一、课题综述及研究意义 多功能动态信号分析仪是一种可以用来对动态信号进行参数测量和波形分析的多功能仪器。通过频谱分析的原理将音频、噪声、振动等动态信号通过波形图呈现出来，并且利用LabVIEW的软件编程，设计开发的一种形象直观、人机交互性好的分析仪器。该仪器广泛应用于音箱生产、声学测量、工厂振动测量等领域。 传统的信号分析仪器设备多数是由硬件电路构成的，需要使用交流电压表、低失真音频信号源、示波器、频谱分析仪、频率计等多种仪器来完成一次完整的动态信号的分析测量。并且对于所购买的硬件仪器，一旦过时，难以升级，只能重新再进行购买，这样测试仪器的购买和更新花费比较大。随着软件技术的成熟与发展，虚拟仪器技术已经成为对信号进行分析和处理的一种核心技术。基于声卡的虚拟动态信号分析仪采用PC机自带的声卡，没有额外的费用，通过PC机显示、保存和打印，使用方便。 基于声卡的多功能动态信号分析仪能够广泛应用于日常生活，声学测量、工程测量以及高校实践教学领域。在日常生活中，对于语音信号的识别以及对语音信号的处理，提取语音信号的特征参数，以便于高效地传输或者存储，例如家庭防盗门的语音识别分析仪，可以大大增加安全系数。在声学测量中，对环境噪声进行实时监测，通过对噪声的分析和处理，可以满足人们对于环境噪声的监控。在工业领域，例如机械工程、土木工程等领域，动态信号分析仪可以对大型器械的动态性能进行状态监测和故障诊断，通过将振动信号转化为数据信号，进行合理的分析和监测，对机械的运转情况作出判断，避免发生事故。 在实际测量中，需要根据不同的需求选择不同的数据采集卡，而本课题多功能动态信号分析仪利用计算机自带的声卡来进行数据采集。目前市场上销售的数据采集卡昂贵，当然价格与其性能成正比，性能越好，采集数据越可靠的数据采集卡价格越昂贵。并且数据采集卡还受外界环境因素的限制，如果无法很好的对干扰电磁做屏蔽处理，当测试区域存在电磁干扰，很可能导致采集的数据失真甚至错误。随着数字信号处理技术的成熟，计算机自身配置的声卡已经成为一个优秀的数据采集系统，它具有A/D和D/A转化功能，它不仅兼容性好，而且价格低廉、便于更新、通用灵活、性能稳定、精度高。本课题就是利用一般计算机的声卡作为音频的数据采集卡，利用上位机LabVIEW系统对采集到的动态信号进行分析处理，从而设计出一种低成本高性能的动态信号分析仪。 本文利用LabVIEW软件设计了虚拟仪器的前面板，通过后面板的程序框图实现相关的程序运算，对信号进行分析处理，并且通过前面板将信号的相关参数进行呈现。虚拟仪器平台可以分为硬件平台和软件平台。虚拟仪器的硬件平台由计算机和I/O接口设备组成。而虚拟仪器主要有两种软件平台：一种是文本形式的编程语言，例如C++、Visual Basic等；而另一种就是图形化编程语言，这种语言最为突出的代表就是LabVIEW。LabVIEW环境下开发的声卡数据采集系统，用PC机自带声卡代替昂贵的数据采集卡，用图形化编程语言LabVIEW能轻松实现数据采集、分析、存储等，已经成为测试领域中虚拟仪器开发重点。 1、国内研究现状： LabVIEW作为虚拟仪器开发系统的杰出代表，在我国虽然引进的时间不长，但是现在已经被认识和推广、应用，促进了中国测试领域的技术革命，在科研及教育领域都得到了迅速推广。近年来，在中国的市场上多功能信号分析仪器也逐渐开始出现，这些信号分析仪有：频率计数器、交流电压表、直流电压表、失真度分析器、直流电压表、音频示波器等。这些仪器都简单易用，而且它们测量精度都不亚于一些专业仪器，所以国内有大批企业使用虚拟仪器系统对生产设备的运行状况进行实时监测。 动态信号仪器经过了一个很长的发展过程，虚拟仪器的出现使得动态信号分析仪器的发展有了革命性的变化，它有良好的可靠性，并且功能能够根据需求添加的灵活性以及很高的性价比，使得虚拟动态分析测试仪器得到迅速发展。在测试测量领域，虚拟仪器已经占领很大的市场份额。在一些重大测试项目和重要测试环节，越来越多的采用虚拟仪器技术，比如2008年北京奥运会的主会场鸟巢的结构安全检测系统和奥运会期间的天气预报系统就是采用虚拟仪器技术实现的。 2、国外研究现状： 虚拟仪器的概念最初是由美国国家仪器公（National Instruments Corp，简称NI）于1986年提出，NI公司在80年代研制和推出了许多总线系统的虚拟仪器，创立于1976年的NI公司，几十年来，不断致力于开发基于计算机的测试测量与自动化平台，其推出的软件产品已经成为行业标准。最新统计显示，全球有超过25000的客户在使用NI的产品，其中不乏国际知名的大公司，像Nokia、Siemens、Tektronix等等。虚拟仪器在国外发展很快，以NI公司为首的很多公司已经在市场上推出了大量基于虚拟仪器技术的电子仪器产品，包括HP公司、Tektronix公司等。据“世界仪表及自动化”杂志预测，虚拟仪器在21世纪中期将占到仪器市场50%左右的份额。虚拟仪器在本世纪发展很快，大有取代传统仪器的趋势。 