聲卡的振動測量技術(shù)

基于PC聲卡的振動測量系統(tǒng)與技術(shù)發(fā)布日期:2008-08-02作者:蔡小華來源:微計算機信息摘要：多媒體聲卡技術(shù)的發(fā)展，使得基于聲卡的信號產(chǎn)生和數(shù)據(jù)采集成為可能。通過對振動測試系統(tǒng)的分析，提出了一套以計算機聲卡作為激勵源和采集模塊組建振動教學(xué)實驗系統(tǒng)的方案，闡述了計算機聲卡的基本原理、軟件結(jié)構(gòu)，并對系統(tǒng)中的多聲卡訪問控制技術(shù)、共享多線程技術(shù)等關(guān)鍵問題進(jìn)行了論述。關(guān)鍵詞：振動測試數(shù)據(jù)采集聲卡技術(shù)多線程1引言激振源和數(shù)據(jù)采集模塊是各種振動測試平臺或系統(tǒng)的兩個主要組成部分，在大多的振動測試系統(tǒng)中，針對系統(tǒng)的具體應(yīng)用對象和功能，都提供了專用的激振源和數(shù)據(jù)采集模塊。然而，隨著計算機技術(shù)和多媒體聲卡技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，在這些以計算機為核心的振動測試系統(tǒng)特別是振動教學(xué)實驗系統(tǒng)中，配置專用的激振源和數(shù)據(jù)采集模塊將是一種資源的浪費，計算機聲卡在很多振動測試系統(tǒng)中完全可以同時作為兩路激振源和兩路數(shù)據(jù)采集模塊。針對在科研和教學(xué)廣泛使用的振動教學(xué)實驗系統(tǒng)，采用多媒體計算機聲卡設(shè)計的兩通道激振源和雙通道數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)了聲卡左右聲道的獨立工作，不僅很好地滿足和保證了振動實驗教學(xué)的教學(xué)要求和教學(xué)效果，而且充分利用了現(xiàn)有計算機系統(tǒng)資源以及大大降低了振動教學(xué)實驗系統(tǒng)組建成本和系統(tǒng)投入。2系統(tǒng)總體方案在基于聲卡的振動教學(xué)實驗系統(tǒng)中，計算機是核心，實現(xiàn)對聲卡激勵源、功率放大器、振動臺、電荷放大器以及聲卡采集等的管理和控制，它負(fù)責(zé)每個振動實驗的過程控制、激勵信號的產(chǎn)生與數(shù)據(jù)的采集和處理，其組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)中，聲卡在計算機的控制下利用它的輸出通道實現(xiàn)振動臺激勵信號的產(chǎn)生。計算機聲卡作為音頻輸出設(shè)備的同時也是輸入設(shè)備，它的硬件結(jié)構(gòu)中有將模擬信號向數(shù)字信號轉(zhuǎn)換的A\D轉(zhuǎn)換器以及濾波部分?，F(xiàn)在主流聲卡A\D的轉(zhuǎn)換精度已經(jīng)達(dá)到16位，最高采樣頻率44.1kHz，對于信號頻率范圍一般在10Hz?44kHz的振動實驗，聲卡的輸出和輸入性能完全可以滿足激振和采集的要求。此外，現(xiàn)在聲卡一般支持立體聲，其左右聲道可以獨立控制，因此一塊聲卡就可以獨立的兩路激勵源和數(shù)據(jù)采集通道，根據(jù)系統(tǒng)的需要，通過增加聲卡可以實現(xiàn)更多路的激勵源和數(shù)據(jù)采集通道。[123]

