26 卷Vol.26 第 16 期No.16 第 Labview 基于 Electronic Design Engineering 电子设计工程 2018 8 Aug. 2018 年 月 的声卡数据采集与处理系统设计 （陕西学前师范学院 网络与信息中心，陕西 西安 胡成娟 710061 ） Lab⁃ view 摘要：文章针对各领域音频信号的采集、分析等需求，在阐述声卡工作原理基础上，提出依托 3% 93.76% ，系统具备较高的稳定性及准确度。通过多次测试发现，误差处在 软件设计声卡数据采集与处理系统，并详细介绍该系统软、硬件设计情况。在此基础上，利用 吉他多音色测试实验进行验证，测试结果表明，处在标准信号 的误差范围之内，检测准确度最 高为 范围内，测试 准确度处于最高状态。表明本文所设计的系统能及时获取声音信号检测结果，满足语音识别、噪 声检测等方面的需求。 关键词： 中图分类号： 16-0177-04 Design of sound card data acquisition and processing system based on LabVIEW ；声卡；硬件设计；数据采集与处理系统 LabVIEW TP724 1674-6236 文献标识码： 文章编号： 3~5% 2018 A （ ） HU Cheng⁃juan 710061 ， ，China） （Shaanxi Xueqian Normal University，Network and Information Center，Xi’an using the guitar Multi-timbral test to verify Abstract: According to the requirements of audio signal acquisition and analysis in various fields based on the principle of sound card this paper puts forward the data acquisition and processing system of sound card based on LabVIEW software and introduces the hardware and software design of the system in detail. On this basis the test results show that within the error range of the standard signal 3 % the detection accuracy is up to 93.76 % the system has high stability and accuracy. Through many tests and the test accuracy is in the highest state. It shows that the system designed in this paper can get the results of sound signal detection in time Key words: LabVIEW and meet the requirements of speech recognition and noise detection. it is found that the error is in the range of 3~5 % data acquisition and processing system sound card hardware design ， ， ， ， ， ， ， ， ； ， ； NI 是由 LabVIEW LabVIEW 随着嵌入式技术的发展，数字音频采集技术得 以广泛使用。这种背景下，人们对数字音频产品提 出更高的要求，过去运用单一的处理器无法达到系 统实时性、高效性等方面的需要。由于现代计算机 图形编程技术得到广泛 技术的不断发展， 使用。 公司研发的虚拟仪器平台 软件平台，是运用图表替代文本创建应用程序的图 形化编程技术 软件中的声卡子虚拟器能有效控制计算机声卡，组 成 具 备 高 采 样 精 度 、采 样 率 处 在 的 数 据 采 集系统，从而满足数据采集需要，顺利实现离线信号 处理功能，如：显示存储数据、信号时频域分析等情 况 。