本课题提出利用计算机本身配置的声卡，采集不同属性的动态信号（音频、噪声、振动信号），通过LabVIEW开发的上位机软件管理平台，对采集的动态信号进行去噪处理，并实现对动态信号电压、频率、信噪比、谐波失真等基本参数的测量、时域分析、频域分析等功能。 二、课题拟采取的研究方法和技术路线 研究方法： 先分析不同属性的动态信号（音频、噪声、振动信号等）在计算机本身配置的声卡下采集得到的信号情况，然后利用LabVIEW的程序先进行去噪处理，并且利用程序框图，实现对动态信号的电压、频率、信噪比、谐波失真等基本参数的测量、时域分析、频域分析等，从硬件方面和软件方面对多功能动态信号分析仪的设计。 技术路线： 硬件方面是计算机本身配置的声卡。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得的模拟音频信号转换为数字信号，经过DSP音效芯片处理，将该数字信号转换为模拟信号输出。而声卡的基本工作流程则可以表现为以下几个步骤：首先，通过麦克风或者线路输入（Line In）获取的音频信号通过A/D转换器转成数字信号，送到计算机进行存储、滤波等处理。在次，经过计算机处理的数字信号又通过总线以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成声波。而本次的数据采集系统只需要用到声卡工作的第一个步骤。 软件方面主要涉及到LabVIEW的程序软件设计软件，应用LabVIEW软件开发平台进行虚拟仪器控制软件的设计与实现，通过应用程序来完成对动态信号分析仪的设计。其中，包括对动态信号的电压、频率、信噪比、谐波失真等基本参数的测量、时域分析、频域分析等。需要软件中循环结构、函数结构以及LabVIEW提供的大量信号分析功能来编写程序。LabVIEW的程序是由前面板和程序框图组成的，因此需要对其进行前面板设计和主程序设计来实现基于声卡的多功能动态信号分析仪设计。 三、主要参考文献 [1]陈卓.具有多态功能的动态信号分析系统的研制[D].重庆大学,2007. [2]范文冲.加工中心主轴系统工作模态识别[D].昆明理工大学,2005. [3]张旭升.数控标牌打印机状态监测与分析系统研究[D].山东大学,2006. [4]梁伟朋.基于虚拟仪器技术的液压系统动态测试仪的研究与开发——总体设 计[D].长安大学,2004. [5]刘金梅,王东颖,刘立超,严称灵.基于LabVIEW串口通信的多路数据采集系统 设计[J].北华航天工业学院学报,2012,04:16-18. [6]肖成勇,雷振山,魏丽.LabVIEW 2010基础教程[M],北京:中国铁道出版 社,2012.4。 [7]成鸥.基于以太网接口的网络化虚拟仪器技术研究[D].西安电子科技大 学,2010. [8]尹爱军.智能控件化音频分析仪的设计[D].重庆大学,2003. [9]谢水珍.基于LabVIEW的虚拟函数信号发生器的设计[J].微计算机信息,2007,01:181-182+40. [10] 孙红兵,莫永新,杜辉.基于声卡与LabWindows的火焰温度实时测量系统[J].仪表技术与传感器,2007,07:29-31. [11] 钟国策.驻极体电容传声器及其恒流电晕充电[J].电声技术,2001,12:28-29. [12] 宋杨洁.基于LabVIEW与MATLAB的语言信号的采集与分析[D].武汉理工大学,2012. [13] 田晓华. 基于LabVIEW的机器人声源定位系统设计[D].湖南大学,2010. [14] 王晓峰.基于虚拟仪器结构的虚拟式音频分析仪设计[D].重庆大学，2002 [15] 郑长义.音频频谱分析仪的设计[J].吉林师范大学学报（自然科学版），2003 （4）：30-31. [16] 李刚,林凌.LabVIEW:易学易用的计算机图形化编程语言[M].北京:北京航空航天大学出版社.2001. [17] 孟建良，杨兴兴.基于LabVIEW的虚拟音频信号分析仪设计[J].微计算机信 息，2009 29（5）：115-204 [18] 曲喜强，刘哲.基于声卡的音频信号采集与分析系统设计[J].电子测试，2009 （2）：75-77 [19] 郭一楠,程健,陈颖等.基于LabVIEW和Matlab的过程控制虚拟仿真平台研 [J]南京:电气电子教学学报.2006,28(2):61264. [20] 杨乐平.LabVIEW程序设计与应用[M].北京:电子工业出版社,2001.
二、毕业设计（论文）工作实施计划WWW.eEElW.cOM （一）毕业设计（论文）的理论分析与软硬件要求及其应达到的水平与结果 理论分析设计： 1、音频信号系统设计方案的分析论证； 2、基于LabVIEW程序的设计优化； 3、上位机管理平台的基本功能设计； 硬件设计要求：熟悉计算机本身配置的声卡的性能及功能，并将计算机自带的声卡和LabVIEW程序相结合的程序使用。 软件设计要求：配合功能要求设计实现最优化设计，绘制程序流程框图。 |
