目录
摘 要......................................................................................................................... 3
第一章 绪论............................................................................................................. 5
1.1 课题研究背景......................................................................................... 6
1.2 国内外研究现状..................................................................................... 7
1.3 课题的研究内容及章节安排.............................................................. 10
1.4 本章小结................................................................................................ 11
第二章 虚拟仪器与labview软件设计............................................................... 11
2.1 虚拟仪器技术的产生和发展.............................................................. 11
2.2 labview编程的基础知识..................................................................... 12
2.2.1 虚拟仪器程序设计................................................................... 12
2.3 labview调试工具与方法..................................................................... 13
第三章 噪声信号的分析方法.............................................................................. 14
3.1 时域分析................................................................................................ 15
3.2 频域分析................................................................................................ 16
3.3 小波分析................................................................................................ 17
3.4 本章小结................................................................................................ 18
第四章 噪音信号分析系统设计.......................................................................... 18
4.1 信号采集与分析系统的结构框图...................................................... 18
4.2 系统的总体设计................................................................................... 18
4.3 声卡工作原理及性能指标.................................................................. 20
4.4 本章小结................................................................................................ 21
第五章 软件系统的各功能模块.......................................................................... 22
5.1 程序框图的设计................................................................................... 22
5.2 声音信号的数据采集模块.................................................................. 23
5.3 声音信号的回放与分析模块.............................................................. 24
第六章 仿真实验结果分析.................................................................................. 25
6.1 声音采集储存面板设计...................................................................... 25
6.2 声音回放面板设计............................................................................... 26
6.3 声音分析面板设计............................................................................... 26
6.4 仿真结果分析....................................................................................... 27
6.5 总结........................................................................................................ 28
第七章 结束语....................................................................................................... 29
参考文献................................................................................................................. 30
致 谢................................................................................................................. 33
摘 要
本文设计了一种基于LabVIEW噪声数据采集分析系统，该系统可以实时地对声音信号进行采集、分析和比对，能及时得出检测结果，而且采集的声音数据和检测结果都会被保存下来，以备后期的回放，同时还可以与预先设置的标准声音进行对比识别，经过对噪声音色的实际测试，显示在标准信号3%误差范围内，本系统的总体测试准确度平均达到了91%，具有较高的准确度和稳定性，并且通过多次实验发现误差阈值在3%~ 5%之间时，测试的准确度是最高的。适合应用于语音识别、环境噪声监测和产品检测等多种领域。
在 LabVIEW环境下开发了计算机音频采集分析系统，本系统能够采集多种工况环境的声行信号，井具有信号保存、调用、回放等功能，同时实现了对声音信号的各种数字分析，为声音振动研究和工况状态识别提供了有效的工具。此次设计的Labview的噪声采集分析系统，是基于LABVIEW虚拟软件设计的测试实验。通过自主设计噪声采集测试控制系统的总体框架，并针对实验研究，主要设计陈述了硬件电路设计和软件电路设计。结合经济性与实用性搭建了硬件平台，基于虚拟仪器 LABVIEW 软件编写了用于数据实时采集与分析的Labview的噪声采集分析系统。本文利用计算机的多媒体声卡和麦克作为声音信号采集的硬件，在LabVIEW 开发环境下开发了一个声音信号采集分析系统，可以实现声音信号的采集及分析，具有使用方便，成本低廉等优点。
关键词：LABVIEW；声音采集；信号分析；声卡
Abstract
In this paper, we design a data collection and analysis system based on LabVIEW noise, the system can real-time the voice signal acquisition, analysis and comparison, the timely detection results, and the voice of the data and test results will be preserved, for later call, at the same time can also be compared with a preset standard voice recognition,Through the actual test of the noise timber, it is shown that within the error range of 3% of the standard signal, the overall test accuracy of this system reaches 91% on average, which has high accuracy and stability. And through many experiments, it is found that when the error threshold is between 3% and 5%, the test accuracy is the highest.Suitable for speech recognition, environmental noise monitoring and product detection and other fields.