必须注意，若必须对采集数据展开复杂的运算 收稿日期： 作者简介：胡成娟（ 2017-02-07 1976 。有学者研究就指出，运用 201702018 LabVIEW 48 kHz [2] [1] LabVIEW 时，上述系统执行效果并不理想。加之，这种采集系 统并未配置实时处理功能，就是需要在存储进程结 束后，方可对数据开展后续的处理。因此，为满足多 领域对数据采集实时处理的需求，设计价格低廉、操 作 灵 活 的 数 据 采 集 与 处 理 系 统 尤 为 重 要 。 本 文 以 软件为研究对象，设计一款声卡数据采集 与分析系统，该系统可顺利实现声卡数据采集与处 理进程，顺利实现边采集边处理的功能。此外，由于 节点，促使该系统顺利 完成复杂的运算任务，展现出较强的普适性，可以扩 展至多个领域使用。 1 工作原理及系统结构 LabVIEW MATLAB 软件中的 稿件编号： 声 音 作 为 一 种 振 动 波 ，其 包 含 幅 值 、频 率 等 一 —），女，陕西乾县人，工程师。研究方向：计算机网络技术，多媒体技术，大数据研究等。 -177 - 

2018 《电子设计工程》 16 期 年第 1 [3-4] PC DSP DSP RAM 。其操作流程见图 系列的属性，可以发生连续性变化。声卡能够检测 出声音信号，并配置相应的信号处理电路，从而把 声 音 模 拟 信 号 转 变 为 数 字 信 号 ，提 供 给 计 算 机 分析和存储，也能把声音数据转为模拟信号实现输 。集成于计算机上的声卡 出 芯片实现语音信号的采集，在 系统运用 芯 片内配备 ，从而暂时存储数据信息。同时，也 要对数据实施恰当的处理，把声音信号进行编码、 解码操作，并依托自带数模转换器，达到声音信号 模拟化、数字化间的快速便捷转换。声卡数字化声 音 接 口 主 要 包 含 直 接 传 输 与 传 送 两 种 方 式 ， 前 一 种 方 法 是 因 应 用 程 序 直 接 依 托 数 字 信 号 处 理 位或 器把声音数据实施输入输出，这些数据均为 者 传输 方 法 把 声 音 信 号 在 数 字 信 号 处 理 器 内 实 现 输 入 或 输出 位脉冲编码调制 8 DMA 数据；后一种 DMA PCM 16 [5-6] 。 1 图 声卡工作流程图 2 声卡数据采集与处理系统 2.1 设计系统硬件 声 卡 主 要 包 含 Line In Mic In 、 Mic In Line In 这 两 信 号 的 输 入 输出孔，声音传感器信号可依托这两个插孔与声卡 实现连接。如果信号自 输入，会适当放大所 采集的数据。加之，因配备前置放大器，极易引起噪 声且会使得信号过负荷，因此， 具有噪声干 扰较小、动态性好等优点，具有推荐应用的价值。而 引入声卡测量信号，可使用音频或者屏蔽电缆，有效 降低噪声产生的干扰。当输入的信号电平比声卡设 定的最大输入电平高，可以在声卡输入插孔与被测 量信号间安装衰减器，并把被测信号衰减到不超过 声卡最大的允许输入电平 端口连接到耳机，达到实时监听声音信号的目的 信号记录仪器运用计算机，将内置声卡当做 换设置，硬件结构见图 LineOut [9] A/D 。同时，把声卡 [7-8] 2 。 。 转 2 图 -178 - 设计系统的硬件结构 LabVIEW 被检测出来的信号通过传感器转变为电荷，信 号 调 整 器 将 电 荷 转 变 成 电 压 ，并 放 大 给 数 据 采 集 卡。这种情况下，计算机借助 软件对采集 的声音默认设置为其所处操作系统，本次研究应用 最普通的声卡，对高级高级声卡信号进行采集过程 中，要及时关闭混响等特效设置，防止这些噪声影响 最终结果的真实性。虚拟仪器采集信号实现流程如 图 所示。 3 3 2.2 设计系统软件 LabVIEW 图 信号测试环节流程图 1 应用 LabVIEW 软件当做虚拟一起的开发工具， ）系统软件前面板 必须关注以下两个方面的内容： 设计与布局： 软件能够为系统开发人员提 供大量前面板控件，以此达到进一步优化设计界面 的目的。同时，所设计的系统也支持开发人员自行 创 造 出 来 新 的 控 件 ，以 此 满 足 自 身 操 作 的 各 项 需 求。必须注意，前面板设计要达到布局合理、操作方 便等方面的要求。 ）程序框图编程顺利实现，主要 包含以下几个模块的内容，例如：设置声卡、信号分 析、声音播放等，如图 所示。 2 4 4 图 系统主体部分简图 2.2.1 设置声卡模块 对音频数据进行采集前，先要设置相应的参数， 512/ ID 1024/2048/8196 例 如 ：设 备 的 、采 样 模 式 、每 条 通 道 采 样 数（ ID ）等 ，其 中 ，设 备 为 从 多 块 声 卡 所 组成的多通道数据采集系统，对其进行设置尤为重 要。声卡设置界面如图 所示。 5 

