一种基于LabVIEW和声卡的同步数据采集系统及采集方法与流程

本发明属于工业自动化和测试及测量的技术领域，具体指代一种基于LabVIEW和PC机声卡的同步数据采集系统及采集方法。

背景技术：

目前，DSP技术已经非常成熟，PC机声卡就是一个优秀的数据采集系统，其内部集成有A/D转换、D/A转换、采样保持等电路，可以对音频信号实现双通道16位数据采集，量化精度达到2¹⁶＝65536，最大采样率可达到44.1KHz，因此声卡可以看作是一块工作于音频范围(20Hz到20KHz)双通道16位数据采集卡。这对于很多的工程测量和科研实验已可以满足要求。

美国NI公司研制的LabVIEW软件，以“软件就是仪器”为宗旨，主要应用于仪器控制、数据采集、数据分析、数据显示等领域，适用于多种不同的操作系统平台。与传统程序语言不同，LabView采用强大的图形化语言编程，面向测试工程师而非专业程序员，编程非常方便，人机交互界面直观友好，具有强大的数据可视化分析和仪器控制能力等优点。

在工业测量中，利用声音信号进行目标探测的关键在于回波信号实时不失真的采集及处理。在一个信号周期内，当采集到的声音信号是发射脉冲在目标点上反射的回波信号时，才能用来进行目标探测。因此，发射脉冲触发和数据采集必须保持准确的同步配合，才能达到这一测量目的。

数据采集卡在工业应用十分广泛，它包含完善的输入输出端口及计算机接口电路，如果通过数据采集卡的输出端口发射编码脉冲，输入端口接收回波信号，则可以实现系统输入输出的高度同步，数据采集性能优秀，但是，功能和价格一定是成比的，市面上一块普通数据采集卡标价都在5000元以上，价格十分昂贵。

技术实现要素：

针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于LabVIEW和声卡的同步数据采集系统及采集方法，以解决现有技术中数据采集装置价格昂贵，通用性差等问题。

为达到上述目的，本发明的一种基于LabVIEW和声卡的同步数据采集系统，包括：LabVIEW上层控制器、声卡、喇叭、声音传感器；该声卡分别与LabVIEW上层控制器、喇叭、声音传感器连接；LabVIEW上层控制器产生编码信号，控制声卡的数模转换器将数据以声波的形式发射出去，喇叭增大上述声波信号幅度；声音传感器接收回波声音信号并将其幅度衰减到一定值，LabVIEW上层控制器控制声卡的模数转换器读取回波数据并实时处理后进行显示。

优选地，所述的LabVIEW上层控制器包括：前面板界面的设计以及后面板程序框图的编写；其中，前面板显示系统采样率、采样方式、声音格式、信号幅度、频率，以及发射编码波形图、采集回波波形图，同时添加了数据保存和停止采集按钮，灵活控制数据采集的时间及数据的实时存储；后面板程序框图的编写实现声音触发与声音采集的高度同步控制，数据采集各项参数的初始化配置，发射波形的编码设计，回波波形的实时处理及存储。

优选地，采用带有循环前缀的ZC序列作为编码信号，在声卡接收端对采集到的回波进行相应的匹配滤波和信道估计，可压制回波信号的噪声旁瓣，系统信噪比得到提高，保证系统的检测性能。

一种基于LabVIEW和声卡的同步数据采集方法，包括步骤如下：

配置LabVIEW上层控制器中的信号频率、周期、采样率及采样时间参数；

实时运行matlab脚本函数模块；

配置完毕后，LabVIEW上层控制器触发声卡发射信号，同时声卡接收端进行数据采集，并将处理后的数据进行实时显示及存储。

本发明的有益效果：

1.LabVIEW上层控制器控制并实现发射编码信号触发和反射回波信号采集同步配合，保证了所采集的数据的有效性和准确性。

2.发射信号采用带有循环前缀的Zadoff_Chu序列编码调制信号，该信号良好的自相关特性可有效的对抗反射信道中的多径效应，经处理后可将杂波噪声抑制到最小，有效提高系统检测性能。

3.本发明可代替昂贵的数据采集卡，测试所需设备简单，极大的降低了成本，同时界面操作灵活，通用性强，测量精度较高，在工业自动化和测试及测量领域上有着广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明同步数据采集系统的结构原理框图；

图2为调制后的发射编码波形；

图3为LabVIEW上层控制器的前面板系统图形界面；

图4为未处理的回波波形；

图5为实时处理后的回波波形。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。

参照图1所示，本发明的一种基于LabVIEW和声卡的同步数据采集系统，包括：LabVIEW上层控制器、声卡(采用PC机声卡)、喇叭、声音传感器；该声卡分别与LabVIEW上层控制器、喇叭、声音传感器连接；LabVIEW上层控制器产生编码信号，控制声卡的数模转换器(D/A)将数据以声波的形式发射出去，喇叭增大上述声波信号幅度；声音传感器接收回波声音信号并将其幅度衰减到一定值，LabVIEW上层控制器控制声卡的模数转换器(A/D)读取回波数据并实时处理后进行显示。