圖1基于聲卡的振動教學(xué)實驗系統(tǒng)方框圖3多媒體聲卡技術(shù)聲卡技術(shù)是多媒體計算機中的關(guān)鍵技術(shù)之一，也基于聲卡的振動教學(xué)實驗系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)和部件之一。現(xiàn)在主流聲卡都支持立體聲，每通道有同為16位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器，標(biāo)準(zhǔn)采樣頻率有44.1kHz、22.05kHz、11.025kHz三種。[4]3.1聲卡的工作原理聲卡的工作原理如圖2所示，主要包括兩個過程：聲音信號的數(shù)字化過程和聲音信號的重構(gòu)過程。T- *Line輸出竺地段—耳腳聲器ww.hlliaifh,ijumA/D爰克風(fēng)A/DLine輸入圖2聲卡的工作原理主機通過總線控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）將麥克風(fēng)或CD的輸入音頻信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，送到計算機進(jìn)行各種處理，實現(xiàn)音頻信號的數(shù)字化的過程。同時又將數(shù)字化的音頻信號送到數(shù)模轉(zhuǎn)換器（D/A），將數(shù)字信號變成模擬的音頻信號，實現(xiàn)音頻信號的模擬輸出，即音頻信號的重構(gòu)過程。3.2聲卡的軟件結(jié)構(gòu)在Windows操作系統(tǒng)中，對聲卡的操作都是利用標(biāo)準(zhǔn)API函數(shù)進(jìn)行的，然后通過操作系統(tǒng)的MMSYSTEM標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動程序接口處理相關(guān)的音頻設(shè)備，如圖3所示。

