1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告</b></p><p><b>　　測(cè)控技術(shù)與儀器</b></p><p>　　基于LabVIEW的聲音識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p><b>　　1前言</b></p><p>　　LabVIEW是美國(guó)National Instr

2、uments（美國(guó)國(guó)家儀器公司，簡(jiǎn)稱NI公司）推出的一種通用虛擬儀器開發(fā)軟件，它包含豐富的功能函數(shù)庫和完備的總線設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。LabVIEW的一大特色是其基于圖形的編程方式，采用了數(shù)據(jù)流（data stream）而非傳統(tǒng)的文本方式的編程方法。這種編程方式強(qiáng)調(diào)信號(hào)處理的實(shí)際過程，有利于簡(jiǎn)化編程，縮短開發(fā)時(shí)間和降低開發(fā)難度。[1] [2]</p><p>　　LabVIEW廣泛應(yīng)用于包括自動(dòng)化、通信、半導(dǎo)體、電路設(shè)計(jì)

3、、航空和生產(chǎn)過程控制及生物醫(yī)學(xué)在內(nèi)的各種工業(yè)領(lǐng)域中，用來提高應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)效率。這些應(yīng)用涵蓋了產(chǎn)品的研發(fā)、測(cè)試、生產(chǎn)到后期服務(wù)的各個(gè)環(huán)節(jié)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中協(xié)調(diào)使用LabVIEW，共享軟件及信息資源，可以節(jié)約大量的時(shí)間和金錢[3]。LabVIEW的應(yīng)用大致可分為以下幾個(gè)主要方面：</p><p>　　應(yīng)用于生產(chǎn)檢測(cè)：LabVIEW已經(jīng)成為用于測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化開發(fā)工具。LabVIEW結(jié)合NI TestStand測(cè)

4、試執(zhí)行環(huán)境和該領(lǐng)域中最大的儀器驅(qū)動(dòng)程序庫，為整個(gè)系統(tǒng)建立穩(wěn)固完整的檢測(cè)管理平臺(tái)。</p><p>　　應(yīng)用于研究與分析：運(yùn)用LabVIEW，可在汽車、能源研究和其它眾多工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用系統(tǒng)中進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的分析和處理。對(duì)于圖像處理、時(shí)頻分析、小波和數(shù)字濾波的應(yīng)用系統(tǒng)，LabVIEW特別提供各種附加工具包以加速系統(tǒng)的開發(fā)。</p><p>　　應(yīng)用于過程控制和工廠自動(dòng)化：可利用LabVIEW來建

5、立過程控制和工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用系統(tǒng)。在LabVIEW平臺(tái)下，可以實(shí)現(xiàn)多通道的高速測(cè)量和控制。對(duì)于大型復(fù)雜的工業(yè)自動(dòng)化和控制系統(tǒng)，有專門的LabVIEW數(shù)據(jù)記錄和監(jiān)控模塊，用于監(jiān)控多通道I／O與工業(yè)控制器和網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，以及提供基于PC機(jī)的控制。</p><p>　　應(yīng)用于機(jī)器監(jiān)控：對(duì)于要求有實(shí)時(shí)控制、視覺和圖像分析或運(yùn)動(dòng)控制的機(jī)器監(jiān)視和預(yù)先維護(hù)的應(yīng)用系統(tǒng)，LabVIEW是理想的選擇。LabVIEW系列產(chǎn)品，包括用于可

6、靠、確定性控制的實(shí)時(shí)LabVIEW（LabVIEW RT）軟件，能夠快速、準(zhǔn)確的建立起功能強(qiáng)大的機(jī)器監(jiān)視和自動(dòng)控制應(yīng)用程序。</p><p>　　應(yīng)用于測(cè)控系統(tǒng)：LabVIEW有著強(qiáng)大的功能和廣闊的應(yīng)用前景，但就目前國(guó)內(nèi)的現(xiàn)狀來看，大多數(shù)的用戶還只僅僅利用它來進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理、分析和顯示，而忽略了LabVIEW強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集和控制功能，特別是基于PC機(jī)的實(shí)時(shí)控制，在國(guó)內(nèi)應(yīng)用較少。[4] [5] [6]</p&

