基于上位机内置式声卡的多通道数据采集装置及系统

马 静

(淮南联合大学机电系，安徽淮南232001)

基于上位机内置式声卡的多通道数据采集装置及系统

马 静*

(淮南联合大学机电系，安徽淮南232001)

给出了一种基于声卡的多通道数据采集装置和系统。该装置首先将输入信号转换成频率信号，由声卡采集频率信号，然后将采集到的频率信号用软件还原成输入信号，解决了声卡不能采集低频或直流信号的问题，同时利用一片单片机控制多路模拟开关，并由该单片机向声卡发出多路识别信号实现了多路信号采集功能。

电压频率转换;声卡;虚拟仪器;多通道;数据采集

计算机多通道数据采集系统在工业控制和测试仪器设备中是不可缺少的［1］。目前市场上有专门的数据采集卡［2］，这种卡应用单一，价格较贵，与计算机兼容性差，安装拆卸比较费事。而今声卡已成为各种计算机的基本配置，声卡的采样频率可达48 000 Hz，24 bit的采样精度，数据采集性能丝毫不比昂贵的专用采集卡逊色［3］。

利用声卡直接进行数据采集最早应用在声音和振动测试领域，它们所面对的信号都是交流信号［4］。一台计算机通常配置一块声卡，而声卡输入口串有隔直电容，且其输入电压不能超过1伏，因此利用声卡采集数据的最大障碍在于单块声卡采集多路信号并实现低频或直流信号的采集［5］。现有的研究［6-8］提出了一些新的方案，主要是对采样信号做倍频处理，电路复杂且没有做到多通道采集。鉴于此，我们设计制作了一套基于声卡的多通道数据采集装置及系统。

1 理论与技术方案

为克服声卡数据采集的上述障碍，提出以下方法实现单块声卡采集多路低频信号、直流信号及脉冲信号。

(a)将低频或直流信号线性转换为声卡能精确采集的频率信号从而解决声卡不能采集低频或直流信号的问题。

(b)利用多路信号循环扫描技术和同步识别技术实现由一块声卡采集多路信号。

(c)通过控制脉冲信号输入选择模块选定任一通道或几通道直接采集高频脉冲信号。

为具体实现以上方法设计了以下技术方案。系统由硬件和软件组成，硬件对数据进行采集，软件对数据进行处理。硬件框图如图1所示，软件流程如图2所示。

图1 系统硬件组成方框图

图2 系统软件流程图

2 硬件设计

硬件如图3所示，包括声卡、多路模拟开关、信号转换模块、信号标定模块、单片机1、脉冲信号输入选择模块、单片机2。

多路模拟开关由8个达林顿管组成，实现多路输入信号的分时接入和切换;信号转换模块由LM331及其外围电路组成，实现将低频或直流信号转换为声卡能精确采集的频率信号，该频率信号接入声卡线性输入插孔0号声道;信号标定模块由电位器构成，可对输入信号与频率信号之间的换算关系进行微调，以实现信号的标定;单片机1实现多路输入信号的循环选通，并在选通某路输入信号时由其21管脚向声卡线性输入插孔1声道发出某一固定频率的协调信号，以实现采集信号通道的辨识;单片机2和单片机1以及声卡所在的上位机建立通讯，通过上位机软件可对单片机1循环选通多路信号的周期予以设定，同时通过上位机软件和单片机2对脉冲信号输入选择模块进行控制以确定任一通道或几通道作为高频脉冲信号输入。单片机2和单片机1以普通I/O口实现数据通讯，单片机2和上位机通过USB口实现通讯，单片机2由上位机软件设定可对单片机1循环选通多路信号的周期进行修改，单片机2由上位机软件设定还能对脉冲信号输入选择模块进行控制。

图3 系统硬件原理图

3 软件设计

软件包括单片机软件和上位机软件。单片机1中程序实现多路输入信号的循环选通，在选通某路输入信号的同时发出协调信号给上位机以识别信号通道;单片机2中程序实现和单片机1及上位机的通讯以及对脉冲信号输入选择模块进行控制。

