虚拟仪器实验指导书2011(实验三四)

实验三声音信号采集实验

一、实验目的：

1、学习LabVIEW数据采样的方法；

2、掌握LabVIEW声音采样程序编制方法，熟悉文件存取的控制手段与方法。

二、实验内容：

声音信号的数据采样及声音文件的存储；

三、实验原理：

利用LabVIEW提供的声音控件，设计一个基于声卡的声音信号采集程序，通过麦克将外部的语音信号转化为模拟电信号，再经由声卡作为模拟电信号采集卡，并将转化后的数字信号传送到微机，经LabVIEW程序控制完成音频信号的采集工作。

四、实验步骤：

1、准备工具：

要求必须具有声卡并正确安装声卡驱动程序的微机一台；与声卡兼容的麦克风一支、耳机或音响。

2、声音信号的数据采样及声音文件的存储程序编制

图3-1声音采样程序前面板

1）如图3-1所示搭建声音采样程序前面板。录音、暂

停、停止录音三个按钮为布尔型控制器（Boolean Control）；

音质、采样频率、采样位数为打包的声音格式控件（Sound

Format Control），在控件（All Controls）\选择控件（Select

a VI）即可打开文件选择对话框，在LabVIEW的安装目

录下\Vi.lib\Sound\Lvsound.lib打开此lib文件，此时会打开

一个控件选择对话框，从中选择声音格式控件（Sound

Format.Ctl），打开后即为此声音控件。样式如图3-2所示，

可修改为图3-1所示形式。缓存区大小为数值型控件，在图3-2 声音控件

控件（All Controls）?经典（Classic Controls）?经典数值（Classic Numeric）下可以找到。

2）程序框图如图3-3所示，此框图完成声音的录入工作。框图中所用的函数介绍如下：

配置声音输入（SI Config）

a)功能:

该函数的主要功能是为声音输入配置以硬件声音输入设备。

b)端子介绍:

A.设备（device）：是指在Windows 2000/NT/XP上用于声音存取操作的一个输入设备。在通常情况下，选0作为默认值。

B.声音格式（sound format）：声音格式是指设置声道数（Mono单声道/Stereo立体声）、声音采样频率（一般8000，11025，22050，或者44100Hz任选其一）和声音位数（8位/16位）。

C.缓冲区大小（buffer size）缓冲区大小是LabVIEW从设备中转换数据的内部缓冲区的大小设置，默认设置8192字节。

D.错误输入（error in）端子是指表述当前函数的一种错误条件或在其运行之前就发生的错误情况。这个默认值是没有错误的。具有error in端子的函数会将error in的输入值传送到error out端。并一直传下去直到执行error处理程序。

E.任务ID输出（task ID out）：返回一个与特定的输入设备（device）相关联的识别码。它可以应用到其他的声音输出的VI操作中。

F.错误输出（error out）它包括的是错误的信息。

启动声音输入采集（SI Start）

a)功能:

该函数用于启动声卡开始采集声音数据。采集到的数据会被暂存在缓冲区中，这一过程无需程序干预，由声卡硬件使用DMA方式直接完成，这样可以有效保证采集过程的连续性。

b)端子介绍:

A.任务ID输入（task ID in）用于接收之前函数发出的与特定的输入设备（device）相关联的识别码。

B. 错误输入（error in）同上

C. 任务ID输出（task ID out）同上

D. 错误输出（error out）同上。

图3-3 声音录制程序框图

3

读取声音输入（SI Read）

a)功能:

该函数用于等待采样数据缓冲区满的消息。当产生这一消息时，它将数据缓冲区的内容读取到用户程序的数组中，产生一个采样数据集合。若计算机速度不够快，使得缓冲区的内容被覆盖，则会产生一个错误信息。这时应调节缓冲区的大小，在采样时间与数据读取之间找到一个理想的平衡点。

b)端子介绍略。

停止声音输入采集（SI Stop）

a)功能:

该函数用于通知声卡停止采集外部数据。已采集而未被读出的数据就会留在缓冲区中，可以使用SI Read函数一次读出。

b)端子介绍略。

声音输入清零（SI Clear）

a)功能:

该函数用于完成最终的清理工作，例如关闭声卡采样通道，释放请求的一系列系统资源（包括DMA 缓冲区、内存、声卡等）。关闭与声音输入驱动task ID in关联的设备和释放驱动程序所使用的计算机系统的所有资源。

b)端子介绍略。

程序运行控制说明：

当系统刚启动运行时，通过声音配置函数进行声音控制配置，之后由于没有录音启动信号和系统故障信号，系统程序停止在录音控制条件循环（While Loop）程序中，处于等待下一步工作指令状态；当用户按下录音按钮时，系统程序退出录音控制条件循环，并启动声音读取程序开始录音。

