苏ICP备112451047180号-6
基于LabVIEW的音频数据采集系统设计
摘 要
针对传统测试系统所需仪器繁多、资金投入大、功能单一、灵活性较差的弱点，本文利用声卡DSP技术和LabVIEW技术，采用了一种基于声卡的数据采集与分析的廉价方案，具有实现简单、通用性强、扩展性好、界面友好、性能稳定可靠等诸多优点，在LabVIEW中实现了音频信号的采集分析及数据存盘重载，并结合应用实例验证了该系统的可行性及有效性。该系统具有双通道、高保真、22KHz至44KHz的采样率，实现了音频信号的实时采集、实时存储、信号分析（时域分析和频域分析）等多种功能，其中时域分析包括实时显示测量信号频率、幅值等参数；频域分析包括幅值谱、相位谱、功率谱和FFT变换等。本方法可以推广到语音识别、环境噪声监测、地震勘探、生物医学和实验室测量等多种领域，应用前景广阔。
关键词: LabVIEW，声卡，音频信号，数据采集系统
The design of audio data acquisition system based on LabVIEW
Abstract
The traditional vibration test system have many disadvantages，such as plenty of instruments，large investment，single function，less flexibility．Therefore，Based on DSP technology and LabVIEW，this paper brings forward a low price solution of sound card based data acquisition and analysis system，with its advantages of easy implementation， international dimensions，good scalability,friendly interface and steady performance.In the range of voice frequency，data saving and overloading is successful in LabVIEW .In addition，the feasibility and availability of this system are validated with an apphcation example．As this system has the qualities of dual channel，high-fidelity，22 KHz even 44KHz sampling rate，it realized the multiple functionof real-time audio signal acquisition，real-time storage，playback，signal analysis (time domain analysisand frequency domain analysis)，etc.Time domain analysis including real-time display wave measurement parameters such as signal frequency cycle；Frequency domain analysis including amplitude spectrum phase spectrum power spectrum and FFT transform，etc.With broad application prospect，this solution can be extended to the field of speech recognition,ambient noise monitoring，seismic exploration，biomedical sciences and laboratory measurement etc.
Key words: LabVIEW，sound card，audio signal，data acquisition
[2] 江建军，刘继光.LabVIEW程序设计教程[M].北京：电子工业出版社.2008.
[3] 唐善华.一种基于声卡的数据采集与分析系统的实现[J].湖北：教育学院学报2007，24(2)：36-38.
[4] 张凯，郭栋.LabVIEW虚拟仪器工程设计与开发[M].北京：国防工业出版社，2004.
[5] 雷振山，赵晨光，魏丽，郭涛. labVIEW8.2基础教程[M].北京：中国铁道出社，2008.
[6] 陈锡辉，张银鸿. labVIEW8.20程序设计从入门到精通[M].北京：清华大学出版社，2007.
[7] 刘芸，孙钦利，邢俊红.基于LabView的声卡数据采集系统设计[J].现代电子技术2007，30(14)：41-42.
[8] 蒋帅峰，施展等. 基于声卡的数据采集系统设计[J].仪器仪表学报，2005.26 （8）：47-49.
[9] 周爱军，马海瑞．基于声卡的LabVIEW数据采集与分析系统设计[J].微计算机信息，2005，21(25)：21-24.
[10] 王月，孙林，刘广益.吴胜基于声卡的LabVIEW噪声采集与分析系统设[J].微计算机信息，2009，13：14-16.
[11] 张鲁华.基于LabVIEW和PC机声卡的虚拟振动测试系统[J].计算机与现代化，2007，09：78-79.
[12] 王静.基于MATLAB语音信号基频估计方法研究[J].微计算机信息，2007，07：54.
[13] 王珍宁，吴先球，张诚，陈俊芳.基于声卡的远程数据采集系统[J].微计算机信息，2007，10：78.
[14] 唐善华.一种基于声卡的数据采集与分析系统的实现[J].湖北教育学院学报，2007，24(2)：54-56.
[15] National Instruments. LabVIEW User Manual [M]. Texas： National Instruments，2003：58-62.
[16] National Instruments. Using LabVIEW to Create Multithreaded VIs [M]. Texas: National Instruments，2000：12.
[17] H.Q. Liao，Z.R. Qiu，G.H.Feng.The Design of LDF Data Acquisition System Based on LabVIEW[J].Procedia Environmental Sciences，2012，8：47.
[18] Gilbert-Rainer Gillich，Doina Frunzaverde，Nicoleta Gillich，Daniel Amariei.The use of virtual instruments in engineering education[J].Procedia - Social and Behavioral Sciences，2010，2：54-56.
[19] Liu Daming，Luo Jiarong , Zhao Yanping，Qin Chengming.Development of Data Acquisition Card Driver for ICRH System on EAST[J].Plasma Science and Technology，2008，2：45.
