒng)具有濾波功能與回放試聽功能，點擊回放按鍵，面板上可顯示存儲數(shù)據(jù)的波形以及濾波前后的波形，點擊試聽按鈕，電腦播放濾波后的聲音。

第2章虛擬儀器技術概述2.1虛擬儀器的概念 虛擬儀器的概念是由美國國家儀器公司（NationalInstruments）最先提出的。所謂虛擬儀器是基于計算機的軟硬件測試平臺，它可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測量儀器，如示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器、頻譜分析儀等；可集成于自動控制、工業(yè)控制系統(tǒng)之中；可自由構建成專有儀器系統(tǒng)。虛擬儀器是智能儀器之后的新一代測量儀器[6]。虛擬儀器的核心技術思想就是“軟件即是儀器”。該技術把儀器分為計算機、儀器硬件和應用軟件三部分。虛擬儀器以通用計算機和配備標準數(shù)字接口的測量儀器（包括GPIB、RS-232等傳統(tǒng)儀器以及新型的VXI模塊化儀器）為基礎，將儀器硬件連接到各種計算機平臺上，直接利用計算機豐富的軟硬件資源，將計算機硬件（處理器、存儲器、顯示器）和測量儀器（頻率計、示波器、信號源）等硬件資源與計算機軟件資源（包括數(shù)據(jù)的處理、控制、分析和表達、過程通訊以及圖形用戶界面）有機的結合起來。2.2虛擬儀器特點虛擬儀器是基于計算機的功能化硬件模塊和計算機軟件構成的電子測試儀器，而軟件是虛擬儀器的核心，如圖2.1所示：操作系統(tǒng)圖2.1虛擬儀器開發(fā)框圖虛擬儀器軟件面板虛擬儀器軟件面板虛擬儀器軟件開發(fā)平臺底層驅動程序硬件模塊虛擬儀器開發(fā)者虛擬儀器用戶其中軟件的基礎部分是設備驅動軟件，而這些標準的儀器驅動軟件使得系統(tǒng)的開發(fā)與儀器的硬件變化無關。這是虛擬儀器最大的優(yōu)點之一，有了這一點，儀器的開發(fā)和換代時間將大大縮短。虛擬儀器中應用程序將可選硬件（如GPIB，VXI，RS-232，DAQ板）和可重復用庫函數(shù)等軟件結合在一起，實現(xiàn)了儀器模塊間的通信、定時與觸發(fā)。源代碼庫函數(shù)為用戶構造自己的虛擬儀器（VI）系統(tǒng)提供了基本的軟件模塊。由于VI的模塊化、開放性和靈活性，以及軟件是關鍵的特點，當用戶的測試要求變化時可以方便地由用戶自己來增減硬、軟件模塊，或重新配置現(xiàn)有系統(tǒng)以滿足新的測試要求。這樣，當用戶從一個項目轉向另一個項目時，就能簡單地構造出新的VI系統(tǒng)而不丟失己有的硬件和軟件資源。2.3虛擬儀器和傳統(tǒng)儀器的比較虛擬儀器具有傳統(tǒng)獨立儀器無法比擬的優(yōu)勢。(1)傳統(tǒng)儀器的面板只有一個，上面布置了種類繁多的顯示和操作元件。由此導致許多識讀和操作錯誤。虛擬儀器與之不同，它可以通過在幾個分面板上的操作來實現(xiàn)比較復雜的功能。這樣，在每個分面板上就可以實現(xiàn)功能操作的單純化和面板布置的簡潔化，從而提高操作的正確性和便捷性。同時，還可以根據(jù)要求和操作需要來設計儀器面板。(2)在通用硬件平臺確定后，軟件取代傳統(tǒng)儀器中由硬件完成的儀器功能。(3)儀器的功能是由用戶根據(jù)需要用軟件來定義，不是事先由廠家定義的。(4）儀器性能的改進和功能擴展只需更新相關軟件設計，不需購買新儀器。(5）虛擬儀器開放、靈活，與計算機同步發(fā)展，與網絡及其他周邊設備互聯(lián)。(6）由于其以PC為核心，使得許多數(shù)據(jù)處理的過程不必像過去那樣由測試儀器本身來完成，而是在軟件的支持下，利用PC機CPU的強大的數(shù)據(jù)處理功能來完成，使得基于虛擬儀器的測試系統(tǒng)的測試精度、速度大為提高，實現(xiàn)自動化、智能化、多任務測量。(7）可方便地存貯和交換測試數(shù)據(jù)，測試結果的表達方式更加豐富多樣。(8）虛擬儀器在高性價比的條件下，降低系統(tǒng)開發(fā)和維護費用，縮短技術更新周期。表2.1是虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較：表2.1虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較虛擬儀器傳統(tǒng)儀器開發(fā)維護費用低開發(fā)維護費用高技術更新周期短（0.5～1年）技術更新周期短（5～10年）軟件是關鍵硬件是關鍵價格低價格昂貴開放、靈活與計算機同步，可重復用和重配置固定可用網絡聯(lián)絡周邊各儀器只可連有限的設備自動化、智能化、多功能、遠距離傳輸功能單一，操作不便2.4虛擬儀器控制系統(tǒng)的組成虛擬儀器是基于計算機的儀器。計算機和儀器的密切結合是目前儀器發(fā)展的一個重要方向。這種結合基本有兩種方式，一種是將計算機裝入儀器，其典型的例子就是所謂智能化的儀器。隨著計算機功能的日益強大以及其體積的日趨縮小，這類儀器功能也越來越強大，目前已經出現(xiàn)含嵌入式系統(tǒng)的儀器。另一種方式是將儀器裝入計算機。以通用的計算機硬件及操作系統(tǒng)為依托，實現(xiàn)各種儀器功能，虛擬儀器主要是指這種方式。虛擬儀器的組成與傳統(tǒng)儀器一樣，主要由數(shù)據(jù)采集與控制、數(shù)據(jù)分析和處理、結果顯示三部分組成。如圖2.2所示：采集與控制采集與控制插入式數(shù)據(jù)采集板GPIB儀器VXI/PXI儀器RS-232儀器采集分析預處理數(shù)字濾波數(shù)字信號處理統(tǒng)計分析數(shù)值分析圖形用戶接口硬盤拷貝輸出網絡通信文件I/O結果顯示圖2.2虛擬儀器內部功能的劃分對于傳統(tǒng)儀器，這三個部分幾乎均由硬件完成；對于虛擬儀器，前一部分由硬件構成，后兩部分主要由軟件實現(xiàn)。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器設計日趨模塊化、標準化，設計工作量大大減小。2.5虛擬儀器的軟件結構虛擬儀器技術的核心是軟件，其軟件基本結構如圖2.3所示。