基于LabVlEW的音频信号采集实验平台设计

段金英

(西京学院，陕西西安，710123)

基于LabVlEW的音频信号采集实验平台设计

段金英

(西京学院，陕西西安，710123)

运用虚拟仪器替代传统实验设备，不但能节省实验器材资源、降低实验室建设成本,而且可为学生提供一个更加方便的实验平台,提高老师的教学质量、实现设备资源的共享。在LabVIEW平台上设计开发了以PC机普通声卡作为数据采集设备进行音频信号采集分析的虚拟实验系统，具有信号采集、分析、波形显示、存储以及数据文件再调用分析等功能。与传统仪器相比，打破了以往由教学仪器限定实验的模式，具有一定的实用性和可靠性。

LabVIEW ；声卡；音频信号；实验平台

0 引言

随着技术的不断发展，虚拟仪器的概念不断火热起来，各种虚拟仪器开发软件面世并得到越来越多的运用，其中最具有代表性的是美国National Instruments公司的LabVIEW。如今LabVIEW虚拟仪器开发软件已经广泛的运用于测试与测量、过程控制、工业自动化和实验室研究等方面[1][2]。同时随着技术的不断发展，目前数据采集技术已经日趋成熟，专业的数据采集卡都已经具备完整的数据采集和处理电路，精确度也在不断地提高，但是其市场价格都普遍偏高，而如今具有DSP（数字信号处理）技术的PC声卡的性能已经很高，完全可以成为一个成熟的数据采集系统，可以很好地适应各种不同的场合，并且具有操作简单、价格低廉、通用性强、稳定实用以及驱动程序升级方便等一系列优点[3]。将这些与LabVIEW的 Express技术相结合，极大地方便了对测试测量应用系统的开发，这样对于设计一个集采集、分析、保存于一体的音频数据采集分析系统已经十分快捷与方便[4][5]。与传统仪器相比，打破了以往由教学仪器限定实验的模式，具有一定的实用性和可靠性。

1 音频采集的虚拟实验平台的功能设计

音频采集的虚拟实验平台主要包括用户登陆界面、数据采集存储、波形回放及数据分析四个模块。用户通过启动系统进入到用户登录界面中，通过输入用户名和密码这一操作，系统会判断是否进入到数据采集及存储界面中，在该界面下可以实现实时的声音采集和数据的保存工作。在波形回放中，实现对存储数据的声音和波形回放，并进行时域和频域分析。

1.1 数据采集与存储界面

选用声卡作为数据采集卡进行音频信号的采集。在采集之前，需要对利用采集声音函数进行相关的参数设置。

每通道采样数：也是缓冲区中每通道采集的数量，缓冲区大小。在这里设置为5000。

采样模式：包括连续采样和有限采样。设置为连续采样。

设备ID：是对声音操作时用到的输入和输出设备。在通常情况下设置为0。

声音格式：采集率、通道数量和每个采样的位数进行参数设置。在采样率中，通常为44100S/s、22050S/s、11025S/s。在此设置为22050S/s。在通道数中，1为单声道，2为立体声。每采样比特数为每个采样的质量，以比特为单位。分辨率通常是16比特和8比特。默认值为16。

1.2 波形回放

在波形回放界面中，主要是实现对保存过声音信号的声音回放和波形回放。在顺序结构中，利用“简易读取声音文件”子VI和“配置声音输出”子VI和“写入声音输出”子VI来实现声音的回放和波形的回放。具体的实现过程为：通过初始化，使得该界面的按钮回复到初始状态，在顺序结构中，只有完成当前操作，才能执行下一帧的程序。点击播放按钮，在当前While循环中，停止循环，作为下一帧循环中条件结构的假语句，会出现选择文件对话框，将数据保存在E盘中的Data文件，通过选择该文件，找到在该文件下存储的.wav格式的文件，结合“简易读取声音文件”子VI和“配置声音输出”子VI以及“写入声音输出”子VI来实现声音的回放和波形的回放。

1.3 数据分析

在数据分析界面中，主要包括时域和频域分析。在时域分析中，可以选择相应的滤波器对采集的音频信号进行滤波，同时还能利用“基本平均直流—均方根”子VI进行相应的计算。

在频域分析中，利用FFT频谱和FFT功率谱来分析信号的频谱特性和信号功率在频域上随着频率的分布变化，除此之外，还设计了时域和频域分析结果的实时的保存功能。

2 音频信号的采集与分析

以LabVIEW为平台，最终搭建好音频信号采集的前面板如图7所示，并采集一段内容为“西京学院”的语音信号。对语音信号进行时域和频域的分析。分析对象为采集内容为“西京学院”的一段语音信号。设定采样频率是22050S/s，采样位数是16位的，釆样方式是双声道。音频信号分析的界面如图1所示。在该实验平台上，可以自由设置窗函数的类型，学生可以分析比较不同窗函数的分析结果。

3 结论

利用LabVIEW 平台开发了音频信号采集实验平台。此方法充分利用了LabVIEW灵活的图形编程，实现采集音频样本操作简单，界面丰富友好，成本低，易学习，并且能不断随着虚拟仪器技术和计算机软硬件技术的进步而升级，对自动化专业实践教学改革有一定的促进作用，可以进一步提高课堂教学效果。

图1 音频信号分析结果

[1]陈锡辉.LabVIEW 8.20程序设计从入门到精通[M].清华大学出版社，2007.07.

[2]王园园.基于LabVIEW电子测量虚拟实验平台设计[J].自动化与仪器仪表,2015,(10)：174-175.

[3]邵铭浩.基于MATLAB语言实现语音信号的采集与分析[J].电子制作,2012,(10)：8.

[4]赵兆.基于LabVIEW的电子电路模拟及仿真设计探讨[J].自动化与仪器仪表,2016,(08)：251+254.

[5]李雯.基于LabVIEW的电子电路模拟及仿真设计[J].自动化与仪器仪表,2016,(10)：22-23.

Design of audio signal acquisition experiment platform based on LabVIEW

Duan Jinying
(XiJing University, Xi’an Shaanxi,710123)

Instead of traditional experimental equipment, virtual instrument not only can save experimental equipment resources, reduce the cost of laboratory construction, but also provides a more convenient platform for students, improve teaching quality and realize the sharing of resources and teachers of the equipment. A virtual experiment system for audio signal acquisition and analysis is designed and developed based on LabVIEW platform, which uses PC ordinary sound card as data acquisition equipment, with signal acquisition, analysis, waveform display, storage and transfer of data files to function. Compared with the traditional instrument, it breaks the mode that the teaching instrument limited the experiment in the past, and has certain practicability and reliability.

Lab VIEW; sound card; audio signal; experiment platform

西京学院教学改革研究项目（项目编号：JGYB1719）。