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        基于聲卡的雙通道實時信號采集處理系統(tǒng)設(shè)計

        2013-09-19 10:29:34韓紅幫解永剛張恒云楊亞彪李海雁
        電子設(shè)計工程 2013年2期
        關(guān)鍵詞:聲卡雙路采集卡

        韓紅幫,解永剛,張恒云,楊亞彪,李海雁

        (1.昆明學(xué)院 現(xiàn)代教育技術(shù)中心,云南 昆明 650214;2.昆明學(xué)院 資產(chǎn)管理與設(shè)備處,云南 昆明 650214;3.昆明學(xué)院 化學(xué)科學(xué)與技術(shù)系,云南 昆明 650214)

        在高校教學(xué)和科研實踐工作中,常常需要對一些信號進(jìn)行采集分析處理,但由于經(jīng)費不足等原因許多實驗室無相應(yīng)儀器設(shè)備,或者存在設(shè)備數(shù)量較少,功能單一等問題,不能很好地滿足教學(xué)實驗和科研實踐要求。要實現(xiàn)信號采集,就需要數(shù)據(jù)采集卡的支持,而市場上數(shù)據(jù)采集卡價格比較昂貴,不可能在實驗室中普遍配置使用。

        目前聲卡已成為多媒體計算機(jī)的一個標(biāo)準(zhǔn)配置,它是一個非常優(yōu)秀的音頻信號采集系統(tǒng),其最高采樣率可達(dá)192 kHz,量化精度可選擇8比特、16比特和24比特,支持雙通道模式,能夠無失真采集25 kHz以下信號。在采樣頻率要求不高的情況下,可以利用計算機(jī)聲卡作為數(shù)據(jù)采集卡,利用計算機(jī)CPU作為信號處理器,通過軟件編程實現(xiàn)常規(guī)信號實時采集分析處理[1]。

        本文設(shè)計的系統(tǒng)不僅能滿足教學(xué)工作和科研實踐要求,還能根據(jù)不同應(yīng)用需求靈活方便的添加信號處理軟件模塊,實現(xiàn)采集信號的實時處理。

        1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

        聲卡一般有Mic In和Line In兩個輸入插孔,待采集信號可以通過這兩個插孔輸入到聲卡。兩個插口的區(qū)別是:1)MicIn接口有前置放大器,容易引入噪聲且會導(dǎo)致信號過負(fù)荷,而LineIn接口噪聲干擾小且動態(tài)特性良好;2)MicIn接口有4 kHz的前置低通濾波器,僅適合話筒信號輸入,而Line In接口前置低通濾波器帶寬范圍為25 kHz,實用信號范圍更廣。聲卡用作數(shù)據(jù)采集卡時一般選擇Line in口為信號輸入接口[2-3]。在本文系統(tǒng)中待采集信號分別以左右聲道方式同時從Line in口輸入。

        2 系統(tǒng)軟件編程技術(shù)

        聲卡作為數(shù)字采集卡使用,首先必須對其編程控制并連續(xù)不斷的獲取AD采樣數(shù)據(jù)。其軟件編程接口有幾種可供選擇,首先,聲卡是一種多媒體設(shè)備,可以用MCI(Media Control Interface)命令來控制聲卡,MCI提供了一組與設(shè)備無關(guān)的控制命令,是一種訪問多媒體設(shè)備的高層次方法。但是該方法不夠靈活,無法在錄音的過程中訪問內(nèi)存中的采樣數(shù)據(jù),只有在錄音完成后通過訪問錄音文件才可以得到采樣數(shù)據(jù),另外,聲卡在采樣過程中存取文件需要耗費時間,有可能造成采樣數(shù)據(jù)的斷續(xù),顯然該方法不能滿足信號實時采集的要求。其次,Windows低級波形音頻函數(shù)提供了對聲卡最大靈活性的操作,它允許在采樣過程中實時訪問內(nèi)存中每個采樣數(shù)據(jù),能很好地滿足實時采集處理要求[4]。

        2.1 雙路信號實時采集實現(xiàn)原理

        實現(xiàn)聲卡采集數(shù)據(jù)的實時性、連續(xù)性和可靠性是軟件設(shè)計的關(guān)鍵問題。本文軟件系統(tǒng)中,通過直接調(diào)用Windows最底層波形音頻接口函數(shù),實現(xiàn)聲卡的編程控制,系統(tǒng)中采用了多線程多緩沖技術(shù),即聲卡采集與數(shù)據(jù)處理使用不同的工作線程,同時給聲卡提供多個用于承載采集數(shù)據(jù)的緩沖區(qū),在同一時刻部分緩沖區(qū)供聲卡采集線程裝載數(shù)據(jù)的同時,另外已經(jīng)裝滿數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)供數(shù)據(jù)處理線程處理,從而使得信號采集和數(shù)據(jù)處理工作同時進(jìn)行,有效保證了采集數(shù)據(jù)的連續(xù)性和信號處理的實時性[5-6],其原理框圖如圖1所示。

        圖1 聲卡實時采集原理框圖Fig.1 Schematic diagram of sound card real-time collecting

        2.2 聲卡軟件編程

        Windows以動態(tài)鏈接庫Mmsystem.dll的形式提供低級波形音頻函數(shù),用以控制聲卡實現(xiàn)信號的正確采集,在軟件編程中采用面向?qū)ο蟮乃枷?,將聲卡實時采集功能封裝成專門的類CSoundIn,以下從代碼的角度給出聲卡采集模塊的軟件實現(xiàn)過程[7]。

