本發(fā)明屬于工業(yè)自動(dòng)化和測(cè)試及測(cè)量的技術(shù)領(lǐng)域，具體指代一種基于LabVIEW和PC機(jī)聲卡的同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及采集方法。

背景技術(shù)：

目前，DSP技術(shù)已經(jīng)非常成熟，PC機(jī)聲卡就是一個(gè)優(yōu)秀的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其內(nèi)部集成有A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換、采樣保持等電路，可以對(duì)音頻信號(hào)實(shí)現(xiàn)雙通道16位數(shù)據(jù)采集，量化精度達(dá)到2¹⁶＝65536，最大采樣率可達(dá)到44.1KHz，因此聲卡可以看作是一塊工作于音頻范圍(20Hz到20KHz)雙通道16位數(shù)據(jù)采集卡。這對(duì)于很多的工程測(cè)量和科研實(shí)驗(yàn)已可以滿足要求。

美國(guó)NI公司研制的LabVIEW軟件，以“軟件就是儀器”為宗旨，主要應(yīng)用于儀器控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示等領(lǐng)域，適用于多種不同的操作系統(tǒng)平臺(tái)。與傳統(tǒng)程序語(yǔ)言不同，LabView采用強(qiáng)大的圖形化語(yǔ)言編程，面向測(cè)試工程師而非專業(yè)程序員，編程非常方便，人機(jī)交互界面直觀友好，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)可視化分析和儀器控制能力等優(yōu)點(diǎn)。

在工業(yè)測(cè)量中，利用聲音信號(hào)進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)的關(guān)鍵在于回波信號(hào)實(shí)時(shí)不失真的采集及處理。在一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)，當(dāng)采集到的聲音信號(hào)是發(fā)射脈沖在目標(biāo)點(diǎn)上反射的回波信號(hào)時(shí)，才能用來(lái)進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)。因此，發(fā)射脈沖觸發(fā)和數(shù)據(jù)采集必須保持準(zhǔn)確的同步配合，才能達(dá)到這一測(cè)量目的。

數(shù)據(jù)采集卡在工業(yè)應(yīng)用十分廣泛，它包含完善的輸入輸出端口及計(jì)算機(jī)接口電路，如果通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡的輸出端口發(fā)射編碼脈沖，輸入端口接收回波信號(hào)，則可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輸入輸出的高度同步，數(shù)據(jù)采集性能優(yōu)秀，但是，功能和價(jià)格一定是成比的，市面上一塊普通數(shù)據(jù)采集卡標(biāo)價(jià)都在5000元以上，價(jià)格十分昂貴。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)于上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種基于LabVIEW和聲卡的同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及采集方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中數(shù)據(jù)采集裝置價(jià)格昂貴，通用性差等問(wèn)題。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的一種基于LabVIEW和聲卡的同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，包括：LabVIEW上層控制器、聲卡、喇叭、聲音傳感器；該聲卡分別與LabVIEW上層控制器、喇叭、聲音傳感器連接；LabVIEW上層控制器產(chǎn)生編碼信號(hào)，控制聲卡的數(shù)模轉(zhuǎn)換器將數(shù)據(jù)以聲波的形式發(fā)射出去，喇叭增大上述聲波信號(hào)幅度；聲音傳感器接收回波聲音信號(hào)并將其幅度衰減到一定值，LabVIEW上層控制器控制聲卡的模數(shù)轉(zhuǎn)換器讀取回波數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)處理后進(jìn)行顯示。

優(yōu)選地，所述的LabVIEW上層控制器包括：前面板界面的設(shè)計(jì)以及后面板程序框圖的編寫；其中，前面板顯示系統(tǒng)采樣率、采樣方式、聲音格式、信號(hào)幅度、頻率，以及發(fā)射編碼波形圖、采集回波波形圖，同時(shí)添加了數(shù)據(jù)保存和停止采集按鈕，靈活控制數(shù)據(jù)采集的時(shí)間及數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)；后面板程序框圖的編寫實(shí)現(xiàn)聲音觸發(fā)與聲音采集的高度同步控制，數(shù)據(jù)采集各項(xiàng)參數(shù)的初始化配置，發(fā)射波形的編碼設(shè)計(jì)，回波波形的實(shí)時(shí)處理及存儲(chǔ)。

優(yōu)選地，采用帶有循環(huán)前綴的ZC序列作為編碼信號(hào)，在聲卡接收端對(duì)采集到的回波進(jìn)行相應(yīng)的匹配濾波和信道估計(jì)，可壓制回波信號(hào)的噪聲旁瓣，系統(tǒng)信噪比得到提高，保證系統(tǒng)的檢測(cè)性能。

一種基于LabVIEW和聲卡的同步數(shù)據(jù)采集方法，包括步驟如下：

配置LabVIEW上層控制器中的信號(hào)頻率、周期、采樣率及采樣時(shí)間參數(shù)；

實(shí)時(shí)運(yùn)行matlab腳本函數(shù)模塊；

配置完畢后，LabVIEW上層控制器觸發(fā)聲卡發(fā)射信號(hào)，同時(shí)聲卡接收端進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并將處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示及存儲(chǔ)。

