虛擬儀器是20世紀80年代興起的一項新技術，是現代儀器儀表發展的重要方向，在建模仿真、設計規劃和教育訓練等方面都有應用。目前NI公司所提供數據采集設備性能好，但是價格昂貴，構建信號分析系統成本偏高。計算機聲卡具備數據傳輸和A/D轉換功能，作為數據采集卡具有價格低廉、開發容易和系統靈活等優點。

基于上述分析，本文用計算機聲卡代替普通采集卡作為硬件，在LabVIEW平臺上設計了一個數據采集系統，并在信號分析實驗中進行了應用。主要貢獻為下述幾點:

l)提出了采用聲卡作為數據采集設備構建虛擬音頻信號分析系統并應用于實驗

教學的設想。通過高校實驗室現狀的調研和對聲卡性能的分析，分析了由聲卡組建可以用于實驗教學的數據采集系統的必要性和可行性。

2)構建了基于 LabVIEW 的音頻信號采集系統，具有信號采集、波形顯示、存儲等功能。分析、解決了設計及實現過程中出現的問題。

3)對提出的設計方法進行了大量的仿真實驗，通過實驗結果證明了系統設計的合理性和可行性。所生成的采集軟件交互性好、操作方便，并且可以根據用戶的需求進行功能擴充，為低成本下構建數據采集系統提供了一種思路，可以應用到語音識別、環境噪聲監測和實驗室測量等多種領域，應用前景廣闊。

本文旨在運用虛擬儀器開發軟件 LabVIEW8.6，設計開發基于聲卡的數據采集分析系統，使其具有通過普通聲卡進行聲音數據的采集、分析、顯示以及存儲功能，并用其構建音頻信號采集分析虛擬實驗系統，使其能在具體實驗教學中運用.

隨著計算機技術的廣泛應用和電子技術的高速發展，數字系統已被廣泛應用于國民經濟、國防建設和科學實驗的各個領域。與模擬系統相比，數字系統有精度高、穩定性好等優點。外部的各種被檢測量，如溫度、壓力、位移、角度等都是模擬信號，因此要將這些模擬信號轉換為便于處理和存儲的數字信號。

1.1 課題開發背景和發展現狀　　

虛擬儀器[1]（virtual instrument）是基于計算機的儀器。計算機和儀器的密切結合是目前儀器發展的一個重要方向。粗略地說這種結合有兩種方式，一種是將計算機裝入儀器，其典型的例子就是所謂智能化的儀器。隨著計算機功能的日益強大以及其體積的日趨縮小，這類儀器功能也越來越強大，目前已經出現含嵌入式系統的儀器。另一種方式是將儀器裝入計算機。以通用的計算機硬件及操作系統為依托，實現各種儀器功能。虛擬儀器主要是指這種方式。上面的框圖反映了常見的虛擬儀器方案。 

　　虛擬儀器實際上是一個按照儀器需求組織的數據采集系統。虛擬儀器的研究中涉及的基礎理論主要有計算機數據采集和數字信號處理。目前在這一領域內，使用較為廣泛的計算機語言是美國 NI 公司的 LabVIEW。 

　　虛擬儀器的起源可以追溯到20世紀70年代，那時計算機測控系統在國防、航天等領域已經有了相當的發展。PC機出現以后，儀器級的計算機化成為可能，甚至在 Microsof t公司的 Windows 誕生之前，NI公司已經在Macintosh計算機上推出了LabVIEW2.0 以前的版本。對虛擬儀器和 LabVIEW 長期、系統、有效的研究開發使得該公司成為業界公認的權威。目前LabVIEW 的最新版本為 LabVIEW2009，LabVIEW 2009 為多線程功能添加了更多特性，這種特性在 1998 年的版本 5 中被初次引入。使用 LabVIEW 軟件，用戶可以借助于它提供的軟件環境，該環境由于其數據流編程特性、LabVIEW Real-Time 工具對嵌入式平臺開發的多核支持，以及自上而下的為多核而設計的軟件層次，是進行并行編程的首選。 

　　普通的 PC 有一些不可避免的弱點。用它構建的虛擬儀器或計算機測試系統性能不可能太高。目前作為計算機化儀器的一個重要發展方向是制定了VXI標準，這是一種插卡式的儀器。每一種儀器是一個插卡，為了保證儀器的性能，又采用了較多的硬件，但這些卡式儀器本身都沒有面板，其面板仍然用虛擬的方式在計算機屏幕上出現。這些卡插入標準的 VXI 機箱，再與計算機相連，就組成了一個測試系統。VXI 儀器價格昂貴，目前又推出了一種較為便宜的 PXI 標準儀器。

LabVIEW是虛擬儀器開發過程中最具代表性的圖形化編程語言(G語言),它用圖標、連線和框圖代替傳統的程序代碼,可以形象地觀察數據的傳輸過程.LabVIEW是目前國際上應用最廣的數據采集和控制開發環境之一,它具有十分強大的功能,如數值運算、信號處理、數據分析、數據采集以及圖形獲取和傳輸等.LabVIEW程序是數據流驅動的,主要由3個部分組成,即前面板、框圖程序和圖標/接線端口.

