毕业设计
基于LabVIEW的虚拟信号分析仪的设计
2013年6月
诚信声明
本人郑重申明：
所呈交的毕业论文，是本人在导师的指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
本人签名： 年 月 日
毕业设计任务书
设计（论文）题目： 基于LabVIEW的虚拟信号分析仪的设计
1．课题意义及目标
学生应通过本次毕业设计，学习LABVIEW的相关知识和图形化编程的算法，并掌握程序模块化设计、数据库、Web、多线程等技术，为学生在毕业后从事测控技术工作打好基础。
2．主要任务
（1）查阅与本课题相关的技术资料，并写出文献综述； （2）掌握信号频谱分析仪的设计原理；
（3）学习LABVIEW软件，能够进行图形化编程； （4）完成毕业设计论文。
3．主要参考资料
[1]武一，杨瑞文，时惠玲虚拟信号测量仪的设计与开发[J].电子测量技术，2008,31（3）：55-57
[2]张宏群.基于LABVIEW的虚拟信号分析仪的设计[J].仪器仪表用户，2007,14（5）：124-125
[3]丁玉美，高西全.数字信号处理[M].西安：西安电子科技大学出版社，2001.201-211
4．进度安排 1 2 3
设计（论文）各阶段名称 系统学习，查阅资料，写开题报告。 了解虚拟仪器相关知识，掌握信号分析仪的设计原理，并确定用LABVIEW设计信号分析仪的实现方案。 用LABVIEW设计出虚拟信号分析仪。
起 止 日 期 2015年3月2日~3月22日 2015年3月23日~4月12日 2015年4月13日~5月3日
4 5
进行模拟和仿真。 完成毕业设计论文，准备毕业答辩。 2015年5月4日~5月31日 2015年6月1日~6月20日
太原工业学院毕业设计
基于LabVIEW的虚拟信号分析仪设计
摘 要
虚拟仪器技术的发展是21世纪的自动测试与电子测量仪器技术领域的一个重要发展方向。该技术是用常见的计算机作为基础，并在此平台基础上进行仪器的的定义、设计以及测试功能。使得用户在操作这种计算机的时候就像是在操作一台由自己专门设计使用的一种特殊的电子仪器设备。进行操作的人员可以通过非常直观的图形化用户界面和易于理解的图形化编程语言来控制系统的开始、运行和结束，从而实现数据的采集、信号分析、被测信号和频谱图的显示、波形图显示、故障诊断、数据存储、和控制输出等功能。在虚拟仪器系统中，硬件主要用来实现信号的输入和输出功能，而软件可以很容易地进行修改，从而可以改变仪器系统需要实现的功能，以适应不同用户的实际需要。一般采用数据采集卡来完成信号的输入。商业数据采集卡的通用性一般比较强，但是他的价格较为昂贵，在实际的使用场合中，他所具有的某些功能可能并不实用。普通的声卡，一般具有16位量化精度，具有44 kHz的数据采集频率，可以完全满足一些特殊的应用场合上对于数据收集的需求，它所具有的一些个别的性能指标甚至优于商业的数据采集卡，但是普通声卡的价格，却只是商业数据采集卡的价格是一小部分。
本论文采用普通声卡作为采集卡，并采用美国NI公司的虚拟仪器软件LabVIEW作为本设计的开发平台，从而实现虚拟频谱分析仪的功能。利用本设计可以准确的采集到声卡设计频率范围之内的信号，实现基本的示波器测量功能和频谱分析功能，可以用来测量频率范围内的音频信号。
关键词: LabVIEW，声卡，虚拟仪器，虚拟频谱分析仪
I
太原工业学院毕业设计
The design of Virtual Spectrum Analyzer Based on Labview
Abstract
Appearance and the development of the virtual instrument technology marks the automatic test of the 21st century and an important development direction in the field of electronic measurement instrument technology. The technology is to define the general computer platform and the design of the instrument testing capabilities, users in the use of computers in the operation of traditional design special electronic equipment. Operators through friendly graphical user interface and graphical programming language to control the operation of the tool, the beginning and end, complete data collection, signal analysis of measured signal and spectrum graph display, waveform figure display, fault diagnosis, data storage, and control the output, and other functions. In the virtual instrument system, to solve the signal input and output hardware, the software can be easily modified, change the function of the instrument system, so as to adapt to the needs of different users. Signal input part of the universal data acquisition card. Commercial data acquisition card is greater versatility, but the price is expensive, in specific applications, some features may not be practical. Ordinary sound card, has 16 quantitative accuracy, 44 kHz frequency of data collection, can fully meet the needs of specific applications within the scope of data collection, the individual performance index is superior to the commercial data acquisition card, and commercial data acquisition card is a small fraction of the price of a 10 a few minutes.
Paper using ordinary sound acquisition card, the use of virtual instrument software development platform of virtual instrument in NI company, realization of virtual oscilloscope. System can collect the correct sound card design frequency range of the signal, realizes the basic oscilloscope measurement function and spectrum analysis function, can be used to measure the scope of the audio signal.