用戶可以采用各種編程軟件來開發(fā)自己所需要的應用軟件。以美國NI公司的軟件產品LabVIEW和LabWindows/CVI為代表的虛擬儀器專用開發(fā)平臺是當前流行的集成化開發(fā)工具[7]。這些軟件開發(fā)平臺提供了強大的儀器軟面板設計工具和各種數(shù)據(jù)處理工具，再加上虛擬儀器硬件廠商提供的各種硬件的驅動程序模塊，簡化了虛擬儀器的設計工作。隨著軟件技術的迅速發(fā)展，軟件開發(fā)的模塊化、復用化，和各種硬件儀器驅動軟件的模塊化、標準化，虛擬儀器軟件開發(fā)將變得更加快速、方便。用戶界面用戶界面數(shù)據(jù)處理硬件驅動程序圖2.3虛擬儀器軟件結構2.5.1虛擬儀器的開發(fā)語言虛擬儀器系統(tǒng)的開發(fā)語言有：標準C，VisualC++，VisualBasic等通用程序開發(fā)語言。但直接由這些語言開發(fā)虛擬儀器系統(tǒng)，是有相當難度的。除了要花大量時間進行測試系統(tǒng)面板設計外，還要編制大量的設備驅動程序和底層控制程序。這樣直接影響了系統(tǒng)開發(fā)的周期和性能。除了通用程序開發(fā)語言以外，還有一些專用的虛擬儀器開發(fā)語言和軟件，如LabVIEW。LabVIEW采用圖形化編程方案，是非常實用的開發(fā)軟件。2.5.2圖形化虛擬儀器開發(fā)平臺——LabVIEWLabVIEW(LaboratoryVirtualInstrumentEngineering)是一種圖形化的編程語言，它被視為一個標準的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。LabVIEW集成了與滿足GPIB、VXI、RS-232和RS-485協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能，是一個功能強大且靈活的軟件[8]。利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器，其圖形化的界面使得編程及使用過程都更加形象化。傳統(tǒng)的文本式編程是一種順序的設計思路，必須寫出執(zhí)行的語句。而LabVIEW是基于數(shù)據(jù)流的工作方式，同時是基于圖形化的編程，不必掌握大量的編程語言和程序設計技巧便可設計出虛擬儀器系統(tǒng)。利用LabVIEW，可產生獨立運行的可執(zhí)行文件，它是一個真正的32編譯器。像許多通用的軟件一樣，LabVIEW提供了Windows、UNIX、Linux、MacintoshOS等多種版本[9]。2.5.3基于LabVIEW平臺的虛擬儀器程序設計所有的LabVIEW應用程序，即虛擬儀器(VI)，它包括前面板(FrontPanel)、流程圖(BlockDiagram)以及圖標/連結器(Icon/Connector)三部分。(1）前面板：前面板是圖形用戶界面，也就是VI的虛擬儀器面板。VI前面板按前面板的用途可分為用戶界面VI和子VI前面板，用戶界面VI主要用于和用戶進行交互，而子VI則主要用于與開發(fā)人員進行交互，指定VI的輸入與輸出，一般不呈現(xiàn)給用戶。子VI通常只是被主VI載入內存，運行后實現(xiàn)某種模塊化的功能。前面板控件主要包括控制控件和顯示控件兩大類。顯示控件用于向用戶顯示數(shù)據(jù)和信息，控制控件用于用戶向程序輸入數(shù)據(jù)或控制信號。LabVIEW中的很多控件都模仿了現(xiàn)實世界的儀器界面，例如旋鈕、開關、滑動條等。(2）流程圖：流程圖提供VI的圖形化源程序。在流程圖中對VI編程，以控制和操縱定義在前面板上的輸入和輸出功能。流程圖中包括前面板上的控件連線端子，還有一些前面板上沒有，但編程必須有的東西，例如函數(shù)、結構和連線等。如果將VI與傳統(tǒng)儀器相比較，那么前面板上的控件對應的就是傳統(tǒng)儀器上的按鈕、顯示屏等控件，而流程圖上的連線端子相當于傳統(tǒng)儀器箱內的硬件電路。在許多情況下，使用VI可以仿真?zhèn)鹘y(tǒng)儀器，不僅在屏幕上出現(xiàn)一個惟妙惟肖的標準儀器面板，而且其功能也與傳統(tǒng)標準儀器相差無幾。(3）圖標/連接設計：這部分的設計突出體現(xiàn)了虛擬儀器模塊化程序設計的思想。在設計大型自動檢測系統(tǒng)時一步完成一個復雜系統(tǒng)的設計是相當有難度的。而在LabVIEW中提供的圖標/連接工具正是為實現(xiàn)模塊化設計而準備的。設計者可把一個復雜自動檢測系統(tǒng)分為多個子系統(tǒng)，每一個都可完成一定的功能。第3章數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)概述3.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)概述 數(shù)據(jù)采集在現(xiàn)代科學技術、工業(yè)生產和國防科技等諸多領域中應用十分廣泛，它的現(xiàn)代化已被認為是科學技術、國防現(xiàn)代化的重要條件和明顯標志。20世紀70年代以來，計算機、微電子等技術迅猛發(fā)展，在其推動下，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所用的儀器與技術不斷進步，相繼誕生了智能儀器、PC儀器、VXI儀器、虛擬儀器及互換性虛擬儀器等微機化儀器及其系統(tǒng)，計算機與現(xiàn)代化儀器設備間的界限日漸模糊，測控領域和范圍不斷拓寬[10]。在數(shù)據(jù)采集過程中所需要的設備、儀器形成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，它是計算機智能儀器與外界物理世界聯(lián)系的橋梁，是獲取信息的重要途徑。而為采集數(shù)據(jù)而采用的技術叫做數(shù)據(jù)采集技術，它主要指從傳感器輸出的微弱電信號，經信號調理、模數(shù)轉換到存儲、記錄這一過程所涉及的技術。