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yl毕设
学号:
09446313
常州大学
毕业设计(论文)
(2013届)
题目一种基于虚拟仪器的扬声器检测系统设计
学生杨玲琳
学院怀德学院专业班级电子091
校内指导教师焦竹青专业技术职务讲师
校外指导老师专业技术职务
二○一三年六月
一种基于虚拟仪器的扬声器检测系统设计
摘要:
随着科技的进步,扬声器的检测系统也得到了很快的发展。
为了适应现代扬声器的检测系统,本论文需要设计检测系统。
本论文设计基于虚拟仪器的扬声器检测系统,利用PC的扬声器发出声音,并利用PC机自带的声卡采集扬声器发出的声音,扬声器检测系统就是利用声卡测量扬声器的声音信号,声卡实现模拟信号和数字信号相互转换。
声卡的麦克风和喇叭所用的都是模拟信号。
本设计就是利用声卡把扬声器发出的模拟信号转化为计算机可以识别的数字信号,产送到计算机中。
最后利用LabVIEW编写了扬声器检测程序,实现了声音信号的采集、处理、计算和显示,通过系统的运行可以看出利用LabVIEW设计的扬声器检测系统运行效果良好,能实现良好的人机交互。
关键词:
虚拟仪器扬声器检测声卡LabVIEW用户界面
TheDesignofLithiumionbatteryManagementSystem
Abstract:
Withadvancesintechnology,thespeakerdetectionsystemhasalsobeen
developedrapidly.Inordertoadapttothemodernspeakerdetectionsystem,thepaperneedstobedesigneddetectionsystem.Inthisthesis,speakerdetectionsystembasedonvirtualinstrumentusingthePCspeakersound,andtheuseofthePCsoundcardthatcomeswithacquisitionspeakersound,Speakersystemisusingthesoundcardspeakervoicesignalmeasurement,thesoundcardtorealizeanalogsignalanddigitalsignalconversiontoeachother.Microphonesoundcardandspeakersareusedintheanalogsignal
Andtheuseoftheanalogsignalintoacomputersoundcardspeakeridentificationnumberssignalproductiontothecomputer.Finally,writteninLabVIEWthespeakerdetectionprogram,toachieveasoundsignalacquisition,processing,calculationanddisplaycanbeseenthroughtheoperationofthesystemusingLabVIEWdesignspeakerdetectionsystemrunningwell,toachieveagoodhuman-computerinteraction.
Keywords:
VirtualInstrumentSpeakerSoundCardDetection
LabVIEWUserInterface
目录
摘要Ⅰ
AbstractⅡ
第一章前言1
1.1课题的背景及意义1
1.2扬声器检测的方法、系统2
1.3虚拟仪器扬声器检测技术发展现状3
1.3.1虚拟仪器发展现状3
1.3.2扬声器检测系统发展现状4
1.4本论文研究内容6
第二章扬声器检测系统硬件设计7
2.1扬声器检测系统的结构7
2.1.1扬声器检测系统的硬件结构7
2.1.2检测系统的软件7
2.2扬声器检测系统的硬件7
2.2.1PC机7
2.2.2声卡8
2.2.3DSP处理芯片10
2.3扬声器检测的特点11
第三章LabVIEW程序设计12
3.1LabVIEW简介12
3.2基本概念12
3.2.1VI的概念13
3.2.2LabVIEW操作面板14
3.3LabVIEW平台的特点16
3.4基虚拟仪器和传统仪器的比较16
3.5虚拟仪器测试系统的组成17
