基于声卡的数据采集及波形发生器设计
时间：2015-12-21 01:50:00 所属分类：计算机技术 浏览量:
摘 要：介绍了一种利用vc++实现基于声卡的双通道数据采集系统，实现了波形发生器与频率测量等基本功能，为低成本下构建数据采集系统与波形发生器提供了一种思路。 关键词：声卡 数据采集 频率测量 一、概述 数据采集是信号分析与处理的一个重要环节,在许多工
摘 要：介绍了一种利用vc++实现基于声卡的双通道数据采集系统，实现了波形发生器与频率测量等基本功能，为低成本下构建数据采集系统与波形发生器提供了一种思路。
关键词：声卡 数据采集 频率测量
一、概述
数据采集是信号分析与处理的一个重要环节,在许多工业控制与生产状态监控中,都需要对各种物理量进行数据采集与分析。但是，专用数据采集卡的价格一般比较昂贵，而我们PC机的声卡就是一个很好的双通道数据采集卡。实际测量中，在满足测量要求的前提下，可以充分利用计算机自身资源，完成数据采集任务，从而节省成本。
本文利用vc编程实现了声卡的双通道数据采集，并且对信号进行频谱分析同时实时测量出信号的频率。还利用声卡的DA通道，实现了正弦波、方波、三角波输出的信号发生器。波形发生器产生的信号同时还可以作为内部测试用信号，检验数据采集的准确性。
二、声卡数据采集系统硬件组成
Line Out
图1 声卡数据采集的硬件组成图
利用声卡进行数据采集的硬件组成如图1所示。通常，利用声卡的Line In端作为信号输入端口，两路被测的模拟信号经过左右声道，A/D转换进入计算机，通过vc编写的虚拟仪器界面显示出来。声卡一般都具有单、双声道输入,从而可实现单双通道的采集.双通道采集时,声卡采用并行采集,并具有采样保持功能,两个通道的数据不存在时间差,第一通道和第二通道数据存储在同一个数据缓冲区中,且等间隔存储,奇数序列是一个通道数据,偶数序列为另一个通道数据.读取数据时,将缓冲区中的数据全部读入到一个数组中,然后对该数组数据,采用隔一点取一点的方法,将数据分开并分别存到另外的两个数组中,即将两个通道的数据分开,从而实现了双通道的采集.单通道采集时,缓冲区中仅仅是一个通道的数据,直接保存到一个数组即可。同时，信号发生器产生的波形也可经过Line out端输出。
为了保护声卡，被测信号并不是直接进入声卡，而是先经过一个信号调理电路，对信号进行放大或限幅，滤波等处理，信号调理电路如图2所示。（a）图是直流电平叠加模块：C1代表信号的输入，D1代表叠加直流电平后信号的输出，电位器R8控制输入直流电平的大小；（b）图是信号叠加模块：A1、A2代表叠加信号的输入，B1代表叠加后信号的输出；（c）图是模拟滤波模块：LPIN代表滤波器的输出，LPOUT代表滤波器的输出，调节R6可以控制输出的、幅度大小。当然可以根据需要在调理电路中加入一些其它的模块。
图2 信号调理电路
三、声卡采集系统的软件编程
微软公司已经提供了一系列API函数用于对声卡的操作，为了将需要用到的函数封装成了一个类，编程时只需直接调用。使用的API函数有：
waveInGetDevCaps 实现声卡的性能测试
waveInOpen 打开波形输入设备
waveInPrepareHeader 为波形输入准备缓冲区
waveInAddBuffer 将数据缓存发送给波形输入设备驱动
waveInStart 启动向波形输入缓冲区存储数据
waveInUnprepareHeader 释放波形输入缓冲区
waveInStop 停止向波形输入缓冲区存储数据
waveInClose 关闭波形输入设备
设计的软件界面如图3所示。目前所实现的功能有：
图3 软件界面设计
1．两路波形发生器。可产生正弦波、方波和三角波，并且频率和幅值可调。
2．频谱分析仪。可以对采集的信号进行频谱分析。频谱分析采用了快速傅立叶变换（FFT）算法，并且将其封装成独立的函数，方便调用。
3．频率计。同时还可以实时地测量出采集到的信号的频率。在利用程序计算频率时，一般采用两种方法。一种是利用快速傅立叶变换，它的优点是不仅能对标准的周期波形进行测量，而且能够计算出各种复杂波形和信噪比非常低的信号的频率值，缺点是分辨率受到限制。另一种计算频率的方法是采用脉冲计数法。它的优点是测量低频信号时精度高，但它不适合波形复杂和信噪比低的信号频率测量。所以在测量过程中，程序先判断信号上述的性质，根据信号的性质，自动地采用相应的测量方法。
四、小结
采用声卡制作的信号采集系统,具有廉价、方便等优点,它可用于振动、噪声、位移、温度、压力等各种物理量的测试。但是一般的声卡支持的采样频率有11025、22050和44100，对高频信号的采集会出现失真。总之，运用廉价的声卡，辅以适当的软件编程，可以构成一个较高采样精度，中等采样频率且具有很大灵活性的数据采集系统。
参考文献
[1]种兰祥，阎丽，张首军．基于计算机声卡的多通道数据采集系统．西北大学学报, 2002．
[2] 云升，姚晓，夏志忠．vc++声卡低层音频服务的编程技术．计算机应用,2002．
[3] 郑继明，李仪．声卡在数据采集中的应用[J]．国外电子测量技术,2000(5)．
[4]Matthew Miller,Bao Mi ,Development of automated real-time data acquisition system for robotic weld quality monitoring,Mechatronics,2002.12．
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