基于Labview的声卡信号采集及其分析系统设计完整版doc资料Word下载.docx
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作者简介:
姜宇东(1985.01-,男,测试计量技术及仪器专业硕士研究生,研究方向:
仪表自动化及计算机检测;
胡泽,男,教授,主要研究方向:
数字信号处理和神经网络等;
祁芳芳,女,测试计量技术及仪器专业硕士研究生。
收稿日期:
2021-03-16(9087
基于Labview的声卡信号采集及其分析系统设计
于 琳,陈 健
(广东工业大学信息工程学院,广州510006
摘要:
随着计算机技术的发展,虚拟仪器技术得到了广泛的应用;
为了充分利用计算机资源进行数据采集及分析,设计了声卡信号采集及分析系统。
该系统使用虚拟仪器技术,实现实时声音信号的采集、存储及对信号的谱分析和结果显示。
该系统利用pc机上的声卡,具有成本低、使用方便灵活等特点。
关键词:
Labview;
声卡信号采集;
谱分析中图分类号:
TP391 文献标识码:
A
Designofsoundcardsignalacquisitionand
analysissystembasedonLabview
YUlin,CHENJian
(SchoolofInformationEngineeringofGuangdongUniversity
ofTechnology,Guangzhou510006,China
仪器仪表用户□科研设计成果□
Abstract:
Withthedevelopmentofcomputerstechnology,theappli2cationofvirtualinstrumentbecomesmoreandmorewidely.Thesys2temwasdesignedforsoundcardsignalacquisitionandanalysisthroughcomputer.ByusingthetechnologyofLabview,thesystemcouldrealizereal2timesoundsignalacquisition,datamemory,andspectralanalysisanddisplaytheresult.Thissystemhadusedthesoundcardofpc,hadcharactersoflow2cost,convenientandflexi2bleinuse.
Keywords:
Laboratoryvirtualinstrumentengineeringworkbench;
soundsignalacquisition;
spectralanalysis
0 引言
传统的测试技术由于硬件价格昂贵,不同的测试对象其硬件平台不一样,导致了现代测试技术中其发展比较滞后。
随着计算机总线技术、软件技术的发展,自动测试系统发生了巨大的变化。
虚拟仪器的出现是仪器发展史上的一场革命,代表着仪器发展的最新方向和潮流[1]。
虚拟仪器利用计算机来控制相应的与其连接的,具有仪器功能的硬件,能够完成对输入、输出信号的采集、控制、数据分析和显示,能够实现传统仪器的功能。
与传统的测量仪器的设计方法相比,它具有成本低、功能强大、集成度高、质量可靠、维护方便等优点[2]。
文中,该系统通过计算机上的声卡来采集声音信号,由计算机上的虚拟仪器程序来控制采集、分析、显示,因此该系统的硬件完成信号的输入功能,软件则是整个系统的关键。
1 虚拟仪器与Labview
1.1 Labview特点
Labview是NI公司推出的虚拟仪器开发平台软件,是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言[3]。
Lab2view采用数据流编程方式,程序框图中节点之间的数据流向决定了程序的执行顺序。
它用图标表示函数,用连线表示数据流向。
通过其图形化软件开发环境,它能够直观简便的编程。
另外,众多的源码级的设备驱动程序、多种多样的分析和表达功能支持,为用户快捷地构建自己在实际生产中需要的仪器系统创造了基础条件。
1.2 虚拟仪器简介
虚拟仪器就是在通用计算机上加上软件和(或硬件,使得在操作计算机时,就像是在操作一台自己设计的专用的传统电子仪器[4]。
虚拟仪器系统中,硬件解决信号的输入输出,软件是整个仪器系统的关键,任何一个使用者都可以通过修改软件的方法,方便地改变、增减仪器系统的功能和规模,所
以有“软件就是仪器”之说[5]
2 总体设计
本文设计的声卡信号采集及分析系统主要是应用计算机上的声卡对声音信号进行数据采集、显示、波形存储和回放。
能够对信号参数测量结果、幅度相位谱、功率谱等进行波形显示。
该系统主要由以下几个模块组成:
1配置声卡参数。
在配置参数前面板上对设备ID、采样模式、每通道采样数、采样频率、采样通道类型、采样比特率等进行设置。
2启动采集。
该模块包括声音信号采集波形和保存及停止三部分。
保存时,系统开始保存从声卡采集的声音信号,动态地显示在波形图中,并提示用户设置文件保存路径。
3信号保存。
此模块利用while循环中的条件结构来实现,当保存布尔值为True时,模块提示用户设置文件保存路径,然后自动配置声音输入,启动声音输入采集,读取声音,写入声音文件。
4读取存储文件。
该模块通过对保存的声音进行读取,将数据的数据波形,声音格式等显示出来。
5信号分析。
完成信号的参数测量,幅度相位谱,功率谱的分析,其中对信号的周期平均,周期均方根,正峰,反峰,峰峰值等参数进行了图形及数值显示。
3 系统的设计过程
3.1 前面板的设计
VI程序的前面板是一个交互式的用户界面,相当于真实物理测试仪器的仪器面板。
设计时本文采用常用的子目录系统方式,当在主面板上选择不同的操作时,进入不同的界面。
启动系统后,需要设置声卡的一些参数,包括设备ID、采样模式、每通道采样采样频率、采样通道类型、采样比特率。
不同的设置其后面采样的结果是不一样的,参数的设置如图1
图1 声卡参数设置前面板(运行中
声卡参数设置完后,系统回到主界面。
我们就可以对从外
录文件和波形文件操作比较简单[6]
在本设计中都可以应用.本系统是处理声音的波形数据,因此选择了波形文件作为存储的文件格式。
声音信号保存完毕后,系统又回到运行界面,下一步就可以对刚才保存的声音文件进行各种分析了。
Labview内建了600多个分析函数,能轻松地提取有用信息进行测量数据分析和信号处理;
本系统中我们选择了信号处理工具里面的FFT功率谱,FFT频谱(幅度-相位,幅值和电平测量等分析函数,并将这些分析结果以图形和数值显示的方式呈现在前面板上,如图
2所示。