[20] Ernest O.Doebelin.Measurement Systems Application and Design.China machine press[J].Procedia - Social and Behavioral Sciences，2010，3：32-33.
摘 要
针对传统测试系统所需仪器繁多、资金投入大、功能单一、灵活性较差的弱点，本文利用声卡DSP技术和LabVIEW技术，采用了一种基于声卡的数据采集与分析的廉价方案，具有实现简单、通用性强、扩展性好、界面友好、性能稳定可靠等诸多优点，在LabVIEW中实现了音频信号的采集分析及数据存盘重载，并结合应用实例验证了该系统的可行性及有效性。该系统具有双通道、高保真、22KHz至44KHz的采样率，实现了音频信号的实时采集、实时存储、信号分析（时域分析和频域分析）等多种功能，其中时域分析包括实时显示测量信号频率、幅值等参数；频域分析包括幅值谱、相位谱、功率谱和FFT变换等。本方法可以推广到语音识别、环境噪声监测、地震勘探、生物医学和实验室测量等多种领域，应用前景广阔。
关键词: LabVIEW，声卡，音频信号，数据采集系统
The design of audio data acquisition system based on LabVIEW
Abstract
The traditional vibration test system have many disadvantages，such as plenty of instruments，large investment，single function，less flexibility．Therefore，Based on DSP technology and LabVIEW，this paper brings forward a low price solution of sound card based data acquisition and analysis system，with its advantages of easy implementation， international dimensions，good scalability,friendly interface and steady performance.In the range of voice frequency，data saving and overloading is successful in LabVIEW .In addition，the feasibility and availability of this system are validated with an apphcation example．As this system has the qualities of dual channel，high-fidelity，22 KHz even 44KHz sampling rate，it realized the multiple functionof real-time audio signal acquisition，real-time storage，playback，signal analysis (time domain analysisand frequency domain analysis)，etc.Time domain analysis including real-time display wave measurement parameters such as signal frequency cycle；Frequency domain analysis including amplitude spectrum phase spectrum power spectrum and FFT transform，etc.With broad application prospect，this solution can be extended to the field of speech recognition,ambient noise monitoring，seismic exploration，biomedical sciences and laboratory measurement etc.
Key words: LabVIEW，sound card，audio signal，data acquisition
目 录
第1章 绪 论 1
1.1 课题意义与背景 1
1.2 国内外研究现状 2
1.2.1 国外虚拟仪器研究现状 3
1.2.2 国内虚拟仪器和基于声卡的数采系统研究现状 3
第2章 虚拟仪器技术概述 5
2.1 虚拟仪器的概念 5
2.2 虚拟仪器特点 5
2.3 虚拟仪器和传统仪器的比较 6
2.4 虚拟仪器控制系统的组成 7
2.5 虚拟仪器的软件结构 8
2.5.1 虚拟仪器的开发语言 8
2.5.2 图形化虚拟仪器开发平台——LabVIEW 9
2.5.3 基于LabVIEW平台的虚拟仪器程序设计 9
第3章 数据采集系统概述 11
3.1 数据采集系统概述 11
3.2 数据采集系统的应用 11
3.3 现行通用数据采集系统的构成 12
3.3.1 传感器 12
3.3.2 模拟多路开关 12
3.3.3 程控放大器 12
3.3.4 采样/保持器 13
3.3.5 A/D转换器 13
3.4 数据采集卡简介 14
3.4.1 数据采集卡的结构原理 14
3.4.2 数据采集卡的性能指标 15
3.4.3 数据采集卡的选择与使用 17
第4章 声卡简介 19
4.1 声卡的分类 19
4.2 声卡的结构 19
4.3 声卡的工作原理 20
4.4 声卡的性能指标 21
4.5 声卡DSP技术简介 23
4.5.1 DSP微处理器 23
4.5.2 DSP优点 24
第5章 数据采集程序设计 25
5.1 硬件实现 25
5.2 软件设计 26
5.2.1 开发环境 26
5.2.2 虚拟示波器的设计 27
5.2.3 声卡配置模块 28
5.2.4 数据采集与波形显示模块 29
5.2.5 滤波模块 32