隨著科學技術的進步，特別是以傳感器技術、通信技術和計算機技術為基礎的現(xiàn)代信息技術的發(fā)展，以及測試理論的不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)采集技術的發(fā)展也是日新月異。3.2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應用 隨著社會的高速發(fā)展，計算機技術的廣泛應用，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在生產領域和日常生活等各方面的應用越來越為重要，如化學工業(yè)中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可針對化工過程復雜，工藝參數(shù)多，分布廣等特性來進行生產過程中的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以解決生產中的生產動態(tài)實時數(shù)據(jù)的收集與處理，且數(shù)據(jù)準確，收集、處理、反饋等過程所需時間短。在環(huán)境監(jiān)測方面，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也同樣發(fā)揮著其優(yōu)越的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測、處理的性能，它能將所監(jiān)測區(qū)域內的各類環(huán)境數(shù)據(jù)快速而準確的進行收集，并根據(jù)設置進行準確的處理和反饋。因此，一個多功能的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在環(huán)境監(jiān)測方面起著十分巨大的作用。同時，在農業(yè)生產、設備生產等方面，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也扮演著十分重要的角色，然而，數(shù)據(jù)采集領域本身也正在進行著一次又一次的發(fā)展與變化，以滿足日益進步的社會生產技術和各個領域的要求。3.3現(xiàn)行通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構成現(xiàn)行通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由硬件和軟件兩部分組成，它是由傳感器、模擬多路開關、程控放大器、采樣/保持器、A/D轉換器、計算機等部分組成。3.3.1傳感器傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。根據(jù)不同的分類標準，傳感器可分為不同種類。根據(jù)輸入物理量可分為：移位傳感器、壓力傳感器、速度傳感器、溫度傳感器及氣敏傳感器等。根據(jù)工作原理可分為：電阻式、電感式、電容式及電勢式等。根據(jù)輸出信號的性質可分為：模擬式傳感器和數(shù)字式傳感器。即模擬式傳感器輸出模擬信號、數(shù)字式傳感器輸出數(shù)字信號。根據(jù)能量轉換原理可分為：有源傳感器和無源傳感器。有源傳感器將非電量轉換電能，如電動勢、電荷式傳感器等；無源程序傳感器不起能量轉換作用，只是將被測非電量轉換為電參數(shù)的量，如電阻式、電感式及電容光煥發(fā)式傳感器等[11]。3.3.2模擬多路開關數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)往往要對多路模擬量進行采集。在不要求高速采樣的場合，一般采用公共的A/D轉換器，分時對各路模擬量進行模/數(shù)轉換，目的是簡化電路，降低成本?？梢杂媚M多路開關來輪流切換各路模擬量與A/D轉換器間的通道，使得在一個特定的時間內，只允許一路模擬信號輸入到A/D轉換器，從而實現(xiàn)分時轉換的目的。一般模擬多路開關有2N個模擬輸入端，N個通道選擇端，由N個選通信號控制選擇其中一個開關閉合，使對應的模擬輸入端與多路開關的輸出端接通，讓該路模擬信號通過。有規(guī)律地周期性改變N個選通信號，可以按固定的序列周期性閉合各個開關，構成一個周期性分組的分時復用輸出信號，由后面的A/D轉換器分時復用對各通道模擬信號進行周期性轉換。3.3.3程控放大器在數(shù)據(jù)采集時，來自傳感器的模擬信號一般都是比較弱的低電平信號。程控放大器的作用是將微弱輸入信號進行放大，以便充分利用A/D轉換器的滿量程分辨率。一般通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)支持多路模擬通道，而各通道的模擬信號電壓可能有巨大差異，因此最好是對各通道采用不同的放大倍數(shù)進行放大，即放大器的放大倍數(shù)可以實時控制改變。程控放大器能夠實現(xiàn)這個要求，它的放大倍數(shù)隨時可以由一組數(shù)碼控制。這樣，在多路開關改變其通道序號時，程控放大器也由相應的一組數(shù)碼控制改變放大倍數(shù)，即為每個模擬通道提供最合適的放大倍數(shù)，它的使用大大拓寬了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的適應面。程控增益放大器與普通放大器的差別在于反饋電阻網絡可變且受控于控制接口的輸出信號。不同的控制信號，將產生不同的反饋系數(shù)，從而改變放大器的閉環(huán)增益。3.3.4采樣/保持器計算機系統(tǒng)模擬量輸入通道中的一種模擬量存儲裝置。它是連接采樣器和模數(shù)轉換器的中間環(huán)節(jié)。采樣器是一種開關電路或裝置，它在固定時間點上取出被處理信號的值。采樣保持器則把這個信號值放大后存儲起來，保持一段時間，以供模數(shù)轉換器轉換，直到下一個采樣時間再取出一個模擬信號值來代替原來的值。在模數(shù)轉換器工作期間采樣保持器一直保持著轉換開始時的輸入值，因而能抑制由放大器干擾帶來的轉換噪聲，降低模數(shù)轉換器的孔徑時間，提高模數(shù)轉換器的精確度和消除轉換時間的不準確性。