本文所設(shè)計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是在虛擬儀器技術(shù)高速發(fā)展的背景下，利用美國 NI公司的虛擬儀器開發(fā)平臺LabVIEW8.6 軟件實現(xiàn)的。虛擬儀器技術(shù)是測試技術(shù)和計算機技術(shù)綜合集成的產(chǎn)物，虛擬儀器從二十世紀(jì)八十年代初產(chǎn)生一直到現(xiàn)在，技術(shù)發(fā)展逐步成熟，在工業(yè)自動化、儀器制造和實驗室方面應(yīng)用較為廣泛。本章主要介紹數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)建設(shè)的軟、硬件平臺及所需理論基礎(chǔ)知識。

2.1 虛擬儀器介紹

虛擬儀器（Virtual Instruments 簡稱 VI） 技術(shù)發(fā)展非常迅速，所有測量測試儀器的主要 功能可由①數(shù)據(jù)采集②數(shù)據(jù)測試和分析③結(jié)果輸出顯示等三大部分組成， 其中數(shù)據(jù)分析和結(jié) 果輸出完全可由基于計算機的軟件系統(tǒng)來完成， 因此只要另外提供一定的數(shù)據(jù)采集硬件，就可構(gòu)成基于計算機組成的測量測試儀器。 基于計算機的數(shù)字化測量測試儀器就稱之為虛擬儀器（VI）。

2.1.1 虛擬儀器的特點

 與傳統(tǒng)儀器相比,虛擬儀器具有高效、開放、易用靈活、功能強大、性價比高、可操作性好等明顯優(yōu)點。

具體表現(xiàn)為: 

1、智能化程度高,處理能力強,虛擬儀器的處理能力和智能化程度主要取決于儀器軟件水平.用戶完全可以根據(jù)實際應(yīng)用需求,將先進的信 號處理算法、人工智能技術(shù)和專家系統(tǒng)應(yīng)用于儀器設(shè)計與集成,從而將智能儀器水平提高到一個新的層次. 

2、復(fù)用性強,系統(tǒng)費用低 應(yīng)用虛擬儀器思想,用相同的基本硬件可構(gòu)造多種不同功能的測試分析儀器,如同一個高速數(shù)字采樣器,可設(shè)計出數(shù)字示波器、邏輯分析儀、計數(shù)器等多種儀器.這樣形成的測試儀器系統(tǒng)功能更靈活、更高效、更開放、系統(tǒng)費用更低.通過與計算機網(wǎng)絡(luò)連接,還可實現(xiàn)虛 擬儀器的分布式共享,更好地發(fā)揮儀器的使用價值. 

3、可操作性強,易用靈活 虛擬儀器面板可由用戶定義,針對不同應(yīng)用可以設(shè)計不同的操作顯示界面.使用計算機的多媒體處理能力可以使儀器操作變得更加直觀、簡便、易于理解,測量結(jié)果可以直接進入數(shù) 據(jù)庫系統(tǒng)或通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送.測量完后還可打印、顯示所需的報表或曲線 ,這些都使得儀器的 可操作性大大提高而且易用、靈活.

2.1.2 虛擬儀器的開發(fā)平臺

虛擬儀器的開發(fā)平臺可以分為硬件平臺和軟件平臺。構(gòu)成虛擬儀器的硬件平臺有兩部分，①計算機：一般為個人計算機、筆記本或工作站，是硬件平臺的核心。② I/O（Input/Output，輸入/輸出）接口設(shè)備：大致可分為 4 類，分別為 DAQ（DataAcquisition，數(shù)據(jù)采集）、GPIB（General-Purpose Interface Bus，通用接口總線）、VXI（VME bus Extensions for Instrumentation，面向儀器擴展的 VME 總線）、PXI（PCI Extensions for Instrumentation，面向儀器擴展的 PCI 總線），因此組成了4 種虛擬儀器體系結(jié)構(gòu)。無論哪種結(jié)構(gòu)，都是將硬件儀器嵌入到各種計算機平臺上，再加上應(yīng)用軟件而構(gòu)成的。虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺主要有兩類：一類是文本式編程語言，如 Visual C++、Visual Basic、LabWindows/CVI等；另一類是圖形化編程語言，如LabVIE（WLaboratoryVirtual Instrument Engineering Workbench，實驗室虛擬儀器工程平臺）、HPVEE等，其中以 LabVIEW 應(yīng)用最為廣泛。這些軟件開發(fā)工具為用戶設(shè)計虛擬儀器應(yīng)用軟件提供了最大限度的方便條件與良好的開發(fā)環(huán)境。