Key words: Virtual instrument; Sound card; LabVIEW; Virtual oscilloscope
II
太原工业学院毕业设计
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 ................................................................................ 2 1.2.2 国内虚拟仪器研究现状 ................................................................................ 3
1.2.3 本文主要研究的内容.................................................................................... 3 第2章 虚拟仪器技术概述 .................................................................................................. 4
2.1 虚拟仪器简介 .......................................................................................................... 4 2.2 虚拟仪器特点 .......................................................................................................... 4
2.3 虚拟仪器控制系统的组成 ...................................................................................... 6 2.4 虚拟仪器的软件结构 .............................................................................................. 7 2.5 图形化虚拟仪器开发平台——LabVIEW ............................................................. 7 2.5.1 基于LabVIEW平台的虚拟仪器程序设计 ...................................................... 10 第3章 系统的信号采集 ...................................................................................................... 9
3.1 声卡的背景 .............................................................................................................. 9 3.2 声卡信号的采集流程 ............................................................................................ 12 3.3 声卡信号采集的实现 ............................................................................................ 13 第4章 软件设计及实现 .................................................................................................... 13
4.1 LABVIEW软件介绍 .............................................................................................. 13 4.2 虚拟信号分析仪总体设计 .................................................................................... 14
4.2.1 虚拟信号分析仪的工作原理 ...................................................................... 14 4.2.2 虚拟信号分析仪的工作流程 ...................................................................... 14 4.3 虚拟信号分析仪软件模块设计 ............................................................................ 15
4.3.1 配置声音输入 .............................................................................................. 15 4.3.2 读取声音输入 .............................................................................................. 17 4.3.3 索引波形数组 .............................................................................................. 18 4.3.4 频谱分析 ...................................................................................................... 18
III III
太原工业学院毕业设计