3.3.5A/D轉換器將模擬信號轉換成數(shù)字信號的電路，稱為模數(shù)轉換器（簡稱A/D轉換器）；將數(shù)字信號轉換為模擬信號的電路稱為數(shù)模轉換器（簡稱D/A轉換器）；A/D轉換器和D/A轉換器已成為信息系統(tǒng)中不可缺少的一部分。為確保系統(tǒng)處理結果的精確度，A/D轉換器和D/A轉換器必須具有足夠的轉換精度；如果要實現(xiàn)快速變化信號的實時控制與檢測，A/D與D/A轉換器還要求具有較高的轉換速度。轉換精度與轉換速度是衡量A/D與D/A轉換器的重要技術指標。隨著集成技術的發(fā)展，現(xiàn)已研制和生產出許多單片的和混合集成型的A/D和D/A轉換器，它們具有愈來愈先進的技術指標[12]。A/D轉換的作用是將時間連續(xù)、幅值也連續(xù)的模擬量轉換為時間離散、幅值也離散的數(shù)字信號，因此，A/D轉換一般要經過取樣、保持、量化及編碼4個過程。在實際電路中，這些過程有的是合并進行的，例如，取樣和保持，量化和編碼往往都是在轉換過程中同時實現(xiàn)的。3.4數(shù)據(jù)采集卡簡介數(shù)據(jù)采集卡是虛擬儀器進行必不可少的核心硬件設備，它將出入進來的標準模擬信號經過一系列的信號調理，數(shù)據(jù)轉換輸入到虛擬儀器的采集系統(tǒng)。3.4.1數(shù)據(jù)采集卡的結構原理數(shù)據(jù)采集卡作為虛擬儀器的核心硬件設備，其主要功能有三：一是由衰減器和增益可控放大器進行量程自動變換；二是由多路轉換（MUX）完成對多點通道信號的分時采樣；三是將信號的采樣值由A/D轉換器轉換為幅值離散化的數(shù)字量，或由V/F轉換器轉換為脈沖頻率，以適應計算機工作，或者由D/A轉換器輸出控制信號。數(shù)據(jù)采集卡的基本結構框圖如圖3.1所示。與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相對應，數(shù)據(jù)采集卡本身將模擬輸入通道、信號調理電路、采樣/保持、A/D轉換以及控制邏輯單元的時鐘、總線接口和控制器集為一體，從而實現(xiàn)了一個完整測量系統(tǒng)的硬件電路。下面分別介紹這些組成單元的原理和作用。（1）模擬輸入通道：數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸入通道也叫多路轉換器（MUX），它是由一類受控制而將模擬信號接通或斷開的模擬開關構成的。一般采用的是半導體器件構成的無觸電式電子模擬開關。通過模擬開關的控制電路可以來選擇任意通道的開合。從而實現(xiàn)多路或單路采集的功能。（2）信號調理器：通常數(shù)據(jù)采集卡自身就帶了信號調理電路，其主要包括：增益、偏移和濾波。傳感器輸入時提供激勵電壓，輸入的模擬信號通過信號調理器，經過放大、濾波之后變成了標準信號，進入采樣/保持和A/D轉換器。（3）采樣/保持和A/D轉換：這是數(shù)據(jù)采集卡的核心電路，是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的關鍵組成單元。采樣/保持電路將輸入的連續(xù)標準模擬信號變換成時間上離散的采樣信號。A/D轉換則是將經過了采樣/保持后，將幅值仍然在采樣時間內是連續(xù)的模擬信號轉換成數(shù)字信號，將采樣信號的幅值用二進制代碼來表示。（4）FIFO（先進先出緩沖器）：經過A/D轉換后，數(shù)字值先通過FIFO。在系統(tǒng)設計中，F(xiàn)IFO以增加數(shù)據(jù)傳輸率、處理大量數(shù)據(jù)流、匹配具有不同傳輸率的系統(tǒng)為目的，從而提高了系統(tǒng)性能[13]。此外，F(xiàn)IFO保證了數(shù)據(jù)的完整性，有效地減小了在完成了A/D變換后數(shù)據(jù)丟失的可能性。（5）總線接口和控制器：總線接口是各種采集卡與PC相連接的方式，目前數(shù)據(jù)采集卡的接口方式有：PCI、PXI、SCXI、PCMCIA以及USB等?？刂破魇遣蓸?保持、A/D轉換器和D/A轉換器等電路的核心。它完成采樣/保持、A/D轉換器和D/A轉換器的控制功能。（6）根據(jù)對采樣速率的要求，其控制方式為：無條件采樣、中斷方式、查詢方式和直接存儲器存?。―MA）方式。在高速率數(shù)據(jù)采集卡中，一般都采用DMA控制方式。（7）D/A轉換器：將A/D轉換后的數(shù)字信號轉換成電壓或電流等模擬信號，可將轉換后的模擬信號融送入執(zhí)行機構進行控制或調節(jié)。模擬輸出模擬輸入數(shù)字輸入/輸出總線接口和控制器總線接口和控制器信信號調理器采樣/保持A/D轉換器FIFOD/A轉換器數(shù)字輸入/輸出時鐘圖3.1數(shù)據(jù)采集卡的結構框圖3.4.2數(shù)據(jù)采集卡的性能指標由于不同的數(shù)據(jù)采集卡具有不同的性能指標，在科學實驗或工程測量中如何選擇數(shù)據(jù)采集卡就成了測量的首要任務。數(shù)據(jù)采集卡的選擇要考慮的因素很多，所以必須從信號處理的原理和電路原理上來考慮，根據(jù)應用經驗，總結得出主要的數(shù)據(jù)采集卡的性能指標有：模擬輸入部分；A/D轉換和采樣/保持部分；D/A轉換部分。（1）模擬信號輸入部分模擬信號輸入部分有五個性能參數(shù)：模擬輸入通道數(shù)、信號輸入方式、模擬信號的輸入范圍（量程）、放大器增益、模擬輸入阻抗。①模擬輸入通道數(shù)表明了數(shù)據(jù)采集卡所能采集的最多信號路數(shù)。②信號輸入方式則一般可分為：單端輸入（信號的其中一個端子接地）；差動輸入（信號兩端均浮地）；單極性（信號幅值范圍為[0,A]，A為信號最大幅值）；雙極性（信號幅值范圍為[-A,A]）。③模擬信號的輸入范圍一般根據(jù)信號輸入極性而定。如單極性輸入，典型值為0~10V；雙極性輸入，典型值為-5~5V。④放大器增益則用來增大或減小輸入模擬信號，并且能夠減小所有不同輸入范圍模擬信號的穩(wěn)定時間，從而保證A/D轉換器的分辨率得到最大的利用。