基于LabVIEW和声卡的音频信号采集与分析系统设计

张岩文

（石河子大学师范学院 ，新疆 石河子 832003）

基于LabVIEW和声卡的音频信号采集与分析系统设计

张岩文

（石河子大学师范学院 ，新疆 石河子 832003）

详细介绍了系统的开发背景，软件结构和特点，系统地分析了数据采集硬件和软件设计技术，在此基础上以声卡为数据采集卡，以LabVIEW为开发平台设计了音频信号采集与分析系统。这种系统具有界面友好，维护简单等优点。系统不但可以实现对音频信号进行采集，还可以对采集的信号进行分析和保存。可以根据需要改变系统的功能，具有很好的教学实验效果。

虚拟仪器；LabVIEW；数据采集；声卡

虚拟仪器始于上世纪90年代初，是基于计算机的仪器，是计算机与仪器紧密结合的产物［1］。在虚拟仪器系统中，用灵活强大的计算机软件代替传统仪器的某些硬件，从而使传统仪器中的一些硬件甚至整台仪器从系统中消失，而由计算机的软件资源来完成它们的功能。利用计算机设计实现的虚拟仪器与传统仪器有很大的差别，传统仪器都有固定的功能，由仪器生产厂商定义，而虚拟仪器的功能完全由用户来定义，利用计算机的图形环境，编制各种应用软件，建立用户自己的虚拟仪器面板，并由软件完成对仪器的控制、数据分析与显示。虚拟仪器能仿真整个测试系统并能实现数据的采集、分析、处理、显示和存储［2］。一个传统的测试实验需要很多的仪器、仪表，占用空间多，实验接线复杂，调试不方便，读数误差大，实验时间长，生成实验报告过程繁琐。而使用虚拟仪器操作同样的实验则快速、准确、方便、灵活，消除了人为因素对测量精度带来的影响。实际应用中还可随时通过修改计算机软件，改变仪器的功能。所以说虚拟仪器是未来仪表仪器发展的一个重要方向［3］。

目前在这一领域内，使用较为广泛的计算机语言是美国NI公司的LabVIEW。它是一款功能强大的可视化编程语言，被广泛应用于仪器控制、数据采集，以及复杂的测试和数据处理中，在信号采集领域更是被视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。美国的许多大学已经将Lab－VIEW作为必须的教学内容，成为工程师素质培养的一个方面［4］。

大部分虚拟仪器都是基于数据采集卡，如NI公司的E系列数据采集卡、研华的数据采集卡等，这些卡价格均比较昂贵。在采样频率要求不高的情况下，用普通的计算机声卡代替商用数据采集卡，利用声卡的DSP技术和LabVIEW的多线程技术实现音频信号的数据采集，开发基于PC机声卡的虚拟音频信号分析仪。该系统能够正确采集声卡设计频率范围内的信号，实现音频信号时域分析和频谱分析功能［5］。由于计算机在各个高校已经普及，采用声卡研制虚拟仪器能以很低的成本、在较短的时间内更新和扩充实验室设备，在全新的实验平台上开发综合性和设计性的实验。

利用普通声卡作为数据采集卡，以Lab-VIEW作为软件开发平台，搭建一套音频信号测试与分析系统，实现音频信号时域分析和频谱分析功能。该分析仪具有波形显示功能和频谱分析功能，即具有示波器和频谱分析仪的基本功能。

1 实验内容和方法

在LabVIEW平台下利用声卡采集功能实现音频信号采集分析系统。设计的数字音频信号分析仪具备3个功能：示波器、频谱分析仪和系统设置。示波器的前面板中包含实时波形显示窗口，可以显示实时采样波形和滤波后信号波形及加窗后信号波形。系统设置可以设置声卡的采样频率和采样位数，同时可以设置缓冲区的容量。频谱分析仪面板中，采用FFT算法完成自功率谱分析。通过图形窗口的选择、单位的选择、坐标显示模式的选择等参数设置，显示信号的自功率谱。还可以显示频谱分析测量的音频信号的最大值和信号基频。

1.1 虚拟仪器创建过程

创建虚拟仪器的过程分为四步：

（1）创建前面板。前面板是图形化用户界面，用于设置输入数值和观察输出量。它模仿了实际仪器的面板。前面板包含了旋钮、按钮、图形和其他控制与显示对象。通过鼠标和键盘输入数据、控制按钮，也可在计算机显示器上直接观看结果。

（2）创建框图程序。切换到框图程序窗口，根据需要在功能模板中找到所需的节点，并将节点图标放置到框图程序窗口。用数据连线将这些端口和节点的图标连接起来，形成一个完整的框图程序。

（3）创建图标。一个虚拟仪器的图标/连接端口就象一个图形（表示某一虚拟仪器）的参数列表。图标和连接允许将此仪器作为最高级的程序，也可以作为其它程序或子程序中的子程序（子仪器）。