7、gt;<p>　　聲音識(shí)別和處理是目前信息學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)，其任務(wù)是研究如何利用信號(hào)處理技術(shù)研究聲音信號(hào)，使未來的計(jì)算機(jī)“能聽會(huì)說”。聲音信號(hào)的處理是對(duì)聲音信號(hào)進(jìn)行分析，只有通過分析得到的參數(shù)才能做進(jìn)一步的研究。聲音分析涉及大量復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算，如果采用硬件方式實(shí)現(xiàn)，從價(jià)格和靈活性上都不可取。如果通過計(jì)算機(jī)軟硬件結(jié)合的方法采用主流的編程方式實(shí)現(xiàn)，則存在編程復(fù)雜，不易擴(kuò)展和界面不友好等問題。</p><

8、;p><b>　　2 系統(tǒng)構(gòu)成及設(shè)計(jì)</b></p><p>　　2.1 軟件部分與硬件部分</p><p>　　本設(shè)計(jì)的軟件部分由LabVIEW實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)采集硬件包括傳感器、信號(hào)調(diào)理儀器、信號(hào)記錄儀器。前兩者已有專門的廠商研發(fā)。計(jì)算機(jī)采集卡是信號(hào)記錄儀器中的重要組成部分,主要起A /D轉(zhuǎn)換功能。目前主流數(shù)據(jù)采集卡都包含了完整的數(shù)據(jù)采集功能. 但這些卡價(jià)格均比較

9、昂貴。相對(duì)而言，同樣具備A /D功能的聲卡技術(shù)已經(jīng)成熟，成為計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置，在大多數(shù)的計(jì)算機(jī)上甚至直接集成了聲卡功能，無需額外添加配件。[7] </p><p><b>　　2.2聲音數(shù)據(jù)部分</b></p><p>　　聲音信號(hào)一般被看作一種短時(shí)平穩(wěn)的隨機(jī)信號(hào)，主要是對(duì)他進(jìn)行時(shí)域、頻域和倒譜域上的信號(hào)分析。聲音信號(hào)的時(shí)域分析是對(duì)信號(hào)從統(tǒng)計(jì)的意義上進(jìn)行分析，得到短時(shí)

10、平均能量、過零率、自相關(guān)函數(shù)以及幅差函數(shù)等信號(hào)參數(shù)。根據(jù)聲音理論，氣流激勵(lì)聲道產(chǎn)生聲音，聲音信號(hào)是氣流與聲道的卷積，因此可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行同態(tài)分析，將信號(hào)轉(zhuǎn)換到倒譜域，從而把聲道和激勵(lì)氣流信息分離，獲得信號(hào)的倒譜參數(shù)。[8]</p><p>　　2.3 聲音識(shí)別主要算法</p><p>　　聲音識(shí)別系統(tǒng)常用的算法有ANN(神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))、DTW (動(dòng)態(tài)時(shí)間歸整匹配)、HMM(隱馬爾可夫)的識(shí)別和訓(xùn)

11、練算法。HMM 算法是目前最成功的一種聲音識(shí)別模型和算法。常用的特征矢量有LPCC(線性預(yù)測(cè)倒譜系數(shù)) 和MFCC(美爾頻標(biāo)倒譜系數(shù))。[9]</p><p>　　2.4 信號(hào)采集與處理</p><p>　　信號(hào)采集與處理系統(tǒng)主要應(yīng)用的是數(shù)據(jù)采集卡的A / D（模/ 數(shù)）轉(zhuǎn)換功能，通過數(shù)據(jù)采集卡將采集端采集到的模擬電信號(hào)利用高速模數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡板載緩存，最后利用計(jì)

12、算機(jī)中的程序不斷從緩存中提取數(shù)據(jù)， 存入計(jì)算機(jī)中，并進(jìn)行相關(guān)處理，提取有用數(shù)據(jù)進(jìn)行硬盤存儲(chǔ)。利用LabVIEW 語言編寫數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動(dòng)程序，對(duì)信號(hào)分析處理及存儲(chǔ)流程如圖1 所示。[10]</p><p>　　圖 1 信號(hào)采集與處理系統(tǒng)總流程圖</p><p>　　2.5 數(shù)據(jù)采集部分</p><p>　　首先從LabVIEW 軟件中聲音模塊選項(xiàng)卡中找到聲音文件打開