The computer audio acquisition and analysis system is developed in LabVIEW environment. The system can collect the sound signal of various working conditions. The system has the functions of signal saving, call, playback, etc. At the same time, various digital analysis of the sound signal is realized, which provides an effective tool for the study of sound vibration and recognition of working conditions.The design of the LabVIEW noise acquisition and analysis system is based on the LabVIEW virtual software design test experiment.By designing the overall frame of the noise acquisition test control system, and aiming at the experimental research, the hardware circuit design and the software circuit design are mainly described.Combining economy and practicability, the hardware platform is built. Based on LabVIEW software of virtual instrument, the noise acquisition and analysis system of LabVIEW for real-time data acquisition and analysis is written.In this paper, a sound signal acquisition and analysis system is developed under the development environment of LabVIEW using multimedia sound card and Mac as the hardware of sound signal acquisition. It can realize the acquisition and analysis of sound signal. It has the advantages of convenient use and low cost.
Key words: LABVIEW; Sound acquisition;Signal analysis;
第一章 绪论
1.1 课题研究背景
音频检测是一种无损的检测方法，它实现检测的理论基础是：不同材料或是不同结构的物件具有特有的固有频率，当它受到激励而产生振动时，便会发出和其固有频率相关的特有声音，我们通过使用声音检测设备对这些声音的就可以实现对其材质结构和质量等属性的检测。
这种检测方式已经广泛地运用到各种仪器设备的生产检测当中，例如对各种机械设备的轴承、齿轮内部的结构检测、缺陷检测，以及对音频设备（音箱、喇叭）的音色准确性检测。以往的音频检测系统主要使用频率计、计数器等零散的仪器设备来得到音频信号的各项参数信号，然后输送给示波器和频谱仪等一系列的专业设备来计算或是测量出音频信号的各项参数的数值大小，这样的检测方法不仅成本太高，而且误差也较大，检测过程也比较复杂。
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就是美国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。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。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，这样对于制作一个采集、分析、保存于一体的声音数据采集分析系统已经十分快捷与方便，其灵活的交互式虚拟仪器程序与各种形式的1/0信号有着很强的兼容性，用户只需直接使用鼠标对应用系统的相应参数进行配置来完成搭建工作，系统即可开始运行。
工况环境中的噪声基本上反映了设备的运行状态，所以可以通过声音信号来判断或识别工况中设备的运行状态，常用的声音采集系统包括传声器和高动态音频采集卡，系统成本较高。本文利用计算机的多媒体声卡和麦克作为声音信号采集的硬件，在LabVIEW开发环境下开发了一个声音信号采集分析系统，可以实现声音信号的采集及分析，具有使用方便，成本低廉等优点。
1.2 国内外研究现状
