基于LabVIEW的声卡数据采集系统设计毕业设计.docx

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基于LabVIEW的声卡数据采集系统设计毕业设计

毕业设计（论文）

题目：

基于LabVIEW的声卡数据采集系统设计

系别：

物理与机电工程系

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

聞創沟燴鐺險爱氇谴净。

作者签名：

　　　　　日　期：

学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。

作者签名：

日期：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权　　　　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

酽锕极額閉镇桧猪訣锥。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：

日期：

年月日

导师签名：

日期：

年月日

指导教师评阅书

指导教师评价：

一、撰写（设计）过程

1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神

□优□良□中□及格□不及格

2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度

□优□良□中□及格□不及格

3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力

□优□良□中□及格□不及格

4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性

□优□良□中□及格□不及格

5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

指导教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

评阅教师评阅书

评阅教师评价：

一、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

评阅教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

教研室（或答辩小组）及教学系意见

教研室（或答辩小组）评价：

一、答辩过程

1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况

□优□良□中□及格□不及格

2、对答辩问题的反应、理解、表达情况

□优□良□中□及格□不及格

3、学生答辩过程中的精神状态

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

评定成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

教研室主任（或答辩小组组长）：

（签名）

年月日

教学系意见：

系主任：

（签名）

年月日

基于LabVIEW的声卡数据采集系统设计

高凡

三明学院06级电子信息工程福建三明365004

摘要：

本课题在LabVIEW的开发环境中,描述了基于LabView的PC机声卡数据采集系统,采用计算机声卡作为替代普通数据采集卡的信号记录仪器,从而实现对外部多种信号的数据采集、模数/数模处理和输出，并对系统的结构、原理进行了说明。

胀鏝彈奥秘孫戶孪钇賻。

关键词：

声卡LabVIEW数据采集系统

Thedesignofsoundcarddatecollection’ssystembasedonthelabview鳃躋峽祷紉诵帮废掃減。

GaoFan

2006ElectronicsandInformationEngineeringSanmingUniversity,Sanming,Fujian365004稟虛嬪赈维哜妝扩踴粜。

Abstract:

ThispaperdescribesthedataacquisitionsystemwhichbasedonsoundcardisdevelopedbyLaView.Inthissystem,thesoundcardisusedtoreplacethecommondataacquisitioncardtoactassignalrecorder,andthenrealizedtheacquisitionofmanykindsofsignals,A/DorD/Aconvertionandprocessing.Atlast,thestructureandprincipleareexplained.陽簍埡鲑罷規呜旧岿錟。

Keywords:

soundcardLabVIEWDataAcquisitionSystem沩氣嘮戇苌鑿鑿槠谔應。

第一章引言

一.1数据采集系统概述

数据采集在现代科学技术、工业生产和国防科技等诸多领域中应用十分广泛，它的现代化已被认为是科学技术、国防现代化的重要条件和明显标志。

20世纪70年代以来，计算机、微电子等技术迅猛发展，在其推动下，数据采集系统所用的仪器与技术不断进步，相继诞生了智能仪器、PC仪器、VXI仪器、虚拟仪器及互换性虚拟仪器等微机化仪器及其系统，计算机与现代化仪器设备间的界限日渐模糊，测控领域和范围不断拓宽。

钡嵐縣緱虜荣产涛團蔺。

在数据采集过程中所需要的设备、仪器形成数据采集系统，它是计算机智能仪器与外界物理世界联系的桥梁，是获取信息的重要途径。

而为采集数据而采用的技术叫做数据采集技术，它主要指从传感器输出的微弱电信号，经信号调理、模数转换到存储、记录这一过程所涉及的技术。

随着科学技术的进步，特别是以传感器技术、通信技术和计算机技术为基础的现代信息技术的发展，以及测试理论的不断发展，数据采集技术的发展也是日新月异。

懨俠劑鈍触乐鹇烬觶騮。

一.1.1数据采集系统的应用

随着社会的高速发展，计算机技术的广泛应用，数据采集系统在生产领域和日常生活等各方面的应用越来越为重要，如化学工业中，数据采集系统可针对化工过程复杂，工艺参数多，分布广等特性来进行生产过程中的实时监测数据，可以解决生产中的生产动态实时数据的收集与处理，且数据准确，收集、处理、反馈等过程所需时间短。