4.3.5 波形回放 ...................................................................................................... 19 4.3.6 帮助功能及状态显示 .................................................................................. 19 4.3.7 数据回放功能 .............................................................................................. 20 4.3.8 文件存储路径选择 ...................................................................................... 20 4.3.9 原始信号波形显示 ...................................................................................... 20 4.3.10 程序初始化及参数设置 ............................................................................ 21
第5章 系统的调试 ............................................................................................................ 22
5.1 虚拟信号分析仪的性能 ........................................................................................ 22
2.5.1 虚拟信号分析仪的操作界面 ...................................................................... 22 2.5.1 虚拟信号分析仪总程序框图 ...................................................................... 23 5.2 虚拟信号分析仪波形显示 .................................................................................... 25 第6章 总 结 ...................................................................................................................... 27 参考文献 .............................................................................................................................. 29 致 谢 .................................................................................................................................. 31
IV IV
太原工业学院毕业设计
第1章 绪 论
1.1 课题意义与背景
仪器制造商设计的传统桌面频谱分析仪是一个封闭结构的函数,它只有一个特定的接口用来作为输入/输出，和一个仪器操作面板，具有波形显示和参数测量的功能。如果想实现函数测量的功能，就需要配置许多额外的工具，如此一来就对使用者的实际应用造成极大的麻烦。传统的频谱分析仪的测量精度也比较的低，已经远远不能满足某些高精度测量系统的实际要求。更为关键的是，传统的频谱分析仪没有与计算机相连接的接口，这就大大增加了数据采集和数据处理的困难。
除上述所述的缺陷之外，传统的频谱分析仪设计的体积一般来说相对较大，制作所需的成本也比较高，这就大大增加了后期应用时测量系统的开发成本。伴随着近几年来计算机技术和测量技术的快速发展和日趋成熟，虚拟仪器技术也有了比较快速的发展，相应的应用产品——虚拟频谱分析仪系统在这种形势下也就应运而生了。由使用者自主定义的虚拟频谱分析仪系统的桌面极为整洁，该系统具有很强大的功能，而且具有非常高的测量精度，非常快的测量速度，它的系统初始化时间也非常的短，可扩展性强，仪器更智能等。除此之外，虚拟频谱分析仪系统操作起来也是极为方便的，这样可以将测量人员从复杂的设备中出来，很大程度的节省了人力、物力和财力。制作虚拟频谱分析仪系统所需的成本非常的低，并且可以与目前使用极为广泛的网络技术相结合，从而可以实现对于远程数据的自动测量、自动记录和自动数据处理的多重功能，最终可以满足更多用户更广泛的实际需求。
本课题主要是利用LabVIEW软件设计出简单的频谱分析仪，根据频谱分析仪的原理确定其功能，结合LabVIEW软件平台的特点对仪器做出设计和软件编程，实现对信号的分析和研究。整个系统由虚拟信号采集模块、虚拟信号滤波器模块和频谱分析模块三部分组成。掌握基于LabVIEW编程的相关知识和信号的频谱分析方法，要求系统能够采集声音信号，并对上述信号进行时域分析、频域分析和谐波分析等。虚拟信号采集模块能够采集声音信号，对声音信号进行时域分析、频域分析和谐波分析并能对产生的波形进行存储。
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
1
太原工业学院毕业设计
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。
表1.1 USB-6008采集卡与声卡的比较
输入通道数 采样频率（S/） 分辨率（位） 价格（元） USB-6008 8 10K 12 1800 声卡 2 44K 16 50 表1.1显示，有12位/ 10kHz采样率8通道数据采集卡块，虽然能够满足各种应用的需要，但与电脑声卡的价格昂贵，在具体应用中的许多功能不使用，造成资源浪费。16位/ 44KHz的采样率，可以满足在许多领域的数据采集和分析的需要计算机声卡，比商业数据采集卡和个人的绩效指标，而且价格也很便宜，已经成为计算机的标准配置。
强大的数据处理功能的LabVIEW，音频信号的采集，和电源，信号的频率和幅值的显示和监控。声功率的监测可以直接应用于工业生产和城市生活噪声监测，定义数据库两电或声功率比的单位，它等于十倍的功率比的常用对数，缩写为DB。除了交通噪声和环境噪声，工业企业噪声监测，噪声监测中非常重要的一个内容..整个监测过程的质量保证提高精度是非常重要的，科学合理的噪声监测数据。准确的监测结果反映和工业污染源的态势，不仅保持了企业的合理排放和噪声控制厂界噪声的危害，以确保城市环境质量。声音信号的频谱分析已广泛应用于语音识别，地震勘探，振动测量和生物医学等。此外，多声卡工作在PC，可以构成一个多通道数据采集系统，满足在一个特定的应用程序数据采集的需求。如果你使用一台笔记本电脑，你可以在没有任何硬件，使用便携式测量系统。
