虚拟声学信号采集分析系统设计研究

郑 奇

(湖北民族学院理学院，湖北恩施445000)

在声学研究中，一个传统的声学研究系统会使用多种仪器，由于声学信号受干扰的复杂性和出于实用性的需求，这些声学仪器在结构上对硬件的构造及工艺的要求极高，往往价格昂贵结构复杂，体积大占用空间多，而且相互连接也十分麻烦非常不利于研究工作的开展.

目前，随着测试仪器的虚拟化、计算机化，在很多科学研究中已运用虚拟仪器技术，用虚拟仪器代替常规仪器，可以节省大量仪器设备的经费投入，提高设备的完好率和使用寿命［1］;LabVIEW不仅可以用来快速搭建一般的自动化测试测量系统，还可以被用来开发功能复杂的、大型的分布式数据采集与控制系统［2］.在美国Lawrence livermore国家实验室，一个花费2000万美金的极为复杂的飞秒激光切割系统就是基于Lab-VIEW开发的.在北京正负电子对撞机二期工程北京谱仪慢控制系统中，大约有30种物理量共7000多点的现场数据点需要实时采集控制和分析记录等.传统仪器与虚拟仪器的比较如表1所示.

在本设计方案中，采用微型计算机、声传感器、模块化功能硬件DAQ(声信号数据采集卡)及计算机控制软件组成虚拟仪器.除了数据采集部分是由硬件实现之外，其他两部分都是由软件来实现的.使用LabVIEW带有的内置功能，完成对声信号的仿真、数据采集、仪器控制、测量分析和数据显示任务［3－4］.

使用LabVIEW开发平台编制的程序称为虚拟仪器程序VI(即程序前面板、框图程序和图标连接器).设置输入控制数值和观察输出量，模拟真实仪表的面板.每一个程序前面板都对应着一段框图程序.框图程序用LabVIEW图形编程语言编写，可以把它理解成传统程序的源代码.图标/连接器是子VI被其它VI调用的接口.中将声卡采集到的声音信号进行高通滤波，然后将信号数据重新输入声卡播放，并将采集到的声音信号写入LabVIEW测试文件(.lvm文件)，最后生成HTML报表［5］.整个过程包含了声信号采集、声信号处理，存储和生成报表，为声信号提供准确实时的图像分析结果.

表1 虚拟仪器与传统仪器的比较Tab.1 The virtual instrument and the comparison of the traditional instrument

1 系统结构和组成

必要的硬件:包括了丹麦B＆K公司声音传感器，数据采集卡和较高配置计算机.

软件设计:本系统的应用软件由主程序模块、参数设置模块、滤波模块以及声信号去噪模块组成.充分利用LabVIEW的VI功能，使计算机界面简介清晰.

2 系统设计及应用

在系统结构已经搭建好的基础上，在LabVIEW平台上建立VI的图形化源程序流程图窗口，如图2所示.使用LabVIEW的Express技术，在其所包含的前面板控件和程序框图构建VI函数图.

图1 LabVIEW平台上建立VI的图形化源程序流程图Fig.1 LabVIEW platform to establish VI graphical source program flow chart

图2 板控件和程序框图及VI函数图Fig.2 Board control and program block diagram and VI function diagram

LabVIEW的仪器控制系统构架见图3.将待测模拟声信号经由B＆k声传感器进行采集同时进行预处理，DAQ卡对预处理信号进行A/D或D/A转换，数字信号输入计算机对信号进行处理显示和信号控制，进而获得的虚拟结果(如图4).

图3 虚拟仪器的控制系统结构图Fig.3 Virtual instrument control system structure diagram

图4 计算机显示的声信号虚拟系统结果图Fig.4 Computer display of acoustic signal virtual system result diagram

3 结论

本文用LabVIEW构建虚拟声学系统，对声音进行实时能量和平均幅度分析，图形化显示声信号的物理参量:用声传感器获得信号，用数据采集卡对输入信号进行采集并输入虚拟系统处理，可对声信号进行参量分析，参量放大，参量比较、参量运算及图型显示等.用LabVIEW来对声音进行处理，编程简单可靠不易出错，而且界面美观使用方便，处理结果也可以直接在前面板中进行描述.利用计算机强大、高效的数字信号处理和控制能力，配合高速高精度数据采集卡DAQ(A/D、D/A转换卡)，可实现与传统专用仪器相同乃至更强的功能.

随着计算机技术和网络技术的迅猛发展，建立在虚拟仪器技术上的各种性能优良的具有先进功能的虚拟将不断出现，取代传统的纯硬件系统，价格也会越来越低，使用虚拟仪器进行科学研究、设计、测试将成为一种重要趋势.

［1］ 杨乐平，李海涛.LabVIEW高级程序设计［M］.北京:清华大学出版社，2003.

［2］ 姚素芬，赵建强，冯超琼.基于LabVIEW传感器实验平台的开发［J］.仪器仪表学报，2005，8(8):466－467.

［3］ 刘军华.基于LabVIEW的虚拟仪器设计［M］.北京:电子工业出版社，2003.

［4］ 黄会清，韩艳玲.基于LabVIEW虚拟仪器的激光束位置控制器［J］.华中科技大学学报:自然科学版，2003(9):102－106.

［5］ 谢国善，熊鹏俊.基于LabVIEW的虚拟仪器设计研究［J］.舰船电子工程，2010(10):126－128.