3.6虚拟仪器的软件结构18
第四章扬声器检测系统的LabVIEW程序19
4.1扬声器检测系统的前面板20
4.2扬声器检测系统的后面板22
4.2.1声音采集23
4.2.2滤波器24
4.2.3频谱测量及其原理25
4.2.4失真测量及其原理26
第五章总结和展望28
5.1总结28
5.2展望28
参考文献29
致谢30
第一章前言
1.1课题的背景及意义
扬声器是我们日常生活中应用较为广泛的声音输出工具,并在各种场合得到了广泛的应用。
然而扬声器的声音输出是一个重要的指标,是人们感知声音好坏的标准。
因此扬声器的检测数据成为检测声音好坏的重要指标,具有重大的研究意义。
扬声器的检测系统最初为一种典型的数据采集系统,因此研究扬声器的检测系统就是以根据扬声器检测的特点研究数据采集系统。
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。
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。
最主要的是在虚拟仪器发展以后,利用虚拟仪器开发数据采集系统可以加速系统的设计和创建,并能够提高系统的运行效率和操作,具有重要的研究意义。
本文就以扬声器的检测系统为例,利用LabVIEW虚拟仪器开发扬声器检测系统。
1.2扬声器检测的方法、系统
任何扬声器都有其强项和弱点,尤其在有限的预算下,低价的扬声器并不容易得到尽善尽美的效果,但无论任何价位和层次的扬声器而言,都有一定的参考标准或指涉方向。
1.测试低频的质量
劣质扬声器所产生之低频可以是轰耳若聋,但完全是那种臃肿松厚,缺乏层次感和结实感。
(就是我们平时所说的低频模糊不清)好的低频应是洁净明快,层次分明,不会拖泥带水,冤魂不散似的,即使各种低频乐器如大小鼓声、低音吉它和钢琴的低音,都能轻易分辨出来。
所以不要轻易被低频的量感所蒙骗,劣质低频不如干净的声音来的自然舒服,这就是我们想要的低频音效。
但是也不能一概而论,比如有一部分是录音师在录音的时候加的一部分极低频,乐器的吧松管就可以达到18HZ(赫兹)的极低频
2.测试中频的人声
人声是最常听到的声音,优劣并不难察觉,留意人声是否有不寻常的鼻音或被抿着嘴发声的感觉。
(喇叭在车门里面等)一些扬声器的“箱声”(车门没有做处理的情况下,比如说没有做隔音)同样会大大干扰中频,令此频段的声音模糊不清。
中频音染相对于其他频率音染而言更为严重,因为大部分可听到的声音频率,或是音乐的频率都集中在中频范围,这点几乎对所有种类的乐曲而言,都会成为重播的障碍。
3.测试高频的柔韧感
劣质的高频是尖声插耳,听得人头痛欲裂的,极端情况下把小提琴或女高音的美声变为刹车的尖锐噪音。
同样,高音中的不同器乐多产生的不同质感,好的高音是能分辨出来的。
再优劣一级的高频甚至能令人从中分辨出两把不同年份不同木质的所奏出的不同音韵。
最易掌握的要决是,好的高音是不回令人听而生畏,毛孔竖立,也不会令人越听越累的,而且该是绵韧而富弹性,幼滑而具层次,高至最高处仍可容易听见却不会产生变音的(当然不是以走音歌手的录音做参考)
4.测试高音量及音场结像
一些扬声器在低音量时表现稳定,但在音量提升到某个指数便会失真,或“拍边”,出现各种非录音中的音乐信号,(当然以不过12点的音量为安全的测试标准,LEVEL)。
具体而言,若管弦乐是喜爱乐种之一,则必须通过此关。
合乎标准的扬声器在一定程度上做到声音离箱,营造出清晰的音场和结像,显示出不同乐器的分点位置和质感,有充足的扩散以至生长、阔、高但度音频空间。
弱音和尾音应该清楚听见,而在大音量和“大爆棚”的情况下没有变形失真,人声和乐器声不会纠缠不分。
优质的重播能显现丰润的音乐感和空气感,和音符的弹跳力,像拨开云雾见青天一样,展现出整幅细致有序的音像。
而更直接的是在长久聆听下不会令人耳朵疲累。
扬声器检测系统就是利用声卡测量扬声器的声音信号,声卡实现模拟信号和数字信号相互转换。
声卡的麦克风和喇叭所用的都是模拟信号,而电脑所能处理的都是数字信号,两者不能混用,声卡的作用就是实现两者的转换。
从结构上分,声卡可分为模数转换电路和数模转换电路两部分,模数转换电路负责将输入设备采到的信号转换为电脑能处理的数字信号;而数模转换电路负责将电脑使用的数字信号转换为模拟信号。
声音卡的产品虽然比较多,但其基本组成是一样的。
主要有:
输入输出端口、总线连接端口、功率放大芯片、DSP处理芯片等。
