基于聲卡的虛擬儀器在工程信號(hào)處理教學(xué)中的應(yīng)用

羅久飛　　趙雙　　韓冷　　張毅（重慶郵電大學(xué) 先進(jìn)制造工程學(xué)院，重慶 400065）

基于聲卡的虛擬儀器在工程信號(hào)處理教學(xué)中的應(yīng)用

羅久飛趙雙韓冷張毅
（重慶郵電大學(xué) 先進(jìn)制造工程學(xué)院，重慶 400065）

聲卡是計(jì)算機(jī)的基本配置之一，價(jià)格低廉，使用方便；Delphi編程具有較強(qiáng)的靈活性；Matlab具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)處理能力。通過(guò)聲卡采集數(shù)據(jù)，利用Matlab分析處理信號(hào)，最后通過(guò)Delphi設(shè)計(jì)面板顯示信號(hào)和分析結(jié)果，結(jié)合三者的優(yōu)勢(shì)可開(kāi)發(fā)出人機(jī)界面友好，操作簡(jiǎn)便，功能強(qiáng)大，成本低廉的教學(xué)型虛擬儀器，輕松實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集，信號(hào)處理等功能。利用虛擬儀器輔助教學(xué)能夠有效提高學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，對(duì)學(xué)生加深理解信號(hào)處理知識(shí)有很大幫助。

虛擬儀器；聲卡；信號(hào)處理；Matlab

前言

近年來(lái)，隨著電路電子和數(shù)字信號(hào)處理器的飛速發(fā)展，信號(hào)處理技術(shù)已經(jīng)在各領(lǐng)域中得到深入廣泛的應(yīng)用。尤其是在機(jī)械、電氣、自動(dòng)化、生物醫(yī)學(xué)等工程領(lǐng)域中都涉及到信號(hào)的提取與處理問(wèn)題。工程信號(hào)處理是工程類專業(yè)的基礎(chǔ)技術(shù)課程，有著很強(qiáng)的理論性與實(shí)踐性；它以培養(yǎng)學(xué)生掌握科學(xué)測(cè)試與信號(hào)分析理論技術(shù)、提高學(xué)生實(shí)踐能力為主，因此很多專業(yè)都開(kāi)設(shè)了工程信號(hào)處理課程［1］。

但是，目前工程信號(hào)處理教學(xué)中仍然存在諸多問(wèn)題：（1）目前信號(hào)處理課程主要是以理論學(xué)習(xí)為主，學(xué)生對(duì)工程信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)涉及較少；（2）沒(méi)有清晰完整的實(shí)踐教學(xué)體系，同時(shí)由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備成本較高，特別是帶有頻譜分析和測(cè)量功能的儀器價(jià)格更為昂貴，使得工程信號(hào)處理課程的實(shí)驗(yàn)無(wú)法有效實(shí)施；（3）實(shí)驗(yàn)設(shè)備難以滿足教學(xué)要求，學(xué)生不能通過(guò)實(shí)驗(yàn)去直觀的學(xué)習(xí)工程信號(hào)知識(shí)；（4）學(xué)生不僅要學(xué)習(xí)傳統(tǒng)的工程信號(hào)處理知識(shí)，還要不斷地吸收理解最新的信號(hào)處理技術(shù)與知識(shí)。因此，目前的教學(xué)問(wèn)題導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)容抽象難懂。

虛擬儀器是指以計(jì)算機(jī)為核心，結(jié)合應(yīng)用軟件進(jìn)行各種測(cè)試、測(cè)量，虛擬儀器可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測(cè)量?jī)x器［2］。將虛擬儀器應(yīng)用到教學(xué)中有相當(dāng)多的優(yōu)點(diǎn)：（1）利用虛擬儀器進(jìn)行工程信號(hào)處理的輔助教學(xué)為我們節(jié)省數(shù)據(jù)記錄，形象展示處理過(guò)程和結(jié)果。（2）虛擬儀器使用方便，只需利用電腦便可以完成輔助教學(xué)，能可以很好地達(dá)到教學(xué)目的。（3）不必像傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器那樣耗費(fèi)大量時(shí)間接線組合儀器，教學(xué)效率高。（4）虛擬儀器成本低，靈活性強(qiáng)，可以根據(jù)操作者的需求設(shè)置功能。

