基于Labview的聲卡數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)設(shè)計

胡成娟

（陜西學(xué)前師范學(xué)院網(wǎng)絡(luò)與信息中心，陜西西安710061）

隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字音頻采集技術(shù)得以廣泛使用。這種背景下，人們對數(shù)字音頻產(chǎn)品提出更高的要求，過去運(yùn)用單一的處理器無法達(dá)到系統(tǒng)實時性、高效性等方面的需要。由于現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，LabVIEW圖形編程技術(shù)得到廣泛使用。LabVIEW是由NI公司研發(fā)的虛擬儀器平臺軟件平臺，是運(yùn)用圖表替代文本創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程技術(shù)[1]。有學(xué)者研究就指出，運(yùn)用LabVIEW軟件中的聲卡子虛擬器能有效控制計算機(jī)聲卡，組成具備高采樣精度、采樣率處在48 kHz的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，從而滿足數(shù)據(jù)采集需要，順利實現(xiàn)離線信號處理功能，如：顯示存儲數(shù)據(jù)、信號時頻域分析等情況[2]。必須注意，若必須對采集數(shù)據(jù)展開復(fù)雜的運(yùn)算時，上述系統(tǒng)執(zhí)行效果并不理想。加之，這種采集系統(tǒng)并未配置實時處理功能，就是需要在存儲進(jìn)程結(jié)束后，方可對數(shù)據(jù)開展后續(xù)的處理。因此，為滿足多領(lǐng)域?qū)?shù)據(jù)采集實時處理的需求，設(shè)計價格低廉、操作靈活的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)尤為重要。本文以LabVIEW軟件為研究對象，設(shè)計一款聲卡數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)可順利實現(xiàn)聲卡數(shù)據(jù)采集與處理進(jìn)程，順利實現(xiàn)邊采集邊處理的功能。此外，由于LabVIEW軟件中的MATLAB節(jié)點，促使該系統(tǒng)順利完成復(fù)雜的運(yùn)算任務(wù)，展現(xiàn)出較強(qiáng)的普適性，可以擴(kuò)展至多個領(lǐng)域使用。

1 工作原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

聲音作為一種振動波，其包含幅值、頻率等一系列的屬性，可以發(fā)生連續(xù)性變化。聲卡能夠檢測出聲音信號，并配置相應(yīng)的信號處理電路，從而把聲音模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，提供給PC計算機(jī)分析和存儲，也能把聲音數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為模擬信號實現(xiàn)輸出[3-4]。其操作流程見圖1。集成于計算機(jī)上的聲卡系統(tǒng)運(yùn)用DSP芯片實現(xiàn)語音信號的采集，在DSP芯片內(nèi)配備RAM，從而暫時存儲數(shù)據(jù)信息。同時，也要對數(shù)據(jù)實施恰當(dāng)?shù)奶幚?，把聲音信號進(jìn)行編碼、解碼操作，并依托自帶數(shù)模轉(zhuǎn)換器，達(dá)到聲音信號模擬化、數(shù)字化間的快速便捷轉(zhuǎn)換。聲卡數(shù)字化聲音接口主要包含直接傳輸與DMA傳送兩種方式，前一種方法是因應(yīng)用程序直接依托數(shù)字信號處理器把聲音數(shù)據(jù)實施輸入輸出，這些數(shù)據(jù)均為8位或者16位脈沖編碼調(diào)制PCM數(shù)據(jù)；后一種DMA傳輸方法把聲音信號在數(shù)字信號處理器內(nèi)實現(xiàn)輸入或輸出[5-6]。

圖1 聲卡工作流程圖

2 聲卡數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)

2.1 設(shè)計系統(tǒng)硬件

聲卡主要包含Line In、Mic In這兩信號的輸入輸出孔，聲音傳感器信號可依托這兩個插孔與聲卡實現(xiàn)連接。如果信號自Mic In輸入，會適當(dāng)放大所采集的數(shù)據(jù)。加之，因配備前置放大器，極易引起噪聲且會使得信號過負(fù)荷，因此，Line In具有噪聲干擾較小、動態(tài)性好等優(yōu)點，具有推薦應(yīng)用的價值。而引入聲卡測量信號，可使用音頻或者屏蔽電纜，有效降低噪聲產(chǎn)生的干擾。當(dāng)輸入的信號電平比聲卡設(shè)定的最大輸入電平高，可以在聲卡輸入插孔與被測量信號間安裝衰減器，并把被測信號衰減到不超過聲卡最大的允許輸入電平[7-8]。同時，把聲卡LineOut端口連接到耳機(jī)，達(dá)到實時監(jiān)聽聲音信號的目的[9]。信號記錄儀器運(yùn)用計算機(jī)，將內(nèi)置聲卡當(dāng)做A/D轉(zhuǎn)換設(shè)置，硬件結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 設(shè)計系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

