虛擬聲學(xué)信號(hào)采集分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

劉東陽(yáng) 孫文康 童元正

摘 ?要：近年來(lái)，隨著科技的不斷發(fā)展，虛擬儀器已經(jīng)被應(yīng)用到很多領(lǐng)域，它以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)相關(guān)的硬件和軟件的構(gòu)建而成，是具有可視化界面的儀器。它是計(jì)算機(jī)技術(shù)和電子技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，其功能較傳統(tǒng)的虛擬儀器有很大的突破。虛擬聲學(xué)信號(hào)采集系統(tǒng)是指應(yīng)用LabVIEW開(kāi)發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)了一種基于聲卡的虛擬信號(hào)采集分析系統(tǒng)。文章對(duì)虛擬聲學(xué)信號(hào)采集分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究分析。

關(guān)鍵詞：虛擬;聲學(xué)信號(hào);采集分析;系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TN912.3 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ?文章編號(hào)：1006-8937（2015）02-0015-01

當(dāng)前，隨著測(cè)量?jī)x器不斷向虛擬化、計(jì)算機(jī)化的方向發(fā)展，基于聲卡的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展已經(jīng)滲透到工程測(cè)量和高效實(shí)踐教學(xué)的領(lǐng)域，它能夠有效的測(cè)量出噪音及震動(dòng)等物理信號(hào)。在聲學(xué)的研究中，由于聲學(xué)信號(hào)自身受干擾的復(fù)雜性和對(duì)實(shí)用性的需求，聲學(xué)儀器對(duì)結(jié)構(gòu)上的硬件構(gòu)造及工藝具有極高的要求。由于聲學(xué)儀器的體積往往占地空間比較大，而且它自身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，互相連接，這就一定程度上為研究工作的開(kāi)展設(shè)置了障礙。

1 ?對(duì)LabVIEW的介紹分析

LabVIEW是一種由美國(guó)國(guó)家儀器公司研制開(kāi)發(fā)的程序開(kāi)發(fā)環(huán)境，它與c和BASIC的開(kāi)發(fā)環(huán)境類似，但是LabVIEW又與其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言存在著明顯的區(qū)別。它本身使用的是圖形化編輯語(yǔ)言，其編寫(xiě)程序?yàn)镚，并且產(chǎn)生的程序以狂吐的形式呈現(xiàn)出來(lái)。對(duì)LabVIEW的介紹還要從虛擬儀器的概念以及虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的對(duì)比中詳細(xì)介紹。

虛擬儀器是以計(jì)算機(jī)儀器為基礎(chǔ)將儀器裝入到計(jì)算機(jī)內(nèi)部，并且它以通用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為依托，實(shí)現(xiàn)儀器的功能。虛擬儀器與傳統(tǒng)的儀器相比，其主要是對(duì)軟件的操作，而傳統(tǒng)的儀器則主要是靠硬件;而且，虛擬儀器的開(kāi)發(fā)與維護(hù)的費(fèi)用較傳統(tǒng)儀器的費(fèi)用較低，技術(shù)周期更新短，可重復(fù)性與可配置性強(qiáng);另外，虛擬儀器的功能由用戶進(jìn)行定義，而傳統(tǒng)儀器則由生產(chǎn)商進(jìn)行定義。虛擬儀器的系統(tǒng)比較開(kāi)放、并且靈活與計(jì)算機(jī)的進(jìn)步同步，與其他設(shè)備比較容易連接。而傳統(tǒng)儀器系統(tǒng)封閉并且固定，不易與其他設(shè)備進(jìn)行連接。與傳統(tǒng)的儀器相比，虛擬儀器在智能化程序、處理能力、性能價(jià)格比等方面都擁有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

1.1 ?虛擬儀器的智能化程度比較高，處理能力較強(qiáng)

虛擬儀器的智能化程度比較高及處理能力較強(qiáng)，其主要取決于儀器軟件的水平。這為用戶提供了方便，用戶完全可以根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用需求進(jìn)行使用。例如，用戶在使用的時(shí)候，完全可以將信號(hào)及處理算法、人工智能技術(shù)等應(yīng)用于儀器設(shè)計(jì)與集成中，將智能儀器水平提高到另一個(gè)新的層次。

1.2 ?虛擬儀器的系統(tǒng)費(fèi)用低，復(fù)用性較強(qiáng)

利用虛擬儀器的思想，用相同的基本硬件可以構(gòu)造出多種不同功能的測(cè)試分析儀器，它的系統(tǒng)費(fèi)用比較低，而且復(fù)用性較強(qiáng)。

1.3 ?虛擬儀器的可操作性比較強(qiáng)

由于虛擬儀器的面板可以由用戶進(jìn)行定義，用戶可以根據(jù)不同的需要應(yīng)用設(shè)計(jì)不同的操作顯示界面。利用計(jì)算機(jī)的多媒體處理能力，也可以使虛擬儀器的操作更加簡(jiǎn)單、直觀、容易讓人理解。

2 ?虛擬聲學(xué)信號(hào)采集分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

通過(guò)以上對(duì)LabVIEW的了解，我們運(yùn)用LabVIEW開(kāi)發(fā)平臺(tái)來(lái)設(shè)計(jì)虛擬信號(hào)采集分析系統(tǒng)。

2.1 ?系統(tǒng)前面板的設(shè)計(jì)

虛擬儀器的前面板設(shè)計(jì)是否合理對(duì)虛擬儀器的使用效果有著重要的影響，它直接面向使用者，使用者對(duì)其分布的合理程度也有著很高的要求。系統(tǒng)前面板的設(shè)計(jì)情況如圖1所示。

2.2 ?系統(tǒng)的程序框圖設(shè)計(jì)