21世纪科技中的三大核心包括仪器技术、计算机通信技术和网络技术，它们是信息技术的主要构成部分。很多国家不断研究虚拟技术是鉴于它具有非常大的潜能。在20世纪80年代的时候，美国国家仪器公司(National Instruments，简称NI)经研究设计开发出虚拟仪器应用技术，成为虚拟技术领域至关重要的一部分，许多发达国家开始研究开发。在80年代末国外仪器的生产商就着手于虚拟仪器技术，到90年代，美国NI公司开始进行虚拟仪器的推广活动。掌握运用虚拟仪器系统的图形化编程语言已经成为美国学生的必修课程之一。伴随着 IT 技术的发展，通过虚拟仪器概念的出现，使得现代计算机技术、通信技术及测量技术开始不断地融合，促使传统仪器发生重大变革。近几年以来，多家公司开始研究虚拟仪器的开发平台设计。其中，美国国家仪器公司(NI)发展的图形化编程语言LabVIEW最有代表性。现如今，NI 公司已经推广了基于多种总线系统的虚拟仪器平台，研究了大量的软件与满足用户要求的硬件，可以方便地设计各种各样复杂多变的虚拟仪器自动测试系统。从虚拟仪器的概念提出来，就获得了用户广泛的认同和运用，并且在许多发达国家中的高校中，在学生实验中已经开始广泛地研究使用虚拟仪器，比如在美国斯坦福大学相关专业的学生就需要在设计研究过程中通过虚拟仪器来完成数据的采集与控制。
目前，国际上对虚拟仪器的研究开发越来越多样化，良好的竞争使得科学技术快速发展，虚拟仪器也正在朝着简便性、高精度以及网络化方向发展，其中大规模可编程逻辑器件以及相关的数字信号处理器技术的研究应用和芯片成本的大大降低，极大地提高了信号采集以及分析的速度。
在我国，虚拟仪器的设计开发应用比较晚，不少企业并没有自主研究、开发的资源。在科学研究领域中，最具有代表性的清华大学、哈尔滨工业大学、成都电子科技大学、中国科技大学等学校，不管是在设计开发仪器产品与虚拟仪器平台上面，还是在引进 NI 技术上面都开展了很多活动，取得了不错的研究效果。除此之外，国家自然基金委员会把虚拟仪器的设计研究当作前沿学科，列入到“十五”时的优先资助范围中。这几年以来，我国在虚拟仪器方面开始有了独到的特色，伴随企业里面技术的不断发展升级，对仪器设备的需要不断加大，我国虚拟仪器拥有非常大的发展潜能。所以，虚拟仪器极有可能会慢慢取代传统仪器而成为仪器发展的主要方向。有专家预测：在未来几年时间里，国内会有超过一半的仪器是虚拟仪器，而且大批公司会用虚拟仪器系统对生产的运行做实时的监控。虚拟仪器的发展，成为科学发展领域当中的一个关键的设计发展方向。
虽然我国在虚拟仪器研制开发的方面起步较晚，而且主要以基于LabVIEW 的虚拟仪器的应用与开发为主，但是，国内很多高校以及部分企业都已经投入到虚拟仪器产品的研究开发队伍当中，发展非常迅速。虚拟仪器的接口也由ISA和PCI等机内总线发展到与USB和以太网口等外部总线接口并存的方面。虚拟仪器软件的开发是通过计算机的通用标准接口，向上位机发送命令，把下位机采集的数据信号传给计算机，然后通过波形等显示测试的数据信号，以及在此基础上进一步地分析信号信息。
现如今，在我国有许多企业和科研院进行了虚拟仪器技术的设计研究。清华大学机电院基于LabVIEW软件开发平台，以及NI公司设计的多功能数据采集卡，通过自主研发的数据采集装置，研究出具有采集分析及特征提取作用的脑电模型信号测量系统。此方法跟以往运用A/D转换器与计算机的并口通讯比较的话，很大程度地缩短了开发的周期，提高了精度，且界面简捷美观，接口方便可操作。中科院以LabVIEW为平台设计出同步辐射实验系统，该系统展示出G语言比其它的程序语言更加利于实验的持续发展和更新，非常适用于许多的大型综合实验。陈春朝等在实例基础之上开发出基于 LabVIEW 的虚拟仪器技术运用于教学教育之中，把虚拟仪器运用到了测试技术等课题里。何亚农等人通过利用 LabVIEW 软件，在进行机构运动分析、零件几何测量等综合性实验时，也获得非常好的实验效果。严正国等人对飞机导航系统进行了模拟仿真实验同样说明以 LabVIEW 为平台的虚拟设计能够很好地提升教学设计水平。
展望过去的几年时光，噪声采集分析在工业自动化领域中起到了举足轻重的作用。现如今噪声采集分析系统也逐渐成为各大公司技术、生产过程中的重要工具。
1.3 课题的研究内容及章节安排
现如今，在我国有许多企业和科研院进行了虚拟仪器技术的设计研究。清华大学机电院基于LabVIEW软件开发平台，以及NI公司设计的多功能数据采集卡，通过自主研发的数据采集装置，研究出具有采集分析及特征提取作用的脑电模型信号测量系统。此方法跟以往运用A/D转换器与计算机的并口通讯比较的话，很大程度地缩短了开发的周期，提高了精度，且界面简捷美观，接口方便可操作。中科院以LabVIEW为平台设计出同步辐射实验系统，该系统展示出G语言比其它的程序语言更加利于实验的持续发展和更新，非常适用于许多的大型综合实验。陈春朝等在实例基础之上开发出基于LabVIEW的虚拟仪器技术运用于教学教育之中，把虚拟仪器运用到了测试技术等课题里。何亚农等人通过利用LabVIEW软件，在进行机构运动分析、零件几何测量等综合性实验时，也获得非常好的实验效果。严正国等人对飞机导航系统进行了模拟仿真实验同样说明以LabVIEW为平台的虚拟设计能够很好地提升教学设计水平。包括幅值谱分析、相位谱分析和功率谱分析这三大部分的内容。
完整论文+labview仿真+程序下载地址如下：
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