本發(fā)明的有益效果：

1.LabVIEW上層控制器控制并實(shí)現(xiàn)發(fā)射編碼信號(hào)觸發(fā)和反射回波信號(hào)采集同步配合，保證了所采集的數(shù)據(jù)的有效性和準(zhǔn)確性。

2.發(fā)射信號(hào)采用帶有循環(huán)前綴的Zadoff_Chu序列編碼調(diào)制信號(hào)，該信號(hào)良好的自相關(guān)特性可有效的對(duì)抗反射信道中的多徑效應(yīng)，經(jīng)處理后可將雜波噪聲抑制到最小，有效提高系統(tǒng)檢測(cè)性能。

3.本發(fā)明可代替昂貴的數(shù)據(jù)采集卡，測(cè)試所需設(shè)備簡(jiǎn)單，極大的降低了成本，同時(shí)界面操作靈活，通用性強(qiáng)，測(cè)量精度較高，在工業(yè)自動(dòng)化和測(cè)試及測(cè)量領(lǐng)域上有著廣泛的應(yīng)用前景。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理框圖；

圖2為調(diào)制后的發(fā)射編碼波形；

圖3為L(zhǎng)abVIEW上層控制器的前面板系統(tǒng)圖形界面；

圖4為未處理的回波波形；

圖5為實(shí)時(shí)處理后的回波波形。

具體實(shí)施方式

為了便于本領(lǐng)域技術(shù)人員的理解，下面結(jié)合實(shí)施例與附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明，實(shí)施方式提及的內(nèi)容并非對(duì)本發(fā)明的限定。

參照?qǐng)D1所示，本發(fā)明的一種基于LabVIEW和聲卡的同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，包括：LabVIEW上層控制器、聲卡(采用PC機(jī)聲卡)、喇叭、聲音傳感器；該聲卡分別與LabVIEW上層控制器、喇叭、聲音傳感器連接；LabVIEW上層控制器產(chǎn)生編碼信號(hào)，控制聲卡的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(D/A)將數(shù)據(jù)以聲波的形式發(fā)射出去，喇叭增大上述聲波信號(hào)幅度；聲音傳感器接收回波聲音信號(hào)并將其幅度衰減到一定值，LabVIEW上層控制器控制聲卡的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)讀取回波數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)處理后進(jìn)行顯示。

其中，所述的LabVIEW上層控制器包括：前面板界面的設(shè)計(jì)以及后面板程序框圖的編寫；其中，前面板顯示系統(tǒng)采樣率、采樣方式、聲音格式、信號(hào)幅度、頻率，以及發(fā)射編碼波形圖、采集回波波形圖，同時(shí)添加了數(shù)據(jù)保存和停止采集按鈕，靈活控制數(shù)據(jù)采集的時(shí)間及數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)；后面板程序框圖的編寫實(shí)現(xiàn)聲音觸發(fā)與聲音采集的高度同步控制，數(shù)據(jù)采集各項(xiàng)參數(shù)的初始化配置，發(fā)射波形的編碼設(shè)計(jì)，回波波形的實(shí)時(shí)處理及存儲(chǔ)。

其中，采用帶有循環(huán)前綴的ZC(Zadoff_Chu)序列作為編碼信號(hào)，Zadoff-Chu由基礎(chǔ)序列經(jīng)過(guò)循環(huán)移位產(chǎn)生，具有恒幅特性、理想的循環(huán)自相關(guān)和良好的互相關(guān)特性，這種性能可以被用來(lái)產(chǎn)生同步信號(hào)，作為對(duì)時(shí)間和頻率的相關(guān)運(yùn)送。在聲卡接收端對(duì)采集到的回波進(jìn)行相應(yīng)的匹配濾波和信道估計(jì)，可壓制回波信號(hào)的噪聲旁瓣，系統(tǒng)信噪比得到大幅度提高，系統(tǒng)的檢測(cè)性能得以保證。

本發(fā)明的同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有如下技術(shù)：

1.編碼發(fā)射信號(hào)的波形設(shè)計(jì)：聲音檢測(cè)的關(guān)鍵問(wèn)題是檢測(cè)出不同反射點(diǎn)疊加之后的回波信號(hào)，聲音檢測(cè)中的回波信號(hào)和無(wú)線通信中多徑信號(hào)產(chǎn)生的原理是一致的，都是不同反射信號(hào)疊加后的信號(hào)，為了克服這種多徑效應(yīng)，采用帶有循環(huán)前綴的Zadoff_Chu序列作為編碼信號(hào)，Zadoff-Chu序列具有恒幅特性、理想的循環(huán)自相關(guān)和良好的互相關(guān)特性，在接收端進(jìn)行相應(yīng)的匹配濾波和信道估計(jì)，可將回波信號(hào)的噪聲旁瓣壓制到最小，檢測(cè)性能得到提高，參照?qǐng)D2所示。