⑤模擬輸入阻抗是數(shù)據(jù)采集卡固有參數(shù)，一般不能自行設定。（2）A/D轉換和采樣/保持部分：①采樣速率它是指在單位時間內數(shù)據(jù)采集卡對模擬信號的采集次數(shù)，是數(shù)據(jù)采集卡的重要技術指標。為了使采樣后輸出的離散時間序列信號能無失真地復現(xiàn)原輸入信號，由采樣定理可知采樣頻率的2倍，否則會出現(xiàn)頻率混淆誤差。實際系統(tǒng)為了保證數(shù)據(jù)采樣精度，一般有下列關系：（3.1）式中：N為多通道采集系統(tǒng)的通道數(shù)。②分辨率與位數(shù)n分辨率是指A/D轉換器所能分辨模擬輸入信號的最小變化量。設A/D轉換器的位數(shù)n，滿量程電壓為FSR，則A/D轉換器的分辨率定義為：分辨率=1LSB=FSR/（3.2）式中1LSB即為量化單位，可以看出A/D轉換器分辨率的高低取決于位數(shù)的多少。（3）D/A模數(shù)轉換部分①分辨率：當輸入數(shù)字發(fā)生單位數(shù)碼變化，即1LSB時，所對應輸出模擬量的變化量，通常也是用D/A轉換數(shù)n表示。②標稱滿量程：指相當于數(shù)字量標稱值2的模擬輸出量。③響應時間；指數(shù)字量變化后，輸出模擬量穩(wěn)定到相應數(shù)值范圍內（1/2LSB）S所經歷的時間。3.4.3數(shù)據(jù)采集卡的選擇與使用（1）數(shù)據(jù)采集卡的選擇現(xiàn)在市場上數(shù)據(jù)采集卡的種類繁多，如何選擇一個適合測量要求的數(shù)據(jù)采集卡則成了首要的步驟，也是得到滿意的測量結果的重要一步。首先，選擇數(shù)據(jù)采集卡接口方式。從數(shù)據(jù)傳輸可靠性和速度角度考慮，首選PCI總線接口方式。在工業(yè)領域，為了達到99.999％的數(shù)據(jù)可靠性，需要選擇CompactPCI總線接口方式，常有3U和5U兩種物理形式。如果需要測量系統(tǒng)具有即插即用或者追求便攜性，則可以考慮USB總線的接口類型。其次，確定輸入和輸出指標。這些指標包括：輸入和輸出的模擬量精度和速率；輸入和輸出的數(shù)字量電平和要求；輸入和輸出的數(shù)字傳輸協(xié)議方式。模擬量采樣有高精度和高速率兩個方向，如果對測量系統(tǒng)的要求很高，可以將二者結合起來，選擇高速率和高精度數(shù)據(jù)采集卡。然而高精度和高速率在一塊數(shù)據(jù)采集卡上往往不能兼顧其兩者的性能，所以選擇時要折中考慮。這里還要討論下選擇時對數(shù)據(jù)采集卡精度的理解。精度是反映一個實際n位A/D轉換器與一個理想n位A/D轉換器差距的重要指標之一。為分絕對精度和相對精度兩種。通常以誤差的形式來給出精度。但是精度和分辨率是兩個不太那個的概念。精度是指轉換后所得結果相對于實際值的準確度；分辨率是指轉換器所能分辨的模擬信號的最小變化值。如果對于同一n位分辨率的不同數(shù)據(jù)采集卡，其精度是不同的，這就是精度和分辨率概念不同的所在。例如，一塊具有12位A/D轉換的數(shù)據(jù)采集卡，它的最佳分辨率就是=，也就是說，當輸入電壓范圍為10V（即=20V）時，它能分辨的最小電壓就是=4.88mV。理論上，分辨率越高，分割信號的點就越密，從而還原出來的信號也就越真事、越平滑。而絕對精度的概念是指測量值和“真實”值之間的最大偏差的絕對值，在待測信號進入模數(shù)轉換器之前，它還必須經過數(shù)據(jù)采集板上的多路轉換器（MUX），可編程增益放大器等其他的器件。在這個過程中都可能引入隨即噪聲，并且隨著時間、溫度變化參考源所發(fā)生的漂移，以及增益前后引入的非線性誤差等，都會對測量結果產生影響，綜合以上各種誤差就是我們所說的絕對精度。因此對于用戶而言，選擇時，除了A/D轉換器的位數(shù)，更重要的是了解自己所選數(shù)據(jù)采集卡的絕對精度指標。以免所選的具有高分辨率的數(shù)據(jù)采集卡的精度不如一塊具有低分辨率的數(shù)據(jù)采集卡的精度。最后，選擇驅動軟件和數(shù)據(jù)采集處理軟件的編程語言。目前市場上的數(shù)據(jù)采集卡都有專門配套的驅動程序，甚至有的驅動程序可以在不同的高級語言中被調用，就可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集卡的知識與數(shù)據(jù)傳輸。這就在使用上大大減少了使用的難度以及復雜性。而測量系統(tǒng)界面的開發(fā)可以使用VB、VC、LabVIEW、C/C++、BordlandC++Builder、Java等來編寫數(shù)據(jù)控制處理軟件[14]。（2）數(shù)據(jù)采集卡的使用數(shù)據(jù)采集卡使用是否得當，也是造成其使用壽命長短以及影響測量系統(tǒng)精度的一個重要方面。數(shù)據(jù)采集卡的售價較高，所以使用中對其保護也是應該考慮的。在高電壓測量中，脈沖電流會將數(shù)據(jù)采集卡打壞。雖然數(shù)據(jù)采集卡本身帶有一些保護電路，但從安全與保護方面考慮，還是應該采取一些保護措施?？梢栽谀M信號的輸入部分采用電壓跟隨器，以起到緩沖和隔離。在數(shù)字信號的輸出部分采用光電隔離，以免高電壓串入，導致數(shù)據(jù)采集卡的損壞。在測量時，各種內、外部因素都會影響到測量的精度。測量誤差的來源是很多方面的，內部因素除了數(shù)據(jù)采集卡A/D轉換器本身的各種誤差外，前端的信號調理和整個板卡的布局都會影響到總的測量精度。此外，還有大量的外部因素，如：環(huán)境的噪聲、工作溫度、電磁干擾、數(shù)據(jù)采集卡進行多路采集時各通道間信號的耦合等。所以，在數(shù)據(jù)采集卡使用中，要做好系統(tǒng)的冷卻和散熱。一些專業(yè)的測量總線標準，如PXI總線，在冷卻和散熱方面作了嚴格的規(guī)范。另外，選擇高質量的電纜，如屏蔽電纜或同軸電纜，和合適的連接方式，可以有效地去除電線源噪聲、電磁干擾噪聲以及可以減小因數(shù)據(jù)采集卡多路測量通道耦合所帶來的信號失真。