基于上位機內置式聲卡的多通道數(shù)據(jù)采集裝置及系統(tǒng)

馬 靜

(淮南聯(lián)合大學機電系，安徽淮南232001)

基于上位機內置式聲卡的多通道數(shù)據(jù)采集裝置及系統(tǒng)

馬 靜*

(淮南聯(lián)合大學機電系，安徽淮南232001)

給出了一種基于聲卡的多通道數(shù)據(jù)采集裝置和系統(tǒng)。該裝置首先將輸入信號轉換成頻率信號，由聲卡采集頻率信號，然后將采集到的頻率信號用軟件還原成輸入信號，解決了聲卡不能采集低頻或直流信號的問題，同時利用一片單片機控制多路模擬開關，并由該單片機向聲卡發(fā)出多路識別信號實現(xiàn)了多路信號采集功能。

電壓頻率轉換;聲卡;虛擬儀器;多通道;數(shù)據(jù)采集

計算機多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在工業(yè)控制和測試儀器設備中是不可缺少的［1］。目前市場上有專門的數(shù)據(jù)采集卡［2］，這種卡應用單一，價格較貴，與計算機兼容性差，安裝拆卸比較費事。而今聲卡已成為各種計算機的基本配置，聲卡的采樣頻率可達48 000 Hz，24 bit的采樣精度，數(shù)據(jù)采集性能絲毫不比昂貴的專用采集卡遜色［3］。

利用聲卡直接進行數(shù)據(jù)采集最早應用在聲音和振動測試領域，它們所面對的信號都是交流信號［4］。一臺計算機通常配置一塊聲卡，而聲卡輸入口串有隔直電容，且其輸入電壓不能超過1伏，因此利用聲卡采集數(shù)據(jù)的最大障礙在于單塊聲卡采集多路信號并實現(xiàn)低頻或直流信號的采集［5］。現(xiàn)有的研究［6-8］提出了一些新的方案，主要是對采樣信號做倍頻處理，電路復雜且沒有做到多通道采集。鑒于此，我們設計制作了一套基于聲卡的多通道數(shù)據(jù)采集裝置及系統(tǒng)。

1 理論與技術方案

為克服聲卡數(shù)據(jù)采集的上述障礙，提出以下方法實現(xiàn)單塊聲卡采集多路低頻信號、直流信號及脈沖信號。

(a)將低頻或直流信號線性轉換為聲卡能精確采集的頻率信號從而解決聲卡不能采集低頻或直流信號的問題。

(b)利用多路信號循環(huán)掃描技術和同步識別技術實現(xiàn)由一塊聲卡采集多路信號。

(c)通過控制脈沖信號輸入選擇模塊選定任一通道或幾通道直接采集高頻脈沖信號。

為具體實現(xiàn)以上方法設計了以下技術方案。系統(tǒng)由硬件和軟件組成，硬件對數(shù)據(jù)進行采集，軟件對數(shù)據(jù)進行處理。硬件框圖如圖1所示，軟件流程如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)硬件組成方框圖

圖2 系統(tǒng)軟件流程圖

2 硬件設計

硬件如圖3所示，包括聲卡、多路模擬開關、信號轉換模塊、信號標定模塊、單片機1、脈沖信號輸入選擇模塊、單片機2。

多路模擬開關由8個達林頓管組成，實現(xiàn)多路輸入信號的分時接入和切換;信號轉換模塊由LM331及其外圍電路組成，實現(xiàn)將低頻或直流信號轉換為聲卡能精確采集的頻率信號，該頻率信號接入聲卡線性輸入插孔0號聲道;信號標定模塊由電位器構成，可對輸入信號與頻率信號之間的換算關系進行微調，以實現(xiàn)信號的標定;單片機1實現(xiàn)多路輸入信號的循環(huán)選通，并在選通某路輸入信號時由其21管腳向聲卡線性輸入插孔1聲道發(fā)出某一固定頻率的協(xié)調信號，以實現(xiàn)采集信號通道的辨識;單片機2和單片機1以及聲卡所在的上位機建立通訊，通過上位機軟件可對單片機1循環(huán)選通多路信號的周期予以設定，同時通過上位機軟件和單片機2對脈沖信號輸入選擇模塊進行控制以確定任一通道或幾通道作為高頻脈沖信號輸入。單片機2和單片機1以普通I/O口實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊，單片機2和上位機通過USB口實現(xiàn)通訊，單片機2由上位機軟件設定可對單片機1循環(huán)選通多路信號的周期進行修改，單片機2由上位機軟件設定還能對脈沖信號輸入選擇模塊進行控制。

圖3 系統(tǒng)硬件原理圖

3 軟件設計

軟件包括單片機軟件和上位機軟件。單片機1中程序實現(xiàn)多路輸入信號的循環(huán)選通，在選通某路輸入信號的同時發(fā)出協(xié)調信號給上位機以識別信號通道;單片機2中程序實現(xiàn)和單片機1及上位機的通訊以及對脈沖信號輸入選擇模塊進行控制。