1.2 国内外研究现状 1.2.1 国外虚拟仪器研究现状
国外仪器行业早在上世纪80年代末开始的虚拟仪器的研究。在90年代，美国国家仪器公司（NI），摩托罗拉公司等知名企业为代表，开始从数字仪器仪表行业，
2
太原工业学院毕业设计
智能仪器，虚拟仪器的过渡。1986美国国家仪器公司正式第一次推出了虚拟仪器的概念。1997年9月1日，NI发布了一个新的开放性的规范，仪器总线规范的到目前为止为PXI模块，根据不同的硬件的检测和控制功能，该行业已经存在了GPIB，VXI，PXI虚拟仪器的构成和四标准的硬件架构。
从1990年初开始，国际社会开始有了一个虚拟仪器市场。自那时以来，虚拟仪器产品成倍增加，到了1994年底，虚拟仪器制造厂已达95个，共有1000种虚拟仪器产品，他们的销售额达到300000000美元。惠普公司（目前生产虚拟仪器超过100款）是虚拟仪器的主要生产商，泰克（目前生产超过80种虚拟仪器），aglent公司（目前生产超过60种虚拟仪器的型号）[3]。目前，这些制造商的产品已经进入我国市场。
1.2.2 国内虚拟仪器研究现状
虚拟仪器在国内的现状和发展趋势不容乐观。虚拟仪器技术是一个综合的结构化的电子测量和控制技术，它是不断发展和不断完善的技术，传统的电子测量与控制技术，计算机技术和通信技术。而相比于我国计算机，通信和电子工业的发展，和欧洲和美国相比正在处于比较落后的地位，这决定了中国虚拟仪器产业底子薄，所需要的硬件和软件的技术支持缺乏。起步晚，发展缓慢，直到第二十世纪90年代中后期这种虚拟仪器概念才逐步引入到中国的计算机行业。出生问题使虚拟仪器行业在中国尚处于起步阶段的。
在过去的几年中，虚拟仪器系统已在我国一些高校的实验室，开发了一批新的虚拟仪器系统进行研究和教学。其中，华中理工大学机械工程与工程测试实验室将其发展结果在网上公开展示。汽车发动机检测系统，这是由清华大学汽车系统建立的，方便灵活，可用于在工厂检查汽车发动机的功率，负载特性，等等。发动机的检测完成后，可以打印出完整的测试报告。此外，我国已在基于PC机的虚拟仪器发展的几个企业，哈尔滨工业大学仪器王电子有限公司，该公司的产品已达到一定的批量[ 4 ]。其主要产品有：数字存储示波器，任意波形发生器，多通道容量波形记录仪，等等。北京中科泛华测控技术有限公司，该公司研制的汽车传感器测试系统在汽车传感器生产线测试中已广泛应用。
1.2.3 本文主要研究的内容
本论文设计的主要实现的功能是使用虚拟仪器软件设计一个虚拟频谱分析仪系统，以声卡作为硬件基础，采集声卡的音频信号，并使用所设计的虚拟频谱分析仪系
3
太原工业学院毕业设计
统来分析所采集的波形是否正确。具体的设计要求如下：
(1) 声音采集参数设置功能,录音和回放功能,声音可以实现数据采集,可以完整的显示频谱信号;
(2) 声音采集数据可以存储,根据需要调用; (3) 语音信号过滤和处理的功能;
(4) 基于虚拟仪器而实现的虚拟频谱分析仪系统需要具有一个直观、实用而且操作简单易懂的用户界面。
(5) 其他功能，例如音量调节，帮助按钮等功能。
第2章 虚拟仪器技术概述
2.1 虚拟仪器简介
虚拟仪器,总的来说就是指以高性能、集成化的硬件为基础,加上高效率、高灵活性的软件作为控制，进而来实现系统的测试、测量和自动化控制的一般应用。其中，以模块化的硬件作为基础，具有为仪器提供全方位的集成系统的优势，而采用高效率、灵活并且符合标准的软件作为控制，有利于使用者自主创建符合自身系统实际需要的用户界面。虚拟仪器所具有的标准、使用简单的软、硬件平台基础可以满足实际的应用程序需求和对于时间同步的精确要求。
与传统仪器相比，虚拟仪器具有较高的效率，使用方法简单，功能强大，性价比高，以及良好的可操作性，具体体现在：
(1) 极高的智能化水平，极强的处理能力。虚拟仪器技术的智能化水平和处理能力的强弱主要依赖于所采用的仪器的软件水平的高低。发展到现在的仪器设计一般集成了较为先进的信号处理算法,比较先进的人工智能技术和技术性比较强的专业系统，这些都为智能化的仪器奠定了基础，因此我们可以利用虚拟仪器来提高仪器的智能化水平，进而可以满足不同用户的不同需求。
(2) 可重复性强，系统成本低。利用虚拟仪器技术,我们可以使用相同的测量系统的基本硬件来构造出不同的函数。通过这种思想形成的测量仪器系统具有灵活性更大、效率更高、开放性更强、成本更低的多个优点。
4
太原工业学院毕业设计
(3) 可操作性强，容易使用。虚拟仪器面板可以由用户自主定义，针对不同的应用，使用者可以设计出不同的操作界面。目前应用最为普遍的计算机平台，为虚拟仪器的发展提供了强大的多媒体处理能力，使得仪器的界面更为直观，操作更为简单,也是使用者更容易理解。此外，每次测量完成后，用户都可以把测量的数据结果存储在数据库系统中或通过网络共享数据，方便后期对数据的处理[2]。
2.2 虚拟仪器特点
虚拟仪器是基于计算机的功能化硬件模块和计算机软件构成的电子测试仪器，而软件是虚拟仪器的核心，如图2.1所示：
操作系统
虚拟仪器软件面板 虚拟仪器用户 虚拟仪器开发者 虚拟仪器软件开发平台 底层驱动程序 硬件模块 图2.1 虚拟仪器开发框图
虚拟仪器的特点极为突出，开发者通过虚拟仪器软件面板，虚拟仪器软件开发平台，底层驱动程序和硬件模块，完成了与用户之间的交互。虚拟仪器可以通过较为简洁的操作完成用户的需求。是21世纪用途极为广泛的技术。该技术特点鲜明，用途广泛。该软件的基本部分是设备驱动软件，及标准仪器驱动软件，这使系统的发展仪器硬件部分的变化无关。这是虚拟仪器的一个最大的优势，这一点将仪器的开发时间大大缩短。虚拟仪器的应用程序可以将可选的硬件（如GPIB，VXI，RS-232，DAQ）和可重用的软件库等功能结合，并实现通信模块，仪器的定时和触发模块。源代码库函数提供了基本的软件模块，为用户构建自己的虚拟仪器（VI）系统。因为VI的模
5
太原工业学院毕业设计
块化，开放性和灵活性，以及软件的关键特性，无论用户要求的千变万化，都可以方便地由用户自己在硬件和软件调节模块的变化，或重新配置现有的系统以满足新的测试要求。因此，当用户从一个项目到另一个项目，你可以简单地建立一个新的VI系统而不需硬件和软件资源。
2.3 虚拟仪器控制系统的组成