上位机软件实现对声卡线性输入插孔0声道和1声道的数据进行采集和处理，处理过程包括，滤波、谱分析、频率特征量的提取，并根据声卡1声道进入的通道识别信号来分拣声卡0声道分时进入的多路频率信号，将分拣出来的多路频率信号按信号转换模块的转换公式进行逆变换，还原成低频或直流信号，对逆变公式的相关系数进行微调也能实现信号的标定，如果被采集信号为高频脉冲信号则不必逆变换，上位机软件还能通过USB口通讯实现对下位单片机的控制。

4 多通道数据采集效果及性价比分析

多路信号的循环采样周期可以根据实际情况通过图所示的微调旋钮进行微调。如果输入信号是高频脉冲信号，则需开启如图所示对应通道的脉冲量输入选择开关，由计算机和单片机2之间的通讯，由单片机2来控制如图1所示的脉冲信号输入选择模块以决定对应通道不做频率转换处理。

系统实物图如图4所示，图5所示为软件界面和8通道直流信号的采集效果，对应通道号，原始输入信号分别为5 V、6 V、7 V、9 V、2 V、1 V、3 V和9 V的直流电压信号。现场采集实时性很好且由图5可以看出系统的采集精度很高。

图4 系统实物图

图5 软件界面和采集效果

本装置及系统有较高的性价比，上述8通道数据采集实现硬件成本不超过80元，而现有品牌数据采集卡动辄上千元。若同时利用声卡的音频输出插孔输出频率信号，采用转换电路线性转换成输出电压，则可实现控制功能，其性价比将进一步提高。

5 结束语

本装置及系统利用声卡优越的数据采集性能确保采集数据的高精度。采用单片机电路实现了可扩展的多路数据采集功能，同时解决了低频和直流信号的采集问题。基于虚拟仪器技术开发了数据处理软件，并可对采集数据的处理进行二次开发，还可实现远程网络化测控。本装置及系统成本低廉，性价比高，有广阔的应用前景。

［1］ 马明建，周长城.数据采集与处理技术［M］.西安:西安交通大学出版社，1997:6-54.

［2］ 冯雪.数据采集卡性能指标与应用［J］.工业控制计算机，2008 (5):10-11.

［3］ 周敬利，余胜生.多媒体计算机声卡技术及应用［M］.北京:电子工业出版社，1998:12-40.

［4］ 王颖等.基于计算机多媒体声音资源的体感诱发电位刺激器的研制［J］.电子技术应用，2008(2):126-129.

［5］ 徐云峰等.基于声卡的数据采集系统设计［J］.机械设计与制造，2006(4):46-47.

［6］ 任驹，郑建邦，刘德峰.基于声卡和MATLAB的太阳电池伏安特性自动测试系统［J］.传感技术学报，2006(4):447-449.

［7］ 马伟顺，魏燕.基于LabVIEW和声卡的心电信号采集及频谱分析仪设计［J］.自动化与仪器仪表，2012(1):40-41.

［8］ 卢起斌，赵长青，李正祥.基于PCM2902E的DRM接收前端设计［J］.电子器件，2012(3):300-303.

马 静(1976- )，女，山东兖州人，硕士，淮南联合大学讲师，研究方向为机械电子工程及工业自动化，gfchen@ aust.edu.cn。

The Built-in SBC’s Multiple Channel Data Collection Device and System Based on the Upper Computer

MA Jing*
(Department of Mechanical and Electrical Engineering，Huainan Union University，Huainan Anhui 232001，China)

This thesis offers a kind of multiple channel data collection device and system based on the SBC.The device first converts input signals into frequency signals，and sound blaster audio card collects frequency signals and to the frequency signals collected is restored into input signals by software.By doing so，it resolves the problem which the SBC can’t collect low frequency signals or dc signals;meanwhile，a piece of MCU controls the AMUX，and this SBC sends poly identification signals to SBC，so the function of poly signals collection is achieved.

VFC;sound blaster audio card(SBC);virtual instrument;multiple channel;data collection

10.3969/j.issn.1005－9490.2014.02.045

TP274

A

1005－9490(2014)02－0378－03

2013-06-19修改日期:2013-07-03

EEACC:7250G;7210G