图2 声卡信号分析结果(运行中
□科研设计成果□
仪器仪表用户
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EIC Vol.16 2021 No.4 41
3.2 程序框图的设计
如果说前面板是仪器的操作面板,那么程序框图相当于仪器内部的电子线路了。
虚拟仪器系统的关键所在就是对程序框图的设计,合理的布局安排,恰当的函数使用可以让复杂的系统运行顺畅[7]。
本系统因为采用子目录的方式来运行,因此在程序流程设计中也是采用这样一个思路。
主程序中,采用while循环中的事件结构,不同的事件对应于前面板上的不同操作,共有四个事件:
[0]“配置声卡”:
值改变;
[1]“启动采集”:
[2]“信号分析”:
[3]“结束采集”:
值改变。
每一个事件触发时都有相对应的一个subvi程序,这样设计的原因是因为用子函数来实现不同的功能模块可以将系统划分开来,条理清楚,易于查错和修改。
本系统有三个不同的操作,故此其子函数有三个,分别为:
configsoundcard,soundDAQ,signalanalysis.因为本系统的难点在于如何编写声音信号采集及保存,信号分析的程序流程,所以下面给出它们的框图程序,
其实现过程可以参见图3、图4及图5。
图5 声音信号的时频域分析程序图
4 结束语
利用Labview和计算机上的声卡开发的声音信号采集及
分析系统完成了对声音信号的采集、显示、保存和分析。
此系统的最大优点在于,只要拥有一台计算机就可以完成对声音信号的采集和分析。
另外,本系统具有一定的通用性,可以利用Labview灵活组建的特点随时添加或删减一些功能模块,来达到你所需要的结果。
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于琳(1983-,硕士研究生,主要研究方向为智能信息处理和测试技术;
陈健,博士,教授,主要从事机电控制技术及虚拟仪器的研究。
2021-03-08(9079
基于S3C44B0的太阳能追光系统设计
朱世佳,侯建军
(北京交通大学电子信息工程学院,北京100044
基于32位ARM微处理器S3C44B0,设计了太阳能追光系统。
该系统采用实时控制方法准确追踪太阳位置,并进行同步跟踪,以保证获得最大效率的太阳能。
实验室调试情况表明,装置工作稳定、实时性好,能够正确完成对太阳跟踪。
S3C44B0;
太阳;
追光;
系统设计中图分类号:
TP273+.4 文献标识码:
Thedesignofsun2tracksystembased
onS3C44B0
ZHUShi2jia,HOUJian2jun
(SchoolofElectronicsandInformationEngineering,BeijingJiaotongUniversity,Beijing100044,China
Abstract:
Anewtypeofsun2tracksystembasedonARM322bitmi2
croprocessorS3C44B0(produce
dbySamsungisintroduc
ed.Thissystemusereal2timecontrolmethodtoidentifythepositiono
fthesuncorrectly.Ittracksthesunwhenitmoving,soastogainthemostenergy2receivedefficiency.Therunnin
gsituationofthesysteminthelabshowsusthatitcanworksteadilyanditcantrackthesuncor2rectly.Thereal2timeofthesystemisgoodaswell.Keywords:
S3C44B0;
sun;
track;
systemdesign
太阳能是一种清洁无污染的能源,取之不尽,用之不竭,其
发展前景非常广阔,利用太阳能发电已经成为全球瞩目的一
基于MODBUS通讯的信号采集卡的设计
程胜勇,刘暾东
(厦门大学 福建厦门 361005
摘 要:
在分布式数据采集与监测系统中,往往需要实时采集远程被控对象的各种参数,并与上位控制中心进行数据交换。
本文介绍了基于MODBUS通讯协议的信号采集卡硬件和软件设计。
其硬件主要分为信号采集和通信2部分。
本卡主要采集各种数字量,如按键是否按下,继电器是否闭合等。
由于PC机串行口最大传输距离仅为50~100ft,因此采用RS485总线实现数据的远程传输。
软件部分采用C语言编写下位机程序,而上位机界面的搭建选用VB。
该采集卡可以运用到许多实际的工控场合。
RS485总线;
MODBUS协议;
信号采集;
通信
中图分类号:
TN915.05 文献标识码:
B 文章编号:
1004373X(20202002502
DesignofSignalCollectionCardBasedonMODBUSCommunication
CHENGShengyong,LIUDundong
(XiamenUniversity,Xiamen,361005,China
Abstract:
Indistributeddatacollectionandsupervisionsystems,itisneededtocollecttheparametersofthecontrolledobjectandexchangedataswithmastercontrolcenter.ThepaperintroduceshardwareandsoftwaredesignofsignalcollectioncardwhichisbasedonMODBUSprotocol.Thehardwareismainlycomposedbytwoparts,signalcollectionandcommunication.Thiscardmainlycollectsdigitaldatas,suchasstatesofbuttonsorrelays,andsoon.BecausethemaxtransportdistanceofserialportofPCisonly50~100ft,soRS485Busisusedtorealizetheremotedatatransmission.ThesoftwareofslavecomputerisprogrammedbyC;
whiletheinterfaceofmastercomputerisbuiltbyVB.Thecardcouldbeappliedtomanyindustrialcontroloccasions.