虚拟仪器是基于计算机的仪器。计算机和仪器的紧密结合，是仪器发展的重要方向，这种结合的方式有两种，一个是电脑进入仪器，其典型的例子就是所谓的智能仪表。随着计算机性能的不断提高，其体积缩小，这类仪器的功能越来越强大，它已经出现了嵌入式系统的仪器。另一种方式是将仪器装入电脑。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。虚拟仪器的组成与传统仪器一样,主要由数据采集与控制、数据分析和处理、结果显示三部分组成。如图2.2所示：
采集与控制 采集分析预处理 数字信号处理 数字滤波 统计分析 数值分析 结果显示 网络通信 硬盘拷贝输出 文件I/O 图形用户接口 插入式数据采集板 VXI/PXI仪器 RS-232仪器 GPIB仪器
图2.2 虚拟仪器内部功能的划分
对于传统仪器，这三个部分几乎均由硬件完成；对于虚拟仪器，前一部分由硬件构成，后两部分主要由软件实现。与传统仪器相比，虚拟仪器设计日趋模块化、标准化，设计工作量大大减小。
2.4 虚拟仪器软件的结构
6
太原工业学院毕业设计
虚拟仪器技术的核心是软件，其软件基本结构如图2.3所示。用户可以采用各种编程软件来开发自己所需要的应用软件。以美国NI公司的软件产品LabVIEW和LabWindows/CVI为代表的虚拟仪器专用开发平台是当前流行的集成化开发工具[7]。这些软件开发平台提供了强大的仪器软面板设计工具和各种数据处理工具，再加上虚拟仪器硬件厂商提供的各种硬件的驱动程序模块，简化了虚拟仪器的设计工作。随着软件技术的迅速发展，软件开发的模块化、复用化，和各种硬件仪器驱动软件的模块化、标准化，虚拟仪器软件开发将变得更加快速、方便。
用户界面 数据处理 硬件驱动程序
图2.3 虚拟仪器软件结构
2.5 图形化虚拟仪器开发平台——LabVIEW
LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering)是一种图形化的编程语言，人们把它视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW集成了与满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能，是一个功能强大且灵活的软件[8]。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，编程及使用过程都更加形象化也是由他的图形化的界面所决定的。
7
太原工业学院毕业设计
传统的文本式编程是一种顺序的设计思路，必须写出执行的语句。而LabVIEW是基于数据流的工作方式，同时是基于图形化的编程，不必掌握大量的编程语言和程序设计技巧便可设计出虚拟仪器系统。
利用LabVIEW，可产生运行的可执行文件，它是一个真正的32编译器。像许多通用的软件一样，LabVIEW提供了Windows、UNIX、Linux、Macintosh OS等多种版本。
LABVIEW相比其他软件有许多优点尤其是在测量以及控制方面。
LabVIEW的初始功能实际上是测量和测试，这样的测试是现在使用最广泛的虚拟场。经过多年的发展，LabVIEW已被广泛认可的现场测量和测量的。到目前为止，最主流的测试设备，数据采集设备有一个专门的LabVIEW驱动程序，使用LabVIEW可以控制这些硬件设备非常方便。同时，用户也可以很容易地找到各种测试和测量领域的LabVIEW工具包。这些工具几乎覆盖了，用户需要的所有功能，并且用户容易开发工具包的基础程序..有时甚至只需调用一个函数的几个工具的工具包，可以完整的测试测量中的应用。
在控制方面，控制与测试是两个相关度非常高的领域，从测试领域起家的LabVIEW自然而然地首先拓展至控制领域。LabVIEW拥有专门用于控制领域的----LabVIEWDSC。除此之外，工业控制领域常用的设备、数据线等通常也都带有相应的LabVIEW驱动程序。使用LabVIEW可以非常方便的编制各种控制程序。
强大的数据处理功能的LabVIEW,音频信号的采集,和电源,信号的频率和幅值的显示和监控。声功率的监测可以直接应用于工业生产和城市生活噪声监测,定义数据库两电或声功率比的单位,它等于十倍的功率比的常用对数,缩写为DB。除了交通噪声和环境噪声,工业企业噪声监测,噪声监测中非常重要的一个内容..整个监测过程的质量保证提高精度是非常重要的,科学合理的噪声监测数据。准确的监测结果反映和工业污染源的态势,不仅保持了企业的合理排放和噪声控制厂界噪声的危害,以确保城市环境质量。声音信号的频谱分析已广泛应用于语音识别,地震勘探,振动测量和生物医学等。此外,多声卡工作在PC,可以构成一个多通道数据采集系统,满足在一个特定的应用程序数据采集的需求。如果你使用一台笔记本电脑,你可以在没有任何硬件,使用便携式测量系统。
2.5.1 基于LabVIEW平台的虚拟仪器程序设计
8
太原工业学院毕业设计
所有的LabVIEW应用程序，即虚拟仪器(VI)，它包括前面板(Front Panel)、流程图(Block Diagram)以及图标/连结器(Icon/Connector)三部分。
(1）前面板：前面板是图形用户界面，也就是VI的虚拟仪器面板。VI前面板按前面板的用途可分为用户界面VI和子VI前面板，用户界面VI主要用于和用户进行交互，而子VI则主要用于与开发人员进行交互，指定VI的输入与输出，一般不呈现给用户。子VI通常只是被主VI载入内存，运行后实现某种模块化的功能。前面板控件主要包括控制控件和显示控件两大类。显示控件用于向用户显示数据和信息，控制控件用于用户向程序输入数据或控制信号。LabVIEW中的很多控件都模仿了现实世界的仪器界面，例如旋钮、开关、滑动条等。
(2）流程图：流程图提供VI的图形化源程序。在流程图中对VI编程，以控制和操纵定义在前面板上的输入和输出功能。流程图中包括前面板上的控件连线端子，还有一些前面板上没有，但编程必须有的东西，例如函数、结构和连线等。
如果将VI与传统仪器相比较，那么前面板上的控件对应的就是传统仪器上的按钮、显示屏等控件，而流程图上的连线端子相当于传统仪器箱内的硬件电路。在许多情况下，使用VI可以仿真传统仪器，不仅在屏幕上出现一个惟妙惟肖的标准仪器面板，而且其功能也与传统标准仪器相差无几。
(3）图标/连接设计：这部分的设计突出体现了虚拟仪器模块化程序设计的思想。在设计大型自动检测系统时一步完成一个复杂系统的设计是相当有难度的。而在LabVIEW中提供的图标/连接工具正是为实现模块化设计而准备的。设计者可把一个复杂自动检测系统分为多个子系统，每一个都可完成一定的功能。
第3章 系统的信号采集
3.1 声卡的背景
电脑声卡数据采集卡、A / D转换功能都比较成熟,不需要添加额外的配件久可以实现数据采集功能，电脑结合虚拟仪器编程可以完成所有的音频信号采集功能,具有低成本、采样精度高等优点。因此,声卡的构成可以使采样精度高,信号采集系统中采样频率良好,灵活性高等功能。