13、VI、聲音輸入配置VI、聲音輸入讀取VI、聲音輸人清除VI 和聲音文件關(guān)閉VI，再加上一個(gè)while 循環(huán)語句。其中while 循環(huán)語句的隧道可改為移位寄存器，而移位寄存器可用于將上一次循環(huán)的值傳遞至下一次循環(huán)。移位寄存器以一對(duì)接線端的形式出現(xiàn)，分別位于循環(huán)兩側(cè)的邊框上，位置相對(duì)。右側(cè)接線端含有一個(gè)向上的箭頭，用于存儲(chǔ)每次循環(huán)結(jié)束時(shí)的數(shù)據(jù)。LabVIEW 將數(shù)據(jù)從移位寄存器右側(cè)接線端傳遞到左側(cè)接線端。循環(huán)將使用左側(cè)接線端的數(shù)據(jù)作為下一次

14、循環(huán)的初始值。該過程在所有循環(huán)執(zhí)行完畢后結(jié)束。循環(huán)執(zhí)行后，右側(cè)接線端將返回移位寄存器保存的值。右鍵單擊循環(huán)的左側(cè)或右側(cè)邊框，并從快捷菜單中選擇添加移位寄存器可以創(chuàng)建一個(gè)移位寄存器。[11] [12] [13]</p><p>　　2.5.1 PCI-1714 數(shù)據(jù)采集卡</p><p>　　Advantech 公司的PCI-1714 是一款PCI 接口的高速4 通道同步數(shù)據(jù)采集卡， 可用于

15、高速數(shù)據(jù)采集應(yīng)用，性價(jià)比較高，適用于儀器測(cè)試、圖像處理、視頻數(shù)字化處理及聲音與振動(dòng)測(cè)試等領(lǐng)域?；赑CI-1714 的通用高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。</p><p>　　圖 2 基于 PCI-1714的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　將需監(jiān)測(cè)的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)經(jīng)濾波器濾波后送入PCI-1714 板卡， 卡上A / D 轉(zhuǎn)換器對(duì)信號(hào)進(jìn)行高速模數(shù)轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)首先暫存在板卡的32

16、 K 板載FIFO （先入先出） 中， 當(dāng)FIFO 半滿或全滿時(shí)，向DMA（動(dòng)態(tài)內(nèi)存存?。┛刂破靼l(fā)送DMA 請(qǐng)求，使用直接內(nèi)存存取方式，經(jīng)PCI（外設(shè)組件互連）總線將數(shù)據(jù)從FIFO 輸出到內(nèi)部緩沖區(qū)中，PCI 總線傳輸帶寬很寬， 可以滿足4 通道高速同步采樣時(shí)所帶來的高速數(shù)據(jù)傳輸要求。[14] [15]</p><p>　　2.6 信號(hào)分析功能模塊流程的設(shè)計(jì)</p><p>　　信號(hào)分析功

17、能模塊流程的設(shè)計(jì)儀器流程的設(shè)計(jì)是根據(jù)儀器功能要求, 利用虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)所提供的子模板,確定程序的流程圖、主要處理算法和所實(shí)現(xiàn)的技術(shù)方法。不同的處理算法構(gòu)造出不同的虛擬儀器, 流程設(shè)計(jì)是虛擬儀器設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。</p><p>　　信號(hào)分析功能模塊需要完成頻譜分析、功率譜分析、頻響函數(shù)、相干分析、脈沖響應(yīng)等諸多功能,因此也特別復(fù)雜,其中包含許許多多的Case選擇結(jié)構(gòu),使得無論是程序的分析還是程序的維護(hù)都比較困難（圖

18、3）。[16] [17]</p><p>　　圖 3 信號(hào)分析模塊的程序框圖</p><p>　　2.7 頻譜分析部分</p><p>　　通過Sound Input Read讀取輸入的聲音波形,將波形輸入到FFT Spectrum. vi模塊、FFT Power Specstrum. vi模塊和頻譜測(cè)量模塊。通過頻譜分析模塊之后分別輸出分析后的功率譜波形、加窗后的

19、幅頻譜、未加窗的幅頻譜和相頻譜。另外,為了便于觀察,還輸出處理前的時(shí)域波形。系統(tǒng)程序圖如圖4所示。[18] [19]</p><p><b>　　圖4　系統(tǒng)程序框圖</b></p><p><b>　　3 總結(jié)</b></p><p>　　使用LabVIEW 軟件，將從物理介質(zhì)獲得的聲音，經(jīng)過AD 采樣后，通過做濾波處理和