對(duì)各個(gè)的功能模塊進(jìn)行分割編寫(xiě)，采用模塊式的編寫(xiě)方式逐個(gè)進(jìn)行分割，然后將分割編寫(xiě)的模塊整理集合以構(gòu)成一個(gè)新的系統(tǒng)控制程序。程序模塊主要包括三個(gè)模塊，第一種是實(shí)時(shí)信號(hào)采集模塊;第二種是信號(hào)處理分析模塊;第三種是仿真信號(hào)模塊。這三種模塊對(duì)系統(tǒng)都有著很重要的影響，它們以不同的角色為系統(tǒng)提供服務(wù)，滿足用戶的需求，產(chǎn)生令用戶滿意的信號(hào)。另外，對(duì)這三種模塊的編寫(xiě)整合構(gòu)成新的程序框圖。

2.2.1 ?實(shí)時(shí)信號(hào)采集模塊

實(shí)時(shí)信號(hào)采集模式可以通過(guò)對(duì)信號(hào)的有效分析處理對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)的分析，并且實(shí)時(shí)信號(hào)采集模式可以根據(jù)用戶所設(shè)置的聲音格式從聲卡中得到相關(guān)數(shù)據(jù)，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。這種模塊在開(kāi)始采集數(shù)據(jù)前要注意，參數(shù)的設(shè)置要根據(jù)實(shí)際的情況和參數(shù)設(shè)置好以后將信號(hào)選擇的按鈕調(diào)制實(shí)時(shí)信號(hào)檔上。開(kāi)始設(shè)置各個(gè)快捷按鈕，如停止按鈕、退出按鈕、對(duì)信號(hào)的采集保存等按鈕。

2.2.2 ?信號(hào)處理分析模塊設(shè)置完成應(yīng)用

信號(hào)處理分析模塊一般是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域分析以及頻域分析。其中時(shí)域分析可分為對(duì)參數(shù)的測(cè)量、對(duì)諧波失真分析、最后是自相關(guān)分析。在對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析處理的過(guò)程中，如果單單只對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻域分析，信號(hào)所具有的全部特征并不能完全的顯示出來(lái)，也就是時(shí)域分析有時(shí)候不能完全滿足對(duì)信號(hào)的分析，這就需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻域分析，以更加全面完整的分析出信號(hào)所具有的全部性質(zhì)。在LabVIEW中，如果要對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻域分析，就要以FFT為分析的基礎(chǔ)，才能進(jìn)行具體分析。

2.2.3 ?仿真信號(hào)模塊的完成應(yīng)用

仿真信號(hào)模塊的作用我們不可忽視，生活中并不是所有的信號(hào)都能用實(shí)際的儀器產(chǎn)生，當(dāng)無(wú)法獲得實(shí)際的信號(hào)時(shí)，可以用仿真信號(hào)作為任意頻率的信號(hào)，也可以用仿真信號(hào)作為標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)源，對(duì)其產(chǎn)生的信號(hào)做信號(hào)的檢測(cè)系統(tǒng)。這種仿真信號(hào)模塊包含波形顯示以及噪聲的添加等功能。仿真信號(hào)可以產(chǎn)生一些日常生活中我們常見(jiàn)的信號(hào)，如正弦波、方波以及三角波等。并且用戶可以很據(jù)自身的需要對(duì)信號(hào)的頻率、幅值、以及采樣頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而產(chǎn)生用戶所需要的信號(hào)。

3 ?研究應(yīng)用

整流電路中應(yīng)用虛擬聲學(xué)采集分析系統(tǒng)研究采集系統(tǒng)的采集性能。在整流電路中應(yīng)用虛擬采集分析系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)該注意采樣的頻率要保持20 Hz～20 kHz之間，如果想得到更加完整較好的波形，就可以將頻率控制在100 Hz～15 kHz之間。在整流點(diǎn)路中要進(jìn)行對(duì)正弦先好進(jìn)行整流的過(guò)程中，可應(yīng)用二極管半波整流電路對(duì)其進(jìn)行整流。輸出信號(hào)以后接入虛擬信號(hào)采集分析系統(tǒng)，可以得到一些波形。事實(shí)證明，虛擬儀器的信號(hào)采集分析系統(tǒng)的采集性能可以達(dá)到人們所需要的理想信號(hào)。實(shí)踐證明，虛擬儀器信號(hào)采集分析系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用在噪聲監(jiān)測(cè)、信號(hào)分析以及實(shí)驗(yàn)教學(xué)當(dāng)中。

4 ?結(jié) ?語(yǔ)

當(dāng)前，虛擬儀器已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用到對(duì)各種信號(hào)的采集分析，作用不容小視。虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器相比，優(yōu)點(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)比傳統(tǒng)儀器多的多。例如，與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器的智能化程度遠(yuǎn)比傳統(tǒng)儀器的高，處理能力比傳統(tǒng)儀器的處理能力強(qiáng);虛擬儀器的系統(tǒng)費(fèi)用要比傳統(tǒng)儀器的系統(tǒng)費(fèi)用低，并且虛擬儀器的復(fù)用性較強(qiáng);從可操作性能上看，虛擬儀器的可操作性比傳統(tǒng)儀器的可操作性強(qiáng)。文中還對(duì)虛擬聲學(xué)信號(hào)采集系統(tǒng)做了研究，主要研究了系統(tǒng)前面板的設(shè)計(jì)和程序框圖設(shè)計(jì)，程序框圖設(shè)計(jì)中，對(duì)三種模塊進(jìn)行編寫(xiě)，最后組合成一個(gè)完整的新的程序框圖。隨著科技的不斷發(fā)展進(jìn)步，虛擬儀器在各個(gè)領(lǐng)域會(huì)有更大的影響。

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