目前的教學(xué)虛擬儀器主要有兩種，一種是結(jié)合聲卡利用Lab VIEW編程設(shè)計(jì)的，它提供了圖形化編程的開(kāi)發(fā)環(huán)境以實(shí)現(xiàn)虛擬儀器的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)［3］。但LabVIEW需要購(gòu)買(mǎi)使用，而且還要使用NI公司提供的專用數(shù)據(jù)采集硬件，雖然功能強(qiáng)大，但價(jià)格也比較昂貴。另一種是基于Visual C++、Delphi、VisualBasic等通用編程軟件，結(jié)合聲卡設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)虛擬儀器，雖然其適用面廣、開(kāi)發(fā)靈活，但是編程設(shè)計(jì)人員要有足夠的編程經(jīng)驗(yàn)和很強(qiáng)的調(diào)試能力，而且這些通用編程軟件的數(shù)據(jù)分析與處理能力相對(duì)較弱［4］。

Matlab是常用的數(shù)學(xué)工具之一，擁有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析和數(shù)值計(jì)算功能，而且它的信號(hào)處理工具箱，為其動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)分析提供了豐富的函數(shù)［5］。但是，Matlab開(kāi)發(fā)出的人機(jī)界面不夠友好，靈活性不夠。Delphi是可視化軟件開(kāi)發(fā)工具，它具有簡(jiǎn)單、高效、功能強(qiáng)大等特點(diǎn)［6］。因此，在實(shí)際開(kāi)發(fā)應(yīng)用中可利用聲卡實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，利用 Delphi編寫(xiě)程序?qū)崿F(xiàn)人機(jī)界面，利用Matlab做數(shù)據(jù)分析處理運(yùn)算，將虛擬儀器技術(shù)引入工程信號(hào)處理的輔助教學(xué)中，有助于課程的理解，提高課程的教學(xué)質(zhì)量。

一、基于聲卡的虛擬儀器的實(shí)現(xiàn)

（一）硬件實(shí)現(xiàn)

聲卡是多媒體技術(shù)中最重要的組成部分，它價(jià)格低廉，使用方便。其最高采樣頻率可以達(dá)到44.1kHZ，對(duì)于音頻信號(hào)能夠?qū)崿F(xiàn)雙聲道16位、高保真的數(shù)據(jù)采集，同時(shí)它還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的濾波、放大、采樣保持、A/D和D/A轉(zhuǎn)換等功能，因此，其功能與數(shù)據(jù)采集卡相當(dāng)，甚至在某些功能上優(yōu)于數(shù)據(jù)采集卡。所以，在進(jìn)行教學(xué)性實(shí)驗(yàn)研究時(shí)可以利用聲卡代替數(shù)據(jù)采集卡［7］。

作者簡(jiǎn)介：羅久飛（1987，02-），男，漢族，四川綿陽(yáng)人，重慶郵電大學(xué)機(jī)械工程系講師，博士，主要從事信號(hào)處理研究。

圖1虛擬儀器原理框圖

（二）軟件實(shí)現(xiàn)

采用Delphi編程軟件編寫(xiě)虛擬儀器的應(yīng)用軟件，設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面，利用多線程技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)，波形顯示等功能。由于Delphi在復(fù)雜數(shù)據(jù)分析處理時(shí)效率低于Matlab，因此，我們利用Delphi編寫(xiě)程序調(diào)用Matlab進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理。利用Matlab中的快速傅立葉變換信號(hào)處理工具箱中的函數(shù)以實(shí)現(xiàn)頻譜分析等功能。此外，我們還可以根據(jù)自身需要編寫(xiě)相應(yīng)的處理函數(shù)和圖形顯示界面，使軟件更加符合教學(xué)的需求，而且擁有更強(qiáng)的靈活性。

