虚拟仪器是20世纪80年代兴起的一项新技术，是现代仪器仪表发展的重要方向，在建模仿真、设计规划和教育训练等方面都有应用。目前NI公司所提供数据采集设备性能好，但是价格昂贵，构建信号分析系统成本偏高。计算机声卡具备数据传输和A/D转换功能，作为数据采集卡具有价格低廉、开发容易和系统灵活等优点。 基于上述分析，本文用计算机声卡代替普通采集卡作为硬件，在LabVIEW平台上设计了一个数据采集系统，并在信号分析实验中进行了应用。主要贡献为下述几点: l)提出了采用声卡作为数据采集设备构建虚拟音频信号分析系统并应用于实验 教学的设想。通过高校实验室现状的调研和对声卡性能的分析，分析了由声卡组建可以用于实验教学的数据采集系统的必要性和可行性。 2)构建了基于 LabVIEW 的音频信号采集系统，具有信号采集、波形显示、存储等功能。分析、解决了设计及实现过程中出现的问题。 3)对提出的设计方法进行了大量的仿真实验，通过实验结果证明了系统设计的合理性和可行性。所生成的采集软件交互性好、操作方便，并且可以根据用户的需求进行功能扩充，为低成本下构建数据采集系统提供了一种思路，可以应用到语音识别、环境噪声监测和实验室测量等多种领域，应用前景广阔。
本文旨在运用虚拟仪器开发软件 LabVIEW8.6，设计开发基于声卡的数据采集分析系统，使其具有通过普通声卡进行声音数据的采集、分析、显示以及存储功能，并用其构建音频信号采集分析虚拟实验系统，使其能在具体实验教学中运用. 随着计算机技术的广泛应用和电子技术的高速发展，数字系统已被广泛应用于国民经济、国防建设和科学实验的各个领域。与模拟系统相比，数字系统有精度高、稳定性好等优点。外部的各种被检测量，如温度、压力、位移、角度等都是模拟信号，因此要将这些模拟信号转换为便于处理和存储的数字信号。
1.1 课题开发背景和发展现状 虚拟仪器[1]（virtual instrument）是基于计算机的仪器。计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。粗略地说这种结合有两种方式，一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统的仪器。另一种方式是将仪器装入计算机。以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能。虚拟仪器主要是指这种方式。上面的框图反映了常见的虚拟仪器方案。 虚拟仪器实际上是一个按照仪器需求组织的数据采集系统。虚拟仪器的研究中涉及的基础理论主要有计算机数据采集和数字信号处理。目前在这一领域内，使用较为广泛的计算机语言是美国 NI 公司的 LabVIEW。 虚拟仪器的起源可以追溯到20世纪70年代，那时计算机测控系统在国防、航天等领域已经有了相当的发展。PC机出现以后，仪器级的计算机化成为可能，甚至在 Microsof t公司的 Windows 诞生之前，NI公司已经在Macintosh计算机上推出了LabVIEW2.0 以前的版本。对虚拟仪器和 LabVIEW 长期、系统、有效的研究开发使得该公司成为业界公认的权威。目前LabVIEW 的最新版本为 LabVIEW2009，LabVIEW 2009 为多线程功能添加了更多特性，这种特性在 1998 年的版本 5 中被初次引入。使用 LabVIEW 软件，用户可以借助于它提供的软件环境，该环境由于其数据流编程特性、LabVIEW Real-Time 工具对嵌入式平台开发的多核支持，以及自上而下的为多核而设计的软件层次，是进行并行编程的首选。 普通的 PC 有一些不可避免的弱点。用它构建的虚拟仪器或计算机测试系统性能不可能太高。目前作为计算机化仪器的一个重要发展方向是制定了VXI标准，这是一种插卡式的仪器。每一种仪器是一个插卡，为了保证仪器的性能，又采用了较多的硬件，但这些卡式仪器本身都没有面板，其面板仍然用虚拟的方式在计算机屏幕上出现。这些卡插入标准的 VXI 机箱，再与计算机相连，就组成了一个测试系统。VXI 仪器价格昂贵，目前又推出了一种较为便宜的 PXI 标准仪器。 LabVIEW是虚拟仪器开发过程中最具代表性的图形化编程语言(G语言),它用图标、连线和框图代替传统的程序代码,可以形象地观察数据的传输过程.LabVIEW是目前国际上应用最广的数据采集和控制开发环境之一,它具有十分强大的功能,如数值运算、信号处理、数据分析、数据采集以及图形获取和传输等.LabVIEW程序是数据流驱动的,主要由3个部分组成,即前面板、框图程序和图标/接线端口. 1.2 研究的意义 目前多数院校采用 NI 公司提供的专业数据采集设备能组建专业的虚拟实验系统，但建设成本高。