声音采集系统

中南大学

《虚拟仪器》课程设计报告

设计题目基于声卡的声音采集系统设计指导老师吴同茂

设计者李静

专业班级测控13级03班28号

设计日期2016年5月

目录

第一章系统设计的目的及要求 (1)

1.1设计目的 (1)

1.2系统设计要求 (1)

第二章系统的硬件构成 (1)

2.1声卡 (2)

2.2声卡的硬件接口 (2)

第三章系统软件设计 (2)

3.1项目设计 (2)

3.2模块设计 (3)

3.31声音采集 (3)

3.32信号分析 (4)

3.33声音回放 (6)

3.34合成信号 (7)

3.35添加背景音乐 (9)

第四章系统调试与总结 (10)

4.1系统调试 (10)

4.2设计体会与建议 (11)

参考文献 (11)

第一章系统设计的目的及要求

1.1设计目的

声卡作为语音信号与计算机的能用接口，其主要功能就是语音信号经过DSP 音效芯片处理，进行模拟信号与数字信号的转换，因此，从其功能上来看，声卡可以作为数据采集卡来使用。本设计通过声卡对声音信号进行采集与处理。1.2系统设计要求

（1）可测试信号、频谱；

（2）可回放记录数据的图形，回放速度可调；

（3）产生多种信号，频率幅值可调。

第二章系统的硬件构成

2.1声卡

作为一种数据采集设备，声卡最主要的是采样位数和采样率两个参数。目前市场上的主流声卡是16位的，相对大多数采集卡12位的分辨率来讲，声卡这方面的性能比较高。但是作为一种音频处理设备，声卡的采样率不是很高，普通声卡的采样率分为4档：44.1kHz、22.5kHz、11.025kHz、8kHz.另外，声卡对20Hz~20kHz的音频信号有比较好的响应，而对这个范围之外的信号有很强的衰减，因此，对测试来讲，信号的频率最好在50Hz~10kHz范围之内。声卡数据采集系统的硬件组成如图2-1所示。

图2-1声卡数据采集系统硬件组成

2.2声卡的硬件接口

对于不同的声卡，其硬件接口有所不同，一般声卡有4~5个对外接口，Wave Out(Line Out)是SPK Out是输出接口，Wave Out输出是没有经过放大的信号，SPK Out输出的是经过功率放大器放大后的信号，可直接接到扬声器上。Mic In 和Line In是输入接口，两者的区别在于，前者只能接较弱的信号，幅值为0.02~0.2V，这个信号较易收到干扰，在数据采集时经常使用Line In，它可接入幅值约不超过1.5V的信号。这两个通道输入端口内都有隔直电容，直流信号和频率太低的信号都不能被接受。在进行数据采集时，信号可以通过3.5mm的音频插头通过声卡输入到计算机或从计算机输出。

第三章系统软件设计

LabVIEW是一种图形化的编程语言，是一个功能强大且灵活的软件，专为数据采集和仪器控制而设计，它将信号采集、测量分析和数据显示功能集中在同一个开放式的开发环境中。本次课程设计即是在其平台上进行的。

3.1项目设计

基于实验要求和指导老师的建议，本次设计一共分为五个模块：声音采集、信号分析、声音回放、合成信号和添加背景音乐,这里用“条件结构”进行选择，选择条件由“选项卡”控件提供，将这五个功能模块分别放置在选项卡控件的不同页上，这样，切换选项卡的时候就选择了不同的功能模块，总体设计和功能模块如图3-1，3-2所示.

图3-1总体设计图

图3-2功能模块图3.2模块设计

3.21声音采集

模块设计流程图如图3-3所示。

图3-3声音采集流程图前面板设计如图3-4所示。

图3-4声音采集前面板设计使用说明：

（1）点亮“开始采集”按钮，运行VI即可开始采集声音，并默认保存在D盘，以采集声音的开始时间为文件名，扩展名为.wav，同时显示采集的声音波形；（2）按下“停止”按钮，停止采集。

程序框图如图3-5所示。

图3-5声音采集程序框图

如图所示，声卡对数据的采集主要通过“配置声音输入.vi”、“读取声音输入.vi”、“声音输入清零.vi”三个VI实现，声音文件存储主要通过“写入并打开声音文件.vi”、“写入声音文件.vi”、“关闭声音文件.vi”3个VI实现。

3.22信号分析

模块设计流程图如图3-6所示。

图3-6信号分析流程图

前面板设计如图3-7所示。

图3-7信号分析前面板设计

使用说明：

（1）点亮“开始分析”按钮，选择要分析的声音文件后运行VI即可开始分析声音信号；

（2）按下“停止”按钮可停止分析。

程序框图如图3-8所示。

图3-8信号分析程序框图

信号分析模块要实现的功能是采集数据的再现和幅度—相位谱分析、频率分析、功率分析等。如图所示，读取声音文件用到的函数主要有“声音文件信息.vi”、“读取并打开声音文件.vi”、“读取声音文件.vi”、“关闭声音文件”四个VI，用While循环不断读取缓冲区中的数据实现连续输出。

