基于声卡的LabVIEW数据采集与分析系统设计
中文核心期刊《微计算机信息》(测控自动化)2005年第21卷第9·1期
基于声卡的LabVI EW数据采集与分析系统设计
Sound card based Data Acquisition and Analysis System in LabVlEW
摘要：利用声卡DSP技术和hbVIEW多线程技术．提出了一
种基于声卡的数据采集与分析的廉价设计方案，具有实现
简单、界面友好、性能稳定可靠等优点。在LabVIEW环境中
实现了音频信号的采集分析及数据存盘重栽。PC上配置多
块声卡即可构成实时、高信噪比的多通道数据采集系统。可
以推广到语音识别、环境噪声监测和实验室测量等多种领
域．应用前景广阔。
关键词：声卡；数据采集；信号分析；LabVIEW；多线程
中图分类号：TP274 文献标识码：A
文章编号：1008—0570(2005)9—1—0108-03
Abstract：Based on DSP technology and LabVIEW muhithread．
ing，this paper brings forward a low price solution of sound card
based data acquisition and analysis system，with its advantages
of easy implementation， friendly interface and steady perfor—
mance． In the range of voice frequency，data saving and over-
loading is successful in LabVIEW．If more sound cards config—
ured in a PC．it S feasible to build a multi—channel real—time
DAQ system with high SNR．With broad application prospect，
this solution can be extended to the field of speech recognition，
ambient noise monitoring and laboratory measurement etc．
Key words：sound card；data acquisition；signal analysis；Lab-
VIEW：Multithreading
目前市售的数据采集卡都包含了完整的数据采
集电路和计算机接口电路，但其价格与性能基本成正
比，一般比较昂贵。随着DSP(数字信号处理)技术走向
成熟，PC声卡本身就成为一个优秀的数据采集系统，
它同时具有A／D和D／A转换功能，不仅价格低廉，而
且兼容性好、性能稳定、灵活通用、软件特别是驱动程
序升级方便。ISA总线向PCI总线的过渡，解决了以往
声卡与系统交换数据的瓶颈问题．同时也充分发挥了
DSP芯片的性能。而且声卡用DMA(直接内存读取)方
式传送数据，极大地降低了CPU占用率。一般声卡16
位的A／D转换精度，比通常12位A／D卡的精度高，这
对于许多工程测量和科学实验来说都是足够高的，其
价格却比后者便宜得多。
如果利用声卡作为数据采集设备，可以组成一个
低成本高性能的数据采集与分析系统。当然，它只适
合采集音频域的信号，即输入信号频率必须处于20～
20000Hz的音频范围内。如果需要处理直流或缓变信
号，则需要其他技术的配合。
周爱军：副教授
(海军大连舰艇学院)周爱军马海瑞
Zhou，Aijun MA，Hairu
1 LabV皿W简介
LabVIEW是美国NI公司具有革命性的图形化虚
拟仪器开发环境，是业界领先的测试、测量和控制系
统的开发工具。它内置信号采集、测量分析与数据显
示功能．集开发、调试、运行于一体，不仅提供了几乎
所有经典的信号处理函数和大量现代的高级信号分
析工具。而且LabVIEW虚拟仪器程序(Virtual Instru—
ment，简称VI)可以非常容易的与各种数据采集硬件、
以太网系统无缝集成，与各种主流的现场总线通信以
及与大多数通用数据库链接。“软件就是仪器”反映了
其虚拟仪器技术的本质特征。
LabVIEW 7．0版本增加的Express技术，简化了测
试测量应用系统的开发进程．其灵活的交互式VI易
与各种范围的I／O信号连接，用户甚至只需点击鼠标
配置应用系统，即可完成搭建工作并开始运行。通过
简单地修改Express VI的配置．可以快速反复地修改
应用程序以适应新的测试测量需求。
2声卡工作原理及性能指标
声音的本质是一种波．表现为振幅、频率、相位等
物理量的连续性变化。声卡作为语音信号与计算机的
通用接口，其主要功能就是将所获取的模拟音频信号
转换为数字信号，经过DSP音效芯片的处理，将该数
字信号转换为模拟信号输出。声卡的基本工作流程
为：输入时，麦克风或线路输入(Line In)获取的音频信
号通过A／D转换器转换成数字信号，送到计算机进行
播放、录音等各种处理；输出时，计算机通过总线将数
字化的声音信号以PCM(脉冲编码调制)方式送到D／A
转换器，变成模拟的音频信号，进而通过功率放大器
或线路输出(Line Out)送到音箱等设备转换为声波，人
耳侦测到环境空气压力的改变，大脑将其解释为声
音。
衡量声卡的技术指标包括复音数量、采样频率、
采样位数(即量化精度)、声道数、信噪比(sNR)和总谐波
