基于labview的声卡数据采集系统设计毕业设计(论文)(编辑修改稿)

基于labview的声卡数据采集系统设计毕业设计(论文)(编辑修改稿)内容摘要：

在软件的支持下，利用 PC机 CPU 的强大的数据处理功能来完成，使得基于虚拟仪器的测试系统的测试精度、速度大为提高，实现自动化、智能化、多任务测量。 (7）可方便地存贮和交换测试数据，测试结果的表达方式更加丰富多样。 (8）虚拟仪器在高性价比的条件下， 降低系统开发和维护费用，缩短技术更新周期。 表 11 虚拟仪器与传统仪器的比较 虚拟仪器 传统仪器 开发维护费用低 开发维护费用高 技术更新周期短（ ～ 1 年） 技术更新周期短（ 5～ 10 年） 软件是关键 硬件是关键 价格低 价格昂贵 开放、灵活与计算机同步，可重复用和重配置 固定 可用网络联络周边各仪器 只可连有限的设备 自动化、智能化、多功能、远距离传输 功能单一，操作不便 虚拟仪器测试系统的组成 虚拟仪器是基于计算机的仪器。 计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。 这种结合基本有两种方式，一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。 随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统的仪器。 另一种方式是将仪器装入计算机。 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 12 所示。 高凡：基于 Labview 的声卡数据采集系统设计 10 采 集 与 控 制插 入 式 数 据 采 集 板G P I B 仪 器V X I / P X I 仪 器R S 2 3 2 仪 器数 据 分 析 和 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 图 12 虚拟仪器的内部功能的划分 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。 虚拟仪器的软件结构 虚拟仪器技术的核心是软件，其软件基本结构如图 13 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。 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。 硬 件 驱 动 程 序数 据 处 理用 户 界 面 图 13 虚拟仪器软件结构 虚拟仪器的开发软件 虚拟仪器的开发语言 20xx 届电子信息工程毕业论文（论文） 11 虚拟仪器系统的开发语言有：标准 C， Visual C++ ， Visual Basic 等通用程序开发语言。 但直接由这些语言开发虚拟仪器系统，是有相当难度的。 除了要花大量时间进行测试系统面板设计外 ，还要编制大量的设备驱动程序和底层控制程序。 这样直接影响了系统开发的周期和性能。 除了通用程序开发语言以外，还有一些专用的虚拟仪器开发语言和软件，如 LabVIEW。 LabVIEW 采用图形化编程方案，是非常实用的开发软件。 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，它被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、 RS232 和 RS485 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。 利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都更加形象化。 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 ，可产生独立运行的可执行文件，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。 基于 LabVIEW 平台的虚拟仪器程序设计 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，这一界面上有用户输入和显示输出两类对象，具体表现有开关、旋钮、图形以及其他控制和显示对象。 但并非画出两个控件后程序就可以运行，在前面板后还有一个与之对应的流程图。 (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。 高凡：基于 Labview 的声卡数据采集系统设计 12 数据采集卡 在当今高速发展的时代，人们对数据采集系统的要求也越来越高，数据采集领域正在发生着重要的发展与变化。 而数据采集系统主要是通过数据采集卡对外部信号进行采集，因此，数据采集卡的更新换代对数据采集系统起着重大的影响。 数据采集板卡的性能与众多因素相关，要根据具体情况来具体分析。 所以在选择数据采集卡构成系 统时，首先必须对数据采集卡的性能指标有所了解。 数据采集卡的主要性能指标 (1）采样频率 采样频率的高低，决定了在一定时间内获取原始信号信息的多少，为了能够较好的再现原始信号，不产生波形失真，采样率必须要足够高才行。 根据奈奎斯特理论采样频率至少是原信号的两倍，但实际中，一般都需要 5～ 10 倍。 (2）采样方法 采集卡通常都有好几个数据通道，如果所有的数据通道都轮流使用同一个放大器和 A/D 转换器，要比每个通道单独使用各自的经济的多，但这仅适用于对时间不是很重要的场合。 