录音过程中，通过暂停按钮对录音过程进行控制。如果按下暂停按钮，声音暂停录制；再次点按暂停按钮，录音恢复。暂停录音是通过一个Case结构进行控制，图3-3中列出了当暂停按钮按下，Case结构条件端子为TRUE时的程序编制情况，可以看出当暂停按钮按下，程序执行SI Stop函数暂停声音录入，然后进入条件循环结构等待暂停按钮发出恢复录音指令；当暂停按钮发出恢复录音指令时,程序退出暂停Case结果内部的条件循环，同时执行SI Start函数重新启动录音过程。暂停录音的Case结构中FALSE框程序框图如图3-4所示。

录音过程中结束录音功能，通过图3-3中所示Stop3按钮实现。首先，Stop3按钮按下，循环记录退出循环条件满足，当本次循环，循环内部程序均执行完毕则退出录音循环。另外，Stop3按钮通过一个Case框控制录音过程结束。当Stop3按钮按下，则其控制Case框的条件端子为TRUE，则执行SI Stop函数停止录音；同时，通过属

性节点将录音按钮状态置为OFF。当退出录音结束控制Case框后，系统程序执行SI Read函数对缓存中的采样声音数据进行读取。然后，推出录音循环，执行SI Clear函数释放录音中占用的系统资源，同时，执行Write Wave函数实现对声音文件的保存。录音结束控制Case框的FALSE框程序框图如图3-5所示。

图3-4 暂停录音Case结构的FALSE框程序框图

以上程序中的声音控制函数在函数（All Functions）?选择VI…?LibVIEW安装目录?vi.lib文件夹?Sound文件夹?lvsound中都可以找到；简易错误处理器（Simple Error Handler）函数在函数（All Functions）?编程?对话框与用户界面下可以找到。

图3-5 录音结束控制Case框的FALSE框程序框图

录音按钮属性节点建立方法：在程序框图中用鼠标右键单击录音按钮，

弹出快捷菜单选择创建（Create）?属性节点（Property Node）?值（Value），

然后在新生成的录音按钮属性节点（Value）上单击右键选择“转换为写入”。

暂停按钮的局部变量建立方法：在程序框图中用鼠标右键单击暂停按

钮，弹出快捷菜单选择创建（Create）?局部变量（Local variables），然后在

新生成的暂停按钮局部变量上单击右键选择“转换为读取”。

Error Out的Status输出采用按名称解除捆绑（Unbundle By Name）函数实现，此函数在函数（All Functions）编程?簇、类与变体（Cluster）下可以找到。

五、实验思考题：

1．如果不执行SI Clear函数，程序对系统硬件会造成什么影响。2．录音按钮的属性节点在程序中起到了什么作用。

实验四声音信号分析实验

一、实验目的：

1、学习LabVIEW数据分析的方法；

2、掌握LabVIEW声音采样数据实时分析的手段，熟悉虚拟仪器分析函数的工作特点。

二、实验内容：

采样数据提取；数据的实时分析；音频曲线的功率谱分析。

三、实验原理：

本实验是在实验三的基础上，通过对采样数据的提取，进行实时的数据分析；通过对LabVIEW提供的滤波函数、加窗函数、功率谱函数的调用实现音频曲线的调理与分析。

四、实验步骤：

图4-1为音频信号分析程序前面板图。本实验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、运行和退出等功能，并且应用了声音输入(Sound Input)和信号处理(Signal Processing)函数完成信号采集、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巴特沃思（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4-1音频信号分析程序前面板图

图4-2 音频信号分析程序框图

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采样数据提取

由于音频采样数据有Mono （单声道）和Stereo （立体声）两种模式，这给音频信号的显示和分析带来了麻烦，为了统一输出信号形式，首先利用程序实现采样数据的提取及分离任务，即将单声道和立体声音频信号统一转换为单声道信号。

程序处理方法如图4-2所示，首先利用解除捆绑(Unbundle)函数（在函数?编程?簇、类与变体下）将声音格式（Sound Format ）簇数据进行拆包，通过两个Case 结构分别对采样数据位数、声道方式进行选择进而将声音信号转换为统一的单声道音频信号。Case 程序结构见图4-3所示。

