一、課題綜述及研究意義 多功能動態信號分析儀是一種可以用來對動態信號進行參數測量和波形分析的多功能儀器。通過頻譜分析的原理將音頻、噪聲、振動等動態信號通過波形圖呈現出來，并且利用LabVIEW的軟件編程，設計開發的一種形象直觀、人機交互性好的分析儀器。該儀器廣泛應用于音箱生產、聲學測量、工廠振動測量等領域。 傳統的信號分析儀器設備多數是由硬件電路構成的，需要使用交流電壓表、低失真音頻信號源、示波器、頻譜分析儀、頻率計等多種儀器來完成一次完整的動態信號的分析測量。并且對于所購買的硬件儀器，一旦過時，難以升級，只能重新再進行購買，這樣測試儀器的購買和更新花費比較大。隨著軟件技術的成熟與發展，虛擬儀器技術已經成為對信號進行分析和處理的一種核心技術。基于聲卡的虛擬動態信號分析儀采用PC機自帶的聲卡，沒有額外的費用，通過PC機顯示、保存和打印，使用方便。 基于聲卡的多功能動態信號分析儀能夠廣泛應用于日常生活，聲學測量、工程測量以及高校實踐教學領域。在日常生活中，對于語音信號的識別以及對語音信號的處理，提取語音信號的特征參數，以便于高效地傳輸或者存儲，例如家庭防盜門的語音識別分析儀，可以大大增加安全系數。在聲學測量中，對環境噪聲進行實時監測，通過對噪聲的分析和處理，可以滿足人們對于環境噪聲的監控。在工業領域，例如機械工程、土木工程等領域，動態信號分析儀可以對大型器械的動態性能進行狀態監測和故障診斷，通過將振動信號轉化為數據信號，進行合理的分析和監測，對機械的運轉情況作出判斷，避免發生事故。 在實際測量中，需要根據不同的需求選擇不同的數據采集卡，而本課題多功能動態信號分析儀利用計算機自帶的聲卡來進行數據采集。目前市場上銷售的數據采集卡昂貴，當然價格與其性能成正比，性能越好，采集數據越可靠的數據采集卡價格越昂貴。并且數據采集卡還受外界環境因素的限制，如果無法很好的對干擾電磁做屏蔽處理，當測試區域存在電磁干擾，很可能導致采集的數據失真甚至錯誤。隨著數字信號處理技術的成熟，計算機自身配置的聲卡已經成為一個優秀的數據采集系統，它具有A/D和D/A轉化功能，它不僅兼容性好，而且價格低廉、便于更新、通用靈活、性能穩定、精度高。本課題就是利用一般計算機的聲卡作為音頻的數據采集卡，利用上位機LabVIEW系統對采集到的動態信號進行分析處理，從而設計出一種低成本高性能的動態信號分析儀。 本文利用LabVIEW軟件設計了虛擬儀器的前面板，通過后面板的程序框圖實現相關的程序運算，對信號進行分析處理，并且通過前面板將信號的相關參數進行呈現。虛擬儀器平臺可以分為硬件平臺和軟件平臺。虛擬儀器的硬件平臺由計算機和I/O接口設備組成。而虛擬儀器主要有兩種軟件平臺：一種是文本形式的編程語言，例如C++、Visual Basic等；而另一種就是圖形化編程語言，這種語言最為突出的代表就是LabVIEW。LabVIEW環境下開發的聲卡數據采集系統，用PC機自帶聲卡代替昂貴的數據采集卡，用圖形化編程語言LabVIEW能輕松實現數據采集、分析、存儲等，已經成為測試領域中虛擬儀器開發重點。 1、國內研究現狀： LabVIEW作為虛擬儀器開發系統的杰出代表，在我國雖然引進的時間不長，但是現在已經被認識和推廣、應用，促進了中國測試領域的技術革命，在科研及教育領域都得到了迅速推廣。近年來，在中國的市場上多功能信號分析儀器也逐漸開始出現，這些信號分析儀有：頻率計數器、交流電壓表、直流電壓表、失真度分析器、直流電壓表、音頻示波器等。這些儀器都簡單易用，而且它們測量精度都不亞于一些專業儀器，所以國內有大批企業使用虛擬儀器系統對生產設備的運行狀況進行實時監測。 動態信號儀器經過了一個很長的發展過程，虛擬儀器的出現使得動態信號分析儀器的發展有了革命性的變化，它有良好的可靠性，并且功能能夠根據需求添加的靈活性以及很高的性價比，使得虛擬動態分析測試儀器得到迅速發展。在測試測量領域，虛擬儀器已經占領很大的市場份額。在一些重大測試項目和重要測試環節，越來越多的采用虛擬儀器技術，比如2008年北京奧運會的主會場鳥巢的結構安全檢測系統和奧運會期間的天氣預報系統就是采用虛擬儀器技術實現的。 2、國外研究現狀： 虛擬儀器的概念最初是由美國國家儀器公（National Instruments Corp，簡稱NI）于1986年提出，NI公司在80年代研制和推出了許多總線系統的虛擬儀器，創立于1976年的NI公司，幾十年來，不斷致力于開發基于計算機的測試測量與自動化平臺，其推出的軟件產品已經成為行業標準。最新統計顯示，全球有超過25000的客戶在使用NI的產品，其中不乏國際知名的大公司，像Nokia、Siemens、Tektronix等等。虛擬儀器在國外發展很快，以NI公司為首的很多公司已經在市場上推出了大量基于虛擬儀器技術的電子儀器產品，包括HP公司、Tektronix公司等。據“世界儀表及自動化”雜志預測，虛擬儀器在21世紀中期將占到儀器市場50%左右的份額。虛擬儀器在本世紀發展很快，大有取代傳統儀器的趨勢。 