基于LabVIEW聲卡的數(shù)據(jù)采集
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摘 要
當(dāng)今，科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)測(cè)量技術(shù)的要求越來(lái)越高,并且測(cè)量技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。本文采用虛擬儀器的思想，結(jié)合計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了一種以計(jì)算機(jī)為平臺(tái)，基于聲卡數(shù)據(jù)采集、顯示與分析的虛擬儀器系統(tǒng)。介紹了聲卡數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的制作要點(diǎn)，運(yùn)用LabVIEW程序開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，在普通配備有聲卡的計(jì)算機(jī)上，實(shí)現(xiàn)了雙通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：系統(tǒng)能夠正確采集聲卡設(shè)計(jì)頻率內(nèi)的信號(hào)，可用于該范圍內(nèi)的一般數(shù)據(jù)采集與應(yīng)用。此方法生成的采集軟件交互性好，性價(jià)比高，且實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，還可以根據(jù)用戶的需求進(jìn)行功能擴(kuò)充，為低成本構(gòu)建數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供了一種思路。在LabVIEW環(huán)境中簡(jiǎn)單、界面友好、實(shí)現(xiàn)了音頻信號(hào)的采集分析及數(shù)據(jù)存盤(pán)重載。可以推廣到語(yǔ)音識(shí)別、環(huán)境噪聲監(jiān)測(cè)和實(shí)驗(yàn)室測(cè)量等多種領(lǐng)域，應(yīng)用前景廣闊。
關(guān)鍵詞：LabVIEW；聲卡；數(shù)據(jù)采集；虛擬儀器；信號(hào)分析
Abstract
Today, with the development of science and technology, the requirement measurement technology is getting more and more important. The application electronic measurement technology has extended to more fields than before.the paper design a data acquisition, signal analysis and virtual instrument system based on computer. Introduced the sound card data acquisition system manufacture main point, utilizes the LabVIEW procedure development system, has a Cardin the ordinary equipment on the computer, has realized double channel data acquisition system.
Experiment results prove that the system can acquire signals in the frequency range designed for sound card correctly, and can be applied in the domains of data acquisitions and general analysis. In the range of voice frequency, data saving and overloading is successful in LabVIEW .If more sound cards configured in a PC,it`s feasible to build a muli-channel real-time DAQ system with high SNR.With broad application prospect, this solution can be extended to the field of speech recognition,embient noise monitoring and laboratory measurement etc.
Key words: LabVIEW; Date acquisitions; Sound card; Virtual instrument; Signal analysis
目 錄
中 文 摘 要 Ⅰ
英 文 摘 要 Ⅱ
第一章 緒論 1
1.1 問(wèn)題的提出 1
1.2 虛擬儀器LabVIEW的概述 1
1.2.1虛擬儀器的產(chǎn)生 3
1.2.2 虛擬儀器概念 3
1.2.3虛擬儀器的構(gòu)成 4
1.2.4虛擬儀器的優(yōu)點(diǎn) 5
1.3 基于LabVIEW和聲卡數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展動(dòng)態(tài) 5
1.3.1 LabVIEW前景展望 5
1.3.2 聲卡與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展動(dòng)態(tài) 6
1.3.3 國(guó)外虛擬儀器的現(xiàn)狀 6
1.3.4 國(guó)內(nèi)虛擬儀器的現(xiàn)狀 7
1.3.5 虛擬儀器的發(fā)展趨勢(shì) 8
1.4 本課題研究意義 10
1.5 本次設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 10
第二章 基于聲卡數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案 12
2.1 硬件的選擇 12
2.2 軟件的實(shí)現(xiàn) 12
第三章 LabVIEW編程環(huán)境介紹 14
3.1 LabVIEW簡(jiǎn)介 14
3.2 圖形化的編程環(huán)境 14
3.2.1 G語(yǔ)言簡(jiǎn)述 14
3.2.2 LabVIEW程序組成 15
3.2.3 LabVIEW的操作模板 16
3.3 聲卡設(shè)置模塊 20
3.4 虛擬儀器創(chuàng)建過(guò)程 21
第四章 聲卡 22
4.1 從數(shù)據(jù)采集角度認(rèn)識(shí)聲卡 22
4.1.1聲卡工作原理及性能指標(biāo) 22
4.1.2聲卡的作用 23
4.1.3 聲卡的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 23
4.1.4 聲卡的軟件設(shè)計(jì) 25
4.2 聲卡的主要技術(shù)參數(shù) 26
4.2.1 采樣的位數(shù) 26
4.2.2 采樣頻率 26
4.2.3 緩沖區(qū) 26
4.2.4 沒(méi)有基準(zhǔn)電壓 27