被檢測出來的信號通過傳感器轉(zhuǎn)變?yōu)殡姾?，信號調(diào)整器將電荷轉(zhuǎn)變成電壓，并放大給數(shù)據(jù)采集卡。這種情況下，計算機(jī)借助LabVIEW軟件對采集的聲音默認(rèn)設(shè)置為其所處操作系統(tǒng)，本次研究應(yīng)用最普通的聲卡，對高級高級聲卡信號進(jìn)行采集過程中，要及時關(guān)閉混響等特效設(shè)置，防止這些噪聲影響最終結(jié)果的真實性。虛擬儀器采集信號實現(xiàn)流程如圖3所示。

圖3 信號測試環(huán)節(jié)流程圖

2.2 設(shè)計系統(tǒng)軟件

應(yīng)用LabVIEW軟件當(dāng)做虛擬一起的開發(fā)工具，必須關(guān)注以下兩個方面的內(nèi)容：1）系統(tǒng)軟件前面板設(shè)計與布局：LabVIEW軟件能夠為系統(tǒng)開發(fā)人員提供大量前面板控件，以此達(dá)到進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計界面的目的。同時，所設(shè)計的系統(tǒng)也支持開發(fā)人員自行創(chuàng)造出來新的控件，以此滿足自身操作的各項需求。必須注意，前面板設(shè)計要達(dá)到布局合理、操作方便等方面的要求。2）程序框圖編程順利實現(xiàn)，主要包含以下幾個模塊的內(nèi)容，例如：設(shè)置聲卡、信號分析、聲音播放等，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)主體部分簡圖

2.2.1 設(shè)置聲卡模塊

對音頻數(shù)據(jù)進(jìn)行采集前，先要設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，例如：設(shè)備的ID、采樣模式、每條通道采樣數(shù)（512/1024/2048/8196）等，其中，設(shè)備ID為從多塊聲卡所組成的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對其進(jìn)行設(shè)置尤為重要。聲卡設(shè)置界面如圖5所示。

圖5 聲卡設(shè)置面板

2.2.2 數(shù)據(jù)采集處理模塊

數(shù)據(jù)采集模塊依據(jù)使用者設(shè)定的采樣頻率、數(shù)量等信息對聲音數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。系統(tǒng)把采集得到的聲音數(shù)據(jù)頻域及時域圖像依次顯示在系統(tǒng)前置界面中，并將上述數(shù)據(jù)保存起來。同時，還要對采集的數(shù)據(jù)開展分析處理，獲得最終的檢測結(jié)果。因PCM波形格式的文件模式信息質(zhì)量較好，本系統(tǒng)采用這種模式保存音頻數(shù)據(jù)。聲音數(shù)據(jù)采集主要運(yùn)用LabVIEW自帶聲卡采集函數(shù)VI進(jìn)行編寫，這些VI能通過執(zhí)行函數(shù)面板—編程—圖像與聲音中找到，用于讀取或停止聲音輸入、啟動聲音輸入、聲音輸入清零等函數(shù)VI[10-11]。對采集數(shù)據(jù)處理如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)處理框圖

