基于LabVIEW 的多通道数据采集系统设计方案

导读：基于麦克风阵列的时延估计声源定位方法是基于声音的相位信息的，所以保证声音的相位信息不失真，才能得到正确的声源定位结果。为了实时、准确、以较高的精度同步采集声源信号，进行后续声源定位研究。在此对LabVIEW驱动普通数据采集卡进行了研究，针对北京双诺公司生产的MP420数据采集卡，成功地实现了可供LabVIEW 直接调用的动态库的编制与调用，并结合LY-901LS拾音器开发出了一套性价比较高的数据采集系统。实验表明，该系统操作简单，使用户更精确、方便地完成对语音数据的采集。
　　0 引言
　　基于麦克风阵列的声源定位技术是指利用一组按一定几何结构摆放的多路麦克风拾取声音信号，通过对拾取的多路信号进行分析和处理，得到一个或多个声源的位置信息。近年来，基于麦克风阵列的声源定位技术快速发展，在多媒体系统，移动机器人，视频会议系统等方面有广泛的应用。
　　该系统是通过对声源信号的处理分析来完成定位功能。因此，采集外界语音数据成为麦克风阵列定位系统的关键环节。所谓数据采集就是将要获取的信息通过传感器转换为电信号，并通过信号调理、采样、量化、编码和传输等步骤，最后送到计算机系统中进行处理、分析、存储和显示[1],以进行后续的研究。
　　本文基于“硬件的软件化”思想[2],在对信号分析、虚拟仪器技术和数据采集卡的实用性进行理论分析的基础上，利用虚拟仪器专用语言LabVIEW开发环境，采用数据采集卡和LabVIEW的多通道技术实现信号的数据采集、信号分析和信号存储等多种功能[3].
　　1 数据采集系统硬件结构
　　图1所示为基于麦克风阵列声源定位的系统。
　　系统硬件结构如图2 所示。系统主要包括：麦克风，多路数据采集卡，PC 机。
　　麦克风采用LY-901LS拾音器，数据采集卡采用北京双诺测控技术有限公司推出的MP420.MP420 是一款USB 2.0 总线12 位的中速采集模块，具有16 路模拟输入、开关量16路输入/16路输出。采用USB 2.0总线，支持即插即用、实时采集。

　　2 数据采集系统程序框图设计
　　LabVIEW是NI推出的一种基于“图形”方式的集成化程序开发环境，是目前国际上首推并应用最广的数据采集和控制开发环境之一，主要应用于仪器控制、数据采集、数据分析、数据显示等领域，并适用于多种不同的操作系统平台[4].
　　本文在LabVIEW 环境下编写程序，驱动数据采集卡完成语音数据的采集、存储工作。在该系统中，硬件解决信号的输入和输出，软件可以方便地修改仪器系统的功能，以适应不同使用者的需要。其中硬件的核心是数据采集卡。
　　2.1 数据采集程序
　　基于双诺的MP420 采集卡及仪器开发软件Lab-
　　VIEW 开发出了一套性价比较高的数据采集系统。开发出的数据采集系统具有数据采集、数据读取、数据存储及波形显示等功能。由于LabVIEW 的信号分析处理功能相当强大，故可以随时根据需要添加一些其他的功能。图3 给出了MP420_AD.VI子程界面图。在软件运行前，用户先进行参数设置，包括起始/停止通道的选择、A/D的输入量程、采样模式、采样频率的设定并启A/D采样。

　　MP420 采用DAfifo（动态异步缓存）接口，容量为1 MB,具有空（EF）、半满（HF）、溢出（FF）、标志，标志为0时有效。采样数据不断地写入FIFO中，GPIF接口与PC的BULK READ指令自动保存FIFO中的数据不超过512 kB,当发生用户读入数据操作时，GPIF接口自动将FIFO中的所有数据传输到计算机中。如果用户没有及时读出数据，FIFO 将溢出，数据队列顺序会打乱（新进入的数据将冲掉最先写入的数据），因此用户必须在下次调用前将数据存储到另外的数组或硬盘中，以免下次调用覆盖了以前的数据。如图4 所示，采集卡利用MP420_Read.VI完成了数据的及时读取。

　　A/D 采集到的12 位转换数据data 范围为0~4 095,需要通过相应的电压转换公式转换为电压值，MP420的A/D输入有3档量程，分别为：

如图4 中，采集到的A/D 数据被抽取后，进入红色线圈内进行电压转换，最后保存为电压幅值。
　　2.2 数据存储
　　数据从DAfifo被读取出后，需要存储在另外的数组或硬盘中，本文将读取出的数据，以文本文件的形式保存，显示数据保存路径如图5所示。
　　3 系统前面板设计
　　LabVIEW 提供了非常丰富的图形界面来进行前面板的设计。其中，波形图表能非常清晰的显示采集到的波形。图6为采集系统的前面板设计。该界面形象、直观的展示了采集参数的设置，采集数据的波形显示，数据的保存路径。

　　4 实验平台的搭建
　　本次实验在普通的实验室采用2个线阵排列的LY-901LS 拾音器拾取声音，通过MP420 数据采集卡，将采集卡通过USB接口连接到PC机，以数字“5”的发音为信号，采用前面设计的采集程序，以16 kHz的采样率采集2 s声音信号，图7为整个实验平台的搭建。图8为0通道的数据。

　　5 结论
　　本文利用LabVIEW 的图形化编程环境，设计了一种基于LabVIEW 的多通道数据采集系统，其前面板设计更加直观地展现了采集的全部参数设置，比以往的Visaul C++,Visaul Basic 驱动外界采集卡操作更加简单，方便，易懂。实际的应用表明，该系统能稳定正确地采集数据。