如果采样系统对时间要求严格，则必须同时 采集，这就需要每个通道都有自己的放大和 A/D 转换器。 但是处于成本的考虑，现在普遍流行的是各个数据通道公用一套放大器和 A/D 转换器。 (3）分辨率 ADC 的位数越多，分辨率就越高，可区分的电压就越小。 例如，三位的 A/D 转换把模拟电压范围分成 23=8 段，每段用二进制代码在 000到 111 之间表示。 因而，数字信号不能真实地反映原始信号，因为一部分信息被漏掉了。 如果增加到十二位，代码数从 8 增加到 212=4096，这样就可以获得就能获得十分精确的模拟信号数字化表示。 (4）电压动态范围 电压范围指 ADC 能扫描到的最高和 最低电压。 一般最好能够使进入采集卡的电压范围刚好与其符合，以便利用其可靠的分辨率范围。 例如，一个 12 位多功能 DAQ 卡，其可选的范围从 0 到 10V，或－ 5 到＋ 5V，其可选增益有 1， 2， 5， 10， 20， 50或 100。 电压取值范围从 0 到 10V，增益为 50， 则理想分辩电压是： 1210 V50 * 2V  μ (5） I/O 通道数 该参数表明了数据采集卡所能够采集的最多的信号路数。 20xx 届电子信息工程毕业论文（论文） 13 数据采集卡 (DAQ 卡 )的组成 (1）多路开关。 将各路信号轮流切换至放大器的输入端，实现多参数多路信号的分时采集。 (2）放大器。 将切换进入采集卡的信号放大至需要的量程内。 通常中的放大器都是增益可调的，使用者可根据需要来选择不同的增益倍数。 (3）采样保持器。 把采集到的信号瞬间值，保持在 A/D 转换的过程中不变化。 (4） A/D 转换器。 将模拟的输入信号转化为数字量输出，完成信号幅值的量化。 目前，通常将采样保持器和 A/D 转换器集成在同一块芯片上。 以上四个部分是数据采集卡的重要组成部分，与其他的电路如定时 /计数器、总线接口等电路仪器组成 DAQ。 数据采集 卡 的现状 目前市场上的数据采集 卡 大致有以下几个类别 ： USB 数据 采集卡、 PCI 数据采集卡、 PCI 高速数据采集卡、无线数据采集卡、 PXI 数据采集卡、 PXI 高速数据采集卡 、 NI PCI6221 数据采集卡 等。 其中 USB 是最新技术的数据采集卡，具有精度高，可携性好等优点，它能充分地利用计算机的资源，大大增加了测试系统的灵活性和扩展性。 PXI(PCI eXtension For Instrumentation)是 Compact PCI 总线在仪器领域的扩展，是一种新的开放性、模块化仪器总线规范。 PXI 是在 PCI 内核技术上增加了成熟的技术规范和要求形成的。 PXI增加了用于多个板卡 同步的触发总线和 10MHz 参考时钟、用于精确定时的星形触发总线，以及用于相邻模块间高速通信的局部总线等。 NI PCI6221 是 NI 公司的 M 系列多功能数据采集卡，采用的是一个 A/D 转换器，虽然是多路采集，实际上是分时工作的，所有在多路同时工作时采样率会成倍降低。 这些数据采集卡 种类繁多， 有着各自的优点， 但却有着普遍的共同点，那就是价格高昂，成本过高 ，这对于设计一个简而易用的数据采集系统而言负担过重。 高凡：基于 Labview 的声卡数据采集系统设计 14 第二章 声卡 数据采集系统的 结构 与普通数据采集卡不同的是，声卡自身已带有前置放大器，能直接接受比较微弱的信号，例 如来自话筒的信号，同时相对其他数据采集卡而言， 声卡 本身已经 具有 模数转换（ ADC） 和 数模转换（ DAC）的 功能，无需另外增加 A/D 转换硬件即可实现对信号的数模转换，而且，声卡 作为数据采集系统的数据采集卡 还 具有着成本低、信号接收能力强等优点。 声卡数据采集系统的结构 采集系统的硬件 结构 声卡 数据采集系统的硬件组成如图 21 所示。 根据 传感器 选择相应的 信号调理仪器。 信号 处理与 记录采用计算机，计算机内置的声卡作为 A/D转换设备。 由于声卡是计算机的标准配置，有成熟的驱动程序和操作系统配合，因此无需考虑软硬件方 面的兼容问题，在跨操作系统平台时也不存在程序的移植问题。 图 21 声卡 数据采集系统的硬件组成 采集系统的软件 采集系统软件分为数据采集和数据分析两大部分，利用 LabVIEW 编制。 LabVIEW 采用图形化开发环境，以数据流驱动程序的运行。 传感器 信号调理 程 控 放 大 A / D 转 换 器 采样 / 保持器 计算机 被测物理量 声卡 信号处理、记录 20xx 届电子信息工程毕业论文（论文） 15 PC 机 虚拟仪器就是 利 用计算机强大的数据处理能力代替以往需要硬件电路才能完成的功能，所以数据采集系统软件运行的计算机平台的选择至关重要。 本课题所选用的计算机型号为联想 3000 G430。 相关配置： 处理器： Intel (R) Pentium (R) Dual CPU T3400 @ 内存： 1GB 硬盘： 250GB 显卡： 512M 声卡 声卡 (Sound Card)：声卡是实现 模拟信号和 数字信号相互转换的一种硬件。 声卡的 麦克风和喇叭所用的都是模拟信号，而电脑所能处理的都是数字信号，两者不能混用，声卡的作用就是实现两者的转换。 从结构上分，声卡可分为模数转换电路和数模转换电路两部分 ,模数转换电路负责将输入设备采到的信号转换为电脑能处理的数字信号；而数模转换电路负责将电脑使用的数字信号转换为模拟信号。 声音卡的产品虽然比较多，但其基本组成是一样的。 主要有：输入输出 端口 、 总线连接端口、功率放大芯片 、 DSP 处理 芯片 等。 DSP 处理芯片 DSP 处理芯片基本上决定了声卡的性能和。