謾饱兗争詣繚鮐癞别瀘。

在环境监测方面，数据采集系统也同样发挥着其优越的数据采集、监测、处理的性能，它能将所监测区域内的各类环境数据快速而准确的进行收集，并根据设置进行准确的处理和反馈，在环境监测方面起着十分巨大的作用。

呙铉們欤谦鸪饺竞荡赚。

同时，在农业生产、设备生产等方面，数据采集系统也扮演着十分重要的角色，然而，数据采集领域本身也正在进行着一次又一次的发展与变化，以满足日益进步的社会生产技术和各个领域的要求。

莹谐龌蕲賞组靄绉嚴减。

一.1.2现行通用数据采集系统的构成

现行通用数据采集系统主要由硬件和软件两部分组成，它是由传感器、模拟多路开关、程控放大器、采样/保持器、A/D转换器、计算机等部分组成。

麸肃鹏镟轿騍镣缚縟糶。

传感器

环境中的某些物理信号，如光、压力、温度、声音等都是非电量。

首先要通过相应的传感器将这些非电量转换为电信号，然后才能实现进一步的处理。

納畴鳗吶鄖禎銣腻鰲锬。

模拟多路开关

数据采集系统往往要对多路模拟量进行采集。

在不要求高速采样的场合，一般采用公共的A/D转换器，分时对各路模拟量进行模/数转换，目的是简化电路，降低成本。

可以用模拟多路开关来轮流切换各路模拟量与A/D转换器间的通道，使得在一个特定的时间内，只允许一路模拟信号输入到A/D转换器，从而实现分时转换的目的。

風撵鲔貓铁频钙蓟纠庙。

一般模拟多路开关有2N个模拟输入端，N个通道选择端，由N个选通信号控制选择其中一个开关闭合，使对应的模拟输入端与多路开关的输出端接通，让该路模拟信号通过。

有规律地周期性改变N个选通信号，可以按固定的序列周期性闭合各个开关，构成一个周期性分组的分时复印输出信号，由后面的A/D转换器分时复用对各通道模拟信号进行周期性转换。

灭嗳骇諗鋅猎輛觏馊藹。

程控放大器

在数据采集时，来自传感器的模拟信号一般都是比较弱的低电平信号。

程控放大器的作用是将微弱输入信号进行放大，以便充分利用A/D转换器的满量程分辨率。

铹鸝饷飾镡閌赀诨癱骝。

一般通用数据采集系统支持多路模拟通道，而各通道的模拟信号电压可能有巨大差异，因此最好是对各通道采用不同的放大倍数进行放大，即放大器的放大倍数可以实时控制改变。

程控放大器能够实现这个要求，它的放大倍数随时可以由一组数码控制。

这样，在多路开关改变其通道序号时，程控放大器也由相应的一组数码控制改变放大倍数，即为每个模拟通道提供最合适的放大倍数，它的使用大大拓宽了数据采集系统的适应面。

攙閿频嵘陣澇諗谴隴泸。

采样/保持器

A/D转换器完成一次转换需要一定的时间，在这段时间内希望A/D转换器输入端的模拟信号电压保持不变，以保证有较高的转换精度。

这可以用采样/保持器来实现，采样/保持器的加入，大大提高了数据采集系统的采样频率。

趕輾雏纨颗锊讨跃满賺。

A/D转换器

因为计算机只能处理数字信号，所以须把模拟信号转换成数字信号，实现这一转换功能的器件是A/D转换器。

A/D转换器是采样通道的核心，因此A/D转换器是影响数据采集系统采样速率和精度的主要因素之一。

夹覡闾辁駁档驀迁锬減。

计算机

对数据采集系统的工作进行管理和控制，并对采集到的数据做必要的处理。

一.2虚拟仪器技术概述

现行的数据采集系统普遍都是在虚拟仪器的平台上进行开发与设计的，虚拟仪器因其设计的便捷、灵活与直观而被人们越来越重视，本课题以虚拟仪器为平台进行设计，可以更加直观、方便地对所采集信号进行处理与分析，并可以灵活地对程序进行修改，大大减少了设计的时间，同时又能起到很好的效果。