二、虛擬儀器的功能組成

鑒于所設(shè)計(jì)的虛擬儀器主要用于輔助教學(xué)，因此主要有如下組成功能：

（一）聲卡初始化和數(shù)據(jù)采集

虛擬儀器利用聲卡進(jìn)行信號(hào)采集。通過(guò)Delphi編寫(xiě)程序調(diào)用windows提供的API函數(shù)，設(shè)置聲卡的基本參數(shù)初始化聲卡，然后實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集。

（二）信號(hào)波形顯示與分析功能

利用Delphi程序編程實(shí)現(xiàn)波形顯示以及時(shí)域常用的處理算法等，使程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔方便，功能富豐，而且界面統(tǒng)一美觀［4］。同時(shí)，界面還可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)窗口顯示，為輔助教學(xué)提供方便［10］。

（三）頻譜分析功能等常用分析功能

Matlab中擁有強(qiáng)大的頻譜分析的功能，可以利用Delphi編寫(xiě)程序，直接調(diào)用Matlab中的快速傅立葉變換（FFT）進(jìn)行頻譜分析。點(diǎn)擊頻譜分析按鈕，啟動(dòng)頻譜分析功能，利用FFT分析完成后在窗口顯示出信號(hào)的幅值譜和相位譜等常用功能［10］。

（四）信號(hào)發(fā)生器

聲卡包含D/A功能，因此設(shè)置可調(diào)節(jié)聲卡輸出的頻率、幅值和相位實(shí)現(xiàn)信號(hào)發(fā)生器。同時(shí)，還可設(shè)置調(diào)節(jié)不同類型的信號(hào)，主要有以下幾種常見(jiàn)的信號(hào)：正弦信號(hào)、方波信號(hào)、三角波信號(hào)、矩形波信號(hào)、鋸齒波信號(hào)和普通噪聲信號(hào)［11］。

（五）記錄、保存

聲卡采樣的數(shù)據(jù)信號(hào)波形保存成wav文件［10］，頻譜分析等處理后的結(jié)果也可以保存為圖片或者自動(dòng)生成Word文檔，以便于實(shí)驗(yàn)記錄和生成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，充分體現(xiàn)虛擬儀器的教學(xué)性。

三、基于聲卡的虛擬儀器的教學(xué)輔助特點(diǎn)

（一）可操作性、演示性強(qiáng)

虛擬儀器輔助教學(xué)具有很強(qiáng)的可操作性，利用Delphi制作的顯示界面簡(jiǎn)單直觀，操作方便；學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣產(chǎn)生所需信號(hào)，觀察信號(hào)特點(diǎn)，與理論知識(shí)相結(jié)合，不僅提高了學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，增加了學(xué)生學(xué)習(xí)課程的興趣，還有助于學(xué)生學(xué)習(xí)工程信號(hào)處理課程。

（二）成本低

開(kāi)發(fā)傳統(tǒng)儀器，需要專門(mén)的技術(shù)和高成本的硬件設(shè)施，這使得傳統(tǒng)儀器價(jià)格昂貴并且更新緩慢。例如傳統(tǒng)的波形發(fā)生器，功能非常強(qiáng)大，但是價(jià)格也異常昂貴。而虛擬儀器主要依靠編程設(shè)計(jì)的軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)儀器的功能，不需要大量資金購(gòu)買(mǎi)儀器設(shè)備和硬件設(shè)施［12］。而且虛擬儀器可以同時(shí)測(cè)量多個(gè)參數(shù)，測(cè)量數(shù)據(jù)及時(shí)高效，教學(xué)中可以隨時(shí)按照自身需求對(duì)虛擬儀器的功能進(jìn)行設(shè)置，從而實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用。因此，虛擬儀器使用方便，效果好，成本低［13］。

