基于上位機(jī)內(nèi)置式聲卡的多通道數(shù)據(jù)采集裝置及系統(tǒng)

馬 靜

(淮南聯(lián)合大學(xué)機(jī)電系，安徽淮南232001)

基于上位機(jī)內(nèi)置式聲卡的多通道數(shù)據(jù)采集裝置及系統(tǒng)

馬 靜*

(淮南聯(lián)合大學(xué)機(jī)電系，安徽淮南232001)

給出了一種基于聲卡的多通道數(shù)據(jù)采集裝置和系統(tǒng)。該裝置首先將輸入信號轉(zhuǎn)換成頻率信號，由聲卡采集頻率信號，然后將采集到的頻率信號用軟件還原成輸入信號，解決了聲卡不能采集低頻或直流信號的問題，同時(shí)利用一片單片機(jī)控制多路模擬開關(guān)，并由該單片機(jī)向聲卡發(fā)出多路識別信號實(shí)現(xiàn)了多路信號采集功能。

電壓頻率轉(zhuǎn)換;聲卡;虛擬儀器;多通道;數(shù)據(jù)采集

計(jì)算機(jī)多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在工業(yè)控制和測試儀器設(shè)備中是不可缺少的［1］。目前市場上有專門的數(shù)據(jù)采集卡［2］，這種卡應(yīng)用單一，價(jià)格較貴，與計(jì)算機(jī)兼容性差，安裝拆卸比較費(fèi)事。而今聲卡已成為各種計(jì)算機(jī)的基本配置，聲卡的采樣頻率可達(dá)48 000 Hz，24 bit的采樣精度，數(shù)據(jù)采集性能絲毫不比昂貴的專用采集卡遜色［3］。

利用聲卡直接進(jìn)行數(shù)據(jù)采集最早應(yīng)用在聲音和振動測試領(lǐng)域，它們所面對的信號都是交流信號［4］。一臺計(jì)算機(jī)通常配置一塊聲卡，而聲卡輸入口串有隔直電容，且其輸入電壓不能超過1伏，因此利用聲卡采集數(shù)據(jù)的最大障礙在于單塊聲卡采集多路信號并實(shí)現(xiàn)低頻或直流信號的采集［5］。現(xiàn)有的研究［6-8］提出了一些新的方案，主要是對采樣信號做倍頻處理，電路復(fù)雜且沒有做到多通道采集。鑒于此，我們設(shè)計(jì)制作了一套基于聲卡的多通道數(shù)據(jù)采集裝置及系統(tǒng)。

1 理論與技術(shù)方案

為克服聲卡數(shù)據(jù)采集的上述障礙，提出以下方法實(shí)現(xiàn)單塊聲卡采集多路低頻信號、直流信號及脈沖信號。

(a)將低頻或直流信號線性轉(zhuǎn)換為聲卡能精確采集的頻率信號從而解決聲卡不能采集低頻或直流信號的問題。

(b)利用多路信號循環(huán)掃描技術(shù)和同步識別技術(shù)實(shí)現(xiàn)由一塊聲卡采集多路信號。

(c)通過控制脈沖信號輸入選擇模塊選定任一通道或幾通道直接采集高頻脈沖信號。

為具體實(shí)現(xiàn)以上方法設(shè)計(jì)了以下技術(shù)方案。系統(tǒng)由硬件和軟件組成，硬件對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。硬件框圖如圖1所示，軟件流程如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)硬件組成方框圖

圖2 系統(tǒng)軟件流程圖

2 硬件設(shè)計(jì)

硬件如圖3所示，包括聲卡、多路模擬開關(guān)、信號轉(zhuǎn)換模塊、信號標(biāo)定模塊、單片機(jī)1、脈沖信號輸入選擇模塊、單片機(jī)2。

多路模擬開關(guān)由8個達(dá)林頓管組成，實(shí)現(xiàn)多路輸入信號的分時(shí)接入和切換;信號轉(zhuǎn)換模塊由LM331及其外圍電路組成，實(shí)現(xiàn)將低頻或直流信號轉(zhuǎn)換為聲卡能精確采集的頻率信號，該頻率信號接入聲卡線性輸入插孔0號聲道;信號標(biāo)定模塊由電位器構(gòu)成，可對輸入信號與頻率信號之間的換算關(guān)系進(jìn)行微調(diào)，以實(shí)現(xiàn)信號的標(biāo)定;單片機(jī)1實(shí)現(xiàn)多路輸入信號的循環(huán)選通，并在選通某路輸入信號時(shí)由其21管腳向聲卡線性輸入插孔1聲道發(fā)出某一固定頻率的協(xié)調(diào)信號，以實(shí)現(xiàn)采集信號通道的辨識;單片機(jī)2和單片機(jī)1以及聲卡所在的上位機(jī)建立通訊，通過上位機(jī)軟件可對單片機(jī)1循環(huán)選通多路信號的周期予以設(shè)定，同時(shí)通過上位機(jī)軟件和單片機(jī)2對脈沖信號輸入選擇模塊進(jìn)行控制以確定任一通道或幾通道作為高頻脈沖信號輸入。單片機(jī)2和單片機(jī)1以普通I/O口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊，單片機(jī)2和上位機(jī)通過USB口實(shí)現(xiàn)通訊，單片機(jī)2由上位機(jī)軟件設(shè)定可對單片機(jī)1循環(huán)選通多路信號的周期進(jìn)行修改，單片機(jī)2由上位機(jī)軟件設(shè)定還能對脈沖信號輸入選擇模塊進(jìn)行控制。

