基于LabVIEW的多通道語音信號采集系統

摘 要： 基于麥克風陣列的時延估計聲源定位方法是基于聲音的相位信息的，所以保證聲音的相位信息不失真，才能得到正確的聲源定位結果。為了實時、準確、以較高的精度同步采集聲源信號，進行后續聲源定位研究。在此對LabVIEW驅動普通數據采集卡進行了研究，針對北京雙諾公司生產的MP420數據采集卡，成功地實現了可供LabVIEW 直接調用的動態庫的編制與調用，并結合LY?901LS拾音器開發出了一套性價比較高的數據采集系統。實驗表明，該系統操作簡單，使用戶更精確、方便地完成對語音數據的采集。

關鍵詞： LabVIEW； MP420； LY?901LS拾音器； 多路同步； 語音信號采集

中圖分類號： TN919?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）02?0114?03

0 引 言

基于麥克風陣列的聲源定位技術是指利用一組按一定幾何結構擺放的多路麥克風拾取聲音信號，通過對拾取的多路信號進行分析和處理，得到一個或多個聲源的位置信息。近年來，基于麥克風陣列的聲源定位技術快速發展，在多媒體系統，移動機器人，視頻會議系統等方面有廣泛的應用。

該系統是通過對聲源信號的處理分析來完成定位功能。因此，采集外界語音數據成為麥克風陣列定位系統的關鍵環節。所謂數據采集就是將要獲取的信息通過傳感器轉換為電信號，并通過信號調理、采樣、量化、編碼和傳輸等步驟，最后送到計算機系統中進行處理、分析、存儲和顯示[1]，以進行后續的研究。

本文基于“硬件的軟件化”思想[2]，在對信號分析、虛擬儀器技術和數據采集卡的實用性進行理論分析的基礎上，利用虛擬儀器專用語言LabVIEW開發環境，采用數據采集卡和LabVIEW的多通道技術實現信號的數據采集、信號分析和信號存儲等多種功能[3]。

1 數據采集系統硬件結構

圖1所示為基于麥克風陣列聲源定位的系統。

系統硬件結構如圖2 所示。系統主要包括：麥克風，多路數據采集卡，PC 機。

麥克風采用LY?901LS拾音器，數據采集卡采用北京雙諾測控技術有限公司推出的MP420。MP420是一款USB 2.0總線12位的中速采集模塊，具有16路模擬輸入、開關量16路輸入/16路輸出。采用USB 2.0總線，支持即插即用、實時采集。

2 數據采集系統程序框圖設計

LabVIEW是NI推出的一種基于“圖形”方式的集成化程序開發環境，是目前國際上首推并應用最廣的數據采集和控制開發環境之一，主要應用于儀器控制、數據采集、數據分析、數據顯示等領域，并適用于多種不同的操作系統平臺[4]。

本文在LabVIEW環境下編寫程序，驅動數據采集卡完成語音數據的采集、存儲工作。在該系統中，硬件解決信號的輸入和輸出，軟件可以方便地修改儀器系統的功能，以適應不同使用者的需要。其中硬件的核心是數據采集卡。

2.1 數據采集程序

基于雙諾的MP420采集卡及儀器開發軟件LabVIEW開發出了一套性價比較高的數據采集系統。開發出的數據采集系統具有數據采集、數據讀取、數據存儲及波形顯示等功能。由于LabVIEW 的信號分析處理功能相當強大，故可以隨時根據需要添加一些其他的功能。圖3 給出了MP420_AD.VI子程界面圖。在軟件運行前，用戶先進行參數設置，包括起始/停止通道的選擇、A/D的輸入量程、采樣模式、采樣頻率的設定并啟A/D采樣。