4.3 聲卡用于數(shù)據(jù)采集時(shí)的一些設(shè)置 27
第五章 數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)采集卡 29
5.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成 29
5.2 數(shù)據(jù)采集卡 30
5.2.1 數(shù)據(jù)采集卡的功能簡(jiǎn)介 30
5.2.2 數(shù)據(jù)采集卡的軟件配置 30
5.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的測(cè)試與分析 32
第六章 波形顯示及其采樣 34
6.1 波形輸入設(shè)備 34
6.2 輸入緩沖區(qū)的分配和管理 34
6.3 波形的顯示 35
6.4 數(shù)據(jù)的存儲(chǔ) 35
6.5 波形輸入設(shè)備的停止與關(guān)閉 37
第七章 信號(hào)分析與處理 39
7.1 概述 39
7.2 信號(hào)的產(chǎn)生 41
7.3 標(biāo)準(zhǔn)頻率 43
7.4 數(shù)字信號(hào)處理 43
7.4.1 FFT變換 43
7.4.2 單邊、雙邊FFT 45
7-5 諧波失真與頻譜分析 46
7-6 數(shù)字濾波 48
7-7 IIR和FIR濾波器 50
7.8 信號(hào)分析與處理模塊程序 51
第八章 結(jié)束語(yǔ) 54
參考文獻(xiàn) 55
致 謝 56
附圖 57
第一章 緒論
1.1 問(wèn)題的提出
現(xiàn)代科技發(fā)展日新月異，計(jì)算機(jī)尤其如此。計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的處理能力，使得它成為一種很好的工具，其應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣泛。雖然傳統(tǒng)儀器已經(jīng)得到迅猛的發(fā)展，儀器精度越來(lái)越高，功能越來(lái)越強(qiáng)，性能越來(lái)越好，但傳統(tǒng)儀器基本上沒(méi)有擺脫單獨(dú)使用、手動(dòng)操作的模式。在工業(yè)自動(dòng)化測(cè)試及測(cè)量領(lǐng)域，傳統(tǒng)的方法有許多重復(fù)建設(shè)，使用起來(lái)很不方便，其局限性非常明顯，顯然己經(jīng)不能適應(yīng)時(shí)代發(fā)展的需要了。傳統(tǒng)臺(tái)式儀器是由廠家設(shè)計(jì)并定義好功能的一個(gè)封閉結(jié)構(gòu)，它有固定的輸人/輸出接口和儀器操作面板。每種儀器只能實(shí)現(xiàn)一類特定的測(cè)量功能，并以確定的方式提供給用戶。常用的數(shù)字示波器、數(shù)字萬(wàn)用表、信號(hào)發(fā)生器、數(shù)據(jù)記錄儀及溫度和壓力監(jiān)控器就是傳統(tǒng)儀器的代表。
一方面，目前我國(guó)高檔臺(tái)式儀器如數(shù)字示波器、頻譜分析儀、邏輯分析儀等還主要依賴進(jìn)口，這些儀器加工工藝復(fù)雜、對(duì)制造水平要求高，生產(chǎn)突破有困難。另一方面，用戶可以將一些先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理算法應(yīng)用于虛擬儀器的設(shè)計(jì)，提供傳統(tǒng)臺(tái)式儀器所不具備的功能，而且完全可以通過(guò)軟件配置實(shí)現(xiàn)多功能集成的儀器設(shè)計(jì)。因此，目前研制一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、生產(chǎn)技術(shù)要求不高、費(fèi)用低的數(shù)字示波器是非常必要的。如何利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)提高效率則成為測(cè)量領(lǐng)域迫切需要解決的問(wèn)題。
LabVIEW（laboratory virtual instrument engineering workbench）是美國(guó)NI公司具有革命性的圖形化編程語(yǔ)言和虛擬儀器開(kāi)發(fā)環(huán)境，它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究試驗(yàn)室所接受，被公認(rèn)為是標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。LabVIEW不僅提供了與遵從GPIB，VXI，RS-232和RS-485協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通行的全部功能，還內(nèi)置了支持TCP/IP，ActiveX等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫(kù)函數(shù)，而且其圖形化的編程界面使編程過(guò)程變的有趣生動(dòng)。LabVIEW是一個(gè)功能強(qiáng)大且靈活的軟件，利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器。以LabVIEW為代表的圖形化程序語(yǔ)言，又稱為“G”語(yǔ)言。使用這種語(yǔ)言編程語(yǔ)言時(shí)，基本上不需要編寫(xiě)程序代碼，而是“繪制”程序流程圖。LabVIEW盡可能利用工程技術(shù)人員構(gòu)建自己的科學(xué)和工程系統(tǒng)能力，可為實(shí)現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供便捷途徑。
1.2 虛擬儀器LabVIEW的概述
LabVIEW7.1版本增加的Express技術(shù)，簡(jiǎn)化了測(cè)試測(cè)量應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)進(jìn)程，其靈活性的交互式VI易與各種范圍的I/O信號(hào)連接，用戶甚至只需要點(diǎn)擊鼠標(biāo)配置應(yīng)用系統(tǒng)，即可完成搭建工作并開(kāi)始運(yùn)行。通過(guò)簡(jiǎn)單地修改Express VI的配置，可以快速的反復(fù)修改應(yīng)用程序以適應(yīng)新的測(cè)試測(cè)量需求。
虛擬儀器（virtual instrument）是基于計(jì)算機(jī)的儀器計(jì)算機(jī)和儀器的密切結(jié)合是目前儀器發(fā)展的一個(gè)重要方向。簡(jiǎn)單的說(shuō)，這種結(jié)合有兩種方式。一種方式是將計(jì)算機(jī)裝入儀器，其典型的例子就是所謂智能化的儀器。隨著計(jì)算機(jī)功能的日益強(qiáng)大以及其體積的日趨縮小，這類儀器的功能也越來(lái)越強(qiáng)大，目前已經(jīng)出現(xiàn)含有嵌入式系統(tǒng)的儀器。另一種方式是將儀器裝入計(jì)算機(jī)，以通用的計(jì)算機(jī)硬件及操作系統(tǒng)為依托，實(shí)現(xiàn)各種儀器功能。虛擬儀器主要是指這種方式。如圖1-1反映了常見(jiàn)的虛擬儀器組建方案。
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