衡量一个声卡的性能高低，主要看声卡几位的采样位数，多大的采样频率，频
9
太原工业学院毕业设计
率范围是多少，参考电压的大小和它的频率响应曲线等关键的技术指标作为参考。
(1) 采样位数。采样位数一般来讲可以理解成是指声卡处理声音的结果，采样位数的多少，直接影响到声音的真实程度。这个值越高,分辨率越大,录音和回放的声音更真实。目前市场上应用最为普遍的声卡产品是采样位数为16位的声卡，然而大部分的通用数据采集卡却只有12位的采样位数，因此,虚拟仪器系统所采用的声卡作为硬件基础要比常用的数据采集卡具有更广泛的应用领域和更精确的应用水平[4]。
(2) 采样频率。采样频率可以理解为是声卡对于声音信号的采集频率，也就是指声卡每秒钟可以采集到的声音样本的个数。采样频率的大小是描述声音文件质量高低的重要标准。在目前市场上的主流声卡产品中,采样频率一般会分为8 KHz,11.025 KHz,22.05 KHz和44.1 KHz四个级别,有的声卡也可达到48 KHz。人的耳朵能够听到的频率是处于20HZ到20 KHZ范围之间的音频信号,如果采样频率为48千赫, 在理论上虽然是可行的,但它的效果并不是特别好的。所以采用声卡作为硬件基础的局限性就是：使用者禁止随机设置抽样频率的最高采样频率。一旦设置的采样频率超过了48KHZ，人的耳朵便不再能识别出来,所以就不会有任何的实用价值了。
(3) 频率范围和频率响应。其中，音频系统的频率范围一般是指音响系统能够多次反复播放的有效回放频率的最小值与最大值之间的差值的大小；而设备的频率响应一般指的是一个以基本固定不变的电压值作为输出电压的音频信号在于其他的设备相连接时，随着音响系统的频率的增加或衰减，音箱设备所产生的声音幅值大小也随之产生相应地改变，相位也随之发生相应的改变的现象。与作为虚拟测试仪器的硬件基础的声卡相结合的是，我们还有必要深入了解它的频率特性。在本设计系统中，采用的是一台普通的个人计算机的主板集成声卡Reaktek ALC880编解码器，并且根据该编码器的性能指标和系统的实际需要，设置44.1 KHz的采样率，采用双通道采样，采用16位的采样位数，采用这样的参数设置用来确保干扰性小，采样波形稳定。
(4) 参考电压。声卡没有参考电压,所以A / D和D / A转换器,要求用户参考电压校准[5]。
10 10
太原工业学院毕业设计
声卡由输入信号和麦克风插孔组成,其中输入信号是双通道的；麦克风即声音传感器可以通过两个插孔连接声卡。麦克风的输入容易在前置放大器引入噪声并且可能导致过载信号，因此，建议使用小噪声干扰的动态特性。减少声音信号的噪音方法有多种，比如常见的有采用引入测量音频电缆的方法，或者是采用屏蔽电缆的方法都可以减小声音信号的噪声。如果输入信号的电平比仪器设备规定的最大输入电平还要大，则应该在声卡输入的前端，配置一个适用于被测信号的衰减单元，衰减倍数大小的设置要保证输入声卡的测量信号经过衰减后不超过设备允许的输入电平。此外,声卡接收耳机可以实时监控声音信号。
虚拟仪器的声卡设备是默认的应用最为广泛的操作系统，用先进的声卡作为采集设备，在采集信号的时候需要注意关闭一些特效设置，例如，混叠、混响等,用来减小或者防止接收信号的失真。
3.2 声卡信号的采集流程
模拟信号通过同轴电缆输入到采集卡通道,通过滤波电路,衰减电路,可变增益放大器电路,信号处理A / D转换器可以处理达到标准水平,经过A / D采样量化成计算机可以处理的数字信号。声卡采集到的信号存储到计算机内指定位置，并且可以实现信号处理、显示、存储以及回放等功能。
声卡数据采集流程如图2.1所示。
SI Config SI Clear 数据处理 SI Start SI Read SI Stop 图3.1 声卡数据采集流程图
11 11
太原工业学院毕业设计
3.3 声卡信号采集的实现
Labview软件是一种视觉软件开发平台，它是通过图形化编程语言实现的，与其他几种编程语言（比如VC、VB等）相比，该编程语言具有丰富的库函数，并且编程方法简单，方便用户调试，界面开发简单，并且界面风格更有优势。虚拟仪器是可以模仿实际仪器操作的应用系统,类似于基本的编程语言C。但虚拟仪器的特点是使用图形化的编程语言G语言来创建源程序的,而不是基于使用文本的语言产生代码。虚拟仪器还集成了如GPIB VXI,USB接口、RS - 232和RS - 485和所有硬件通信功能,如数据采集卡为TCP / IP,如活跃X软件标准库函数。Labview软件包括很多库函数，例如数据采集、数据分析、数据存储、数据回放以及界面控制等库函数和开发工具，它是一种非常通用的虚拟仪器系统。软件的开发者非常熟悉labview的使用条件和开发流程，所以，即使软件开发者没有虚拟仪器编程经验，他们也可以通过labview开发出可以实现想要功能的程序。
基于虚拟仪器的声音信号采集系统主要实现信号的采集、存储、回放和频域分析等功能。这个采集声音信号的设计采用了模块显示设置,以便使得主板程序简单明了,功能齐全,方便用户的操作。
第4章 软件的设计及实现
4.1 labview软件介绍
现阶段Labview是一种非常通用的软件开发平台，虚拟仪器的总线接口、GPIB VXI仪器仪表、串口驱动程序和驱动程序主要用于数据收集、分析、处理和显示。它与传统编程语言如C、Pascal有许多相似之处,类似的例如数据类型,数据流控制结构,程序调试工具等。虚拟仪器与传统的编程语言相比，具有很大的区别，它是通过图形化的语言编程，程序不是由代码构成，而是由具有各种功能的函数模块构成。网络优化的第一步是复杂的评估,工作范围包括网络最初的数据收集、现场检查、网络控制、分析网络的合理性和业务发展需要等,同时保持与客户的双向沟通,和良性互动,及时吸取客户对发展网络优化的建议。
基于Labview的程序设计主要由前面板界面设计和后面板程序设计两个部分构
12 12
太原工业学院毕业设计
成。前面板是一个交互式的图形用户界面,用于设置输入值和对输出检测。框图程序是使用图形语言和指令前面板控制。
4.2 虚拟频谱分析仪总体设计 4.2.1虚拟频谱分析仪的工作原理
虚拟仪器的使用是基于声卡构建的虚拟频谱分析仪的思维,简单易行。实际的数据收集过程是:
(1) 初始化。采集声卡硬件的一些相关数据的参数设置; (2) 开始采集声音数据,采集到的数据在fifo缓存中存储;
(3) 当缓存区数据收集满后,将数据读取到用户程序数组中,创建一个数据集合,并且处理所有程序中的数据，并且软件停止采集声音数据。
虚拟频谱分析仪的数据采集硬件配备一定功能的软件,来完成波形存储、分析、显示和其他功能。一般测试仪器使用硬件组成部分完成对信号的采集、处理、以及结果显示三部分。