20、增益控制實(shí)現(xiàn)了聲音均衡器設(shè)計(jì)。聲卡是現(xiàn)在計(jì)算機(jī)通用的設(shè)備，其本身就是一個(gè)高性能的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，用聲卡采集完全滿足采樣定理的要求。[20] </p><p>　　通過上述方法構(gòu)建的聲音分析平臺(tái)，界面豐富友好，操作使用方便，并且能不斷隨著虛擬儀器技術(shù)和計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的進(jìn)步而升級(jí)。特別重要的是用戶可以在該平臺(tái)上開發(fā)驗(yàn)證新的聲音信號(hào)分析處理算法。</p><p><b>　　4.參考文

21、獻(xiàn)</b></p><p>　　[ 1 ] 汪敏生等著．LabVIEW基礎(chǔ)教程．北京：電子工業(yè)出版社，2002</p><p>　　[ 2 ] 劉君華，賈惠芹．虛擬儀器圖形化編程語言LabVIEW教程．西安：西安電子科技大學(xué)出版社，200l</p><p>　　[ 3 ] 周德儉，吳斌．智能控制．重慶大學(xué)出版社，2005</p><

22、p>　　[ 4 ] 劉金餛．先進(jìn)PID控制MATLAB仿真(第2版)．電子工業(yè)出版社，2004</p><p>　　[ 5] 曹軍義,劉曙光. 虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展與展望[ J ]. 自動(dòng)化與儀表, 2003, 18 (1) : 1 - 5.</p><p>　　[ 6 ] 陳捃,黃用勤,王永濤. 基于虛擬儀器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[ J ]. 武漢理工大學(xué)報(bào), 2007, 2

23、9 (6) : 122 - 124.</p><p>　　[ 7 ] 孫愛晶,劉毓,馬賀洲. 基于LabV I EW的聲卡數(shù)據(jù)采集及濾波處理設(shè)計(jì)[ J ]. 自動(dòng)化與儀表, 2009, 24 (5) : 45 - 47.</p><p>　　[ 8 ] 韓紀(jì)慶，張磊，鄭鐵然. 聲音信號(hào)處理[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2004，09：2-215.</p><p&g

24、t;　　[ 9 ] 候國(guó)屏，王坤，葉齊鑫. LabVIEW7.1編程與虛擬儀器設(shè)計(jì)[M]. 北京：清華 大學(xué)出版社，2005.2.</p><p>　　[10] 孫鵬. 基于LabVIEW 語言的信號(hào)采集與處理[J].技術(shù)交流，2010（8）：11-13</p><p>　　[11] 孟武勝，朱劍波，黃鴻，等． 基于LabVIEW 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]． 北京:電子測(cè)量技術(shù)，2008

25、，31（11）:63－65．</p><p>　　[12] 劉君華，等． 虛擬儀器圖形化編程語言LabVIEW 教程[M]． 西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2001．</p><p>　　[13] 張新亮，孫軍強(qiáng)，劉德明，等． LabvIE 驅(qū)動(dòng)一般多功能接口卡的研究[J]． 北京:儀器儀表學(xué)報(bào)，2000，21（3）:290－292．</p><p>　　[14]

26、王磊，陶梅. 精通LabVIEW8.0［M］. 北京：電子工業(yè)出版社，2007.</p><p>　　[15] 戴鵬飛，王勝開，王格芳，馬欣. 測(cè)試工程與LabVIEW應(yīng)用［M］. 北京：電子工業(yè)出版社，2006.</p><p>　　[16] 史春雷，秦芳. 基于LabVIEW 虛擬測(cè)試分析儀的信號(hào)分析功能設(shè)計(jì)[J].信息技術(shù)，2010.（23）：25-26</p><

27、;p>　　[17] 楊樂平.LabVIEW 程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.</p><p>　　[18] 車子萍. 基于LabVIEW和聲卡的數(shù)據(jù)采集及頻譜分析儀設(shè)計(jì)[J].科技設(shè)計(jì)成果，2010.4（10）：8-9.</p><p>　　[19] 史劍鋒，常國(guó)棟，李志剛. 一種基于LabVIEW和MATLAB 的聲音識(shí)別方法[J].通信技術(shù).2007（7）