2.發(fā)射與接收的同步配合：利用聲音信號(hào)進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)的關(guān)鍵在于回波信號(hào)實(shí)時(shí)不失真的采集及處理。在一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)，當(dāng)采集到的聲音信號(hào)是發(fā)射脈沖在目標(biāo)點(diǎn)上反射的回波信號(hào)時(shí)，才能用來(lái)進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)；因此，發(fā)射脈沖觸發(fā)和數(shù)據(jù)采集必須保持準(zhǔn)確的同步配合，才能達(dá)到這一測(cè)量目的。為達(dá)到這一要求，LabVIEW上層控制器的信號(hào)輸出端“配置聲音輸出”和“寫入聲音輸出”這兩個(gè)函數(shù)模塊完成后，LabVIEW上層控制器的信號(hào)輸入端立即執(zhí)行“配置聲音輸入”和“寫入聲音輸入”函數(shù)，即本系統(tǒng)中的同步控制表現(xiàn)在：在編碼信號(hào)數(shù)據(jù)被寫入D/A緩沖區(qū)并輸出至喇叭的同時(shí)，開(kāi)始采集信號(hào)至A/D緩沖區(qū)。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集的信號(hào)觸發(fā)與編碼信號(hào)發(fā)射在時(shí)序上準(zhǔn)確同步，采集的聲音信號(hào)是編碼發(fā)射信號(hào)在目標(biāo)點(diǎn)上反射的聲信號(hào)。

3.數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)處理及存儲(chǔ)：由于采集到的回波夾雜著噪聲信號(hào)，因此在接收端調(diào)用matlab腳本函數(shù)對(duì)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配濾波及頻域均衡處理，以提高系統(tǒng)檢測(cè)信噪比，LabVIEW上層控制器的前面板上顯示出峰值明顯的回波信號(hào)；同時(shí)，設(shè)計(jì)信號(hào)存儲(chǔ)子VI實(shí)現(xiàn)回波信號(hào)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。

本發(fā)明的基于LabVIEW和聲卡的同步數(shù)據(jù)采集方法，于實(shí)施例中，

在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集前，需要在LabVIEW上層控制器中配置系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)，例如發(fā)射信號(hào)的頻率、周期、系統(tǒng)采樣率、采樣方式、數(shù)據(jù)采集開(kāi)始的時(shí)間及持續(xù)時(shí)間、存儲(chǔ)路徑等，同時(shí)，也要打開(kāi)matlab軟件，保證控制器中matlab腳本函數(shù)的實(shí)時(shí)調(diào)用和運(yùn)行。

系統(tǒng)采樣率Fs設(shè)定為10KHz，采樣模式為單通道16位有限采樣，編碼信號(hào)頻率f為1000Hz，設(shè)定信號(hào)的發(fā)射周期為1s，即每隔1s信號(hào)觸發(fā)一次，發(fā)射信號(hào)觸發(fā)的同時(shí)接收端開(kāi)始采集回波數(shù)據(jù)。附圖3中的輸入波形是將喇叭正對(duì)著聲音傳感器且二者緊挨著時(shí)采集到的回波數(shù)據(jù)，此時(shí)發(fā)射波形未經(jīng)過(guò)任何反射點(diǎn)直接被接收端采集，回波峰值顯示在t0＝0.01s左右，理論來(lái)說(shuō)t0原本應(yīng)出現(xiàn)在0點(diǎn)附近，但由于PC機(jī)聲卡靈敏度有限，因此導(dǎo)致了10ms的延時(shí)誤差，但不影響測(cè)量數(shù)據(jù)的計(jì)算。每次將測(cè)量得到的回波峰值橫坐標(biāo)時(shí)間減去t0即為發(fā)射信號(hào)傳播到目標(biāo)點(diǎn)所經(jīng)歷的時(shí)間t。

將一定距離外的墻壁作為待探測(cè)的目標(biāo)點(diǎn)，測(cè)試其距離參數(shù)。將喇叭對(duì)著一面墻，聲音傳感器和喇叭放置在同一水平線上，二者距離反射墻面s0＝4.5米，此時(shí)接收端采集到的反射聲音信號(hào)如圖4、圖5所示，其中圖4為未處理的回波波形，噪聲較大，不能準(zhǔn)確判斷回波峰值點(diǎn)的位置；圖5為經(jīng)過(guò)匹配濾波和信號(hào)估計(jì)處理之后的回波波形，回波波形非常清晰，由此可得傳播時(shí)間t＝0.035s，聲音在空氣中傳播c＝340m/s,因此可計(jì)算出反射目標(biāo)點(diǎn)位置:

s＝c×Δt＝340×1/2×(0.035-0.01)＝4.25m

系統(tǒng)測(cè)量精度:

Δs＝sO/s＝94％

從上述得到本發(fā)明的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測(cè)量誤差較小，測(cè)量精度較高。

本發(fā)明具體應(yīng)用途徑很多，以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以作出若干改進(jìn)，這些改進(jìn)也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。