与普通数据采集卡不同的是,用于扬声器检测的声卡自身已带有前置放大器,能直接接受比较微弱的信号,例如来自话筒的信号,同时相对其他数据采集卡而言,声卡本身已经具有模数转换(ADC)和数模转换(DAC)的功能,无需另外增加A/D转换硬件即可实现对信号的数模转换,而且,声卡作为扬声器检测系统的数据采集卡还具有着成本低、信号接收能力强等优点。
目前市售的数据采集卡都包含了完整的数据采集电路和与计算机的接口电路,但其价格与性能基本成正比,一般比较昂贵。
随着DSP(数字信号处理)技术走向成熟,PC声卡本身就成为一个优秀的数据采集系统,它同时具有A/D和D/A转换功能,不仅价格低廉,而且兼容性好、性能稳定、灵活通用,软件特别是驱动程序升级方便。
ISA总线向PCI总线的过渡,解决了以往声卡与系统交换数据的瓶颈问题,同时也充分发挥了DSP芯片的性能。
而且声卡用DMA(直接内存读取)方式传送数据,极大地降低了CPU占用率。
一般声卡16位的A/D转换精度,比通常12位A/D卡的精度高,对于许多工程测量和科学实验来说都是足够高的,其价格却比后者便宜得多。
如果利用声卡作为数据采集设备,可以组成一个低成本高性能的数据采集与分析系统。
当然,它只适合采集音频域的信号,即输入信号频率必须处于20~20000Hz的音频范围内。
如果需要处理直流或缓变信号,则需要其他技术的配合。
数据采集是信号分析与处理的一个重要环节,在许多工业控制与生产状态监控中,都需要对各种物理量进行数据采集与分析。
实际测量中,在满足测量要求的前提下,可以充分利用计算机自身资源,完成数据采集任务,从而节省成本。
表1中,对目前使用率较高、由美国国家仪器公司(NI)出品的USB-6008数据采集卡,与普通计算机上集成的AC97声卡,在主要技术指标和价格上进行了比较。
表1USB-6008采集卡与声卡的比较
USB-6008
声卡
输入通道数
8
2
采样频率(S/)
10K
44K
分辨率(位)
12
16
价格(元)
1950
50
由表1可见,一块具有12bit/10kHz采样率的8通道数据采集卡,虽然能够满足多种应用需要,但与计算机声卡相比其价格昂贵,同时许多功能在具体的应用场合并不使用,造成资源浪费。
而计算机声卡具有16bit/44kHz信号采样率,在许多领域能够满足数据采集与分析需要,个别性能指标还优于商用数据采集卡,而且价格十分便宜,已经成为计算机的标准配置。
基于声卡的数据采集系统适合于任何一台装有声卡的计算机,具有廉价、方便、稳定、性能可靠等优点,配置多块声卡可构成高信噪比的多通道系统。
因此,其在自动化控制、医疗、电力、教学等许多领域已经得到了深入研究和广泛应用。
1.3虚拟仪器扬声器检测系统发展现状
1.3.1虚拟仪器发展现状
虚拟仪器在国内的现状和发展态势不容乐观。
由于虚拟仪器是随着传统电子测控技术、计算机技术和通讯技术不断发展、不断完善而产生的一项综合性结构化电子测量与控制技术。
而我国计算机、通信及电子产业的发展和欧美国家相比呈相对滞后的地位,因而决定了我国虚拟仪器产业底子薄,缺少必要的软硬件技术支持,起步较晚,发展缓慢的特点,直到上世纪九十年代中后期虚拟仪器这一概念才逐渐的被引入到我国的计算机应用行业中。
先天的不足使得我国的虚拟仪器行业还处在起步阶段。
近几年来,国内已有部分高等院校的实验室引进了虚拟仪器系统,并在此基础上,又开发了一批新的虚拟仪器系统用于教学和科研。
其中,华中理工大学机械学院工程测试实验室将其开发成果在网上公开展示。
清华大学汽车系利用虚拟仪器技术构建的汽车发动机检测系统,使用方便、灵活,用于汽车发动机的出厂检验。
主要检测发动机的功率特性、负载特性等。
一台发动机检测完成后,就可以打印出完整的检测报告。
此外,国内已有几家企业在研制PC虚拟仪器,哈工大仪器王电子有限公司的产品已达到一定得批量。
其主要产品有:
数字存储示波器、任意波形发生器、多通道打容量波形记录仪等。
北京中科泛华测控技术有限公司开发的汽车传感器测试系统,应用于汽车传感器生产线测试。
1.3.2扬声器检测系统发展现状
在传统的扬声器检测系统,大都选用单片机作为检测系统的核心。
利用声音检测的传感器把扬声器发出的声音信号转化为模拟电压信号,由于传感器测得的信号值较小并掺杂有噪声信号,因此还要进行放大和滤波,得到合适的模拟电压信号。
这些电压信号经过单片机的处理转化为单片机识别的数字信号,在经过单片机的软件程序,进行显示等。
基于单片机技术的扬声器检测系统的原理图如图1所示。