2.2.3 信號分析模塊

這個模塊就是對由數(shù)據(jù)采集模塊采集的數(shù)據(jù)或由文件重載前采集并存儲的數(shù)據(jù)，對其展開頻域和時域分析并顯示相應(yīng)的域圖。此外，用戶也能對數(shù)據(jù)實施分段處理，甚至對選擇的數(shù)據(jù)按頻段完成分析。LabVIEW軟件所提供的編程環(huán)境及數(shù)據(jù)流驅(qū)動方法，促使用戶能夠直觀看到程序代碼并執(zhí)行響應(yīng)操作[13]。本次設(shè)計的聲卡數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)充分應(yīng)用LabVIEW中的多線程技術(shù)，為整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、信號分析等操作自動配置優(yōu)先級，有效預(yù)防單線程系統(tǒng)中發(fā)生調(diào)用阻塞的情況，也不會浪費(fèi)CPU運(yùn)行時間。如：用戶的接口操作被分配給一個特定線程，并對其賦予較低的優(yōu)先級，移動面板窗口這種事件不會對數(shù)據(jù)采集時間，確保系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行[14-15]。該VI主要通過LabVIEW內(nèi)的While Loop結(jié)構(gòu)順利實現(xiàn)信號采集、存儲等功能。此外，利用Sound Input、Signal Processing模板內(nèi)的節(jié)點實現(xiàn)信息采集、功率譜分析等處理。而在進(jìn)行信號分析前添加Butterworth低通濾波器。能夠?qū)υ紨?shù)據(jù)實施平滑濾波處理，有效消除噪聲干擾，提升信噪比。與模擬濾波器比較，這種濾波器無需配置精度較高的組件，且不會由于溫度、濕度改變出現(xiàn)誤差。

2.2.4 設(shè)計聲音播放模塊

對于所有采集的聲音信息實施存儲后，便于隨時播放。在播放聲音功能模塊中，主要功能為顯示波形、合理調(diào)節(jié)音量等。為清晰展示所播放聲音的圖形，波形圖利用兩種顏色的雙通道信號完成處理。聲音播放前面板見圖7。

圖7 聲音播放模塊前面板效果圖

3 系統(tǒng)測試實例

3.1 系統(tǒng)測試方法

本次實驗中選擇6弦吉他發(fā)出的單一聲色，每一根弦所用材料相同，均屬于圓柱狀且處于繃緊狀態(tài)，但粗細(xì)有所不同，用手指撥動這些弦能夠發(fā)出各種不同音色，而同一根弦經(jīng)過對其振動部分的長度進(jìn)行控制，達(dá)到改變弦發(fā)出音色的目的。進(jìn)行測試過程中，將麥克風(fēng)設(shè)置在距離弦50 mm處并進(jìn)行固定處理[17]。隨之，有選擇的撥動該吉他各條弦，所產(chǎn)生的音頻信號通過麥克風(fēng)采集發(fā)出9種音色，每一種音色每次采集時間設(shè)定為2 s，所采集的數(shù)據(jù)利用LabVIEW顯示并實施相應(yīng)的處理。

3.2 系統(tǒng)測試結(jié)果

現(xiàn)實條件下，設(shè)定吉他的一個單音色為標(biāo)準(zhǔn)聲音，隨之開展200組相同及不同的檢測，共對9個音色實施相同的測試。其中，把被測和標(biāo)準(zhǔn)聲音信號波形、測試結(jié)果保存下來，測試結(jié)果見表1。

根據(jù)上表的數(shù)據(jù)可知，在標(biāo)準(zhǔn)的信號3%誤差范圍之內(nèi)總的檢測準(zhǔn)確度大于88%，最高能達(dá)到93.76%，表明所設(shè)計的聲卡數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性比較高，如果適當(dāng)改變誤差的閥值，其準(zhǔn)確度也會發(fā)生明顯改變，見圖8。表明如果誤差閥值處在3%～5%范圍之內(nèi)，測量準(zhǔn)確度處于最高狀態(tài)。

表1 吉他相同與不同音色測試結(jié)果

圖8 平均準(zhǔn)確度與誤差閥值的相關(guān)性

4 結(jié)論

總之，本次研究設(shè)計一款依托LabVIEW多線程技術(shù)的聲卡數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)[18]，該系統(tǒng)能實時對聲音信號實施采集、分析等操作，即可及時獲得高效的檢測結(jié)果，并把所采集的聲音數(shù)據(jù)及檢測結(jié)果均被存儲下列，便于后期進(jìn)行調(diào)用檢驗。在此基礎(chǔ)上，依托對吉他多音色實例測試，本文所設(shè)計的系統(tǒng)配備友好的操作界面，總體檢測準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性較高，滿足語音識別、噪雜環(huán)境聲音監(jiān)測等方面的需求。