其中，所述的LabVIEW上层控制器包括：前面板界面的设计以及后面板程序框图的编写；其中，前面板显示系统采样率、采样方式、声音格式、信号幅度、频率，以及发射编码波形图、采集回波波形图，同时添加了数据保存和停止采集按钮，灵活控制数据采集的时间及数据的实时存储；后面板程序框图的编写实现声音触发与声音采集的高度同步控制，数据采集各项参数的初始化配置，发射波形的编码设计，回波波形的实时处理及存储。

其中，采用带有循环前缀的ZC(Zadoff_Chu)序列作为编码信号，Zadoff-Chu由基础序列经过循环移位产生，具有恒幅特性、理想的循环自相关和良好的互相关特性，这种性能可以被用来产生同步信号，作为对时间和频率的相关运送。在声卡接收端对采集到的回波进行相应的匹配滤波和信道估计，可压制回波信号的噪声旁瓣，系统信噪比得到大幅度提高，系统的检测性能得以保证。

本发明的同步数据采集系统具有如下技术：

1.编码发射信号的波形设计：声音检测的关键问题是检测出不同反射点叠加之后的回波信号，声音检测中的回波信号和无线通信中多径信号产生的原理是一致的，都是不同反射信号叠加后的信号，为了克服这种多径效应，采用带有循环前缀的Zadoff_Chu序列作为编码信号，Zadoff-Chu序列具有恒幅特性、理想的循环自相关和良好的互相关特性，在接收端进行相应的匹配滤波和信道估计，可将回波信号的噪声旁瓣压制到最小，检测性能得到提高，参照图2所示。

2.发射与接收的同步配合：利用声音信号进行目标探测的关键在于回波信号实时不失真的采集及处理。在一个信号周期内，当采集到的声音信号是发射脉冲在目标点上反射的回波信号时，才能用来进行目标探测；因此，发射脉冲触发和数据采集必须保持准确的同步配合，才能达到这一测量目的。为达到这一要求，LabVIEW上层控制器的信号输出端“配置声音输出”和“写入声音输出”这两个函数模块完成后，LabVIEW上层控制器的信号输入端立即执行“配置声音输入”和“写入声音输入”函数，即本系统中的同步控制表现在：在编码信号数据被写入D/A缓冲区并输出至喇叭的同时，开始采集信号至A/D缓冲区。本发明实现了数据采集的信号触发与编码信号发射在时序上准确同步，采集的声音信号是编码发射信号在目标点上反射的声信号。

3.数据采集的实时处理及存储：由于采集到的回波夹杂着噪声信号，因此在接收端调用matlab脚本函数对回波数据进行匹配滤波及频域均衡处理，以提高系统检测信噪比，LabVIEW上层控制器的前面板上显示出峰值明显的回波信号；同时，设计信号存储子VI实现回波信号的实时存储。

本发明的基于LabVIEW和声卡的同步数据采集方法，于实施例中，

在进行数据采集前，需要在LabVIEW上层控制器中配置系统的各项参数，例如发射信号的频率、周期、系统采样率、采样方式、数据采集开始的时间及持续时间、存储路径等，同时，也要打开matlab软件，保证控制器中matlab脚本函数的实时调用和运行。

系统采样率Fs设定为10KHz，采样模式为单通道16位有限采样，编码信号频率f为1000Hz，设定信号的发射周期为1s，即每隔1s信号触发一次，发射信号触发的同时接收端开始采集回波数据。附图3中的输入波形是将喇叭正对着声音传感器且二者紧挨着时采集到的回波数据，此时发射波形未经过任何反射点直接被接收端采集，回波峰值显示在t0＝0.01s左右，理论来说t0原本应出现在0点附近，但由于PC机声卡灵敏度有限，因此导致了10ms的延时误差，但不影响测量数据的计算。每次将测量得到的回波峰值横坐标时间减去t0即为发射信号传播到目标点所经历的时间t。

将一定距离外的墙壁作为待探测的目标点，测试其距离参数。将喇叭对着一面墙，声音传感器和喇叭放置在同一水平线上，二者距离反射墙面s0＝4.5米，此时接收端采集到的反射声音信号如图4、图5所示，其中图4为未处理的回波波形，噪声较大，不能准确判断回波峰值点的位置；图5为经过匹配滤波和信号估计处理之后的回波波形，回波波形非常清晰，由此可得传播时间t＝0.035s，声音在空气中传播c＝340m/s,因此可计算出反射目标点位置:

s＝c×Δt＝340×1/2×(0.035-0.01)＝4.25m

系统测量精度:

Δs＝sO/s＝94％

从上述得到本发明的数据采集系统测量误差较小，测量精度较高。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。