4.2.2虚拟频谱分析仪的工作流程
该设计中，声卡采集声音数据流程如图4.1所示。
13 13
太原工业学院毕业设计
初始化 声卡 信号 LABVIEW 波形 参数
图4.1虚拟频谱分析仪程序流程图
首先初始化采集声音信号需要用到的模块,然后通过声卡进行数据采集，采集到的信号发送到虚拟仪器模块中,通过运行虚拟仪器模块程序,把收集到的信号通过一个图形化的形式进行波形显示。通过波形显示,最后波形显示的所有的其他参数以数字形式显示。并且可以实现声音信号回放和存储的功能。
4.3 虚拟信号分析仪软件模块设计 4.3.1配置声音输入
配置声音模块如图4.2所示：
图 4.2 配置声音模块
该函数模块包括每通道采样数、采样模式、设备ID、声音格式、错误输入、任务ID和错误输出几个部分，其中：
14 14
太原工业学院毕业设计
每通道采样数，该部分功能是指定缓冲区中每通道的采样数目。 当需要持续采样的时候，可以设置较大的采样数目，并且采样数越大，对内存的使用就越大。
采样模式，该部分的功能是指定函数模块每次采集的模式，包括有限采样和连续采样，其中有限采样是指每次采集一个样本，在该工作模式下，当确定采样数之前，只读取声音输入，连续采样是指不间断地采集声音样本，在该工作模式下，可以实现重复调用读取声音的功能，即实现连续采集的功能。
设备ID，该部分是一个数值，可以选择的范围是0到m-1，其中m代表连接到电脑上的输入和输出设备数的总和，通常该部分的默认值都是0。
声音格式，该部分的功能主要是对采集到的声音格式进行设置，包括采集速率、采样位数以及通道个数等。
设置声卡的信号采样频率，一般声音的采样频率是44000Hz、22000Hz、11000Hz。通常默认的声音采样频率是为22000Hz。
声音信号输入的通道个数应该与声卡的支持的通道的个数保持一致，也就是一一对应的关系，有N个输入信号就应该有N个采集信号通道，也就是声卡支持N个声道。。对于多数声卡，1为左声道，2是右声道，3是立体声，4是单声道。
每个通道采样的字节数决定每个通道采样的质量，以比特为单位，即bit。采样分辨率通常是8bit或16bit。通常默认是16bit。
错误输入是指该节点前运行所产生的错误的个数和该节点运行前发生的错误条件。该输入提供错误输入标准，有错误输入就有错误输出。
任务ID的作用是将指定设备配置的识别号返回回来。ID指令通过任务ID将命令输出传递至其它的声音采集的VI输入端。
错误输出的作用是将错误信息量表达出来，包含错误信息的信息量。该错误输出有错误输出的标准。
15 15
太原工业学院毕业设计
4.3.2读取声音输入
图 4.3 读取声音模块
每通道采样总数指定每条通道从缓冲区读取的采样数。
任务ID输出为了控制已经配置好的设备的声音操作，操作输入的声音控制模块。 生硬输出的VI可自动生成任务ID，任务ID供下一个VI的输入。
错误输入是指该节点前运行所产生的错误的个数和该节点运行前发生的错误条件。该输入提供错误输入标准，有错误输入就有错误输出。
超时（秒）指定VI等待声音操作完成的时间，以秒为单位。 如等待超时，VI将返回错误。默认值为10。如超时秒数设为-1，VI将无限等待。
任务ID的作用是将指定设备配置的识别号返回回来。任务ID的输出就是最初传递到的声音操作，也就是任务ID的输入。
数据从内部缓冲区读取声音数据。对于声音多通道采集来说，对于多声道声音数据，多个通道的数据都能形成一个波形，多通道采集能形成数据数组。信号采集数据数组的每一列对应的就是一个通道采集回来的信号。时间t0是采集声音信号的起始时间。dt是采样间隔，即配置声音输入VI指定采样率的倒数。
根据上面介绍，如下部分的功能就是：配置声音格式之后读取音频文件：
图 4.4 读取声音信号程序
16 16
太原工业学院毕业设计
4.3.3索引波型数组
图 4.5 索引波形数组模块
通过索引波形数组模块，可以得到采集到的声音信号的具体信息，然后可以进行波形的显示，波形显示程序如图4.6所示：
图4.6 波形显示程序
4.3.4频谱分析
得到采集到的声音信号后，接下来需要做的是数据处理，频谱分析如图4.7所示：
图 4.7 频谱分析模块
如图4.8程序，实现频谱分析及显示频谱分析结果：
图4.8 频谱分析程序
17 17
太原工业学院毕业设计
4.3.5波形回放
波形回放程序如图4.9所示：
采集到的波形保存在计算机内指定位置，从该指定位置回放数据波形：
图4.9 数据回放程序
其中图4.10部分是音量控制程序，可以改变采集声音信号的音量大小：
图4.10 音量控制
4.3.6帮助功能及状态显示
帮助按钮部分如图4.11所示：
图4.11 帮助按钮程序
状态灯部分如图4.12所示：
图4.12 状态显示程序
18 18
太原工业学院毕业设计
程序运行，状态灯为亮状态。
4.3.7帮助功能及状态显示
数据回放部分程序如图4.13所示：
图4.13 数据回放程序
4.3.8文件存储路径选择
软件运行过程中，需要对采集数据进行存储，存储位置可手动修改及选择，存储路径选择程序如图4.14所示：
图4.14 存储路径程序
4.3.9原始信号波形
软件运行过程中，可以实时显示采集信号波形，以便于我们直观了解信号，信号波形显示程序如图4.15所示：
19 19
太原工业学院毕业设计
图4.15 信号波形显示
4.3.10程序初始化及参数设置
在运行软件之前，我们需要对软件进行初始化，包括对声卡的参数设置，存储文件的名称设置，存储类型设置等等，该部分程序如图4.16所示：
20 20
太原工业学院毕业设计
图4.16 初始化程序
第5章 系统的调试
5.1 虚拟频谱分析仪的性能
系统可以测试到最高频率与所选设备的电路的性能有关,本文选择采样频率最高的44.1 KHz的声卡,根据抽样定理,可以测试的模拟信号的最高频率是22千赫。根据声卡自身采集数据的特点，决定声卡采集数据的质量，所以我们选择25000Hz的采样频率为默认的最高采样频率，并且该信号为模拟信号。
5.1.1虚拟频谱分析仪的操作界面
虚拟频谱分析仪前面板如图5.1所示,前版面说明：虚拟频谱分析仪前版面通过使用三种波形显示vi来显示输入信号波形、幅度、相位以及回放波形。用数字控件对声音格式、采样数量和设备ID分别进行设置，并且可以调节采集声音信号的音量大小。数字显示vi来显示测量出来的数据,用开关来控制程序的进行。可以手动改动存储波形数据的位置，并且具有帮助功能。
21 21
太原工业学院毕业设计
图5.1 虚拟频谱分析仪前面板
5.1.2虚拟频谱分析仪总程序框图