实时的数据分析与音频曲线的功率谱分析

巴特沃思滤波器函数

(Butterworth Filter)

a ）功能：

图4-3单声道音频信号转换程序

利用巴特沃思系数VI来产生数字滤波功能。

b）端子介绍：

A. 滤波类型（filter type）：它是通过滤波的通频带来划分的。

0 低通

1 高通

2 带通

3 带阻

B: X:为滤波器的输入信号端。

C. 采样频率（sampling freq）fs：默认值是1.0，其输入值必须比0大。如果其输入值为小于等于0的数值，则经此VI滤波后的输出值将会是一个空数组或者返回一个错误信息。

D. 高截止频率（high cutoff freq）fh：当滤波类型为0或1时，此函数VI将忽略了这个参数。当滤波类型为2或3时，fh必须比低截止频率fl高，并且遵守奈奎斯特准则。

E. 低截止频率（low cutoff freq）fl：其值必须遵守奈奎斯特准则。它的默认值是

0.125。如果fl的值小于等于0，或者大于采样频率fs值的一半，则经此VI滤波后的输出值将会是一个空数组或者返回一个错误信息。当滤波类型是2（带通）或3（带阻）时，fl必须比小。

F. 阶数(order)：指定滤波器的阶数并且必须大于0。默认值为2。如阶数小于等于0，VI将把滤波后X设置为空数组并返回错误。

G. 初始化/连续（init/cont）：控制初始化内部状态的。这个默认值是False。

H. 错误（Error）：返回错误或从此VI中的提取警告信息。

Butterworth Filter.VI在函数（All Functions）?信号处理（Signal Processing）?滤波器（Filter）下。

时域缩放窗（Scaled Time Domain Window ）函数

a）功能：用选择的窗口进行时域信号分析。

b）端子介绍：

A. X:实数向量。

B. 窗（Window）：是指应用于X的窗。

C. 加窗后的X：为加窗分析后输出的时域信号。

D. 窗参数（window constants ）：窗口常数包括被选择窗口的窗口常数信息。它的

默认值被设置为统一窗口的值。 Scaled Time Domain Window.VI 在函数（All Functions ） ?信号处理（Signal Processing ） ?窗（Windows ）下。 自功率谱分析函数（Auto Power Spectrum ） a ）功能： 单极性、多极性时域信号的自功率谱分析。 b ）端子介绍： A. 信号（V ）：通常是指输入的电压型时域信号。

B. dt ：是指时域信号的采样周

期，通常是以一秒为单位。dt 也可

以代表fs 时域信号的采样频率。

C. 功率谱（Power Spectrum ）：如果输入信号是以伏特为单位，则功率谱是指与伏特单位相一致的单极性功率谱。

D. df ：如果dt 是以秒为单位，则df 表示功率谱中的频率间隔，以Hz 为单位。 Auto Power Spectrum.VI 在函数（All Functions ）?信号处理（SignalProcessing ）?谱分析。

功率与频率估值函数（Power & Frequency Estimate ）

a ）功能：计算时域信号在功率谱中的峰值频率附近的估计功率和频率。

b ）端子介绍：

A. 功率谱（Power Spectrum ）：是指时域信号的功率谱。Power Spectrum 用于与Auto Power Spectrum .VI 功率谱分析函数模块的输出连接。

B. 峰值频率（peak frequency ）：指用户测试的频率和功率的峰值的频率，通常是以Hz 为单位。它的默认值是-1。如果未输入这个参数的话，此函数将会自动地在功率谱中寻找最大的峰值，并且测试它的频率和功率。

C. 窗常数（window constants ）：用作计算功率谱的窗口常数。window constants 通常是多极时域窗口函数(Scaled Time Domain Window .VI)的输出。

0 矩形（默认）

1

Hanning 汉宁窗 2

Hamming 海明窗 3 Blackman-Harris 布莱克曼哈里斯窗 4 Exact Blackman 精确布莱克曼窗 5 Blackman 布莱克曼窗 6 Flat Top 平顶窗 7 Four Term Blackman-Harris 四阶布莱克曼

哈里斯窗

8

Seven Term Blackman-Harris 七阶布莱克曼哈里斯窗 . . .

D. df：指输入原始信号频谱中的行周期频率间隔。它的默认值是1.0。

E.区间跨度（Span）：指包括在频率和功率测试中峰值频谱线的数量，它的默认值是7。

F.估值频率峰值（est frequency peak）：是指在输入的功率频谱中的频率峰值。

G..估值功率峰值（est power peak）：是指输入功率频谱中的功率峰值。

Power & Frequency Estimate.VI在函数（All Functions）?信号处理（SignalProcessing）?谱分析。

简单错误处理器函数（Simple Error Handler）

a)功能:用于指示是否有错误发生。如果一个错误发生，这个函数将会获得这个错误的一个描述，并且会随时显示一个对话框。

b)端子介绍:

A. 错误代码（error code）：数字的错误代码。

B. 错误源（error source）：是一个潜在的串代码，可以用它来描述这个错误代码的来源。

C. 对话框类型（type of dialog）：用来描述显示对话框的类型。

D. 错误输入（error in）：描述的是在这个功能实行之前错误情况已经发生。

五、实验思考题：

1．设计一个显示立体声原始信号的示波显示程序。

2．Simple Error Handler.VI函数在程序框图中所起作用。