基于Labview的聲卡開(kāi)發(fā)教程

1、基于LabVIEW的聲卡數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)教程在虛擬儀器系統(tǒng)中，信號(hào)的輸入環(huán)節(jié)一般采用數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)。商用的數(shù)據(jù)采集卡具有完整的數(shù)據(jù)采集電路和計(jì)算機(jī)借口電路，但一般比較昂貴，計(jì)算機(jī)自帶聲卡是一個(gè)優(yōu)秀的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，它具有A/D和D/A轉(zhuǎn)換功能，不僅價(jià)格低廉，而且兼容性好、性能穩(wěn)定、通用性強(qiáng)，軟件特別是驅(qū)動(dòng)程序升級(jí)方便。如被測(cè)對(duì)象的頻率在音頻范圍內(nèi)，同時(shí)對(duì)采樣頻率要求不是太高，則可考慮利用聲卡構(gòu)建一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。1. 從數(shù)據(jù)采集的角度看聲卡1.1聲卡的作用從數(shù)據(jù)采集的角度來(lái)看，聲卡是一種音頻范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)采集卡，是計(jì)算機(jī)與外部的模擬量環(huán)境聯(lián)系的重要途徑。聲卡的主要功能包括錄制與播放、編輯和處理、

2、MIDI接口三個(gè)部分。1.2聲卡的硬件結(jié)構(gòu)圖1是一個(gè)聲卡的硬件結(jié)構(gòu)示意圖。一般聲卡有45個(gè)對(duì)外接口。圖1 聲卡的硬件結(jié)構(gòu)示意圖聲卡一般有Line In 和Mic In 兩個(gè)信號(hào)輸入，其中Line In為雙通道輸入，Mic In僅作為單通道輸入。后者可以接入較弱信號(hào)，幅值大約為0.020.2V。聲音傳感器（采用通用的麥克風(fēng)）信號(hào)可通過(guò)這個(gè)插孔連接到聲卡。若由Mic In 輸入，由于有前置放大器，容易引入噪聲且會(huì)導(dǎo)致信號(hào)過(guò)負(fù)荷，故推薦使用Line In ，其噪聲干擾小且動(dòng)態(tài)特性良好，可接入幅值約不超過(guò)1.5V的信號(hào)。另外，輸出接口有2個(gè)，分別是Wave Out和SPK Out。Wave Out（或

3、Line Out）給出的信號(hào)沒(méi)有經(jīng)過(guò)放大，需要外接功率放大器，例如可以接到有源音箱；SPK Out給出的信號(hào)是通過(guò)功率放大的信號(hào)，可以直接接到喇叭上。這些接口可以用來(lái)作為雙通道信號(hào)發(fā)生器的輸出。1.3聲卡的工作原理聲音的本質(zhì)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(yǔ)音信號(hào)與計(jì)算機(jī)的通用接口，其主要功能就是將所獲取的模擬音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過(guò)DSP音效芯片的處理，將該數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)輸出。輸入時(shí)，麥克風(fēng)或線路輸入（Line In）獲取的音頻信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行播放、錄音等各種處理；輸出時(shí)，計(jì)算機(jī)通過(guò)總線將數(shù)字化的聲音信號(hào)以PCM（脈

4、沖編碼調(diào)制）方式送到D/A轉(zhuǎn)換器，變成模擬的音頻信號(hào)，進(jìn)而通過(guò)功率放大器或線路輸出（Line Out）送到音箱等設(shè)備轉(zhuǎn)換為聲波。1.4聲卡的配置及硬件連接使用聲卡采集數(shù)據(jù)之前，首先要檢查L(zhǎng)ine In 和Mic In的設(shè)置。如圖2，打開(kāi)“音量控制”面板，在“選項(xiàng)”的下拉菜單中選擇“屬性”，得到如圖3的對(duì)話框，在此對(duì)話框上選擇“錄音”，并配置列表中的選項(xiàng)即可?？梢酝ㄟ^(guò)控制線路輸入的音量來(lái)調(diào)節(jié)輸入的信號(hào)的幅度。圖2 音量控制面板圖3 音量控制面板屬性更改及錄音控制面板聲卡測(cè)量信號(hào)的引入應(yīng)采用音頻電纜或屏蔽電纜以降低噪聲干擾。若輸入信號(hào)電平高于聲卡所規(guī)定的最大輸入電平，則應(yīng)該在聲卡輸入插孔和被測(cè)信號(hào)