        1)設(shè)置聲卡基本參數(shù)。先定義WAVEFORMATEX結(jié)構(gòu)變量m_Format,設(shè)置聲卡采樣數(shù)據(jù)格式、采樣率、采樣位數(shù)、通道數(shù)以及緩沖大小。具體代碼為:

        緩沖區(qū)設(shè)置不能太大也不能太小,太大時信號采集的實時性受到影響,太小時采集的信號有可能來不及處理就被覆蓋了,從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)不連續(xù),起不到緩沖的作用。

        2)打開聲卡設(shè)備,添加數(shù)據(jù)緩沖區(qū),開始數(shù)據(jù)采集,主要代碼如下:

        其中 waveInOpen(&m_hRecord,WAVE_MAPPER,&m_Format,(DWORD)waveInProc, (DWORD)this, CALLBACK_FUNCTION)函數(shù)打開聲卡采集線程;AddInputBufferToQueue()函數(shù)通過調(diào) 用 waveInPrepareHeader (m_hRecord,m_pHdr[i], sizeof(WAVEHDR))和 waveInAddBuffer (m_hRecord, m_pHdr[i],sizeof(WAVEHDR))函數(shù)給聲卡添加多個供存儲數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)。

        3)通過回調(diào)函數(shù)實時獲取采集數(shù)據(jù)。從上一步的waveIn Open()函數(shù)具體參數(shù)可知,采用了回調(diào)函數(shù)的方式實時獲取聲卡采樣數(shù)據(jù),當(dāng)聲卡緩沖隊列中有裝滿數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)時,操作系統(tǒng)會自動調(diào)用回調(diào)函數(shù)waveInProc()將裝滿數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)及時回調(diào)供用戶線程實時分析處理,同時將提取數(shù)據(jù)后的空緩沖區(qū)重新加入到采集緩沖隊列中,繼續(xù)循環(huán)使用。具體代碼為:

        4)當(dāng)采集結(jié)束的時候,關(guān)閉聲卡,釋放緩沖隊列,正常退出聲卡采集模塊的工作。

        3 系統(tǒng)實際應(yīng)用

        如圖2所示為本文設(shè)計的軟件系統(tǒng)對數(shù)字移動無線電(DMR)集群通信系統(tǒng)C4FM調(diào)制方式信號進(jìn)行雙通道實時采集處理的運(yùn)行情況。該系統(tǒng)實現(xiàn)了雙路C4FM信號的實時采集,并對采集信號的波形和頻譜進(jìn)行了實時顯示,如圖所示系統(tǒng)提供了最多4個顯示終端8個顯示通道(每個界面中可以以不同的顏色同時顯示兩種數(shù)據(jù)信息),其中顯示終端數(shù)目和每個顯示終端要顯示的數(shù)據(jù)信息用戶根據(jù)需要自由配置。系統(tǒng)對左右聲道采集和處理所得數(shù)據(jù)量,信號強(qiáng)度等進(jìn)行實時顯示。信號處理模塊實現(xiàn)了C4FM信號的實時解調(diào)以及對其承載信息的實時還原。同時,對采集到的樣點數(shù)據(jù)和處理結(jié)果,可以通過軟件左下角的“系統(tǒng)設(shè)置”按鈕切換到“系統(tǒng)設(shè)置”屬性頁進(jìn)行設(shè)置,系統(tǒng)給出了對其實時存儲和網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的接口,方便獲取信號采集數(shù)據(jù),以更好的滿足教學(xué)實驗和科研實踐需求。

        圖2 系統(tǒng)對雙路DMR系統(tǒng)之C4FM信號實時采集處理Fig.2 Real-time collecting and disposal of C4FM signals from doublechannel DMR system

        如圖3所示為系統(tǒng)對雙路4FSK信號進(jìn)行實時采集處理的運(yùn)行情況。在該應(yīng)用中,系統(tǒng)實現(xiàn)了4FSK信號的實時采集、解調(diào)等處理。

        圖3 系統(tǒng)對雙路4FSK調(diào)制信號實時采集處理Fig.3 Real-time collecting and disposal of double-channel 4FSK modulating signals

        在該系統(tǒng)平臺基礎(chǔ)上,緊密結(jié)合軟件編程技術(shù),實現(xiàn)了多種信號的采集處理,現(xiàn)已完成了多個教學(xué)實驗,取得了很好的效果。

        4 結(jié)束語

        采用聲卡代替商用數(shù)據(jù)采集卡,利用Visual C++軟件編程技術(shù),設(shè)計了基于聲卡的雙通道實時信號采集處理系統(tǒng),實現(xiàn)了25 kHz范圍內(nèi)雙路信號實時采集分析以及采集數(shù)據(jù)的文件存儲和網(wǎng)絡(luò)發(fā)送等功能。充分體現(xiàn)了聲卡作為數(shù)據(jù)采集卡具有價格低廉、系統(tǒng)靈活的優(yōu)越性,其性能穩(wěn)定,界面友好,接口方便,有效地解決了實驗室采集設(shè)備不足、專用數(shù)據(jù)采集卡價格昂貴等問題,具有廣泛的推廣應(yīng)用價值。

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