數(shù)據(jù)采集卡的連接方式以及各種不同連接方式之間的差異。當數(shù)據(jù)采集卡采用單端輸入時，是判斷信號與GND的電壓差；采用差分輸入時，是判斷兩個信號線的電壓差。信號受干擾時，差分輸入的兩線會同時受影響，但是電壓差變化不大，即抗干擾性較好。而單端輸入時，只有一條接線變化，而GND不變，所以電壓變化較大，則抗干擾性差。第4章聲卡簡介4.1聲卡的分類按聲卡是否為單獨一塊擴展卡可分為:擴展卡型聲卡和板載聲卡。(1)擴展卡型聲卡①PCI聲卡傳輸率為132Mbit/s，多個音頻的合成，3D環(huán)繞音效處理。②ISA聲卡傳輸率為8Mbit/s，占用大量的CPU資源進行信號處理(20%)。③USB聲卡通過USB接口與計算機交換聲音信號，便于安裝，成本較高。(2)板載聲卡主要分為兩類:板載硬聲卡和板載軟聲卡。①板載硬聲卡把擴展型的聲卡的全部電路和元件集成在主板上。主板有焊接有聲音處理芯片(DSP)，CODEC和晶振。如現(xiàn)在電腦上先進的HDAUIDIO聲卡。②板載軟聲卡在主板南橋集成了音頻控制器電路，從而只需在主板上PCB（印刷電路板）上布置CODEC芯片，晶振和濾波電路，再利用CPU進行DSP運算。一般通過主板上PCB上的CODEC芯片來衡量板載軟聲卡的音質[15]。如AC97聲卡。4.2聲卡的結構從數(shù)據(jù)采集的角度看，聲卡是一種音頻范圍內的數(shù)據(jù)采集卡，是計算機與外部模擬量環(huán)境聯(lián)系的重要途徑。一般聲卡都由以下幾個部分組成：聲音控制/處理芯片，功放芯片，聲音輸入/輸出端口等。聲音控制/處理芯片是聲卡的核心，集成了采樣保持、A/D轉換、D/A轉換、音效處理等電路，它決定了聲卡的性能和檔次，基本功能包括對聲波采樣和回放的控制、處理MIDI指令等，有的廠家還加進了混響、合聲、音揚調整等功能；功放芯片完成信號的功率放大以推動喇叭發(fā)聲工作；聲音輸入/輸出端口是音頻信號的輸入和輸出，它主要有外接端口和內接端口。外接端口有“SPKOut”喇叭輸出端口，“WaveOut”（或“LineOut”）線性輸出端口，“LineIn”線性輸入端口，“MIC”麥克風輸入端口，還有MIDI端口，連接電子樂器以及游戲控制器。內接端口是內置的輸入/輸出端口，是CD音頻接口。聲卡的硬件結構如圖4.1所示：LineInLineInMicInLineOutSPKOutMIDIInA/DDSPD/A波表MIDI合成器圖4.1聲卡的硬件結構4.3聲卡的工作原理音的本質是一種波，表現(xiàn)為振幅、頻率、相位等物理量的連續(xù)性變化。聲卡作為語音信號與計算機的通用接口，其主要功能就是將所獲取的模擬音頻信號轉換為數(shù)字信號，經過DSP音效芯片的處理，將該數(shù)字信號轉換為模擬信號輸出。聲卡采集系統(tǒng)主要由聲源、信號調理模塊、計算機聲卡以及安裝于計算機機上的LabVIEW軟件等幾部分組成，系統(tǒng)原理框圖如下圖4.2所示。模擬聲音信號輸入信號輸出信號前置處理A/D轉換模擬聲音信號輸入信號輸出信號前置處理A/D轉換波形重建D/A轉換數(shù)據(jù)輸入緩沖區(qū)處理數(shù)據(jù)輸出緩沖區(qū)處理數(shù)字信號處理波形重建聲音控制處理其基本工作過程為：模擬信號經過聲卡前置處理及A/D轉換后變成數(shù)字信號，送入輸入緩沖區(qū)，然后通過各種數(shù)字信號處理的方法對波形輸入緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)進行處理，完成聲音消噪、音效處理、聲音合成等功能，最后把處理好的數(shù)據(jù)保存到存儲設備，這就是聲音信號的錄制過程。相應的聲音信號回放過程為：把處理好的數(shù)據(jù)送到輸出緩沖區(qū)，再由聲卡的D/A轉換，將數(shù)字音頻信號轉換為模擬信號，經過功率放大，送到喇叭。如果將工程中所需采集的信號仿照聲音信號輸入，即可實現(xiàn)對信號的采集和存儲。信號調理電路：在信號進入聲卡之前必須經過信號調理，主要包括信號的放大、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（MicIn）輸入端具有高增益放大器，會使得信號產生較大失真，所以選擇線路（LineIn）輸入信號時，其輸入電壓應為-1～+1V。放大電路：經實際測量，聲卡輸出信號的最大峰-峰值約為3.5V，這樣的幅值還不能滿足一般的實驗要求，本系統(tǒng)利用放大電路，使輸出信號的峰-峰值放大到10V，實驗中調制聲卡的音量即可控制輸出信號的幅值大小。4.4聲卡的性能指標聲卡：計算機的聲卡作為數(shù)據(jù)采集卡其A/D轉換功能已經成熟，而且計算機無需添加額外配件便能完成所有音頻信號采集功能，具有價格低廉、采樣精度高，與LabVIEW結合編程簡單等優(yōu)點，因此利用聲卡可以構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)。衡量聲卡的技術指標包括復音數(shù)量、采樣位數(shù)(即量化精度)、采樣頻率、聲道數(shù)、信噪比(SNR)、總諧波失真(THD)、緩存、基準電壓等，主要介紹如下：

（1）復音數(shù)量代表了聲卡能夠同時發(fā)出多少種聲音。復音數(shù)越大，音色就越好，播放聲音時可以聽到的聲部越多、越細膩。