^SYSTEM

標(biāo)準(zhǔn)APiWindows應(yīng)用程序^SYSTEM

標(biāo)準(zhǔn)APiWindows應(yīng)用程序WindowsSoundSysttan

專有多媒體消鬲MicrosoftWindows合成管理API圖3Windows環(huán)境下音頻子系統(tǒng)驅(qū)動軟件的結(jié)構(gòu)框圖MMSYSTEM庫是Windows音頻子系統(tǒng)中與設(shè)備無關(guān)的翻譯層，該庫將應(yīng)用程序與設(shè)備驅(qū)動程序隔離開，這使得應(yīng)用程序通過簡單調(diào)用MMSYSTEM庫提供的統(tǒng)一設(shè)備控制接口(MCI—MediaControlInterface)既可以實現(xiàn)對相關(guān)的各種標(biāo)準(zhǔn)多媒體設(shè)備的訪問和控制。4關(guān)鍵技術(shù)分析4.1多聲卡的訪問控制技術(shù)應(yīng)用聲卡產(chǎn)生激振信號和采集數(shù)據(jù)的過程，就是調(diào)用相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)的API音頻函數(shù)控制聲卡，通過聲卡的D\A轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換實現(xiàn)輸出相應(yīng)的波形，通過A\D轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換進(jìn)行采集數(shù)據(jù)的過程。聲卡的訪問控制主要分為對聲卡設(shè)備信息查詢、聲卡輸出控制以及聲卡輸入控制三個部分，每個部分通過相應(yīng)的API函數(shù)實現(xiàn)。在本系統(tǒng)中，由于涉及到聲卡左右聲道的獨立工作與控制問題，因此，正確有效地調(diào)用相應(yīng)的訪問控制函數(shù)也是實現(xiàn)兩通道獨立并發(fā)工作的關(guān)鍵。一個典型的聲卡訪問控制過程是：查詢音頻設(shè)備、獲取音頻設(shè)備的性能、打開音頻設(shè)備、分配音頻數(shù)據(jù)塊、準(zhǔn)備音頻數(shù)據(jù)、關(guān)閉音頻設(shè)備，整個過程由相應(yīng)的輸入、輸出函數(shù)以及相關(guān)結(jié)構(gòu)體的調(diào)用而實現(xiàn)。在計算機配置多個聲卡的系統(tǒng)中，音頻設(shè)備信息查詢是實現(xiàn)對多聲卡訪問控制的關(guān)鍵過程和步驟，與波形輸入輸出相關(guān)的API函數(shù)主要有WaveOutGetNumDevs和WaveInGetNumDevs，這兩個函數(shù)實現(xiàn)查找計算機系統(tǒng)中有效的波形輸出設(shè)備數(shù)量和波形輸入(錄制)設(shè)備的數(shù)量。通過查詢設(shè)備過程返回的相關(guān)信息，實現(xiàn)對相應(yīng)設(shè)備的訪問和控制。4.2共享多線程技術(shù)為提高系統(tǒng)并發(fā)響應(yīng)和并發(fā)控制能力，要求計算機聲卡的左右聲道具備并行工作能力，即計算機聲卡的每個聲道能作為獨立的硬件資源分配給指定的實驗和測試進(jìn)程，實現(xiàn)每個聲道激振的振動臺可以互不干擾進(jìn)行相應(yīng)的實驗和測試。[56]但在Windows系統(tǒng)條件下，聲卡作為一種硬件設(shè)備資源應(yīng)用時，一次僅可以被一個進(jìn)程打開，其左右聲道資源將被此進(jìn)程完全占有，同時其他進(jìn)程被禁止再次打開或使用此設(shè)備。比如，要在配有一個聲卡的計算機上進(jìn)行一個雙聲道的振動測試實驗，并且要求兩個聲道進(jìn)行獨立的激勵和采集，這就產(chǎn)生了一個聲卡的兩個聲道如何獨立并發(fā)工作的問題。為了解決上述問題和提高系統(tǒng)的并發(fā)能力，系統(tǒng)在計算機的設(shè)備控制模塊設(shè)計中，綜合使用共享與多線程兩項技術(shù)。共享指的就是將聲卡使用句柄實現(xiàn)共享；在共享的基礎(chǔ)上，再運用多線程技術(shù)實現(xiàn)對聲卡的左右聲道進(jìn)行獨立控制，從而使得計算機聲卡具備并發(fā)響應(yīng)和并發(fā)控制能力，進(jìn)而增強系統(tǒng)對聲卡的并發(fā)訪問控制能力［7］5結(jié)束語計算機技術(shù)和多媒體聲卡技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，基于聲卡實現(xiàn)信號發(fā)生與數(shù)據(jù)采集變得更加直接、廉價和高性能。振動教學(xué)實驗系統(tǒng)的最大的優(yōu)點就是充分地利用了計算機聲卡資源，大大地降低系統(tǒng)組建的成本；而且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，集成度高，整個系統(tǒng)只是一臺多媒體計算機加上必備的振動臺、傳感器、功率放大器、信號調(diào)理設(shè)備，即可實現(xiàn)振動測試的相關(guān)測試和實驗教學(xué)?；诼暱ǖ恼駝咏虒W(xué)實驗系統(tǒng)同時也具有很強的擴展能力，通過在計算機中增加多塊多媒體聲卡，即可實現(xiàn)多通道的信號發(fā)生與采集，進(jìn)而實現(xiàn)多振動臺、多激勵源以及多點采集的振動測試系統(tǒng)。本文作者創(chuàng)新點：在以計算機為核心的振動測試系統(tǒng)特別是振動教學(xué)實驗系統(tǒng)中，配置專用的激振源和數(shù)據(jù)采集模塊將是一種資源的浪費，本文作者以計算機聲卡作為激勵源和采集模塊組建振動教學(xué)實驗系統(tǒng)，大大地降低系統(tǒng)組建的成本；極大提高系統(tǒng)的擴展能力，實現(xiàn)多振動臺、多激勵源以及多點采集的振動測試系統(tǒng)。［參考文獻(xiàn)］［1］ 張首軍、閻麗、種蘭祥，基于計算機聲卡的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)［J］，西北大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2002Vol.32No.6［2］ 李朝林、趙正敏、崔樹青、陳良海，雙通道聲卡構(gòu)成多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)［J］，電聲技術(shù)，2002No.11［3］ 馬云升、姚曉、夏志忠，VC++下聲卡低層音頻服務(wù)的編程技術(shù)［J］，計算機應(yīng)用，2002Vol.22No.2［4］ 明德祥王躍科等，基于園區(qū)網(wǎng)的傳感器振動測試平臺遠(yuǎn)程實驗系統(tǒng)與技術(shù)［J］，北京