2.2 LabVIEW 簡介

所有的LabVIEW 程序都被稱為虛擬儀器(VI)， 因為程序的外觀和操作方式都與諸如示波器、萬用表等實際儀器類似。LabVIEW 包括齊全的用于數(shù)據(jù)采集、分析、顯示、存儲數(shù)據(jù)、調(diào)試代碼的工具。 在 LabVIEW中，您可以利用控制件和顯示件建立用戶界面，即前面板。控制件包括旋鈕、按鈕等輸入控件，顯示件包括圖表、LED 等顯示器件。在完成用戶界面的創(chuàng)建后， 您可以通過 VI和結(jié)構(gòu)添加代碼來控制前面板上的對象。這些程序代碼就構(gòu)成了程序框圖。利用 LabVIEW，您可以和諸如數(shù)據(jù)采集設(shè)備、圖像設(shè)備、運動控制設(shè)備等硬件進行通信，也可以和 GPIB、PXI、VXI、RS-232、RS-485 儀器通信。與 C 和 BASIC 一樣，LabVIEW 也是通用的編程系統(tǒng)，有一個完成任何編程任務(wù)的龐大函數(shù)庫。LabVIEW的函數(shù)庫包括數(shù)據(jù)采集、GPIB、串口控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)LabVIEW標(biāo)志 顯示及數(shù)據(jù)存儲，等等。LabVIEW 也有傳統(tǒng)的程序調(diào)試工具，如設(shè)置斷點、以動畫方式顯示數(shù)據(jù)及其子程序（子VI）的結(jié)果、單步執(zhí)行等等，便于程序的調(diào)試。 

　　LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語言。傳統(tǒng)文本編程語言根據(jù)語句和指令的先后順序決定程序執(zhí)行順序，而 LabVIEW則采用數(shù)據(jù)流編程方式，程序框圖中節(jié)點之間的數(shù)據(jù)流向決定了VI及函數(shù)的執(zhí)行順序。VI指虛擬儀器，是 LabVIEW的程序模塊。 LabVIEW提供很多外觀與傳統(tǒng)儀器（如示波器、萬用表）類似的控件，可用來方便地創(chuàng)建用戶界面。用戶界面在 LabVIEW中被稱為前面板。使用圖標(biāo)和連線，可以通過編程對前面板上的對象進行控制。這就是圖形化源代碼，又稱G代碼。LabVIEW的圖形化源代碼在某種程度上類似于流程圖，因此又被稱作程序框圖代碼。

2.2.1 labview的作用

LabVIEW 在測試、測量和自動化等領(lǐng)域具有最大的優(yōu)勢，因為 LabVIEW 提供了大量的工具與函數(shù)用于數(shù)據(jù)采集、分析、顯示和存儲。用戶可以在數(shù)分鐘內(nèi)完成一套完整的從儀器連接、數(shù)據(jù)采集到分析、顯示和存儲的自動化測試測量系統(tǒng)。它被廣泛地應(yīng)用于汽車、通信、航空、半導(dǎo)體、電子設(shè)計生產(chǎn)、過程控制和生物醫(yī)學(xué)等各個領(lǐng)域。LabVIEW 不僅可以用來快速搭建小型自動化測試測量系統(tǒng)，還可以被用來開發(fā)大型的分布式數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)。（LabVIEW - Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）LabVIEW 是一種程序開發(fā)環(huán)境，由美國國家儀器（NI）公司研制開發(fā)的，類似于 C 和 BASIC 開發(fā)環(huán)境，但是 LabVIEW 與其他計算機語言的顯著區(qū)別是：其他計算機語言都是采用基于文本的語言產(chǎn)生代碼，而LabVIEW使用的是圖形化編輯語言G編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。與C和BASIC一樣，LabVIEW也是通用的編程系統(tǒng)，有一個完成任何編程任務(wù)的龐大函數(shù)庫。LabVIEW的函數(shù)庫包括數(shù)據(jù)采集、GPIB、串口控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲，等等。