3.23声音回放

模块设计流程图如图3-9所示。

图3-9声音回放流程图

前面板设计如图3-10所示。

图3-10声音回放前面板设计

使用说明：

（1）选择想要回放的声音文件，运行VI即可播放已存在的声音文件，同时显示声音波形；

（2）“音量”滑动杆可以用来调节播放音量大小；

（3）“快进”填充杆可以用来调节播放速度；

（4）按下“停止”按钮可停止回放。

程序框图如图3-11所示。

图3-11声音回放程序框图

声音回放模块要实现的功能是将采集数据进行再现并将信号通过声卡发射出去。如图所示，读取声音文件用到的函数主要有：声音文件信息.vi、读取并打开声音文件.vi、读取声音文件.vi、关闭声音文件；播放声音文件用到的函数主要有：配置声音输出.vi、设置声音输出量.vi、写入声音输出.vi、声音输出等待.vi、声音输出清零.vi。用While循环不断读取缓冲区中的数据实现连续输出。

3.24合成信号

模版设计流程图如图3-12所示。

图3-12合成信号流程图

前面板设计如图3-13所示。

图3-13合成声音前面板设计

使用说明：

（1）运行VI即可开始合成声音，并默认保存在D盘，以采集声音的开始时间为文件名，扩展名为.wav，同时显示合成信号分析结果；

（2）信号一、二的信号类型可选，频率和幅值可调；噪声的偏移量和噪声（幅值）可调；

（3）“音量”滑动杆可以用来调节播放音量大小；

（4）按下“停止”按钮可停止本次信号合成。

程序框图如图3-14所示。

图3-14合成信号程序框图

合成信号模块要实现的功能是人工合成声音信号播放，并进行幅度—相位

谱分析、频率分析、功率分析等。如图所示，声音文件存储主要通过“写入并打开声音文件.vi”、“写入声音文件.vi”、“关闭声音文件.vi”3个VI实现，产生合成信号主要通过“基本函数发生器.vi”、“混合单频与噪声波形.vi”、“合并信号.vi”3个VI实现，播放声音文件主要通过“配置声音输出.vi”、“设置声音输出量.vi”、“写入声音输出.vi”、“声音输出清零.vi”4个VI实现。用While 循环不断产生合成信号。

3.25添加背景音乐

模块设计流程图如图3-15所示。

图3-15添加背景音乐流程图

前面板设计如图3-16所示。

图3-16添加背景音乐前面板设计

使用说明：

（1）选择背景音乐和录音文件后，运行VI即可开始进行合成即同时播放，同时显示背景音乐和录音文件的波形；

（2）两个“音量”滑动杆可以用来调节播放背景音乐和录音文件音量大小；（3）按下“停止”按钮可停止播放合成。

程序框图如图3-17所示。

3-17添加背景音乐程序框图

添加背景音乐模块的设计思想是两段声音文件同时播放和关闭，可以控制音量的大小。如图所示，读取声音文件用到的函数主要有“声音文件信息.vi”、“读取并打开声音文件.vi”、“读取声音文件.vi”、“关闭声音文件”四个VI，播放声音文件用到的函数主要有“配置声音输出.vi”、“设置声音输出量.vi”、“写入声音输出.vi”、“声音输出等待.vi”、“声音输出清零.vi”五个VI。用While 循环不断读取缓冲区中的数据实现连续输出。

第四章系统调试与总结

4.1系统调试

初次设计时，根据设计要求只设计了声音采集、信号分析、声音回放和合成信号四个功能。初次设计发现声音采集时会有溢出提示，信号分析和声音回放对大容量声音文件的分析和播放会提示内存不足，针对这些问题，我在LabVIEW 的函数使用范例找到启示，将有些循环隧道换成移位寄存器，得到了很好的解决。

初次指导老师检查后，指出了部分不尽如人意的设计问题。第一，希望可以自动以运行时间为文件名进行保存；第二，使用声音回放中的调速功能时，声音播放会出现间隔空白；第三，合成信号不能进行回放；第四，在现实应用中会给录音添加背景音乐来进行声音的合成。针对第一个问题，结合之前的实验经验，我在保存文件时使用了文件对话框.vi；针对第二个问题，我删去等待（ms）（函数），使用读取声音文件.vi的位置偏移量来实现调速；针对第三个问题，我在合成信号模块中添加了保存声音文件的功能；针对最后一个问题，我增加了添加背景音乐模块，使背景音乐文件和录音文件同时播放和结束，并调节各自的音量，使录音文件的播放音量要适量大于背景音乐的音量。

最终完成了基于声卡的声音采集系统的设计。在调试过程中发现系统运行不是很稳定，在播放或者录音时没有按停止按钮偶尔也会跳出运行，在添加背景音乐时，也许是因为背景音乐和录音的采样率和通道采样数的区别，会出现声音的不连续现象。但由于设计时间的限制，这两个问题还没有得到解决。

4.2设计体会与建议

与传统仪器相比，虚拟仪器有4个特点：性能高、扩展性强、开发时间少和无缝集成。利用电脑及声卡，配上适当的多功能虚拟仪器软件（如LabVIEW），即可将电脑变为一台在音频范围内工作的多功能测试仪器。

本次虚拟仪器课程设计整个过程历时三个周，在不断的调试、修改中，我对LabVIEW的作用有了更深刻的认识，对于在LabVIEW课程学习中存在的疑点有了更清楚的了解，对LabVIEW的程序设计也有了更熟练的掌握。在指导老师治学严谨的态度和丰富的专业知识影响下，我顺利完成了本次课程设计，并从中学到了许多课本上学不到的知识，锻炼了自己自学和举一反三的能力，这些都将成为我人生中一笔宝贵的财富。

参考文献

[1]张兰勇.LABVIEW程序设计基础与应提高.北京：机械工业出版社，2013.1

[2]张金.LABVIEW程序设计与应用.北京：电子工业出版社，2011.4