Keywords:
RS485Bus;
MODBUSprotocol;
signalcollection;
communication
202006
29
项目:
福建省青年科技人才创新项目(2004J020
1 引 言
以单片机为主体构成的分布式数据采集和控制系统,以其电路结构简单、工作稳定可靠而被广泛应用在工业控制系统中。
目前广泛使用的单片机产品芯片中都集成了串行通信的接口。
使用这些通信接口和RS485接口驱动芯片就可以构成总线型通信网络,从而将多台单片机系统连接成一个分布式数据采集和控制系统。
这种RS485网络结构具有接口简单、灵活性好、价格低、易于控制等优点,可广泛应用于工业控制系统中。
目前,在DCS中,主机大多采用PC机,其串行口为标准RS232口。
但由于RS232不易进行长距离的数据传输,存在共地噪声且不能抑制共模干扰。
目前广泛采用的是RS485收发器。
RS485收发器采用平衡发送和差分接收,具有抑制共模干扰的能力,加上收发器具有很高的灵敏度,能检测低达200mA的电压。
本文介绍的基于MODBUS通信的信号采集卡正是采用RS485通信方式。
2 系统设计
2.1 硬件设计
采集卡的硬件主要分2部分,分别完成数据采集和通
讯的功能,如图1
图1 数据采集和通讯的功能
本卡采集的是数字量信号,如现场的继电器状态、按键是否被按下、开关闭合与否。
在采集信号进入微处理器CPU之前,先经过74LS244驱动器。
图2给出采集8路数字量信号的硬件图。
通讯接口是采集卡的另外一个组成部分,选取MAX483作为RS485通讯的收发器,并选用6N137作为输入输出隔离器,如图3所示。
25
《现代电子技术》2020年第20期总第211期
集成电路
2.2 软件设计
采集卡与主机的通信采用MODBUS协议。
MODBUS是应用于电子控制器上的一种通用语言。
此协议定义了一个控制器能识别的消息结构,而不管他是经过何种网络进行通信的。
他描述了一种控制器请求访问其他设备的过程,如何回应来自其他设备的请求,以及怎样侦测错误并记录。
他制定了消息域格局和内容的公共格式,其一般格式如图4
图2
数字信号采集硬件图
图3
通讯接口
图4 MODBUS协议一般格式
利用中断接收和发送数据。
其流程图如图5所示。
采集卡选用的处理器芯片是87C51,采用C语言编写其程序。
主程序进行初始化,并不断侦测串口,一旦接收到数据即进入中断服务。
在中断服务程序里接收和发送数据。
中断程序如下:
voidint1(voidinterrupt4
{ucharaddr;
ES=0;
RI=0;
addr=SBUF;
while(addr!
=SLAVE
{ES=1;
gotoreti;
}SM2=0;
sre(;
//调用接收数据子程序
buid(;
//组织要发送的数据str(;
//调用发送数据子程序
reti:
;
}
图5 中断、发送数据流程图
3 PC机软件设计
在Windows2000/XP环境中,编写串行通信应用程序,一般采用如下2种方法:
(1通过调用Win32API提供的串行通信函数,这种方法实现起来相当繁琐;
(2利用专门处理串行通信的控件来编程。
在本系统中,选择一个名为MSComm的第三方控件
来实现采集卡的串行通信管理。
其主要步骤如下:
(1对串口进行初始化,按协议建立包含地址、功能码、寄存器起始地址和寄存器数的请求数组,调用CRC16函数对以上数据生成两字节CRC校验码并附在尾部,建立待发送的请求帧;
(2利用MSComm的Output方法,将上述请求帧送入串行口;
(3按照查询方式,检查输入缓冲区字节数以及帧首部的两字节,确认响应数据的正确性;
(4用Input属性读取响应数据,依据第3个字节计算出采集数据的字节长度,并将后续的采集数据读入数组进行处理和转换。
4 结 语
利用基于MODBUS通信的RS485总线在Windows2000/XP环境下构建的远程数据采集/传输系统,解决了
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