的声卡数据采集与处理系统设计 Signal Processing Input Butterworth 、 模板内的节点实现信息采集、 功 率 谱 分 析 等 处 理 。 而 在 进 行 信 号 分 析 前 添 加 低通滤波器。能够对原始数据实施平滑 滤波处理，有效消除噪声干扰，提升信噪比。与模拟 滤波器比较，这种滤波器无需配置精度较高的组件， 且不会由于温度、湿度改变出现误差。 2.2.4 设计声音播放模块 Labview 胡成娟 基于 5 图 声卡设置面板 2.2.2 数据采集处理模块 数据采集模块依据使用者设定的采样频率、数 量等信息对声音数据进行采集。系统把采集得到的 声音数据频域及时域图像依次显示在系统前置界面 中，并将上述数据保存起来。同时，还要对采集的数 据开展分析处理，获得最终的检测结果。因 波 形格式的文件模式信息质量较好，本系统采用这种 模 式 保 存 音 频 数 据 。 声 音 数 据 采 集 主 要 运 用 能 通过执行函数面板—编程—图像与声音中找到，用 于读取或停止声音输入、启动声音输入、声音输入清 零等函数 。对采集数据处理如图 自带声卡采集函数 LabVIEW 进行编写，这些 VI[10-11] PCM 所示。 VI VI 6 6 2.2.3 信号分析模块 图 数据处理框图 LabVIEW [13] LabVIEW 这个模块就是对由数据采集模块采集的数据或 由文件重载前采集并存储的数据，对其展开频域和 时域分析并显示相应的域图。此外，用户也能对数 据实施分段处理，甚至对选择的数据按频段完成分 析。 软件所提供的编程环境及数据流驱动 方法，促使用户能够直观看到程序代码并执行响应 操作 。本次设计的声卡数据采集与处理系统充分 应用 中的多线程技术，为整个系统数据采 集、信号分析等操作自动配置优先级，有效预防单线 程系统中发生调用阻塞的情况，也不会浪费 运 行时间。如：用户的接口操作被分配给一个特定线程， 并对其赋予较低的优先级，移动面板窗口这种事件 [14-15] 不会对数据采集时间，确保系统稳定、可靠地运行 。 该 结 构 顺 利 实 现 信 号 采 集 、存 储 等 功 能 。 此 外 ，利 用 While Loop LabVIEW Sound 主 要 通 过 CPU 内 的 VI 对于所有采集的声音信息实施存储后，便于随 时播放。在播放声音功能模块中，主要功能为显示 波形、合理调节音量等。为清晰展示所播放声音的 图 形 ，波 形 图 利 用 两 种 颜 色 的 双 通 道 信 号 完 成 处 理。声音播放前面板见图 7 。 7 图 声音播放模块前面板效果图 3 系统测试实例 3.1 系统测试方法 6 本次实验中选择 弦吉他发出的单一声色，每 一根弦所用材料相同，均属于圆柱状且处于绷紧状 态，但粗细有所不同，用手指拨动这些弦能够发出各 种不同音色，而同一根弦经过对其振动部分的长度 进行控制，达到改变弦发出音色的目的。进行测试 过程中，将麦克风设置在距离弦 处并进行固 。随之，有选择的拨动该吉他各条弦，所产 定处理 种音色，每一 生的音频信号通过麦克风采集发出 种音色每次采集时间设定为 ，所采集的数据利用 50 mm 9 2 s [17] 显示并实施相应的处理。 LabVIEW 3.2 系统测试结果 200 现实条件下，设定吉他的一个单音色为标准声 个音 音，随之开展 色实施相同的测试。其中，把被测和标准声音信号 波形、测试结果保存下来，测试结果见表 组相同及不同的检测，共对 1 。 9 围 之 内 总 的 检 测 准 确 度 大 于 根据上表的数据可知，在标准的信号 误差范 ，最 高 能 达 到 ，表明所设计的声卡数据采集与处理系统准 93.76% 88% 3% -179 - 

