基于LabVIEW的音频信号数据采集和频谱分析Word格式.docx

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XXXX年6月10日

摘要

虚拟仪器是20世纪80年代兴起的一项新技术，是现代仪器仪表发展的重要方向，在建模仿真、设计规划和教育训练等方面都有应用。

目前NI公司所提供数据采集设备性能好，但是价格昂贵，构建信号分析系统成本偏高。

计算机声卡具备数据传输和A/D转换功能，作为数据采集卡具有价格低廉、开发容易和系统灵活等优点。

基于上述分析，本文用计算机声卡代替普通采集卡作为硬件，在LabVIEW平台上设计了一个信号分析系统，并在信号分析实验中进行了应用。

主要贡献为下述几点:

l）提出了采用声卡作为数据采集设备构建虚拟音频信号分析系统并应用于实验教学的设想。

通过高校实验室现状的调研和对声卡性能的分析，分析了由声卡组建可以用于实验教学的信号分析系统的必要性和可行性。

2）构建了基于LabVIEW的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。

分析、解决了设计及实现过程中出现的问题。

关键词：

LabVIEW，声卡数据采集，信号分析

ASignalAnalysisSystemBasedonLabVIEW

Author：

DuWenjuanTutor：

XX

Abstract

Virtualinstrumenttechnologyisanewtechnology,anditisanimportantdirectioninmoderninstrumentationdevelopment.Virtualinstrumentsareoftenusedinmodelingandsimulation,designandplanning,educationandtraining.TheacquisitionequipmentfromNIhasagoodperformance,butconstructingsignalsanalysissystemwillcausehighcost.

SoundcardwithdatatransmissionandA/DconverterfunctionsasaDAQcardhaslow-price,easy-developingandflexible-systemsuchvirtues.Basedontheaboveanalysis,takingthecomputersoundcardinsteadofDAQcardashardware,designsthesystembasedonLabVIEW,andimplementsitinthesignalanalysisexperiments.Themaincontentsarelistedasfollows:

l）Anenvisageforusingsoundcardasavirtualaudiodataacquisitionequipmenttoconstructthesignalsanalysissystemandimplementsitintheexperimentsisputforward.Thenecessityandfeasibilitybythesoundcardsystemtosetupsignalsanalysissystembasedonresearchofteachingprogramofexperimentsinthenumberoftraditionalcollegeisanalyzed.

2）AudiosignalacquisitionandanalyzesystemisconstructedbasedonLabVIEW,ithasfunctionsofvirtualsignalacquisition,analysis,waveformdisplay,storageandtransferofdatafilestomeettheneedsoftheexperimentalteaching.

KeyWords：

LabVIEW,Soundcarddataacquisition,SignalsAnalysis

目录

1绪论1

1.1课题开发背景和发展现状1

1.2研究的意义2

2虚拟仪器、声卡及数据采集理论3

2.1虚拟仪器介绍3

2.1.1虚拟仪器的特点3

2.1.2虚拟仪器的组成4

2.1.3虚拟仪器与传统仪器的比较4

2.2LabVIEW简介6

2.2.1LabVIEW程序的基本构成6

2.2.2LabVIEW的应用7

2.3声卡8

2.3.1声卡的基本功能8

2.3.2声卡的工作原理8

2.3.3声卡的性能指标9

2.4信号分析理论10

2.4.1数据采集理论基础10

2.4.2快速傅立叶变换（FFT）12

2.4.3谐波分析理论14

3信号分析系统解决方案18

3.1声卡作为数据采集卡的可行性分析18

3.2信号分析系统设计方案比较19

3.3系统模块划分20

4信号处理程序设计22

4.1系统欢迎界面的设计22

4.2系统主页面的设计23

4.3实时采集信号模块的设计25

4.4历史重载信号模块的设计26

4.5信号采集和处理模块27

4.5.1音频信号的采集27

4.5.2音频信号的分析29

4.6辅助模块30

4.7帮助模块30

4.8程序的运行与调试31

4.8.1运行VI31

4.8.2调试VI31

5实验结果33

总结和展望35

致谢36

参考文献37

附录39

附录A39

附录B41

1绪论

本文旨在运用虚拟仪器开发软件LabVIEW8.5，设计开发基于声卡的音频信号数据采集和频谱分析系统，使其具有通过普通声卡进行声音数据的采集、分析、显示以及存储的功能。

1.1课题开发背景和发展现状

由于信息科学的快速发展，需要处理的问题越来越复杂，对于信号分析的要求也越来越高。

随着电子技术、计算机技术和网络技术的高速发展及其在电子测量技术与仪器领域中的应用，新的测试理论、测试方法、测试领域以及新的仪器结构不断出现，传统仪器显得越来越力不从心，其信号处理电路的设计十分复杂且难以更新，当新的计算方法出来后，传统的仪器亦无法升级，满足不了科研人员的要求，给科研工作带来额外的科研成本。