失真(THD)等，主要介绍如下：
(1)复音数量代表了声卡能够同时发出多少种声
音。复音数越大，音色就越好，播放声音时可以听到的
声部越多、越细腻。
(2)采样频率每秒采集声音样本的数量。采样频
率越高，记录的声音波形就越准确，保真度就越高，但
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数采与监测
采样数据量相应变大，要求的存储空间也越多。
(3)采样位数将声音从模拟信号转化为数字信号
的二进制位数(bit)。位数越高，在定域内能表示的声波
振幅的数目越多，记录的音质也就越高。例如，16位声
卡把音频信号的大小分为216=65536个量化等级来
实施上述转换。
目前一般的声卡最高采样频率可达96KHz：采样
位数可达16位甚至32位：声道数为2，即立体声双声
道．可同时采集两路信号，需要时还可选用多路输入
的高档声卡或配置多块声卡：每路输入信号的最高频
率可达22．05 KHz，输出16位的数字音频信号，而16
位数字系统的信噪比可达96dB。
3系统功能设计
3．1硬件实现
声卡一般有Line In和Mic In两个信号输入插
孔，声音传感器(本文采用通用的麦克风)信号可通过
这两个插孔连接到声卡。若由Mic In输入，由于有前
置放大器，容易引入噪声且会导致信号过负荷。故推
荐使用Line In，其噪声干扰小且动态特性良好。声卡
测量信号的引入应采用音频电缆或屏蔽电缆以降低
噪声干扰。若输入信号电平高于声卡所规定的最大输
入电平，则应在声卡输入插孔和被测信号之间配置一
个衰减器，将被测信号衰减至不大于声卡最大允许输
入电平。此外，将声卡的Line Out端口接到耳机上还
可以实时的监听声音信号。
LabVIEW对声音采集的设置默认于其所处的操
作系统，本文使用的是最普通的声卡。对于高级的声
卡采集信号时，要注意关闭如混响之类的一些特效，
避免影响测量结果的真实性。
3．2软件设计
根据VI结构化的特征。把整个系统分为数据采
集和信号分析两个模块，以友好的图形界面与用户进
行交互。
3．2．1数据采集
图1数据存盘框图程序
数据采集模块根据用户设置的声音格式从声卡
获得数据。采集到的数据及其频谱牛寺J眭以直观的图形
方式呈现于用户面前。该模块还提供保存所有或部分
数据以及转到信号分析模块的功能。由于PCM波形音
频格式输出的信号质量最好，所以本文使用该格式对
信号进行数字化处理、存盘和重载。数据采集过程分
为三步：①初始化／配置声卡；②采样；③释放声卡。图
1为数据存盘部分框图程序。
LabVIEW把声卡的声道分为mono 8一bit(单声道
8位)、mono 1 6一bit(单声道1 6位)、stereo 8-bit(立体声8
位)和stereo 16_bit(立体声16位)。若用单声道采样，左
右声道信号都相同，而且幅值为原信号的1／2：用立体
声采样，左右声道互不干扰，可以采集两路不同的信
号，而且幅值与原信号相同。声卡的采样频率分为
8000Hz、11025Hz、22050Hz和44100Hz，应根据具体情
况采用合适的频率。
本文根据主流声卡的性能指标。默认设置采样频
率为44．1KHz，采样位数为16位，采样方式为单声道，
这样采样的波形稳定，而且干扰小。声卡对外部信号
的采样在起始部分会有几十个不稳定的数据，所以无
特殊要求时忽略了前100个数据。图2所示局部用户
界面中的波形是通过麦克风实时采集的女士高音，其
效果已经满足了普通测量要求，在采集暂停和终止时
可以通过LabVIEW波形显示器(Waveform Graph)自带
的功能对波形进行观察和测量，对稳定的周期信号还
可以直接准确的读出幅值和频率。
图2数据采集和谱分析预览部分的用户界面
3．2．2信号分析
信号分析模块从数据采集模块获得数据．或者从
文件重载以前采集并存盘的数据；对全部数据进行时
域和频域分析并显示相应的时域图和频域图：重新做
增强的数据保存工作，即保存所选时段数据的谱信
息．以便作进一步的分析。用户还可以对数据进行分
段处理，甚至对该段数据按频段进行分析。
LabVIEW完全图形化的编程环境和数据流的驱
动方式使用户可以非常直观的观察到程序代码的并
行执行。该系统充分利用LabVIEW的多线程(Multi—
threading)技术，为整个系统中的用户接口、数据采集、
信号分析以及文件读写等多个操作自动分配优先级，
让它们相互独立运行，避免了单线程系统中的调用阻
塞，且不会浪费CPU时间。例如，用户接口操作被分配
在一个特定的线程并被赋予较低的优先级，移动面板
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匣重匦囊疆疆亚墅墅垂困 中文核心期刊《微计算机信息》(测控自动化)2005年第21卷第9．1期
窗口这样的事件不会影响数据采集等对时间要求非 【2剖国福，张屺，淳静，等．DSP与ISA总线声卡的接口技术研究[J】．
常严格的操作。从而保证了系统的可靠性。
利用LabVIEW的自动错误处理功能．将主要函
数节点的eITOl"in和eITor out端口顺次连接，可在程序
运行中某一个函数发生错误时自动挂起，弹出错误信
息对话框，高亮显示出错函数的图标并将出错信息依
次向后传递，后续函数将不再进行任何操作，直到程
序最后做出相应的错误处理。
图3为信号分析模块的局部框图程序。该VI主
要使用了LabVIEW中While Loop结构来实现整个程
