LabVIEW平台下基于NI硬件设备的信号处理实验设计

王艳芬，王 刚，张晓光，李 剑

(中国矿业大学 信电学院，江苏 徐州 221116)

LabVIEW平台下基于NI硬件设备的信号处理实验设计

王艳芬，王 刚，张晓光，李 剑

(中国矿业大学 信电学院，江苏 徐州 221116)

结合中国矿业大学信号处理课程群建设，按照工程教育与实验教学改革的新趋势，设计了基于LabVIEW的信号处理实验平台。重点介绍了基于NI-myDAQ的实时音频均衡器和基于NI-ELVIS平台的滤波器硬件电路设计两部分实验内容。在LabVIEW平台实现与硬件设备直接相关的实验可以大大增强学生的工程实践能力，有利于学生工程创新意识的培养。

LabVIEW软件；NI-myDAQ设备；NI-ELVIS平台；音频信号均衡器；滤波器

根据工程教育与实验的新趋势[1-2]，我们在信号处理课程群建设中进一步拓展了综合实验的形式和内容[3]，设计了基于LabVIEW软件的信号处理综合实验。借助美国NI公司硬件设备myDAQ和ELVIS上丰富的虚拟仪器，融入工程教育的理念，很大程度上实现了理论与实际相结合，培养了学生的动手实践能力和工程创新意识。

1 基于NI-myDAQ的音频信号均衡器设计

LabVIEW是美国NI公司推出的一款图形化的编程语言，是目前比较成功、应用比较广泛的虚拟仪器软件开发环境，被广泛应用于汽车工业、电子工业、实验室等领域[4]。LabVIEW的功能非常强大，拥有许多可扩展的数据库来进行复杂运算，可以用于一般的桌面程序的设计，丰富的库函数十分方便对数据信号的分析处理。

本文基于LabVIEW设计的实验平台由基础实验仿真和包括DTMF信号分析、音频信号均衡器等内容的综合实验两部分组成。下面主要介绍基于NI-myDAQ的音频信号均衡器实验设计。

1.1 NI-myDAQ概述

NI-myDAQ是一种使用NI LabVIEW软件的低成本便携式数据采集设备，学生可使用它测量和分析实际信号，适用于电子设备和传感器测量。通过与计算机上的LabVIEW配合，学生可分析和处理获取的数据并可随时随地控制简单的进程。该设备提供了8种常用的用于计算机和LabVIEW的实验室仪器，包括万用表、示波器和常用函数发生器。 用户使用所有可以立即运行的软件仪器进行实验和研究，包括动态信号分析仪(快速傅里叶变换)、波形发生器、数字输入和数字输出等。 NI-myDAQ与LabVIEW相结合，可为模拟电路、传感器、信号与系统、数字信号处理等课程提供一个基于动手实践的学习解决方案。

1.2 音频信号均衡器原理介绍

音频信号均衡器是一种可以分别调节音频信号中的各种频率成分的电子设备，通过调节音频均衡器的参数，可以补偿扬声器和声场的缺陷，起到补偿各种声源或者实现某种声音的效果。

语音信号由不同的频率构成，不同频率的语音所构成的声音不同，对语音进行处理其实质就是对其不同频率的信号进行处理。一般将信号频率分为11个频段，每个频段都有不同的声音特点，见表1。

表1 人声各频率段音色效果

针对每个频率段的听觉效果不同，对其进行改变，使音乐的效果发生改变，达到我们的要求。对声音进行处理，其实质就是对音乐不同频率信号的处理，得到自己想要的结果。

1.3 系统搭建

搭建的系统如图1所示。用NI-myDAQ采集音乐，这里直接用手机播放音乐作为NI-myDAQ音频输入，耳机则为改变后的音频输出装置。

1.4 音频信号均衡器设计及结果分析

对采集“DAQ助手”的配置。采集信号的“DAQ助手”电压输入范围设置为“±2 V”，这是因为音频信号的幅值不能过大，以防止对人耳造成伤害。采集模式选为“连续采集”；待读取采样设置为20 kHz；采样率设置为100 kHz，并添加两个通道，分别为左声道和右声道。同理，对生成“DAQ助手”进行配置，生成模式选为“连续采集”，待写入采样设置为100；采样率设置为44.1 kHz，并添加两个通道，分别为左声道和右声道。

图1 音频信号均衡器系统搭建图

将其放入While循环中，目的在于使其不停地采集播放，这样就是整首歌的播放。如果按下停止则会停止播放。使用的频率范围不同，产生的声音感觉会不同，只有使用了正常的范围才会有美妙的音乐。