5、之間配置一個(gè)衰減器，將被測(cè)信號(hào)衰減至不大于聲卡最大允許輸入電平。一般采用兩種連接線：a.一條一頭是3.5mm的插孔，另一頭是鱷魚夾的連接線；b.一條雙頭為3.5mm插孔的音頻連接線。我們也可以使用壞的立體耳機(jī)做一個(gè)雙通道的輸入線，剪去耳機(jī)，保留線和插頭即可。2. 聲卡的主要技術(shù)參數(shù)2.1采樣位數(shù)采樣位數(shù)可以理解為聲卡處理聲音的解析度。這個(gè)數(shù)值越大，解析度就越高，錄制和回放的聲音就越真實(shí)。我們首先要知道：電腦中的聲音文件是用數(shù)字0和1來(lái)表示的。所以在電腦上錄音的本質(zhì)就是把模擬聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。反之，在播放時(shí)則是把數(shù)字信號(hào)還原成模擬聲音信號(hào)輸出。聲卡的位是指聲卡在采集和播放聲音文件時(shí)所使用數(shù)

6、字聲音信號(hào)的二進(jìn)制位數(shù)。聲卡的位客觀地反映了數(shù)字聲音信號(hào)對(duì)輸入聲音信號(hào)描述的準(zhǔn)確程度。8位代表2的8次方256，16位則代表2的16次方64。比較一下，一段相同的音樂(lè)信息，16位聲卡能把它分為64個(gè)精度單位進(jìn)行處理，而8位聲卡只能處理256個(gè)精度單位，造成了較大的信號(hào)損失，最終的采樣效果自然是無(wú)法相提并論的。位數(shù)越高，在定域內(nèi)能表示的聲波振幅的數(shù)目越多，記錄的音質(zhì)也就越高。2.2采樣頻率每秒鐘采集聲音樣本的數(shù)量。采集頻率越高，記錄的聲音波形就越準(zhǔn)確，保真度就越高。但采樣數(shù)據(jù)量相應(yīng)變大，要求的存儲(chǔ)空間也越多。目前，聲卡的最高采樣頻率是44.1KHz，有些能達(dá)96KHz。一般將采樣頻率設(shè)為4擋，分

7、別是44.1KHz、22.05KHz、11.025KHz、8KHz。2.3緩沖區(qū)與一般數(shù)據(jù)采集卡不同，聲卡面臨的D/A和A/D任務(wù)通常是連續(xù)的。為了在一個(gè)簡(jiǎn)潔的結(jié)構(gòu)下較好地完成某個(gè)任務(wù)，聲卡緩沖區(qū)的設(shè)計(jì)有其獨(dú)到之處。為了節(jié)省CPU資源，計(jì)算機(jī)的CPU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都是對(duì)某一緩沖區(qū)進(jìn)行操作。一般聲卡使用的緩沖區(qū)長(zhǎng)度的默認(rèn)值是8192字節(jié)，也可以設(shè)置成8192字節(jié)或其整數(shù)倍大小的緩沖區(qū)，這樣可以較好地保證聲卡與CPU的協(xié)調(diào)工作。聲卡一般只對(duì)20Hz20KHz的音頻信號(hào)有較好的響應(yīng)，這個(gè)頻率響應(yīng)范圍已經(jīng)滿足了音頻信號(hào)測(cè)量的要求。2.4基準(zhǔn)電壓聲卡不提供

8、基準(zhǔn)電壓，因此無(wú)論是A/D還是D/A，在使用時(shí)，都需要用戶參照基準(zhǔn)電壓進(jìn)行標(biāo)定。目前一般的聲卡最高采樣頻率可達(dá)96KHz；采樣位數(shù)可達(dá)13位甚至32位；聲道數(shù)為2，即立體聲雙聲道，可同時(shí)采集兩路信號(hào)；每路輸入信號(hào)的最高頻率可達(dá)22.05KHz，輸出16為的數(shù)字音頻信號(hào)，而16位數(shù)字系統(tǒng)的信噪比可達(dá)96dB。3. LabVIEW中有關(guān)聲卡的控件介紹 利用聲卡作為聲音信號(hào)的DAQ卡，可以方便快捷地穿件一個(gè)采集聲音信號(hào)的VI。與聲音信號(hào)相關(guān)的函數(shù)節(jié)點(diǎn)位于程序框圖下【函數(shù)】選版下【編程】函數(shù)選版的【圖形與聲音】函數(shù)子選版的【聲音】函數(shù)選版的各子選版，如圖4所示圖 4 LabVIEW中聲卡控件下面主要介