（三）高效性以及兼容性好

在傳統(tǒng)信號(hào)處理試驗(yàn)中，通常需要集成多個(gè)測(cè)量設(shè)備完成測(cè)試，但是連接這些設(shè)備要花費(fèi)大量人力和時(shí)間［14］。文章所設(shè)計(jì)的虛擬儀器對(duì)計(jì)算機(jī)硬件要求較低，學(xué)生只需將虛擬儀器軟件下載至自己電腦，安裝后即可使用。而且聲卡是計(jì)算機(jī)的基本配置之一，因此無(wú)需其他的軟件、硬件，虛擬儀器操作使用方便。

（四）教學(xué)性突出

將虛擬儀器應(yīng)用到學(xué)生教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，可以使傳統(tǒng)儀器功能，包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)顯示等，都通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。有利于激發(fā)學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣，提高動(dòng)手實(shí)踐能力，貼近教學(xué)培養(yǎng)目標(biāo)，并且可以全面提高學(xué)學(xué)生的綜合素質(zhì)［15］。同時(shí)，利用虛擬儀器設(shè)備，老師可以將講過(guò)的信號(hào)處理知識(shí)布置成實(shí)驗(yàn)作業(yè)，加強(qiáng)學(xué)練結(jié)合，更加直觀的理解理論知識(shí)，鞏固所學(xué)知識(shí)點(diǎn)。

（五）擴(kuò)展性好

由于軟件的靈活性強(qiáng)大，虛擬儀器利用有限的硬件資源可以開(kāi)發(fā)出多種多樣的功能。傳統(tǒng)儀器的功能已經(jīng)被生產(chǎn)廠家限定，操作者只能完成相對(duì)固定的工作。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器可以根據(jù)用戶本身需求量身定義功能。也就是說(shuō)，設(shè)計(jì)虛擬儀器時(shí)，可以教學(xué)功能需求，不斷完善軟件系統(tǒng)，根據(jù)教學(xué)需要進(jìn)行擴(kuò)展和升級(jí)，從而能夠滿足各種不同的教學(xué)需

求［16］。

四、結(jié)束語(yǔ)

基于聲卡的虛擬儀器，使用計(jì)算機(jī)聲卡代替數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，教學(xué)性好，成本低廉；軟件開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)通過(guò) Delphi和Matlab混合編程的方法實(shí)現(xiàn)，一方面應(yīng)用了Delphi強(qiáng)大的軟件開(kāi)發(fā)能力，另一方面利用了Matlab在數(shù)值計(jì)算方面的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)，縮短了軟件開(kāi)發(fā)周期，降低了軟件成本。

伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，虛擬儀器功能也越加強(qiáng)大，其成本也會(huì)越來(lái)越低。因此，將虛擬儀器應(yīng)用到教學(xué)中不僅可以充分滿足教學(xué)實(shí)驗(yàn)要求，節(jié)約教學(xué)成本，而且能夠充分提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力。不可否認(rèn)，將虛擬儀器應(yīng)用到教學(xué)中將成為未來(lái)的重要發(fā)展趨勢(shì)。

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As one of the basic components of computer，sound card is advantageous for its lower cost and easy usage.Delphi programming is of stronger flexibility and Matlab has strong capacity for data analysis and data processing.By combining the advantages of the three parts after collecting data via sound card，analyzing and processing signal by Matlab，and displaying signal and analysis results through Delphi design panel，it can develop a teaching-type virtual instrument which is low-cost，and simple to control with a user-friendly human-computer interface and powerful functions.It is easy to perform functions such as signal collection and signal processing.The teaching-type virtual instrument can be used to effectively improve students'practical abilities and enhance their understanding on signal processing.

virtual instrument；sound card；signal processing；Matlab

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