（2）采樣位數(shù)即采樣值或取樣值。它是用來衡量聲音波動變化的一個參數(shù)，也就是聲卡的分辨率，可以理解為聲卡處理聲音的解析度。它的數(shù)值越大，分辨率也就越高，所發(fā)出聲音的能力越強，錄制和回放的聲音就越真實。由于受人耳的聲音精確度限制，多媒體電腦中采用16位的聲卡。如今市面上所有的主流產品都是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）采樣頻率采樣頻率是指錄音設備在一秒鐘內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越自然。在當今的主流民用聲卡上，采樣頻率一共分為8KHz、11.025KHz、22.05KHz和44.1KHz四個等級，少數(shù)可以達到48KHz。對于20Hz～20KHz范圍內的音頻信號，如果采用48KHz采樣頻率，雖然理論上是可行的，但是效果已經不是最好。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定采樣頻率。對于高于48KHz的采樣頻率人耳已無法辨別出來了，因此沒有實用價值。（4）頻率范圍和頻率響應前者是指音響系統(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備必須對其頻率特性有所了解。（5）信噪比音頻信噪比是指音響設備播放時，正常聲音信號強度與噪聲信號強度信噪比的比值。當信噪比低，小信號輸入時噪音嚴重，在整個音域的聲音明顯變得渾濁不清，不知發(fā)的是什么音，嚴重影響音質。信噪比的大小是用有用信號功率（或電壓）和噪聲功率（或電壓）比值的對數(shù)來表示的。這樣計算出來的單位稱為“貝爾”。實用中因為貝爾這個單位太大，所以用它的十分之一做計算單位，稱為“分貝”。（6）總諧波失真總諧波失真是指用信號源輸入時，輸出信號比輸入信號多出的額外諧波成分。諧波失真是由于系統(tǒng)不是完全線性造成的，它通常用百分數(shù)來表示。所有附加諧波電平之和稱為總諧波失真。一般說來，1000Hz頻率處的總諧波失真最小，因此不少產品均以該頻率的失真作為它的指標。但總諧波失真與頻率有關，必須在20-20000Hz的全音頻范圍內測出。（7）緩存區(qū)與一般數(shù)據(jù)采樣卡不同，聲卡面臨的D/A和A/D任務通常是連續(xù)狀態(tài)的。為了在一個簡易的結構下較好的完成某個任務，聲卡緩沖區(qū)的設計有其獨到之處。為了節(jié)省CPU資源，計算機的CPU并不是每次聲卡A/D或D/A結束后都要響應一次中斷，而是采用了緩沖區(qū)的工作方式。在這種工作方式下，聲卡的A/D、D/A都對某一緩沖區(qū)進行操作。以輸入聲音的A/D變換為例，每次轉換完畢后，聲卡控制芯片都將數(shù)據(jù)存放在緩沖區(qū)，待緩沖區(qū)滿時，發(fā)出中斷給CPU，CPU響應中斷后一次性將緩沖區(qū)內的數(shù)據(jù)全部讀走。計算機總線的數(shù)據(jù)傳輸速率非常高，讀取緩沖區(qū)數(shù)據(jù)所用時間極短，不會影響A/D變換的連續(xù)性。緩沖區(qū)的工作方式大大降低了CPU響應中斷頻度，節(jié)省了系統(tǒng)資源。聲卡輸出聲音是的D/A變換也是類似的。一般聲卡使用的緩沖區(qū)長度的默認值是8KB（8192字節(jié)）。這是由于對x86系列處理器來說，在保護模式（Windows等系統(tǒng)使用的CPU工作方式）下，內存以8KB為單位被分成很多頁，對內存的任何訪問都是按頁進行，CPU保證了讀寫8KB長度的內存緩沖區(qū)時，速度足夠快，并且一般不會被其他外來事件打斷。設置8192字節(jié)或其整數(shù)倍（例如32768字節(jié)）大小的緩沖區(qū)，可以較好的保證聲卡與CPU的協(xié)調工作。（7）基準電壓：聲卡沒有基準電壓，因此無論是A/D還是D/A轉換器，都需要用戶參照基準電壓進行標定。本設計中聲卡相關參數(shù)如下：采樣位數(shù)：16位；采樣頻率：44.1KHz；信噪比：95dB；諧波失真：0.005％；緩存：8K。4.5聲卡DSP技術簡介4.5.1DSP微處理器計算機聲卡上通常都具有一個DSP芯片，DSP（digital

signal

processor）是一種獨特的微處理器，是以數(shù)字信號來處理大量信息的器件。其工作原理是接收模擬信號，轉換為0或1的數(shù)字信號。再對數(shù)字信號進行修改、刪除、強化，并在其他系統(tǒng)芯片中把數(shù)字數(shù)據(jù)解譯回模擬數(shù)據(jù)或實際環(huán)境格式。它不僅具有可編程性，而且其實時運行速度可達每秒數(shù)以千萬條復雜指令程序，遠遠超過通用微處理器，是數(shù)字化電子世界中日益重要的電腦芯片。它的強大數(shù)據(jù)處理能力和高運行速度，是最值得稱道的兩大特色。

DSP微處理器（芯片）一般具有如下主要特點：

（1）在一個指令周期內可完成一次乘法和一次加法。

（2）程序和數(shù)據(jù)空間分開，可以同時訪問指令和數(shù)據(jù)。（3）片內具有快速RAM，通常可通過獨立的數(shù)據(jù)總線在兩塊中同時訪問。

（4）具有低開銷或無開銷循環(huán)及跳轉的硬件支持。

（5）快速的中斷處理和硬件I/O支持。（6）具有在單周期內操作的多個硬件地址產生器。

（7）可以并行執(zhí)行多個操作。

（8）支持流水線操作，使取指、譯碼和執(zhí)行等操作可以重疊執(zhí)行。

4.5.2DSP優(yōu)點DSP技術有以下優(yōu)點：對元件值的容限不敏感，受溫度、環(huán)境等外部因素影響??；容易實現(xiàn)集成；VLSI可以分時復用，共享處理器；方便調整處理器的系數(shù)實現(xiàn)自適應濾波；可實現(xiàn)模擬處理不能實現(xiàn)的功能：線性相位、多抽樣率處理、級聯(lián)、易于存儲等；可用于頻率非常低的信號。第5章數(shù)據(jù)采集程序設計5.1硬件實現(xiàn)LabVIEW對聲音采集的設置默認于其所處的操作系統(tǒng)，本文使用的是最普通的聲卡，對于高級的聲卡采集信號時，要注意關閉如混響之類的一些特效，避免影響測量結果的真實性。按照測試的內容選擇適當?shù)膫鞲衅?，本文應用的聲音傳感器為麥克風。信號記錄儀器采用計算機，計算機內置的聲卡作為A/D轉換設備。由于聲卡是計算機的標準配置，有成熟的驅動程序和操作系統(tǒng)配合，因此無需考慮軟硬件方面的兼容問題，在跨操作系統(tǒng)平臺時也不存在程序的移植問題[16]。