普通声卡是PC 机最基本配置，使用普通声卡进行信号的采集，建设成本大大降低。虽然不及专业的采集设备的精度高，但是能满足一般教学使用就可以了。LabVIEW 是一种程序开发环境，由美国国家仪器（NI）公司研制开发的，类似于 C 和 BASIC 开发环境，但是 LabVIEW 与其他计算机语言的显著区别是：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。与C和BASIC一样，LabVIEW也是通用的编程系统，有一个完成任何编程任务的庞大函数库。 虚拟仪器可以满足更多更新的测试要求 虚拟仪器技术能够保持其技术前瞻性，展现给学生的实验设备代表的是较先进的实验手段。如：在LabVIEW开发平台上，用户可以利用强大的图形化编程功能，生成自定义的实验所需的仪器，也可以利用软件自身带的例子，直接调用，内容十分丰富，人机界面友好。通过这些虚拟仪器可以完成现代教学大纲所规定的各种信号的采集、参数测量及其频谱分析，滤波器功能的观察及参数设定等实验。还可以加强实验室人力资源的建设 虚拟仪器技术包括：信号调理技术、数据采集技术、数据处理技术、数据输出和传输技术等，要求从事实验教学的教师具有综合实验能力和雄厚的理论基础，能够紧跟现代化科学技术的发展步伐，能够不断更新和调整实验方法和手段，使实验室的实验教学设备保持其先进性。 随着时代的发展，利用LabVIEW进行数据采集面临着越来越新的任务和要求，将虚拟仪器引入到数据采集领域成为当今数据采集的重要方法和手段。与传统数据采集相比，利用LabVIEW进行数据采集的意义在于: (1)打破了传统数据采集“线缆密布”的形象，大大简化了测试系统的复杂程度，简化了现场的布置，节省了物力、人力。 (2)强调“软件就是仪器”。通过基于虚拟仪器的数据采集环境，同样能够“身临其境”地观察数据采集过程和进行“实际”操作。 (3)LabVIEW图形化编程方式简明快捷，易学易用，可节省大量的学习程序设计及进行程序开发的时间，尤其适合从事科研、开发的科学工作者、工程技术人员。 虚拟仪器是基于计算机技术的数字化仪器，利用了计算机强大的运算和处理数据能力，简化了传统仪器的大部分硬件，正是因为这样，打破了传统仪器僵硬、固化的一面，取而代之的是操作灵活，参数设置简单方便的虚拟仪器。研究虚拟仪器的意义主要见于以下几点： 一、替代传统仪器实现实验教学中的仿真。 二、实现传统仪器所不能具备的多功能。 三、研制周期短，成本降低，易扩展和改进仪器功能，简化实验系统。 四、用于开发设计性实验的潜力非常大。 五、再与迅猛发展的Internet技术结合，在远程教育上的应用前景十分广阔。
在声卡性能越来越好，成本越来越低，普及率越来越高的的情况下，这种利用声卡采集音频数据采集系统的的测量方法值得在工程测量应用及相关实验室中进一步推广和扩充。在对环境噪声进行实时监测时，实现语音识别；其应用前景较为广阔。在pc机上配置多块声卡并同时工作，完全可以构成一个多通道数据采集系统，满足特定应用范围内数据采集的需要。事实上， 基于LabVIEW平台开发的系统具有体积小巧， 功能强大， 处理速度快等优点， 可用于各种结构的检测工程中。 当然， 本系统还存在着某些需要改进之处， 由于是首次独立开发， 主要功能模块只是初步通过调试， 故在系统的纠错能力和信息提示等方面还需完善。 本文结合实例给出了利用声卡和 LabVIEW 构建数据采集系统的方法为低成本下构建数据采集系统提供了一种思路声卡A/D转换性能优越技术成熟配合LabVIEW 强大的数据采集与处理功能可以构建性价比相当高的数据采集系统应用前景较为广阔,具有较大的扩展空间, 值得做进一步的研究和应用但它只适合采集音频域的信号.本文提出的基于 LabVIEW 利用声卡作为音频数据采集设备而构建的采集系统，虽然具有较高的性价比，但由于受多种客观因素的制约，还存在一些不足，有许多工作有待开展: 1)声卡作为普通的 A/D 设备，其对信号的采集功能具有一定的局限性。 2)目前，仪器网络化是虚拟仪器研究的热点。 虚拟仪器设计已经成为测试与仪器技术发展的一个重要方向。随着高速 A/D 芯片和电路的进一步集成化，可以设想在不远的将来，一台安装有虚拟仪器软件的标准微机成为一个多功能的测量仪器站不再是梦想，这将从从根本上改变目前专用仪器的研制和生产。 |