9、紹【聲音】/【輸入】控件選板中相關(guān)控件的作用。配置聲音輸入 配置聲音輸入設(shè)備（聲卡）參數(shù)，用于獲取數(shù)據(jù)并且將數(shù)據(jù)傳送至緩沖區(qū)。啟動(dòng)聲音輸入采集 開(kāi)始從設(shè)備上采集數(shù)據(jù)，只有停止聲音輸入采集已經(jīng)被調(diào)用時(shí)，才需要使用該VIs。聲音輸入清零 停止聲音采集，清除緩沖區(qū)，返回到任務(wù)的默認(rèn)狀態(tài)，并且釋放與任務(wù)有關(guān)的資源。配置聲音輸出 用于配置聲音輸出設(shè)備的參數(shù)，使用“寫入聲音輸出”VI將聲音寫入設(shè)備。寫入聲音輸出 將數(shù)據(jù)寫入聲音輸出設(shè)備，如要連續(xù)寫入，必須使用配置聲音輸出VI配置設(shè)備，必須手動(dòng)選擇所需多態(tài)實(shí)例。聲音輸出清零 將任務(wù)返回到默認(rèn)的未配置狀態(tài)，并清空與任務(wù)相關(guān)的資源，任務(wù)變?yōu)闊o(wú)效。此外，還有眾多的

10、聲音文件的打開(kāi)和關(guān)閉等函數(shù)節(jié)點(diǎn)，在此不一一介紹，讀者可參考LabVIEW幫助窗口進(jìn)行了解。另外在程序框圖下【Express】下【輸入】下的【聲音采集】及【輸出】下的【播放波形】也是與聲音信號(hào)相關(guān)的函數(shù)節(jié)點(diǎn)，如圖5所示。圖 5 LabVIEW中Express下的聲卡控件4. 應(yīng)用程序舉例4.1聲音的基本采集利用聲卡采集聲音信號(hào)，其程序的基本實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖6所示。圖6 聲卡采集程序流程圖4.1.1 VIs聲音采集本案例通過(guò)采集由Line In 輸入的聲音信號(hào)，練習(xí)聲音采集的過(guò)程。操作步驟1 執(zhí)行【開(kāi)始】/【程序】/National Instruments LabVIEW8.5】命令，進(jìn)入LabVIE

11、W8.5的七棟界面。2 在啟動(dòng)界面下，執(zhí)行【文件】/【新建VI】菜單命令，創(chuàng)建一個(gè)新的VI，切換到前面板設(shè)計(jì)窗口下，移動(dòng)光標(biāo)到前面板設(shè)計(jì)區(qū)，打開(kāi)【空間】/【新式】/【圖形顯示控件】控件選板，選擇一個(gè)“波形圖”控件，放置到前面板設(shè)計(jì)區(qū)，編輯其標(biāo)簽為“聲音信號(hào)波形”并調(diào)整它的大小，如圖7所示。圖7 波形圖標(biāo)簽編輯3 切換到程序框圖設(shè)計(jì)窗口下，打開(kāi)【函數(shù)】/【編程】/【圖形與聲音】/【聲音】/【輸入】函數(shù)選板，在程序框圖設(shè)計(jì)區(qū)放置一個(gè)“配置聲音輸入”節(jié)點(diǎn)、一個(gè)“啟動(dòng)聲音輸入采集”節(jié)點(diǎn)、一個(gè)“讀取聲音輸入”節(jié)點(diǎn)、一個(gè)“停止聲音輸入采集”節(jié)點(diǎn)、一個(gè)“聲音輸入清零”節(jié)點(diǎn)，如圖8所示。圖8 聲音輸入控件4