1.2 研究的意義

 目前多數院校采用 NI 公司提供的專業數據采集設備能組建專業的虛擬實驗系統，但建設成本高。普通聲卡是PC 機最基本配置，使用普通聲卡進行信號的采集，建設成本大大降低。雖然不及專業的采集設備的精度高，但是能滿足一般教學使用就可以了。LabVIEW 是一種程序開發環境，由美國國家儀器（NI）公司研制開發的，類似于 C 和 BASIC 開發環境，但是 LabVIEW 與其他計算機語言的顯著區別是：其他計算機語言都是采用基于文本的語言產生代碼，而LabVIEW使用的是圖形化編輯語言G編寫程序，產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，有一個完成任何編程任務的龐大函數庫。

虛擬儀器可以滿足更多更新的測試要求　虛擬儀器技術能夠保持其技術前瞻性，展現給學生的實驗設備代表的是較先進的實驗手段。如：在LabVIEW開發平臺上，用戶可以利用強大的圖形化編程功能，生成自定義的實驗所需的儀器，也可以利用軟件自身帶的例子，直接調用，內容十分豐富，人機界面友好。通過這些虛擬儀器可以完成現代教學大綱所規定的各種信號的采集、參數測量及其頻譜分析，濾波器功能的觀察及參數設定等實驗。還可以加強實驗室人力資源的建設　虛擬儀器技術包括：信號調理技術、數據采集技術、數據處理技術、數據輸出和傳輸技術等，要求從事實驗教學的教師具有綜合實驗能力和雄厚的理論基礎，能夠緊跟現代化科學技術的發展步伐，能夠不斷更新和調整實驗方法和手段，使實驗室的實驗教學設備保持其先進性。

隨著時代的發展，利用LabVIEW進行數據采集面臨著越來越新的任務和要求，將虛擬儀器引入到數據采集領域成為當今數據采集的重要方法和手段。與傳統數據采集相比，利用LabVIEW進行數據采集的意義在于:

(1)打破了傳統數據采集“線纜密布”的形象，大大簡化了測試系統的復雜程度，簡化了現場的布置，節省了物力、人力。

(2)強調“軟件就是儀器”。通過基于虛擬儀器的數據采集環境，同樣能夠“身臨其境”地觀察數據采集過程和進行“實際”操作。

(3)LabVIEW圖形化編程方式簡明快捷，易學易用，可節省大量的學習程序設計及進行程序開發的時間，尤其適合從事科研、開發的科學工作者、工程技術人員。

虛擬儀器是基于計算機技術的數字化儀器，利用了計算機強大的運算和處理數據能力，簡化了傳統儀器的大部分硬件，正是因為這樣，打破了傳統儀器僵硬、固化的一面，取而代之的是操作靈活，參數設置簡單方便的虛擬儀器。研究虛擬儀器的意義主要見于以下幾點：

一、替代傳統儀器實現實驗教學中的仿真。

二、實現傳統儀器所不能具備的多功能。

三、研制周期短，成本降低，易擴展和改進儀器功能，簡化實驗系統。

四、用于開發設計性實驗的潛力非常大。

五、再與迅猛發展的Internet技術結合，在遠程教育上的應用前景十分廣闊。

在聲卡性能越來越好，成本越來越低，普及率越來越高的的情況下，這種利用聲卡采集音頻數據采集系統的的測量方法值得在工程測量應用及相關實驗室中進一步推廣和擴充。在對環境噪聲進行實時監測時，實現語音識別；其應用前景較為廣闊。在pc機上配置多塊聲卡并同時工作，完全可以構成一個多通道數據采集系統，滿足特定應用范圍內數據采集的需要。事實上， 基于LabVIEW平臺開發的系統具有體積小巧， 功能強大， 處理速度快等優點， 可用于各種結構的檢測工程中。 當然， 本系統還存在著某些需要改進之處， 由于是首次獨立開發， 主要功能模塊只是初步通過調試， 故在系統的糾錯能力和信息提示等方面還需完善。

本文結合實例給出了利用聲卡和 LabVIEW 構建數據采集系統的方法為低成本下構建數據采集系統提供了一種思路聲卡A/D轉換性能優越技術成熟配合LabVIEW 強大的數據采集與處理功能可以構建性價比相當高的數據采集系統應用前景較為廣闊,具有較大的擴展空間, 值得做進一步的研究和應用但它只適合采集音頻域的信號.本文提出的基于 LabVIEW 利用聲卡作為音頻數據采集設備而構建的采集系統，雖然具有較高的性價比，但由于受多種客觀因素的制約，還存在一些不足，有許多工作有待開展:

1)聲卡作為普通的 A/D 設備，其對信號的采集功能具有一定的局限性。

2)目前，儀器網絡化是虛擬儀器研究的熱點。

虛擬儀器設計已經成為測試與儀器技術發展的一個重要方向。隨著高速 A/D 芯片和電路的進一步集成化，可以設想在不遠的將來，一臺安裝有虛擬儀器軟件的標準微機成為一個多功能的測量儀器站不再是夢想，這將從從根本上改變目前專用儀器的研制和生產。