视絀镘鸸鲚鐘脑钧欖粝。

一.2.1虚拟仪器的概念

虚拟仪器的概念是由美国国家仪器公司（NationalInstruments）最先提出的。

所谓虚拟仪器是基于计算机的软硬件测试平台，它可代替传统的测量仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、频谱分析仪等；可集成于自动控制、工业控制系统之中；可自由构建成专有仪器系统。

虚拟仪器是智能仪器之后的新一代测量仪器。

偽澀锟攢鴛擋緬铹鈞錠。

虚拟仪器的核心技术思想就是“软件即是仪器”。

该技术把仪器分为计算机、仪器硬件和应用软件三部分。

虚拟仪器以通用计算机和配备标准数字接口的测量仪器（包括GPIB、RS-232等传统仪器以及新型的VXI模块化仪器）为基础，将仪器硬件连接到各种计算机平台上，直接利用计算机丰富的软硬件资源，将计算机硬件（处理器、存储器、显示器）和测量仪器（频率计、示波器、信号源）等硬件资源与计算机软件资源（包括数据的处理、控制、分析和表达、过程通讯以及图形用户界面）有机的结合起来。

緦徑铫膾龋轿级镗挢廟。

一.2.2虚拟仪器的特点

虚拟仪器是基于计算机的功能化硬件模块和计算机软件构成的电子测试仪器，而软件是虚拟仪器的核心，如图1-1所示，其中软件的基础部分是设备驱动软件，而这些标准的仪器驱动软件使得系统的开发与仪器的硬件变化无关。

这是虚拟仪器最大的优点之一，有了这一点，仪器的开发和换代时间将大大缩短。

虚拟仪器中应用程序将可选硬件（如GPIB，VXI，RS-232，DAQ板）和可重复用库函数等软件结合在一起，实现了仪器模块间的通信、定时与触发。

源代码库函数为用户构造自己的虚拟仪器（VI）系统提供了基本的软件模块。

由于VI的模块化、开放性和灵活性，以及软件是关键的特点，当用户的测试要求变化时可以方便地由用户自己来增减硬、软件模块，或重新配置现有系统以满足新的测试要求。

这样，当用户从一个项目转向另一个项目时，就能简单地构造出新的VI系统而不丢失己有的硬件和软件资源。

騅憑钶銘侥张礫阵轸蔼。

图1-1虚拟仪器开发框图

虚拟仪器技术的优势在于可由用户定义自己的专用仪器系统，且功能灵活，很容易构建，所以应用面极为广泛。

它可实现示波器、逻辑分析仪、频谱仪、信号发生器等多种普通仪器全部功能且操作灵活。

疠骐錾农剎貯狱颢幗騮。

一.2.3虚拟仪器和传统仪器的比较

虚拟仪器具有传统独立仪器无法比拟的优势。

（1）传统仪器的面板只有一个，上面布置了种类繁多的显示和操作元件。

由此导致许多识读和操作错误。

虚拟仪器与之不同，它可以通过在几个分面板上的操作来实现比较复杂的功能。

这样，在每个分面板上就可以实现功能操作的单纯化和面板布置的简洁化，从而提高操作的正确性和便捷性。

同时，还可以根据要求和操作需要来设计仪器面板。

镞锊过润启婭澗骆讕瀘。

（2）在通用硬件平台确定后，软件取代传统仪器中由硬件完成的仪器功能。

（3）仪器的功能是由用户根据需要用软件来定义，不是事先由厂家定义的。

（4）仪器性能的改进和功能扩展只需更新相关软件设计，不需购买新仪器。

（5）虚拟仪器开放、灵活，与计算机同步发展，与网络及其他周边设备互联。

（6）由于其以PC为核心，使得许多数据处理的过程不必像过去那样由测试仪器本身来完成，而是在软件的支持下，利用PC机CPU的强大的数据处理功能来完成，使得基于虚拟仪器的测试系统的测试精度、速度大为提高，实现自动化、智能化、多任务测量。