2.2.2 開發(fā)工具的選擇

Labview沒有常規(guī)儀器的控制面板，而是利用計算機強大的圖形環(huán)境，采用可視化的圖形編程語言和平臺，以在計算機屏幕上建立圖形化的軟面板來替代常規(guī)的傳統(tǒng)儀器面板。軟面板上具有與實際儀器相似的旋鈕、開關(guān)、指示燈及其他控制部件。在操作時，用戶通過鼠標(biāo)或鍵盤操作軟面板，來檢驗儀器的通信和操作。

除上述特點之外，與傳統(tǒng)儀器編程工具Visual Basic，Visual C++相比，Labview還有如下幾個方面的優(yōu)勢。  

  （1）Labview用戶可以才根據(jù)自己的需要靈活地定義儀器的功能，通過不同功能模塊的組合可構(gòu)成多種儀器，而不必受限于儀器廠商提供的特定功能。  

  （2）Labview將所有的儀器控制信息均集中在軟件模塊中，可以采用多種方式顯示采集的數(shù)據(jù)、分析的結(jié)果和控制過程。這種對關(guān)鍵部分的轉(zhuǎn)移進一步增加了虛擬儀器的靈活性。  

  （3）由于Labview關(guān)鍵在于軟件，硬件的局限性較小，因此與其他儀器設(shè)各連接比較容埸實現(xiàn)。而且虛擬儀器可以方便地與網(wǎng)絡(luò)、外設(shè)及其他應(yīng)用連接，還可利用網(wǎng)絡(luò)進行多用戶數(shù)據(jù)共享。

  （4）Labview可實時、直接地對數(shù)據(jù)進行編輯，也可通過計算機總線將數(shù)據(jù)傳輸?shù)酱鎯ζ骰虼蛴C。這樣做一方面解決了數(shù)據(jù)的傳輸問題，一方面充分利用了計算機的存儲能力，從而使虛擬儀器具有幾乎無限的數(shù)據(jù)記錄容量。

  （5）Labview利用計算機強大的圖形用戶界面（GUI），用計算機直接讀數(shù)。根據(jù)工程的實際需要，使用人員可以通過軟件編程或采用現(xiàn)有分析軟件，實時、直接地對測試數(shù)據(jù)進行各種分析與處理。

  （6）Labview價格低，而且其基于軟件的體系結(jié)構(gòu)還大大節(jié)省了開發(fā)和維護費用。

2.3 聲卡的工作原理

聲卡是多媒體電腦的主要部件之一，它包含記錄和播放聲音所需的硬件。聲卡的種類很多，功能也不完全相同，但它們有一些共同的基本功能：能錄制話音(聲音)和音樂，能選擇以單聲道或雙聲道錄音，并且能控制采樣速率。聲卡上有數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片(DAC)，用來把數(shù)字化的聲音信號轉(zhuǎn)換成模擬信號，同時還有模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片(ADC)，用來把模擬聲音信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。 聲卡上有音樂數(shù)字接口(MIDI)，能使用MIDI樂器，諸如鋼琴鍵、合成器和其它MIDI設(shè)備。聲卡有聲音混合功能，允許控制聲源和音頻信號的大小。好的聲卡能對低音部分和高音部分進行控制。聲卡上還有一個或幾個CD 音頻輸入接口，用以接收CD-ROM的聲音采集信號。