MP420采用DAfifo（動態異步緩存）接口，容量為1 MB，具有空（EF）、半滿（HF）、溢出（FF）、標志，標志為0時有效。采樣數據不斷地寫入FIFO中，GPIF接口與PC的BULK READ指令自動保存FIFO中的數據不超過512 kB，當發生用戶讀入數據操作時，GPIF接口自動將FIFO中的所有數據傳輸到計算機中。如果用戶沒有及時讀出數據，FIFO將溢出，數據隊列順序會打亂（新進入的數據將沖掉最先寫入的數據），因此用戶必須在下次調用前將數據存儲到另外的數組或硬盤中，以免下次調用覆蓋了以前的數據。如圖4所示，采集卡利用MP420_Read.VI完成了數據的及時讀取。

A/D采集到的12位轉換數據data范圍為0～4 095，需要通過相應的電壓轉換公式轉換為電壓值，MP420的A/D輸入有3檔量程，分別為：

（1） 單極性，0～5 V；

[電壓=data×5 000.04 095.0 mV]

（2） 單極性，0～10 V；

[電壓=data×1 000.04 095.0 mV]

（3） 雙極性，-5～+5 V；

[電壓=data-2 048×5 000.02 048.0 mV]

如圖4中，采集到的A/D數據被抽取后，進入紅色線圈內進行電壓轉換，最后保存為電壓幅值。

2.2 數據存儲

數據從DAfifo被讀取出后，需要存儲在另外的數組或硬盤中，本文將讀取出的數據，以文本文件的形式保存，顯示數據保存路徑如圖5所示。

3 系統前面板設計

LabVIEW 提供了非常豐富的圖形界面來進行前面板的設計。其中，波形圖表能非常清晰的顯示采集到的波形。圖6為采集系統的前面板設計。該界面形象、直觀的展示了采集參數的設置，采集數據的波形顯示，數據的保存路徑。

4 實驗平臺的搭建

本次實驗在普通的實驗室采用2個線陣排列的LY?901LS拾音器拾取聲音，通過MP420數據采集卡，將采集卡通過USB接口連接到PC機，以數字“5”的發音為信號，采用前面設計的采集程序，以16 kHz的采樣率采集2 s聲音信號，圖7為整個實驗平臺的搭建。 圖8為0通道的數據。

5 結 論

本文利用LabVIEW的圖形化編程環境，設計了一種基于LabVIEW的多通道數據采集系統，其前面板設計更加直觀地展現了采集的全部參數設置，比以往的Visaul C++，Visaul Basic驅動外界采集卡操作更加簡單，方便，易懂。實際的應用表明，該系統能穩定正確地采集數據。

參考文獻

[1] 李曉峰，張紅民，梅康平.基于LabVIEW 的多通道多參數虛擬儀器設計[J].計算機與數字工程，2008，36（3）：148?150.

[2] 吳建，裴峰，王珺楠，等.基于LabVIEW 的多通道數據采集系統設計[J].電子測試，2013（1）：52?54.

[3] 張振，李香飛，甘淑敏，等.基于LabVIEW的聲音信號采集分析系統開發[J].北方工業大學學報，2012，24（3）：42?45.

[4] 隋紅林，王華.LabVIEW下普通數據采集卡的驅動與調用[J].微計算機信息，2009，25（2）：1?3.

[5] 謝冰，陳昌鑫，鄭賓.基于LabVIEW的數據采集與信號處理系統設計[J].現代電子技術，2011，34（14）：173?175.

[6] 張旭，張春梅，王尚錦.虛擬儀器軟件LabVIEW和數據采集[J].微機發展，2004（3）：77?79.

[7] 曹瑞.計算機虛擬儀器環境LabVIEW下語音信號的采集[J].福建電腦，2010（3）：163?163.

[8] 吳成東.LabVIEW 虛擬儀器程序設計及應用[M].北京：人民郵電出版社，2008.

[9] 田曉華，彭楚武.基于LabVIEW 的聲源定位系統設計[J].微計算機信息，2010，26（34）：109?111.

[10] National Instruments. LabVIEW user manual [M]. Texas： National Instruments， 2003.