音乐均衡器程序框图如图2所示，主要使用滤波器进行滤波，可以得到不同频率的语音信号组成成分，将其叠加就可以获得整体的语音。

按照上述原理，在前面板中将信号的频率分为11个频段，每个频段代表的听觉感受不同。音乐信号的均衡器设计主要基于不同频率对于人耳的感觉不同来实现，对于一首歌，它是由许多的频率共同组成，每个频率范围给人的感觉不同。例如，如果在均衡器的前面板对0～60 Hz段频率进行增强，会明显地感受到音色的空间感增强；如果对60～100 Hz段频率适度增强，会增加声音的浑厚感，但是过多则会给人轰鸣感；而300～500 Hz频率段的适度改变可以改变声音的亮度。最主要的部分为4 k～8 kHz频率段，如果均衡器能够对该频率段适当地增加会使声音的清晰度和明亮度增加，但是如果过多则会使音色变得尖锐，出现齿音。在8 k～12 kHz频率范围内的声音主要为高音区，增加之后明显感到声音的层次感出现。

可以依据个人的要求对声音进行均衡处理，在处理过程中要注意声音不要过大，以免对耳膜造成伤害。该实验能使学生们在浓厚的兴趣中掌握信号处理的意义。

图2 音乐均衡器程序框图

2 基于NI-ELVIS的滤波器硬件电路设计

为进一步提高学生的实际动手能力，利用NI-ELVIS平台，软、硬件相结合，采用UA741运算放大器设计了低通、高通、带通和带阻等几种常用滤波器。下面以高通滤波器设计为例加以介绍。

2.1 NI-ELVIS介绍

ELVIS是教学实验室虚拟仪器套件的简称。该套件集合了12种比较常用的实验仪器，包括数字示波器、数字万用表、函数发生器、数字读取器及写入器、阻抗分析仪等人机交互界面，实现了真正意义上的实验仪器、数据采集、实验设计的整体平台搭建。它在使用过程中利用LabVIEW自带的软件进行操作，获取界面数据。NI-ELVIS将硬件和软件结合组成了一套相当完整的实验平台，中间的面包板可以由学生自主设计电路。

2.2 高通滤波器设计及仿真

UA741运算放大器组成的高通基本电路如图3所示。当电容的阻抗和电阻阻抗相同时，电路的增益为-3 dB，此时的截止频率为高通滤波器的低频截止频率fl，则fl的计算公式为fl=1/2πR1C2，按图4的元件参数值，可得到fl≈16Hz。

高通滤波器仿真的系统搭建如图4所示。由ELVIS平台、UA741运算放大器组成的高通滤波器(面包板插接)和计算机三部分组成。

图3 高通滤波器的电路图

图4 高通滤波器的系统搭建图

仿真时，系统的连线如下：

1)V1+连接NI-ELVIS实验平台的示波器输入端CH0+，同时接信号发生器FGEN；

2)V1-连接NI-ELVIS实验平台的示波器输入端CH0-，同时接地；

3)运算放大器的输出正极信号接NI-ELVIS实验平台的示波器输入端CH1+；4)运算放大器的输出负极信号接NI-ELVIS实验平台的示波器输入端CH1-；

运行结果即高通滤波器的波特图，如图5所示。

图5 高通滤波器的波特图

由图5可以读出此高通滤波器的截止频率为16 Hz左右，与理论计算一致。

3 结束语

通过以上实验设计可以看出，利用NI-myDAQ和NI-ELVIS平台进行相关知识的动手实践，不仅能帮助学生将理论知识与实际更好地结合，而且有利于培养学生的工程概念，让学生有更多的机会实践并体验真实的电路和硬件。

[1]李梦军. NI myDAQ在电子电路工程实践教育中的应用[J]. 河北北方学院学报(自然科学版)，2011，27(6)：29-31.

[2]刘贵栋，王淑娟. 基于NI myDAQ 的电子技术基础课堂教学[J]. 现代教育技术，2012，22(9)：108-111.

[3]王艳芬， 张剑英， 张晓光， 等.信号处理课程群实验教学体系的构建[J].实验室研究与探索，2013，32(4)：132-134.

[4]岂兴明，周建兴，矫津毅，等. LabVIEW8.2 中文版入门与典型实例[M]. 北京：人民邮电出版社，2010.

Design of Signal Processing Experiment Based on the Hardware of the NI in the LabVIEW Platform

WANG Yanfen, WANG Gang, ZHANG Xiaoguang, LI Jian

(School of Information and Electrical Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China)

Combining with the construction of signal processing curriculum group in the China University of Mining and Technology, according to the new tendency of engineering education and the experiment, the signal processing experiment platform based on LabVIEW was designed. Two parts contents of experiment about audio signal equalizer based on NI-myDAQ and filter hardware circuit design based on the platform of NI-ELVIS were mainly introduced. The experiment based on the hardware in the LabVIEW platform can greatly enhance the students’ engineering practice ability, which is conducive to the cultivation of the students’ consciousness of engineering innovation.

LabVIEW software；NI-myDAQ equipment；NI-ELVIS platform; audio signal equalizer; filter

2014-09-20；修改日期:2014-12-18

教育部第六批国家特色专业建设项目(TS1Z2 93)；江苏省高等教育教改研究项目(2011JSJG 273)；中国矿业大学课程建设与教学改革项目(201208)。

王艳芬(1962-)，女，博士，教授，主要从事信号处理与通信方面的教学和科研工作。

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.06.006