本課題提出利用計算機本身配置的聲卡，采集不同屬性的動態信號（音頻、噪聲、振動信號），通過LabVIEW開發的上位機軟件管理平臺，對采集的動態信號進行去噪處理，并實現對動態信號電壓、頻率、信噪比、諧波失真等基本參數的測量、時域分析、頻域分析等功能。 二、課題擬采取的研究方法和技術路線 研究方法： 先分析不同屬性的動態信號（音頻、噪聲、振動信號等）在計算機本身配置的聲卡下采集得到的信號情況，然后利用LabVIEW的程序先進行去噪處理，并且利用程序框圖，實現對動態信號的電壓、頻率、信噪比、諧波失真等基本參數的測量、時域分析、頻域分析等，從硬件方面和軟件方面對多功能動態信號分析儀的設計。 技術路線： 硬件方面是計算機本身配置的聲卡。聲卡作為語音信號與計算機的通用接口，其主要功能就是將所獲得的模擬音頻信號轉換為數字信號，經過DSP音效芯片處理，將該數字信號轉換為模擬信號輸出。而聲卡的基本工作流程則可以表現為以下幾個步驟：首先，通過麥克風或者線路輸入（Line In）獲取的音頻信號通過A/D轉換器轉成數字信號，送到計算機進行存儲、濾波等處理。在次，經過計算機處理的數字信號又通過總線以PCM(脈沖編碼調制)方式送到D/A轉換器，變成模擬的音頻信號，進而通過功率放大器或線路輸出（Line Out）送到音箱等設備轉換成聲波。而本次的數據采集系統只需要用到聲卡工作的第一個步驟。 軟件方面主要涉及到LabVIEW的程序軟件設計軟件，應用LabVIEW軟件開發平臺進行虛擬儀器控制軟件的設計與實現，通過應用程序來完成對動態信號分析儀的設計。其中，包括對動態信號的電壓、頻率、信噪比、諧波失真等基本參數的測量、時域分析、頻域分析等。需要軟件中循環結構、函數結構以及LabVIEW提供的大量信號分析功能來編寫程序。LabVIEW的程序是由前面板和程序框圖組成的，因此需要對其進行前面板設計和主程序設計來實現基于聲卡的多功能動態信號分析儀設計。 三、主要參考文獻 [1]陳卓.具有多態功能的動態信號分析系統的研制[D].重慶大學,2007. [2]范文沖.加工中心主軸系統工作模態識別[D].昆明理工大學,2005. [3]張旭升.數控標牌打印機狀態監測與分析系統研究[D].山東大學,2006. [4]梁偉朋.基于虛擬儀器技術的液壓系統動態測試儀的研究與開發——總體設 計[D].長安大學,2004. [5]劉金梅,王東穎,劉立超,嚴稱靈.基于LabVIEW串口通信的多路數據采集系統 設計[J].北華航天工業學院學報,2012,04:16-18. [6]肖成勇,雷振山,魏麗.LabVIEW 2010基礎教程[M],北京:中國鐵道出版 社,2012.4。 [7]成鷗.基于以太網接口的網絡化虛擬儀器技術研究[D].西安電子科技大 學,2010. [8]尹愛軍.智能控件化音頻分析儀的設計[D].重慶大學,2003. [9]謝水珍.基于LabVIEW的虛擬函數信號發生器的設計[J].微計算機信息,2007,01:181-182+40. [10] 孫紅兵,莫永新,杜輝.基于聲卡與LabWindows的火焰溫度實時測量系統[J].儀表技術與傳感器,2007,07:29-31. [11] 鐘國策.駐極體電容傳聲器及其恒流電暈充電[J].電聲技術,2001,12:28-29. [12] 宋楊潔.基于LabVIEW與MATLAB的語言信號的采集與分析[D].武漢理工大學,2012. [13] 田曉華. 基于LabVIEW的機器人聲源定位系統設計[D].湖南大學,2010. [14] 王曉峰.基于虛擬儀器結構的虛擬式音頻分析儀設計[D].重慶大學，2002 [15] 鄭長義.音頻頻譜分析儀的設計[J].吉林師范大學學報（自然科學版），2003 （4）：30-31. [16] 李剛,林凌.LabVIEW:易學易用的計算機圖形化編程語言[M].北京:北京航空航天大學出版社.2001. [17] 孟建良，楊興興.基于LabVIEW的虛擬音頻信號分析儀設計[J].微計算機信 息，2009 29（5）：115-204 [18] 曲喜強，劉哲.基于聲卡的音頻信號采集與分析系統設計[J].電子測試，2009 （2）：75-77 [19] 郭一楠,程健,陳穎等.基于LabVIEW和Matlab的過程控制虛擬仿真平臺研 [J]南京:電氣電子教學學報.2006,28(2):61264. [20] 楊樂平.LabVIEW程序設計與應用[M].北京:電子工業出版社,2001.
二、畢業設計（論文）工作實施計劃www.628tf.com （一）畢業設計（論文）的理論分析與軟硬件要求及其應達到的水平與結果 理論分析設計： 1、音頻信號系統設計方案的分析論證； 2、基于LabVIEW程序的設計優化； 3、上位機管理平臺的基本功能設計； 硬件設計要求：熟悉計算機本身配置的聲卡的性能及功能，并將計算機自帶的聲卡和LabVIEW程序相結合的程序使用。 軟件設計要求：配合功能要求設計實現最優化設計，繪制程序流程框圖。 |