图1单片机技术的扬声器检测系统
虽说NI公司很早提出了“软件就是仪器”的概念,然而真正使这一概念完美实现的是基于声卡的虚拟仪器技术。
这一技术使得我们的工作如此简便,带上笔记本电脑和所需要的传感器即可进行信号测试与分析工作。
应用这一技术所设计的虚拟仪器主要是由软件和计算机组成,因此又可称为“软件仪器”。
虚拟仪器的核心部件是数据采集板(A/D),随着计算机技术的飞速发展,需多计算机公司最新推出超小型笔记本电脑,整机重量不到0.9Kg,体积上并不比PDA大多少性能却十分强大。
配置有AC97声卡,屏幕显示十分清晰,电池最大续航时间可7个小时,特别适合于户外携带和应用。
同时Intel公司2004年初发布了音频芯片新规格(Azalia),计算机声卡将具有更高的性能,支持32bit/192KHz信号采样率。
因此,未来的虚拟仪器将会提供更为优异的性能,并且得到更为广阔的应用。
利用LabVIEW不仅能够发挥LabVIEW编程的优势,更重要的是利用LabVIEW可以根据系统的要求自行搭建合适的测控系统,又由于每一台PC机都自带声卡设备,因此不用另外购置让任何的设备就可以在PC机下利用LabVIEW设计搭建扬声器检测系统。
利用LabVIEW设计扬声器的检测系统,就是把扬声器发出的信号,经过PC机的声卡采集和处理转化为计算机可以是别的数字信号,再经过LabVIEW设计搭建的扬声器检测系统采集数字信号,并把信号显示在计算机中,最后把采集的数据保存到计算机中。
利用LabVIEW技术的扬声器的检测系统图如图2所示。
图2LABVIEW的的扬声器检测系统
1.4本论文研究内容
本论文是设计基于虚拟仪器的扬声器检测系统,设计的思想是利用PC机的声卡检测扬声器的声音信号,声卡把声音模拟信号转化为计算机可以识别的数字信号输入计算机内,并通过LabVIEW编写扬声器检测系统的程序,实现声音信号的采集、处理、显示和计算。
以下是论文中每章具体研究的内容。
第一章:
引言,主要介绍扬声器检测系统的研究意义,扬声器检测系统的组成和发展状况,以及虚拟仪器的发展现状。
第二章:
扬声器检测系统的硬件设计,主要介绍扬声器检测系统的结构,以及硬件的连接以及系统方案。
第三章:
LaBVIEW程序设计,介绍LabVIEW的基本概念、编程原理、编程方法和编程的思想,为基于LabVIEW扬声器检测系统的软件编写提供编程基础。
第四章:
扬声器检测系统的LabVIEW程序,介绍扬声器检测系统的实现程序,并对系统进行运行。
第五章:
对整个设计的总结,以及对扬声器检测系统的展望。
第二章扬声器检测系统硬件设计
与普通数据采集卡不同的是,用于扬声器检测的声卡自身已带有前置放大器,能直接接受比较微弱的信号,例如来自话筒的信号,同时相对其他数据采集卡而言,声卡本身已经具有模数转换(ADC)和数模转换(DAC)的功能,无需另外增加A/D转换硬件即可实现对信号的数模转换,而且,声卡作为扬声器检测系统的数据采集卡还具有着成本低、信号接收能力强等优点。
2.1扬声器检测系统的结构
2.1.1扬声器检测系统的硬件结构
扬声器检测系统的硬件组成如图3所示。
信号处理、记录
根据传感器选择相应的信号调理仪器。
信号处理与记录采用计算机,计算机内置的声卡作为A/D转换设备。
由于声卡是计算机的标准配置,有成熟的驱动程序和操作系统配合,因此无需考虑软硬件方面的兼容问题,在跨操作系统平台时也不存在程序的移植问题。
被测物理量
声卡
图3扬声器检测系统的硬件组成
2.1.2检测系统的软件
采集系统软件分为数据采集和数据分析两大部分,利用LabVIEW编制。
LabVIEW采用图形化开发环境,以数据流驱动程序的运行。
2.2扬声器检测系统的硬件
2.2.1PC机
虚拟仪器就是利用计算机强大的数据处理能力代替以往需要硬件电路才能完成的功能,所以数据采集系统软件运行的计算机平台的选择至关重要,本课题所选用一般的笔记本。
2.2.2声卡
声卡(SoundCard)也叫音频卡声卡,是多媒体技术中最基本的组成部分,是实现声波/数字信号相互转换的一种硬件。
声卡的基本功能是把来自话筒、磁带、光盘的原始声音信号加以转换,输出到耳机、扬声器、扩音机、录音机等声响设备,或通过音乐设备数字接口(MIDI)使乐器发出美妙的声音。
声卡从话筒中获取声音模拟信号,通过模数转换器(ADC),将声波振幅信号采样转换成一串数字信号,存储到计算机中。