而虚拟仪器的信号分析系统完全可以解决这个问题，用虚拟仪器开发平台开发各种“虚拟仪器”，不但成本低廉、简单易行，且交互性、可操作性和真实感与传统仪器基本相同。

“软件即仪器”（SoftwareisInstrument）反映了虚拟仪器的基本特征。

传统仪器具有“技术更新周期长”、“仪器功能无法自定义”、“与其他设备连接困难”、“开发维护费用高”等问题，所以在对信号处理要求越来越高的今天，用户希望能在虚拟仪器平台上来建立一信号分析系统以解决上述问题；

另通过调查显示在高校中存在“传统仪器无法进行远程实验，实现设备资源共享”、“实验设备更新困难，大部分设备落后于课程建设的需要”、“实验的内容侧重于理论的验证和模仿训练，循声的实验内容统一，缺乏对学生创新意识的培养和综合能力的提高”等问题，这些在很大程度上制约了实验教学的发展和人才培养质量的提高。

究其原因，不能不说在科技迅猛发展的今天，以教育有限的投入无法满足实验设备价格昂贵、更新速度快的要求，是其最根本的原因。

这就要求教育工作者，开发出能够满足现代实验教学要求、物美价廉的实验教学仪器，以提高实验教学水平，培养高素质、高技能的创新型人才。

目前在国内高校，虚拟仪器正逐步走进理工科课堂和实验室，越来越多的学校通过购置美国NI公司的虚拟仪器产品组建高中档次的虚拟实验室，但成本相对比较昂贵。

在这种背景下提出了本课题。

虚拟仪器是当前测控领域的技术热点，它代表了未来仪器技术的发展方向。

目前应用较为广泛的计算机语言是美国NI公司的LabVIEW。

LabVIEW软件是一种基于图形开发、调试和运行程序的集成化环境，是第一个借助于虚拟（软）面板用户界面和方框图建立虚拟仪器的图形程序设计系统，也是目前国际上唯一的编译型图形化编程语言。

它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，被视为一个标准的数据采集仪器和仪器控制软件。

作为一种高级语言LabVIEW的功能完整性和应用灵活性不亚于任何其他高级语言，而其提供的各种功能强大的附加软件包，如控制与仿真、高级数字信号处理、统计过程控制、模糊控制、PID控制等，则是其他语言所不及的。

利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。

1.2研究的意义

目前，国内大部分高校实验教学中所使用的都是传统仪器，而传统仪器的更新周期长、价格昂贵等特点使得高校教学设备长期得不到更新，已严重滞后于信息时代和工程实际的需要；

虚拟仪器的出现，彻底改变了传统的仪器观。

基于LabVIEW的信号分析系统正是解决这一问题的最佳方案，它最大的优势在于它的智能化和软件平台对用户的开放性，它能完全地带传统仪器并扩展其功能，这是虚拟仪器在教学、科研中最有价值的应用。

目前，多数高校采用NI公司提供的专业数据采集设备能组建专业的虚拟实验系统，但建设成本高。

普通声卡是PC机最基本配置，使用普通声卡进行信号的采集，建设成本大大降低，虽然不能满足专业数据采集的要求，但是足以满足日常教学的要求，并能用于音频信号分析方向的科研开发工作。

2虚拟仪器、声卡及数据采集理论

2.1虚拟仪器介绍

虚拟仪器是指，在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户自己设计定义，具有虚拟的操作面板，测试功能由测试软件来实现的一种计算机仪器系统。

虚拟仪器突破了传统电子仪器以硬件为主体的模式。

实际上，测量时使用者是在操作具有测试软件的计算机，犹如操作一台虚拟的电子仪器，虚拟仪器因此得名。

2.1.1虚拟仪器的特点

虚拟仪器是建立在标准化、系列化、模块化、积木化的硬件和软件平台上的一个完全开放的系统。

它具有如下技术特点：

（1）丰富和增强了传统仪器的功能

虚拟仪器将信号分析、显示、存储、打印和其他管理操作集中交给计算机处理，充分利用了计算机强大的数据处理、传输和发布能力，使得组建系统变得更加灵活、简单。

（2）突出“软件即仪器”的概念

传统仪器的某些硬件在虚拟仪器中被软件代替，由于减少了许多随时间可能漂移、需要定期校准的分离式模拟硬件，再加上标准化总线的使用，这些变化使仪器的测量精度、测量速度和可重复性都大大提高。

（3）仪器由用户自己定义

虚拟仪器通过为用户提供组建自己仪器的重要源代码库，可以很方便地修改仪器功能和面板，设计仪器的通信、定时和触发功能，实现与外设、网络及其他应用的连接，给用户一个充分发挥自己能力和想象力的空间。

（4）开放的工业标准

虚拟仪器硬件和软件都制定了开放的工业标准，因此用户可以将仪器的设计、使用和管理统一到虚拟仪器标准中，使资源的可重复利用率提高，功能易于扩展，管理规范，生产、维护和开发费用降低。

（5）便于构成复杂的测试