榿贰轲誊壟该槛鲻垲赛。

（7）可方便地存贮和交换测试数据，测试结果的表达方式更加丰富多样。

（8）虚拟仪器在高性价比的条件下，降低系统开发和维护费用，缩短技术更新周期。

表1-1虚拟仪器与传统仪器的比较

虚拟仪器

传统仪器

开发维护费用低

开发维护费用高

技术更新周期短（0.5～1年）

技术更新周期短（5～10年）

软件是关键

硬件是关键

价格低

价格昂贵

开放、灵活与计算机同步，可重复用和重配置

固定

可用网络联络周边各仪器

只可连有限的设备

自动化、智能化、多功能、远距离传输

功能单一，操作不便

一.2.4虚拟仪器测试系统的组成

虚拟仪器是基于计算机的仪器。

计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。

这种结合基本有两种方式，一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。

随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统的仪器。

另一种方式是将仪器装入计算机。

以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能，虚拟仪器主要是指这种方式。

虚拟仪器的组成与传统仪器一样，主要由数据采集与控制、数据分析和处理、结果显示三部分组成。

如图1-2所示。

邁茑赚陉宾呗擷鹪讼凑。

图1-2虚拟仪器的内部功能的划分

对于传统仪器，这三个部分几乎均由硬件完成；对于虚拟仪器，前一部分由硬件构成，后两部分主要由软件实现。

与传统仪器相比，虚拟仪器设计日趋模块化、标准化，设计工作量大大减小。

嵝硖贪塒廩袞悯倉華糲。

一.2.5虚拟仪器的软件结构

虚拟仪器技术的核心是软件，其软件基本结构如图1-3所示。

用户可以采用各种编程软件来开发自己所需要的应用软件。

以美国NI公司的软件产品LabVIEW和LabWindows/CVI为代表的虚拟仪器专用开发平台是当前流行的集成化开发工具。

这些软件开发平台提供了强大的仪器软面板设计工具和各种数据处理工具，再加上虚拟仪器硬件厂商提供的各种硬件的驱动程序模块，简化了虚拟仪器的设计工作。

随着软件技术的迅速发展，软件开发的模块化、复用化，和各种硬件仪器驱动软件的模块化、标准化，虚拟仪器软件开发将变得更加快速、方便。

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图1-3虚拟仪器软件结构

一.3虚拟仪器的开发软件

一.3.1虚拟仪器的开发语言

虚拟仪器系统的开发语言有：

标准C，VisualC++，VisualBasic等通用程序开发语言。

但直接由这些语言开发虚拟仪器系统，是有相当难度的。

除了要花大量时间进行测试系统面板设计外，还要编制大量的设备驱动程序和底层控制程序。

这样直接影响了系统开发的周期和性能。

除了通用程序开发语言以外，还有一些专用的虚拟仪器开发语言和软件，如LabVIEW。

LabVIEW采用图形化编程方案，是非常实用的开发软件。

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一.3.2图形化虚拟仪器开发平台——LabVIEW

LabVIEW（LaboratoryVirtualInstrumentEngineering）是一种图形化的编程语言，它被视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。

LabVIEW集成了与满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能，是一个功能强大且灵活的软件。

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更加形象化。

臠龍讹驄桠业變墊罗蘄。

传统的文本式编程是一种顺序的设计思路，必须写出执行的语句。

而LabVIEW是基于数据流的工作方式，同时是基于图形化的编程，不必掌握大量的编程语言和程序设计技巧便可设计出虚拟仪器系统。

鰻順褛悦漚縫冁屜鸭骞。

利用LabVIEW，可产生独立运行的可执行文件，它是一个真正的32编译器。

像许多通用的软件一样，LabVIEW提供了Windows、UNIX、Linux、MacintoshOS等多种版本。

穑釓虚绺滟鳗絲懷紓泺。

一.3.3基于LabVIEW平台的虚拟仪器程序设计

所有的LabVIEW应用程序，即虚拟仪器（VI），它包括前面板（FrontPanel）、流程图（BlockDiagram）以及图标/连结器（Icon/Connector）三部分。