5.2.6 声音回放模块 33
第6章 总 结 35
参考文献 36
致 谢 38
附录1：系统原理图 39
附录2：主程序 40
总 结
本文设计了基于声卡的数采系统，实现了对音频信号实时采集与处理，并具有波形回放和存储功能。本设计中，用计算机声卡代替昂贵的数据采集卡采集数据，以图形化编程语言的虚拟仪器软件LabVIEW为开发工具，充分利用计算机强大的信息处理能力和LabVIEW模块化编程技术，实现了常见音频信号的实时采集、显示、存储，回放以及分析等功能。在PC上配置多块声卡并行工作，可以构成一个多通道数据采集系统，以满足特定应用范围内数据采集的需要。如果采用笔记本电脑，则无需添加任何硬件就可以构成便携式测量系统。其有效的利用了计算机资源，节约了数据采集成本，成本较低，易于实现，不仅可以应用于科研试验，而且可以应用于检测车辆等方面，具有比较广阔的应用前景。
在声卡性能越来越好、成本越来越低、普及率越来越高的情况下，这种办法值得在工程测量应用及相关实验室中进一步推广和扩充。例如，对环境噪声进行实时监测，采集语音信号并进行分析和处理来实现语音识别，还可以实现信号发生器及万用表等设备在音频范围内的基本功能，其应用前景较为广阔。
参考文献
[1] 孙爱晶，刘毓，马贺洲.基于LabVIEW的声卡数据采集及滤波处理[J].设计自动化与仪表，2009，24(5)：21-23 .总 结
本文设计了基于声卡的数采系统，实现了对音频信号实时采集与处理，并具有波形回放和存储功能。本设计中，用计算机声卡代替昂贵的数据采集卡采集数据，以图形化编程语言的虚拟仪器软件LabVIEW为开发工具，充分利用计算机强大的信息处理能力和LabVIEW模块化编程技术，实现了常见音频信号的实时采集、显示、存储，回放以及分析等功能。在PC上配置多块声卡并行工作，可以构成一个多通道数据采集系统，以满足特定应用范围内数据采集的需要。如果采用笔记本电脑，则无需添加任何硬件就可以构成便携式测量系统。其有效的利用了计算机资源，节约了数据采集成本，成本较低，易于实现，不仅可以应用于科研试验，而且可以应用于检测车辆等方面，具有比较广阔的应用前景。
在声卡性能越来越好、成本越来越低、普及率越来越高的情况下，这种办法值得在工程测量应用及相关实验室中进一步推广和扩充。例如，对环境噪声进行实时监测，采集语音信号并进行分析和处理来实现语音识别，还可以实现信号发生器及万用表等设备在音频范围内的基本功能，其应用前景较为广阔。
参考文献
[2] 江建军，刘继光.LabVIEW程序设计教程[M].北京：电子工业出版社.2008.
[3] 唐善华.一种基于声卡的数据采集与分析系统的实现[J].湖北：教育学院学报2007，24(2)：36-38.
[4] 张凯，郭栋.LabVIEW虚拟仪器工程设计与开发[M].北京：国防工业出版社，2004.
[5] 雷振山，赵晨光，魏丽，郭涛. labVIEW8.2基础教程[M].北京：中国铁道出社，2008.
[6] 陈锡辉，张银鸿. labVIEW8.20程序设计从入门到精通[M].北京：清华大学出版社，2007.
[7] 刘芸，孙钦利，邢俊红.基于LabView的声卡数据采集系统设计[J].现代电子技术2007，30(14)：41-42.
[8] 蒋帅峰，施展等. 基于声卡的数据采集系统设计[J].仪器仪表学报，2005.26 （8）：47-49.
[9] 周爱军，马海瑞．基于声卡的LabVIEW数据采集与分析系统设计[J].微计算机信息，2005，21(25)：21-24.
[10] 王月，孙林，刘广益.吴胜基于声卡的LabVIEW噪声采集与分析系统设[J].微计算机信息，2009，13：14-16.
[11] 张鲁华.基于LabVIEW和PC机声卡的虚拟振动测试系统[J].计算机与现代化，2007，09：78-79.
[12] 王静.基于MATLAB语音信号基频估计方法研究[J].微计算机信息，2007，07：54.
[13] 王珍宁，吴先球，张诚，陈俊芳.基于声卡的远程数据采集系统[J].微计算机信息，2007，10：78.
[14] 唐善华.一种基于声卡的数据采集与分析系统的实现[J].湖北教育学院学报，2007，24(2)：54-56.
[15] National Instruments. LabVIEW User Manual [M]. Texas： National Instruments，2003：58-62.
[16] National Instruments. Using LabVIEW to Create Multithreaded VIs [M]. Texas: National Instruments，2000：12.
[17] H.Q. Liao，Z.R. Qiu，G.H.Feng.The Design of LDF Data Acquisition System Based on LabVIEW[J].Procedia Environmental Sciences，2012，8：47.
[18] Gilbert-Rainer Gillich，Doina Frunzaverde，Nicoleta Gillich，Daniel Amariei.The use of virtual instruments in engineering education[J].Procedia - Social and Behavioral Sciences，2010，2：54-56.
[19] Liu Daming，Luo Jiarong , Zhao Yanping，Qin Chengming.Development of Data Acquisition Card Driver for ICRH System on EAST[J].Plasma Science and Technology，2008，2：45.
[20] Ernest O.Doebelin.Measurement Systems Application and Design.China machine press[J].Procedia - Social and Behavioral Sciences，2010，3：32-33.