（4）运行和调试程序。在LabVIEW中，如果一个VI程序存在语法错误，则在面板工具条上的运行按钮将会变成一个折断的箭头，表示程序不能被执行。

1.2 声卡工作原理

声卡作为语音信号与计算机的通用接口，其主要功能就是实现模拟信号和数字信号之间的转换（A/D转换）。衡量声卡的技术指标包括采样频率、采样位数（即量化精度）、声道数、信噪比（SNR）和总谐波失真（THD）等参数。目前一般的声卡最高采样频率可达96KHz；采样位数可达16位甚至32位；声道数为2，可同时采集两路信号，需要时还可选用多路输入的高档声卡或配置多块声卡；每路输入信号的最高频率可达22.05KHz，输出16位的数字音频信号，信噪比可达96dB。对于工程测试，教学实验等用途而言，其各项指标均可以满足要求［6］。

1.3 系统功能设计

1.3.1 系统的硬件设计

声卡一般有Line In和Mic In两个信号输人插孔，信号可通过这两个插孔连接到声卡。若由Mie In输入，由于有前置放大器，容易引入噪声且会导致信号过负荷，而使用Line In，其噪声干扰小且动态特性良好。因此项目拟使用麦克风作为声音传感器，通过Line In插孔输入［7］。

1.3.2 系统的软件设计

在LabVIEW 的Graphics＆Sound模块下，提供了声卡的相关VIs，如SI Config、SI Start、SI Read、SI Stop等，借此即可实现对声卡的控制［8］。其基本流程为设置－采集－读数－停止。当设定好声卡的设备ID、音频格式、采样模式和采样点数后，启动声卡开始采集，获取的数据通过DMA方式存至指定缓冲区，然后一路用于波形显示，另一路则用于文件存储［9］。因此本软件分成了如下几个模块进行设计：

1.3.2.1 声卡配置模块

声卡参数配置模块可以根据自己的需要对采样频率、采集方式等参数进行设计，设置完毕后点击“设置完毕”按钮，即可完成音频信号采集参数的设置，本模块默认设置采样频率为44.1KHz，采样位数为16位，采样方式为单声道。

1.3.2.2 数据采集模块

数据采集模块根据用户设置的声音格式从声卡获得数据。LabVIEW下提供了声卡信号采集的函数，因此本模块直接调用LabVIEW的函数［10］。整个程序采用while循环和事件结构控制。为便于后续的处理和用户查看，本模块还具备了数据保存的功能。

图1 基于LabVIEW和声卡的音频信号采集与分析系统示意图

2 LabVIEW平台设计开发的音频信号采集分析系统

基于LabVIEW平台设计开发了音频信号采集分析系统，具有信号采集、分析、波形显示、存储以及数据文件再调用分析等功能，见图2～图4。

图2 声音输入面板

图3 声音播放面板

图4 读取声音面板

3 结束语

上述过程设计的信号分析系统具有数据采集、波形显示与保存、滤波、加窗、参数测量、数据分析、存储以及数据文件再调用分析等功能，基本上满足了音频信号分析和实验教学的需要。

［1］裘伟廷.基于LabVIEW 的虚拟仪器和虚拟实验［J］.现代科学仪器，2002（3）：20-23.

［2］何光宏，陶纯匡.虚拟现实、虚拟仪器及其对大学物理实验室建设的影响［J］.大学物理实验，2003，16（2）：17-21.

［3］郝张红，刘先勇.基于声卡的音频信号采集与处理［J］.微计算机信息，2007（23）：98-99.

［4］赵贤凌，田启川.声卡在虚拟仪器采集系统中的应用［J］.科技情报检索与开发，2008（8）：146-148.

［5］侯国屏等.LabVIEW8.1编程与虚拟仪器设计［M］.北京：清华大学出版社，2005.

［6］陈锡辉，张银鸿.LabVIEW8.2程序设计从入门到精通［M］.北京：清华大学出版社，2007.

［7］金赞，孙晶.基于声卡的虚拟双踪数字存储示波器［J］.仪器仪表用户，2008（15）：42-43.

［8］冯尔理，周开利.基于虚拟仪器的电子实验平台设计［J］.海南大学学报：自然科学版，2007（7）：217-220.

［9］程佩青.数字信号处理教程［M］.北京：清华大学出版社，2001.

［10］杨乐平，李海涛.LabVIEW程序设计与应用［M］.北京：电子工业出版社，2001.

The Design of Acquisition and Analysis System Based on LabView and the Sound Card’s AudiOSignal

ZHANG Yan-wen

（Shihezi University，Xinjiang Shihezi 832003）

Compared with the data acquisition card，the sound card has the following merits：low-price，easy-developing and flexible-system.In this paper，the design technology of hard—ware and software has been introduced in detail，including the background，the structure.On this base，the sound card and LabVIEW has been used tOdevelop the audiOsigna1acquisition and analysis system，which can be used tOacquire and analyze the audiOsigna1.The system has better interface which can be maintained easily.In order tOmeet the need，the function of the system can be modified.It has been indicated in the application that the system has great sense in teaching and experiment.

virtual instrument；LabVIEW；data acquisition；sound card

文献标志码：A

1007-2934（2011）05-0076-03

2011-05-03