上位機軟件實現(xiàn)對聲卡線性輸入插孔0聲道和1聲道的數(shù)據(jù)進行采集和處理，處理過程包括，濾波、譜分析、頻率特征量的提取，并根據(jù)聲卡1聲道進入的通道識別信號來分揀聲卡0聲道分時進入的多路頻率信號，將分揀出來的多路頻率信號按信號轉換模塊的轉換公式進行逆變換，還原成低頻或直流信號，對逆變公式的相關系數(shù)進行微調也能實現(xiàn)信號的標定，如果被采集信號為高頻脈沖信號則不必逆變換，上位機軟件還能通過USB口通訊實現(xiàn)對下位單片機的控制。

4 多通道數(shù)據(jù)采集效果及性價比分析

多路信號的循環(huán)采樣周期可以根據(jù)實際情況通過圖所示的微調旋鈕進行微調。如果輸入信號是高頻脈沖信號，則需開啟如圖所示對應通道的脈沖量輸入選擇開關，由計算機和單片機2之間的通訊，由單片機2來控制如圖1所示的脈沖信號輸入選擇模塊以決定對應通道不做頻率轉換處理。

系統(tǒng)實物圖如圖4所示，圖5所示為軟件界面和8通道直流信號的采集效果，對應通道號，原始輸入信號分別為5 V、6 V、7 V、9 V、2 V、1 V、3 V和9 V的直流電壓信號。現(xiàn)場采集實時性很好且由圖5可以看出系統(tǒng)的采集精度很高。

圖4 系統(tǒng)實物圖

圖5 軟件界面和采集效果

本裝置及系統(tǒng)有較高的性價比，上述8通道數(shù)據(jù)采集實現(xiàn)硬件成本不超過80元，而現(xiàn)有品牌數(shù)據(jù)采集卡動輒上千元。若同時利用聲卡的音頻輸出插孔輸出頻率信號，采用轉換電路線性轉換成輸出電壓，則可實現(xiàn)控制功能，其性價比將進一步提高。

5 結束語

本裝置及系統(tǒng)利用聲卡優(yōu)越的數(shù)據(jù)采集性能確保采集數(shù)據(jù)的高精度。采用單片機電路實現(xiàn)了可擴展的多路數(shù)據(jù)采集功能，同時解決了低頻和直流信號的采集問題?；谔摂M儀器技術開發(fā)了數(shù)據(jù)處理軟件，并可對采集數(shù)據(jù)的處理進行二次開發(fā)，還可實現(xiàn)遠程網(wǎng)絡化測控。本裝置及系統(tǒng)成本低廉，性價比高，有廣闊的應用前景。

［1］ 馬明建，周長城.數(shù)據(jù)采集與處理技術［M］.西安:西安交通大學出版社，1997:6-54.

［2］ 馮雪.數(shù)據(jù)采集卡性能指標與應用［J］.工業(yè)控制計算機，2008 (5):10-11.

［3］ 周敬利，余勝生.多媒體計算機聲卡技術及應用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，1998:12-40.

［4］ 王穎等.基于計算機多媒體聲音資源的體感誘發(fā)電位刺激器的研制［J］.電子技術應用，2008(2):126-129.

［5］ 徐云峰等.基于聲卡的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計［J］.機械設計與制造，2006(4):46-47.

［6］ 任駒，鄭建邦，劉德峰.基于聲卡和MATLAB的太陽電池伏安特性自動測試系統(tǒng)［J］.傳感技術學報，2006(4):447-449.

［7］ 馬偉順，魏燕.基于LabVIEW和聲卡的心電信號采集及頻譜分析儀設計［J］.自動化與儀器儀表，2012(1):40-41.

［8］ 盧起斌，趙長青，李正祥.基于PCM2902E的DRM接收前端設計［J］.電子器件，2012(3):300-303.

馬 靜(1976- )，女，山東兗州人，碩士，淮南聯(lián)合大學講師，研究方向為機械電子工程及工業(yè)自動化，gfchen@ aust.edu.cn。

The Built-in SBC’s Multiple Channel Data Collection Device and System Based on the Upper Computer

MA Jing*
(Department of Mechanical and Electrical Engineering，Huainan Union University，Huainan Anhui 232001，China)

This thesis offers a kind of multiple channel data collection device and system based on the SBC.The device first converts input signals into frequency signals，and sound blaster audio card collects frequency signals and to the frequency signals collected is restored into input signals by software.By doing so，it resolves the problem which the SBC can’t collect low frequency signals or dc signals;meanwhile，a piece of MCU controls the AMUX，and this SBC sends poly identification signals to SBC，so the function of poly signals collection is achieved.

VFC;sound blaster audio card(SBC);virtual instrument;multiple channel;data collection

10.3969/j.issn.1005－9490.2014.02.045

TP274

A

1005－9490(2014)02－0378－03

2013-06-19修改日期:2013-07-03

EEACC:7250G;7210G