虚拟频谱分析仪前面板应该根据实际的仪器面板和仪器项目来设计，旨在实现交互式图形用户界面的各种功能。声卡初始化，主要对设备ID、每通道采样数、声音格式进行设置，其中声音格式设置包括采样率、通道数、采样位数等。根据实际要求，每通道采样数选为5000，采样率选为22050,采样位数选为16。如图5.2所示。本设计的实时数据波形上位机界面如图5.3所示,该部分可以实时显示采集的声音信号波形，该部分的显示界面属性设置为自动调节，这样保证信号幅值不超过显示量程，且横坐标显示信号时间，纵坐标显示信号幅值，便于用户观察。该部分设计后面板程序如图5.4所示。
图5.2 声卡参数设置
22 22
太原工业学院毕业设计
图5.3 采集信号实时波形
图5.4 虚拟频谱分析仪后面板程序图
图5.5 虚拟频谱分析仪频谱波形前面板
23 23
太原工业学院毕业设计
图5.6 虚拟频谱分析仪回放波形前面板
5.2 虚拟信号分析仪波形显示
运行程序前，首先选定需要打开的数据文件位置，如图4.5所示：
图 5.5 文件路径选择
24 24
太原工业学院毕业设计
文件路径选择完毕后，点击START运行程序，如图4.6所示：
图5.6 选择保存路径
选择需要保存的文件路径及名称，与4.5图保持一致。修改完后点击确定。软件运行，通过声卡采集声音数据，如图5.7所示：
图5.7 运行程序
程序运行过程中，可以实时显示声音数据的波形以及频谱，如5.7图右侧两个波形图所示。
点击ＳＴＯＰ按钮，停止采集数据，并且保存数据到指定文件。此时点击回放按钮，会从指定文件中回放刚才存储的声音数据波形。如图5.8所示：
25 25
太原工业学院毕业设计
图5.7回放数据波形图
并且此时软件仍然在运行，此时点击软件停止运行按钮即可停止软件运行。
第6章 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。
在上述设计中，在实际应用过程中由于外界的干扰,经常出现波形的剧变。也因为声卡本身的缺陷，对测量信号的振幅和频率的比较高。在这个设计中,运算放大电路作为中间级已经解决了一部分波形小的问题。但对于信号源频率的测量方面来说,对万亿级别的信号源的频率测量不可能得到正确的结果。对于48 KHZ的采样频率,理论上测量信号的频率最高为24千赫。但对测量信号的各种参数要求不高时，常用的
26 26
太原工业学院毕业设计
计算机硬件声卡确实是一个不错的选择。
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。
27 27
太原工业学院毕业设计
参考文献
[1] 刘君华等.虚拟仪器图形化编程语言LABVIEW教程[M].西安：西安电子科技大学出版社，2000.4～8.
[2] 范福玲，韩建勋.基于LABVIEW的虚拟信号发生器的设计[J].中原工学院学报，2006，17(4):26～28.
[3] 马海瑞,周爱军.基于声卡的LABVIEW数据采集与分析系统设计.微计算机信息.2005,21卷,09s期
[4] 百度文库, 基于LabVIEW的声卡信号采集分析系统设计[EB/OL]. http://wenku.baidu.com/view/2847868ca0116c175f0e4b.html
[5] 候国屏,王坤,叶齐鑫编著.LabVIEW7.1编程与虚拟仪器设计.北京:清华大学出版社,2005
[6] 刘君华主编.基于LABVIEW的虚拟仪器设计.北京：电子工业出版社.2003 [7] 王剑.基于LabVIEW的数据采集及分析系统的开发.哈尔滨理工大学硕士论文.2004.3
[8] 种兰祥,张首军,阎丽.基于计算机声卡的多通道数据采集系统.西北大学学报(自然科学版) .2002,32(6):629—632
[9] Robert H.Bishop著.LabVIEW6i实用教程.北京：电子工业出版社,2003 [10] LABVIEW Function Manual. USA：National Instruments Corporation.1998 [11] Gary W Gohson. LABVIEW Graphic Programming .USA.MC Graw-Hill, 1998 [12] 陈敏,汤晓安等.虚拟仪器软件LABVEIW与数据采集.小型微型计算机系
统,2001
[13] 李莹. 基于LabVIEW的多路信号发生器软件开发.华北电力大学硕士学位论文. 2006.5
[14] 李玮. 示波器的使用与检测技巧.化学工业出版社.2008.10
[15] 戴鹏飞，王胜开, 王格芳邓编著. 测试工程与LabVIEW应用. 北京电子工业出版社，2006.05
[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
28 28
太原工业学院毕业设计
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.
29 29
太原工业学院毕业设计
致 谢
时间飞逝，转眼已经到了毕业设计结束的时间，同时也到了该对整个大学生活说再见得时刻，在这个本是应该值得对未来充满憧憬与希望的时间，我们心中却被种种的不舍所充斥。在这最后的时间里，作为学生的我，谨以一些肤浅的文字来表达我心中对培育了我四年的母校各位勤勤恳恳、负责敬业的老师以及不管在任何时刻都关心支持我的同学，表达心中最诚挚的感谢。
回想当年第一次迈进太工的校门，看到每位负责迎接我们新生的学长学姐脸上的那份发自内心的热情，我们心中那种一种远离家乡不知该如何是好的情绪就在不知不觉中被冲淡了很多。随着时间的流逝，让我对学校的良好学风，老师的认真敬业，同学之间的兄弟情义更是有了深刻的体会。在这个即将离别的时刻，首先，我要感谢的是正是我生活了四年的地方——太原工业学院。在校四年，我不仅学习到了大量有用的专业知识，利用这些所学能够让我有了日后工作生活的资本，更让我学会了如何做人，做一名对社会有用的人，一个正直诚信，励志图强并具有一定创新意识的人。
其次，我要感谢这四年中教育过我们的老师，为了我们的成长，你们付出了太多时间与心血，谢谢你们。尤其是杨辉老师，感谢杨老师能够给我做这个毕业设计的机会，让我不仅学习到了以前很多没有接触过的知识，而且培养了在日后工作中会起到很大作用的严谨的态度和自主的意识，对我日后不论是学习工作还是日常生活都肯定有着巨大的帮助。
再次，我还要感谢太原工业学院对我在此次毕业设计中给予的大力支持，一个良好的实验环境是我能顺利进行此次毕业设计的必要保证。
然后，我还感谢的那些在做毕业设计过程中对我提供帮助的各位同学，没有那些在一起的讨论与你们的即时帮助，在做毕设的过程中肯定不会像现在这般顺利。
最后，请允许我再次对我的母校、各位老师、同学说一句最诚挚的谢谢！
30 30
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容