12、移動(dòng)光標(biāo)到各節(jié)點(diǎn)上?？梢栽凇凹磿r(shí)幫助”窗口中看到各節(jié)點(diǎn)的端口及解釋。如“配置聲音輸入”節(jié)點(diǎn)，如圖9所示。圖9 “配置聲音輸入”節(jié)點(diǎn)5 分別移動(dòng)光標(biāo)到“配置聲音輸入”節(jié)點(diǎn)的“設(shè)備ID”、“聲音格式”、“采樣模式”的輸入端口上，單擊鼠標(biāo)右鍵，從彈出右鍵快捷菜單中，執(zhí)行【創(chuàng)建】/【輸入控件】菜單命令，通過(guò)端口創(chuàng)建相應(yīng)的輸入節(jié)點(diǎn)，如圖10所示。圖10 “配置聲音輸入”節(jié)點(diǎn)設(shè)置6 移動(dòng)光標(biāo)到“聲音輸入清零”節(jié)點(diǎn)的“錯(cuò)誤輸出”端口上，單擊鼠標(biāo)右鍵，從彈出的右鍵快捷菜單中執(zhí)行【創(chuàng)建】/【顯示控件】菜單命令，創(chuàng)建相應(yīng)的顯示節(jié)點(diǎn)，如圖11所示圖11 “聲音輸入清零”節(jié)點(diǎn)設(shè)置7 打開(kāi)【函數(shù)】/【編程】/【結(jié)構(gòu)】函

13、數(shù)選板，選擇“While循環(huán)”節(jié)點(diǎn)，放置到程序框圖設(shè)計(jì)區(qū)，在“While循環(huán)”的循環(huán)條件端口創(chuàng)建一個(gè)輸入控件，移動(dòng)光標(biāo)到“While循環(huán)”的循環(huán)條件節(jié)點(diǎn)的輸入端，單擊鼠標(biāo)右鍵，從彈出的右鍵快捷菜單中執(zhí)行【創(chuàng)建】/【輸入控件】菜單命令，創(chuàng)建相應(yīng)的輸入節(jié)點(diǎn)，并按圖12所示，完成程序框圖的設(shè)計(jì)。圖12 程序框圖的設(shè)計(jì)8 切換設(shè)計(jì)界面到前面板，可以看到與程序框圖設(shè)計(jì)區(qū)節(jié)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的控件對(duì)象，調(diào)整它們的大小和位置，美化界面。9 單擊工具欄上程序運(yùn)行按鈕，并對(duì)著傳聲器輸入語(yǔ)音或一段音樂(lè)，即可在波形圖空間中查看聲音信號(hào)的波形，其中的一個(gè)運(yùn)行界面如圖13所示。圖13 程序運(yùn)行界面4.1.2 Express VI

14、s聲音信號(hào)采集本案例通過(guò)將采集到的聲音信號(hào)顯示在波形圖中來(lái)學(xué)習(xí)“Expree輸入”中“聲音采集”函數(shù)的應(yīng)用。在練習(xí)的過(guò)程中，注意比較與“編程”中“聲音輸入”函數(shù)的異同。操作步驟1 創(chuàng)建一個(gè)新的VI，切換到前面板設(shè)計(jì)窗口下，在前面板設(shè)計(jì)區(qū)放置一個(gè)“波形圖”，編輯其標(biāo)簽為“聲音信號(hào)波形”并調(diào)整它的大小。2 切換到程序框圖設(shè)計(jì)窗口下，打開(kāi)【Express】/【輸入】函數(shù)選板，在程序框圖設(shè)計(jì)區(qū)放置一個(gè)“聲音采集”函數(shù)節(jié)點(diǎn)，并按圖14所示設(shè)置各參數(shù)值。圖14 配置聲音采集設(shè)置面板3 移動(dòng)光標(biāo)到“聲音采集”節(jié)點(diǎn)上，可以看到各端口的解釋，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的輸入端“采樣率”、“設(shè)備”、“通道數(shù)量”、“分辨率”及“持續(xù)