圖5.1為測試系統(tǒng)的硬件結構框圖；構成如下圖所示：被測量對象傳被測量對象傳感器信號調理電路數(shù)據(jù)采集卡虛擬儀器軟件計算機平臺測信號經傳感器拾振后轉變?yōu)殡姾桑盘栒{理器把電荷轉變?yōu)殡妷翰⒎糯蠛髠鬟f給數(shù)據(jù)采集卡，計算機再通過LabVIEW編寫的數(shù)據(jù)采集程序完成對振動信號的采集、分析處理、顯示等。圖5.2為虛擬儀器對信號測量的流程。本系統(tǒng)中，由于傳感器的輸入信號已符合聲卡輸入的要求，故無需加入信號調理電路。數(shù)據(jù)采集卡由計算機聲卡代替。本系統(tǒng)中儀器參數(shù)的設置、數(shù)據(jù)的采集、分析和顯示可以在計算機上通過建立的虛擬軟面板進行操作，通過聲卡來完成參數(shù)的采集。傳感器將被測信號轉換為電信號傳感器將被測信號轉換為電信號信號處理電路將電信號轉換成標準信號數(shù)據(jù)采集卡采集模擬信號，并轉換為計算機能處理的數(shù)字信號通過設備程序，數(shù)字信號進入計算機在LabVIEW平臺下，編寫儀器功能流程、功能算法，設計前面板編譯成應用程序圖5.2虛擬儀器對信號測量流程5.2軟件設計5.2.1開發(fā)環(huán)境本數(shù)采系統(tǒng)使用的LabVIEW2012中文版編程環(huán)境。其有三個基本部分組成：前面板窗口、程序框圖窗口和連接器，其中前面板是LabVIEW中圖形用戶接口，在虛擬儀器（VI）的前面板中，可以用鼠標選擇Control菜單中的對象（Object），為系統(tǒng)設置控制和數(shù)據(jù)顯示；程序框圖是虛擬儀器的圖形化源代碼，即用數(shù)據(jù)流連接起來的塊圖，在程序框圖中對虛擬儀器進行編程來控制和操縱定義在前面板上的輸入、輸出功能；圖標和連接器窗格用于把程序定義成一個子程序，以便在其他程序中加以調用。在編程方面，這種圖形編程方法避免了將思想轉換為代碼的復雜工作，避免了通常的編譯、鏈接過程。虛擬測試系統(tǒng)的軟件設計分信號采集與信號分析處理兩個模塊。信號采集模塊根據(jù)用戶設置的聲音格式從聲卡獲得數(shù)據(jù)，采集到的數(shù)據(jù)及其頻譜特性以直觀的圖形方式呈現(xiàn)于用戶面前。該模塊還提供保存數(shù)據(jù)到磁盤的功能。信號分析模塊從信號采集模塊獲得數(shù)據(jù)，對全部數(shù)據(jù)進行時域和頻域分析并顯示相應的時域圖和頻域圖，并按所需進行頻譜分析、功率譜分析、相關分析等諸多功能。5.2.2虛擬示波器的設計虛擬示波器的前面板是應該根據(jù)實際中的儀器面板以及該儀器所要實現(xiàn)各種功能進行設計的程序交互式圖形化用戶界面。其中設計的示例前面板如圖7所示，該虛擬示波器界面實時顯示了所采集歌聲的實時信號。同時，實時顯示界面的示波器屬性設為X、Y軸均設置為“自動調整標尺”，從而保證無論信號幅值如何改變，總可以在縱坐標上是清晰顯示，這正是界面上沒有設置縱向縮放按鈕的原因，這樣不僅方便用戶操作，而且觀察方便。虛擬示波器主要是對聲卡采集音頻信號的時域實時顯示，其后面板程序主要使用Case結構、While與For循環(huán)結構以及相關功能控件實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與波形實時顯示和數(shù)據(jù)實時存儲。考慮到前面板界面的美觀和節(jié)省面板空間，本設計將錄音與回放功能的相關顯示波形圖放在了選項卡上。圖5.3為虛擬示波器錄音部分的前面板：圖5.3虛擬示波器錄音部分前面板鼠標點擊選項卡上的回放按鈕，可切換到回放功能前面板下。圖5.4為虛擬示波器回放部分前面板：圖5.4虛擬示波器回放部分前面板5.2.3聲卡配置模塊LabVIEW提供了一系列使用Windows底層函數(shù)編寫的與聲卡相關的函數(shù)。這些函數(shù)使用Windows底層函數(shù)直接與聲卡驅動程序打交道，因而封裝層次低、速度快，而且可以訪問、采集緩沖區(qū)中任意位置的數(shù)據(jù)，具有很大的靈活性，能夠滿足實時不間斷采集的需要。LabVIEW具有強大的信號處理能力。其中音頻輸入的相關節(jié)點從功能模版中調用，路徑為：編成→圖形與聲音→聲音→輸入。處理聲卡的步驟如下：在使用聲卡之前，必須先對其進行初始化。一般聲音輸入設備是不可共享的，若在某個程序運行之前，設備已經被其他應用程序所占用，則此應用程序不能再使用該設備。所以，在程序中一旦對聲卡使用完畢，應立即釋放它。函數(shù)“配置聲音輸入”用于配置聲卡，采集數(shù)據(jù)并發(fā)送至緩存；“啟動聲音輸入采集”用于開始從聲卡上采集數(shù)據(jù)；“讀取聲音輸入”用于從聲音設備讀取聲音；“停止聲音輸入采集”用于停止從設備中采集，并清除緩存中的數(shù)據(jù)；“聲音輸入清零”用于使設備停止播放音頻，清空緩存，任務返回至默認狀態(tài)，并清除與任務相關的資源，任務變?yōu)闊o效。圖5.5為各個與聲卡輸入有關的函數(shù)。圖5.5聲卡輸入函數(shù)聲卡配置模塊還提供保存所有或部分數(shù)據(jù)以及轉到信號分析模塊的功能。下圖5.6是聲卡參數(shù)配置模塊。用戶可以根據(jù)自己的需要對采樣頻率、采樣方式等參數(shù)進行設計，設計完畢后即可完成音頻信號采樣參數(shù)的設置。圖5.6聲卡參數(shù)配置模塊在本設計中，根據(jù)所完成的具體任務，設置采樣率為24000Hz，單通道，16比特的采樣比特數(shù)。5.2.4數(shù)據(jù)采集與波形顯示模塊在本模塊中，點擊錄音按鈕程序開始運行，該模塊包括聲卡的初始化配置，保存聲音文件與波形顯示相關程序。通常情況下，在獲取到一個信號后，往往要對信號進行一系列的分析，從而獲得信號中的有用的信息。分析一個信號，一般也是從輸入信號中提取有用信息開始的，再對信號進行時域或頻域上的分析。為達到這一目的，本模塊包含了信號時域參數(shù)的測量，信號幅度相位譜、功率譜等參數(shù)。波形顯示模塊從采集模塊獲得數(shù)據(jù)，對全部數(shù)據(jù)進行時域和頻域分析并顯示相應的時域圖和頻域圖，重新做增強的數(shù)據(jù)保存工作，即保存所選時段數(shù)據(jù)的譜信息，以便作進一步的分析。用戶可以對數(shù)據(jù)進