重放时,这些数字信号送到数模转换器(DAC),以同样的采样速度还原为模拟波形,放大后送到扬声器发声,这一技术称为脉冲编码调制技术(PCM)。
声卡由各种电子器件和连接器组成。
电子器件用来完成各种特定的功能。
连接器一般有插座和圆形插孔两种,用来连接输入输出信号。
声音控制芯片
声音控制芯片是把从输入设备中获取声音模拟信号,通过模数转换器,将声波信号转换成一串数字信号,采样存储到电脑中。
重放时,这些数字信号送到一个数模转换器还原为模拟波形,放大后送到扬声器发声。
数字信号处理器
DSP芯片通过编程实现各种功能。
它可以处理有关声音的命令、执行压缩和解压缩程序、增加特殊声效和传真MODEM等。
大大减轻了CPU的负担,加速了多媒体软件的执行。
但是,低档声卡一般没有安装DSP,高档声卡才配有DSP芯片。
FM合成芯片
低档声卡一般采用FM合成声音,以降低成本。
FM合成芯片的作用就是用来产生合成声音。
波形合成表
在波表ROM中存放有实际乐音的声音样本,供播放MIDI使用。
一般的中高档声卡都采用波表方式,可以获得十分逼真的使用效果。
波表合成器芯片
该芯片的功能是按照MIDI命令,读取波表ROM中的样本声音合成并转换成实际的乐音。
低档声卡没有这个芯片。
跳线
跳线是用来设置声卡的硬件设备,包括CD-ROM的I/O地址、声卡的I/O地址的设置。
声卡上游戏端口的设置(开或关)、声卡的IRQ(中断请求号)和DMA通道的设置,不能与系统上其他设备的设置相冲突,否则,声卡无法工作甚至使整个计算机死机。
1)I/O口地址
PC机所连接的外设都拥有一个输入/输出地址,即I/O地址。
每个设备必须使用唯一的I/O地址,声卡在出厂时通常设有缺省的I/O地址,其地址范围为220H~260H。
2)IRQ(中断请求)号
每个外部设备都有唯一的一个中断号。
声卡SoundBlaster缺省IRQ号为7,而SoundBlasterPRO的缺省IRQ号为5。
3)DMA通道
声卡录制或播放数字音频时,将使用DMA通道,在其本身与RAM之间传送音频数据,而无需CPU干预,以提高数据传输率和CPU的利用率。
16位声卡有两个DMA通道,一个用于8位音频数据传输,另一个则用于16位音频数据传输。
4)游戏杆端口
声卡上有一个游戏杆连接器。
若一个游戏杆已经连在机器上,则应使声卡上的游戏杆跳接器处于未选用状态。
否则,2个游戏杆互相冲突。
声卡的麦克风和喇叭所用的都是模拟信号,而电脑所能处理的都是数字信号,两者不能混用,声卡的作用就是实现两者的转换。
从结构上分,声卡可分为模数转换电路和数模转换电路两部分,模数转换电路负责将输入设备采到的信号转换为电脑能处理的数字信号;而数模转换电路负责将电脑使用的数字信号转换为模拟信号。
声音卡的产品虽然比较多,但其基本组成是一样的。
主要有:
输入输出端口、总线连接端口、功率放大芯片、DSP处理芯片等。
声卡的选择对于系统而言是十分重要的。
扬声器检测系统的数据采集能力取决于声卡硬件,因此应根据对采集能力的要求来选择适当的声卡。
对于本课题来说,我们在信号处理时只需要观测信号的波形和频谱分布,因此电脑自带的声卡可以满足要求。
今天,个人电脑的运算速度和存储能力已远非二十年前的286中央处理器、1MB内存、10MB硬盘空间可比,可实时进行包括频谱分析所需要的快速傅里叶变换(FFT)等在内的复杂运算,这使得以前需要采用的极其昂贵的独立式传统仪器才能实现的功能,而近几年发展迅猛的虚拟仪器软件则可免除传统仪器高成本的烦恼,通过在虚拟仪器的开发平台上建立一个虚拟的数据采集、处理平台,对声卡所采集到的外部信号进行直观处理,并输出,使用虚拟仪器软件的优势在于它的成本比传统仪器低了很多,而且维护方便,可不断升级。
目前市面上基于声卡的虚拟仪器软件有不少,在本课题中,我们选用LabView这一虚拟仪器软件,因为LabVIEW与其他计算机语言不同,它们之间的显著区别是:
其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码,而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序,产生的程序是框图的形式,因此在设计过程中我们可以更加直观、更加便捷地找出设计中的问题,并方便地进行直观的修改。
另外,配上LabView,我们就无需添加任何ADC和DA
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