聲卡的工作原理: 麥克風(fēng)和喇叭所用的都是模擬信號，而電腦所能處理的都是數(shù)字信號，兩者不能混用，聲卡的作用就是實現(xiàn)兩者的轉(zhuǎn)換。從結(jié)構(gòu)上分，聲卡可分為模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路兩部分，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路負(fù)責(zé)將麥克風(fēng)等聲音輸入設(shè)備采到的模擬聲音信號轉(zhuǎn)換為電腦能處理的數(shù)字信號；而數(shù)模轉(zhuǎn)換電路負(fù)責(zé)將電腦使用的數(shù)字聲音信號轉(zhuǎn)換為喇叭等設(shè)備能使用的模擬信號。

2.4音頻數(shù)據(jù)采集原理（聲卡）

在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中存在兩種信號: ①模擬信號 被采集物理量的電信號. ②數(shù)字信號— 計算機運算,處理的信息. 數(shù)字信號 計算機運算,處理的信息.

數(shù)據(jù)采集(Data Acquisition) 是所有測試測量的首要工作，試驗測試產(chǎn)生的物理信號通過傳感器轉(zhuǎn)換為電壓或者電流一類的電信號，然后通過數(shù)據(jù)采集卡將電信號采集傳入PC機，借助軟件控制數(shù)據(jù)采集卡進行數(shù)據(jù)分析、處理。LabVIEW以其簡便的程序編寫、不同數(shù)據(jù)采集卡的支持、強大的數(shù)據(jù)處理、友好的人機界面使其成為控制、開發(fā)數(shù)據(jù)采集卡的最佳軟件。

聲音的本質(zhì)是一種波，表現(xiàn)為振幅、頻率、相位等物理量的連續(xù)性變化。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取的模擬音頻信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，經(jīng)過DSP音效芯片的處理，將該數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號輸出。聲卡的基本工作流程為[2]：輸入時，麥克風(fēng)或線路輸入(Line In)獲取的音頻信號通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，送到計算機進行播放、錄音等各種處理；輸出時，計算機通過總線將數(shù)字化的聲音信號以PCM(脈沖編碼調(diào)制)方式送到D/A轉(zhuǎn)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(shè)備轉(zhuǎn)換為聲波，人耳偵測到環(huán)境空氣壓力的改變，大腦將其解釋為聲音。

衡量聲卡的技術(shù)指標(biāo)包括復(fù)音數(shù)量、采樣頻率、采樣位數(shù)(即量化精度)、聲道數(shù)、信噪比(SNR)和總諧波失真(THD)等，主要介紹如下：

(1)復(fù)音數(shù)量 代表了聲卡能夠同時發(fā)出多少種聲音。復(fù)音數(shù)越大，音色就越好，播放聲音時可以聽到的聲部越多、越細(xì)膩。

(2)采樣頻率 每秒采集聲音樣本的數(shù)量。采樣頻率越高，記錄的聲音波形就越準(zhǔn)確，保真度就越高，但采樣數(shù)據(jù)量相應(yīng)變大，要求的存儲空間也越多。

(3)采樣位數(shù) 將聲音從模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號的二進制位數(shù)(bit)。位數(shù)越高，在定域內(nèi)能表示的聲波振幅的數(shù)目越多，記錄的音質(zhì)也就越高。例如，16位聲卡把音頻信號的大小分為216=65536個量化等級來實施上述轉(zhuǎn)換。

   目前一般的聲卡最高采樣頻率可達96KHz；采樣位數(shù)可達16位甚至32位；聲道數(shù)為2，即立體聲雙聲道，可同時采集兩路信號，需要時還可選用多路輸入的高檔聲卡或配置多塊聲卡；每路輸入信號的最高頻率可達22.05 KHz，輸出16位的數(shù)字音頻信號，而16位數(shù)字系統(tǒng)的信噪比可達96dB。