序的信号采集、存储和运行退出等功能，并且应用了
Sound Input和Signal Processing模板中的节点完成信
号采集、时域图实时显示、加窗和功率谱分析等操作。
在信号分析之前加入了Butterworth低通滤波器，对原
始信号进行平滑滤波处理以消除高次谐波失真和噪
声干扰，提高信噪比。和模拟滤波器相比，该数字滤波
器不需要精度组件．不会因温度、湿度的变化产生误
差。
图3信号分析模块框图程序
4结语
本文采用PC技术、DSP技术和LabVIEW多线程
技术，实现了对音频信号实时、高保真的采集与处理。
实践证明，整个系统性价比高，通用性强，界面友好，
数据存储方便，性能稳定可靠，其个别性能指标甚至
优于市售数据采集板卡，而价格却不到后者的十分之
一。在Pc上配置多块声卡并行工作．完全可以构成一
个多通道数据采集系统。以满足特定应用范围内数据
采集的需要。如果采用笔记本电脑则无需添加任何硬
件就可以构成便携式测量系统。
在声卡性能越来越好、成本越来越低、普及率越
来越高的情况下，这种方法值得在工程测量应用及相
关实验室中进一步推广和扩充。例如，对环境噪声进
行实时监测．采集语音信号并进行分析和处理来实现
语音识别，还可以实现示波器、信号发生器及万用表
等设备在音频范围内的基本功能，其应用前景较为广
阔。
参考文献：
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Instruments．2003．
测控技术．2002(3)：61—63．
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作者简介：周爱军(1963．7一)，男(汉)，电力传动与自动
化专业硕士，现任教于海军大连舰艇学院装备系统与
自动化系。E—mail：mahairui_ren@sohu．com；马海瑞
(1981．10一)，男(汉)，硕士研究生，现就读于海军大连
舰艇学院交通信息工程及控制专业。
(116018辽宁大连海军大连舰艇学院装备系统与自
动化系)周爱军
(116018辽宁大连海军大连舰艇学院研究生2队)
马海瑞
(Dept． of Equip System and Automation，Dalian
Naval Academy，Dalian 1 16018，China)Zhou，Aijun
(Postgraduate Team 2 of Dalian Naval Academy，
Dalian 1 16018，China)MA，Hairui
(投稿日期：2005．3．3)(修稿日期：2005．3．13)
(接第78页)系统的性能完全能够满足现场复杂条件
的要求，运行稳定可靠，得到了用户的认可，创造了巨
大的经济效益和社会效益。
参考文献
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[5]SIMATIC WINCC V5全局脚本[M]，德国：西门子公司，1999
[6]SIMATIC WINCC V5选项手册[M]，德国：西门子公司，1999
作者简介：王硕禾：男，石家庄铁道学院电气分院，副
教授，工学硕士，主要从事计算机控制技术，自动化控
制系统设计等工作。Email：wangshuohe@sohu．com
(050043河北省石家庄市石家庄铁道学院电气分院)
王硕禾蔡成才
(050000河北省石家庄市河北省科技馆)傅立峰
(050051河北省石家庄市河北省无线电管理局无线
电监测站)刘英琦
(Electrical Engineering Department， S峋i蹴hu锄g
Railway Institute， Shijiazhuang，050043) Wang，
Shuohe Cai，Chengcai
(The Science and Technique Building of Hebei，Shi—
jiazhuang，050000)Fu，Lifeng
(Hebei Wireless Management Bureau，Shijiazhuang，
050051)Liu，Yingqi
通信地址：
(050043石家庄市北二环东路17号石家庄铁道学院
电气分院)王硕禾
(投稿日期：2005．3．1)(修稿日期：2005．3．15)
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万方数据
基于声卡的LabVIEW数据采集与分析系统设计
作者： 周爱军， 马海瑞， Zhou， Aijun， MA， Hairui
作者单位： 周爱军,Zhou,Aijun(116018,辽宁大连海军大连舰艇学院,装备系统与自动化系)， 马海瑞
,MA,Hairui(116018,辽宁大连海军大连舰艇学院,研究生2队)
刊名： 微计算机信息
英文刊名： CONTROL & AUTOMATION
年，卷(期)： 2005，21(25)
被引用次数： 18次
参考文献(3条)
1.National Instruments LabVIEW User Manual 2003
2.刘国福.张屺.淳静 DSP与ISA总线声卡的接口技术研究[期刊论文]-测控技术 2002(03)
3.National Instruments Using LabVIEW to Create Multithreaded VIs 2000
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