15、時(shí)間”端口，創(chuàng)建相應(yīng)的輸入控件，如圖15所示圖15 Express中聲音采集控件及其設(shè)置4 在程序框圖設(shè)計(jì)區(qū)放置一個(gè)“While循環(huán)”節(jié)點(diǎn)，并按圖16完成程序框圖的設(shè)計(jì)。圖16 程序框圖設(shè)計(jì)5 切換到前面板設(shè)計(jì)窗口下，調(diào)整各空間的大小和位置，并設(shè)置輸入控件的輸入?yún)?shù)，然后單擊前面板工具欄上程序運(yùn)行按鈕，開(kāi)始運(yùn)行程序，并對(duì)著傳聲器輸入語(yǔ)音或一段音樂(lè)，即可在波形圖空間中查看聲音信號(hào)的波形，其中的一個(gè)運(yùn)行界面如圖17所示。圖17 程序運(yùn)行界面4.2雙蹤示波器圖18、19是一個(gè)用聲卡實(shí)現(xiàn)的雙蹤示波器，它可以實(shí)現(xiàn)測(cè)試信號(hào)波形、單頻測(cè)量等。圖18 用聲卡實(shí)現(xiàn)的雙蹤示波器界面圖19 雙蹤示波器程序框圖設(shè)計(jì)以

16、上程序框圖通過(guò)不同的條件結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)不同的控制。在程序設(shè)計(jì)中，利用【函數(shù)】/【Express】/【信號(hào)操作】函數(shù)面板中 “拆分信號(hào)”節(jié)點(diǎn)，如圖20所示。 圖 20 “拆分信號(hào)”節(jié)點(diǎn)由于由Line In 采集到的聲音信號(hào)，其左右聲道的聲音信號(hào)是并接的，利用“拆分信號(hào)”節(jié)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)不同聲道信號(hào)分離的目的，以達(dá)到對(duì)不同聲道信號(hào)進(jìn)行不同操作如增益、幅度改變等。由于直接由“讀取聲音輸入”節(jié)點(diǎn)輸入的聲音實(shí)則是動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，要對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行增益等的控制，必須進(jìn)行數(shù)據(jù)類型的轉(zhuǎn)化，在本設(shè)計(jì)中，采用“從動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換”節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)目的，如圖21所示。圖21 “從動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換”節(jié)點(diǎn)4.3基本信號(hào)發(fā)生器圖22是一個(gè)用聲卡實(shí)現(xiàn)

17、的基本信號(hào)發(fā)生器，它可以產(chǎn)生正弦波、矩形波等，并實(shí)現(xiàn)頻率、幅值等的控制。圖22 基本信號(hào)發(fā)生器界面圖23為基本信號(hào)發(fā)生器的程序框圖設(shè)計(jì)圖23 基本信號(hào)發(fā)生器程序框圖設(shè)計(jì)在本程序的設(shè)計(jì)中，首先應(yīng)該注意到，采用程序框圖設(shè)計(jì)窗口下【函數(shù)】/【編程】/【圖形與聲音】/【聲音】/【輸出】控件面板的相應(yīng)節(jié)點(diǎn)控件，并跟“輸入”控件相類似地進(jìn)行設(shè)置。為實(shí)現(xiàn)在運(yùn)行界面當(dāng)中選擇產(chǎn)生不同的波形，我們利用到前面板設(shè)計(jì)窗口下【空間】/【新式】/【下拉列表與枚舉】空間選板中的“枚舉”控件，如圖24所示。圖24 【枚舉】控件 移動(dòng)光標(biāo)到前面板設(shè)置的“枚舉”控件上，單擊鼠標(biāo)右鍵，執(zhí)行彈出的快捷菜單【屬性】命令，打開(kāi)【枚舉屬性】對(duì)話框，切換到“編輯項(xiàng)”選項(xiàng)卡，按圖25所示對(duì)枚舉項(xiàng)進(jìn)行編輯。圖25 【枚舉屬性】編輯項(xiàng)的編輯在程序框圖設(shè)計(jì)區(qū)，將“枚舉”節(jié)點(diǎn)作為【條件結(jié)構(gòu)】的條件，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)連接后，可以看到條件結(jié)構(gòu)的“條件選擇標(biāo)簽”的條件選擇變?yōu)椤罢也ā薄ⅰ胺讲ā?，且“正弦波”為默認(rèn)條件，如圖26所示。圖26 “條件結(jié)構(gòu)”的連接移動(dòng)光標(biāo)到條件結(jié)構(gòu)的“選擇器標(biāo)簽”上，單擊鼠標(biāo)右鍵，從彈出的右鍵快捷菜單中，執(zhí)行【為每個(gè)值添加分支】菜單命令，命令執(zhí)行后，從條件結(jié)構(gòu)