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（1）前面板：

前面板是图形用户界面，也就是VI的虚拟仪器面板，这一界面上有用户输入和显示输出两类对象，具体表现有开关、旋钮、图形以及其他控制和显示对象。

但并非画出两个控件后程序就可以运行，在前面板后还有一个与之对应的流程图。

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（2）流程图：

流程图提供VI的图形化源程序。

在流程图中对VI编程，以控制和操纵定义在前面板上的输入和输出功能。

流程图中包括前面板上的控件连线端子，还有一些前面板上没有，但编程必须有的东西，例如函数、结构和连线等。

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如果将VI与传统仪器相比较，那么前面板上的控件对应的就是传统仪器上的按钮、显示屏等控件，而流程图上的连线端子相当于传统仪器箱内的硬件电路。

在许多情况下，使用VI可以仿真传统仪器，不仅在屏幕上出现一个惟妙惟肖的标准仪器面板，而且其功能也与传统标准仪器相差无几。

惬執缉蘿绅颀阳灣熗鍵。

（3）图标/连接设计：

这部分的设计突出体现了虚拟仪器模块化程序设计的思想。

在设计大型自动检测系统时一步完成一个复杂系统的设计是相当有难度的。

而在LabVIEW中提供的图标/连接工具正是为实现模块化设计而准备的。

设计者可把一个复杂自动检测系统分为多个子系统，每一个都可完成一定的功能。

贞廈给鏌綞牵鎮獵鎦龐。

一.4数据采集卡

在当今高速发展的时代，人们对数据采集系统的要求也越来越高，数据采集领域正在发生着重要的发展与变化。

而数据采集系统主要是通过数据采集卡对外部信号进行采集，因此，数据采集卡的更新换代对数据采集系统起着重大的影响。

嚌鲭级厨胀鑲铟礦毁蕲。

数据采集板卡的性能与众多因素相关，要根据具体情况来具体分析。

所以在选择数据采集卡构成系统时，首先必须对数据采集卡的性能指标有所了解。

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一.4.1数据采集卡的主要性能指标

（1）采样频率

采样频率的高低，决定了在一定时间内获取原始信号信息的多少，为了能够较好的再现原始信号，不产生波形失真，采样率必须要足够高才行。

根据奈奎斯特理论采样频率至少是原信号的两倍，但实际中，一般都需要5～10倍。

齡践砚语蜗铸转絹攤濼。

（2）采样方法

采集卡通常都有好几个数据通道，如果所有的数据通道都轮流使用同一个放大器和A/D转换器，要比每个通道单独使用各自的经济的多，但这仅适用于对时间不是很重要的场合。

如果采样系统对时间要求严格，则必须同时采集，这就需要每个通道都有自己的放大和A/D转换器。

但是处于成本的考虑，现在普遍流行的是各个数据通道公用一套放大器和A/D转换器。

绅薮疮颧訝标販繯轅赛。

（3）分辨率

ADC的位数越多，分辨率就越高，可区分的电压就越小。

例如，三位的A/D转换把模拟电压范围分成23=8段，每段用二进制代码在000到111之间表示。

因而，数字信号不能真实地反映原始信号，因为一部分信息被漏掉了。

如果增加到十二位，代码数从8增加到212=4096，这样就可以获得就能获得十分精确的模拟信号数字化表示。

饪箩狞屬诺釙诬苧径凛。

（4）电压动态范围

电压范围指ADC能扫描到的最高和最低电压。

一般最好能够使进入采集卡的电压范围刚好与其符合，以便利用其可靠的分辨率范围。

例如，一个12位多功能DAQ卡，其可选的范围从0到