圖3 系統(tǒng)硬件原理圖

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件包括單片機(jī)軟件和上位機(jī)軟件。單片機(jī)1中程序?qū)崿F(xiàn)多路輸入信號的循環(huán)選通，在選通某路輸入信號的同時(shí)發(fā)出協(xié)調(diào)信號給上位機(jī)以識別信號通道;單片機(jī)2中程序?qū)崿F(xiàn)和單片機(jī)1及上位機(jī)的通訊以及對脈沖信號輸入選擇模塊進(jìn)行控制。

上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)對聲卡線性輸入插孔0聲道和1聲道的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理，處理過程包括，濾波、譜分析、頻率特征量的提取，并根據(jù)聲卡1聲道進(jìn)入的通道識別信號來分揀聲卡0聲道分時(shí)進(jìn)入的多路頻率信號，將分揀出來的多路頻率信號按信號轉(zhuǎn)換模塊的轉(zhuǎn)換公式進(jìn)行逆變換，還原成低頻或直流信號，對逆變公式的相關(guān)系數(shù)進(jìn)行微調(diào)也能實(shí)現(xiàn)信號的標(biāo)定，如果被采集信號為高頻脈沖信號則不必逆變換，上位機(jī)軟件還能通過USB口通訊實(shí)現(xiàn)對下位單片機(jī)的控制。

4 多通道數(shù)據(jù)采集效果及性價(jià)比分析

多路信號的循環(huán)采樣周期可以根據(jù)實(shí)際情況通過圖所示的微調(diào)旋鈕進(jìn)行微調(diào)。如果輸入信號是高頻脈沖信號，則需開啟如圖所示對應(yīng)通道的脈沖量輸入選擇開關(guān)，由計(jì)算機(jī)和單片機(jī)2之間的通訊，由單片機(jī)2來控制如圖1所示的脈沖信號輸入選擇模塊以決定對應(yīng)通道不做頻率轉(zhuǎn)換處理。

系統(tǒng)實(shí)物圖如圖4所示，圖5所示為軟件界面和8通道直流信號的采集效果，對應(yīng)通道號，原始輸入信號分別為5 V、6 V、7 V、9 V、2 V、1 V、3 V和9 V的直流電壓信號。現(xiàn)場采集實(shí)時(shí)性很好且由圖5可以看出系統(tǒng)的采集精度很高。

圖4 系統(tǒng)實(shí)物圖

圖5 軟件界面和采集效果

本裝置及系統(tǒng)有較高的性價(jià)比，上述8通道數(shù)據(jù)采集實(shí)現(xiàn)硬件成本不超過80元，而現(xiàn)有品牌數(shù)據(jù)采集卡動輒上千元。若同時(shí)利用聲卡的音頻輸出插孔輸出頻率信號，采用轉(zhuǎn)換電路線性轉(zhuǎn)換成輸出電壓，則可實(shí)現(xiàn)控制功能，其性價(jià)比將進(jìn)一步提高。

5 結(jié)束語

本裝置及系統(tǒng)利用聲卡優(yōu)越的數(shù)據(jù)采集性能確保采集數(shù)據(jù)的高精度。采用單片機(jī)電路實(shí)現(xiàn)了可擴(kuò)展的多路數(shù)據(jù)采集功能，同時(shí)解決了低頻和直流信號的采集問題。基于虛擬儀器技術(shù)開發(fā)了數(shù)據(jù)處理軟件，并可對采集數(shù)據(jù)的處理進(jìn)行二次開發(fā)，還可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)化測控。本裝置及系統(tǒng)成本低廉，性價(jià)比高，有廣闊的應(yīng)用前景。

［1］ 馬明建，周長城.數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)［M］.西安:西安交通大學(xué)出版社，1997:6-54.

［2］ 馮雪.數(shù)據(jù)采集卡性能指標(biāo)與應(yīng)用［J］.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2008 (5):10-11.

［3］ 周敬利，余勝生.多媒體計(jì)算機(jī)聲卡技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，1998:12-40.

［4］ 王穎等.基于計(jì)算機(jī)多媒體聲音資源的體感誘發(fā)電位刺激器的研制［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2008(2):126-129.

［5］ 徐云峰等.基于聲卡的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2006(4):46-47.

［6］ 任駒，鄭建邦，劉德峰.基于聲卡和MATLAB的太陽電池伏安特性自動測試系統(tǒng)［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2006(4):447-449.

［7］ 馬偉順，魏燕.基于LabVIEW和聲卡的心電信號采集及頻譜分析儀設(shè)計(jì)［J］.自動化與儀器儀表，2012(1):40-41.

［8］ 盧起斌，趙長青，李正祥.基于PCM2902E的DRM接收前端設(shè)計(jì)［J］.電子器件，2012(3):300-303.

馬 靜(1976- )，女，山東兗州人，碩士，淮南聯(lián)合大學(xué)講師，研究方向?yàn)闄C(jī)械電子工程及工業(yè)自動化，gfchen@ aust.edu.cn。

The Built-in SBC’s Multiple Channel Data Collection Device and System Based on the Upper Computer

MA Jing*
(Department of Mechanical and Electrical Engineering，Huainan Union University，Huainan Anhui 232001，China)

This thesis offers a kind of multiple channel data collection device and system based on the SBC.The device first converts input signals into frequency signals，and sound blaster audio card collects frequency signals and to the frequency signals collected is restored into input signals by software.By doing so，it resolves the problem which the SBC can’t collect low frequency signals or dc signals;meanwhile，a piece of MCU controls the AMUX，and this SBC sends poly identification signals to SBC，so the function of poly signals collection is achieved.

VFC;sound blaster audio card(SBC);virtual instrument;multiple channel;data collection

10.3969/j.issn.1005－9490.2014.02.045

TP274

A

1005－9490(2014)02－0378－03

2013-06-19修改日期:2013-07-03

EEACC:7250G;7210G