2018 《电子设计工程》 年第 期 [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] 表 1 吉他相同与不同音色测试结果 /% /% 不同音色合格率 相同音色合格率 音色1 2 3 4 5 6 7 8 9 96 87.6 94 98 93.6 89.6 89 92 89.6 92.6 90.6 91.6 92 90.6 89 92.6 87.6 91 准确率 /% 93.76 90 92.26 95 93 88.76 92.26 89.26 89.76 确度、稳定性比较高，如果适当改变误差的阀值，其准 确度也会发生明显改变，见图 。表明如果误差阀值 范围之内，测量准确度处于最高状态。 处在 3%~5% 8 8 图 4 结 论 平均准确度与误差阀值的相关性 LabVIEW [18] 多线程 总之，本次研究设计一款依托 技术的声卡数据采集与处理系统 ，该系统能实时 对声音信号实施采集、分析等操作，即可及时获得高 效的检测结果，并把所采集的声音数据及检测结果 均被存储下列，便于后期进行调用检验。在此基础 上，依托对吉他多音色实例测试，本文所设计的系统 配备友好的操作界面，总体检测准确度、稳定性较 高，满足语音识别、噪杂环境声音监测等方面的需 求。 参考文献: [1] Matlab . 基于 [J]. 的音频数据采集系统 ） 2014 17 （ : 电脑知识与技术， 翟继涛，雷洪 的分析与评价 4134-4136. . LabVIEW [J]. 卢泽宇，李萌 实时分析系统的设计 基于 261-262. 的声卡信号采集和 ） 通讯世界， 2015 20 （ : . ARM 微处理器的引信数据采集系统设 张晨 基于 [2] [3] -180 - LabVIEW [J]. PSoC 和声卡 科技与创新， USB 2015 音 基于 制造业自动化， 和 2014. [J]. LabVIEW 的声 微型机与应用， 车身喇叭振动信号采集与分析系统研制 南京：南京理工大学， 基于上位机内置式声卡的多通道数据采集 ） :378-380. LabVIEW 2016 23 的 ， 基于声卡和 天津农学院学报， 16 [D]. . 2014. 2014 2 . . （ [J]. 电子器件， 计 马静 装置及系统 李燕杰，赵娜，赵平，等 虚拟示波器的设计 （ 卢泽宇，亓夫军，石娇，等 的音频信号采集、分析系统设计 :51-53 70. [J]. 基于 1 ） ， . 2016 4 :58. （ ） . 78. [J]. 王安腾，王程程，赵洪亮，等 频类的数据采集卡设计 （ 史正洋 :106-109. . ） 17 [D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学， 时频分析系统 EMD 7 35 李岳，韩宾，鲁云，等 音信号 ， 2016 （ ） ， :73-75 . [J]. （ 基于 洪万帆，苏淑靖 集系统设计 电子器件， 张小虎，李东红，李聪，等 同步声音采集电路设计 （ 武晨，符为榕 分析系统设计 2016 . [J]. LabVIEW :42-43. [J]. 基于 2 ） . 57-59. 基于声卡和 基于无线传感器网络的数据采 1 :180-185. SD FPGA ） 与 卡的 2015 山西电子技术， 工业控制计算机， 的声卡数据采集与 ） 2014 1 （ : 机械工程与自动化， . 的语音信号采集和语谱图分 :29-32. 的声卡信号 （ ） LabVlEW 2015 2 :177-178. LabVIEW 11 ） （ 基于 的声音 2016 39 ， 电子测量技术， 基于虚拟仪器的声音信号采集 33 1 ， （ ） :12-14. 2017 高精度频率分辨在 火箭推进， ） （ 2 : 基于 . [J]. [J]. MATLAB 2015 . [J]. 基于 电脑知识与技术， 王琼，黄宇，严南，等 发生器设计 刘博 析 程金光，张荣福，郁浩，等 数据采集分析系统 （ 徐继宁，邵雅超 分析系统 张召磊，孙晓伟，夏德新，等 振动信号辨识中的应用 :94-98. [J]. 2014 . [J]. 测控技术， 2 ） . 66-71. . LabVIEW [J]. 刘小杰，杜永清 性能试验台测量系统设计 基于 110-116. 的调节器低温动 ） 火箭推进， 2016 5 （ :