基于LabVIEW和USB聲卡的直流信號采集設(shè)計

摘要：針對普通聲卡無法采集直流信號現(xiàn)狀，文中介紹了在虛擬儀器LabVIEW環(huán)境下，以CM108音頻芯片為核心，結(jié)合A／D芯片PCM1801，通過I2S數(shù)據(jù)格式傳輸實現(xiàn)直流信號采集的一種方法。
關(guān)鍵詞：USB聲卡：LahVIEW；直流信號；I2S

    作為多媒體計算機的基本硬件——聲卡，其A／D轉(zhuǎn)換功能已經(jīng)成熟，而且被廣泛作為數(shù)據(jù)采集器應(yīng)用。目前主流聲卡采樣精度為16位，比普通12位的數(shù)據(jù)采集卡的采樣精度還要高，而且采樣頻率也達到44．1K，完全滿足低頻信號的采集需要。USB聲卡是近年流行起來的產(chǎn)品，其通過USB接口與計算機連接進行數(shù)據(jù)的錄制或播放，A／D功能與電腦內(nèi)置聲卡相似。用聲卡作為數(shù)據(jù)采集卡，不僅價格低廉，兼容性好、性能穩(wěn)定、通用性強，軟件特別是驅(qū)動程序升級方便，而且在LabVIEW軟件中有現(xiàn)成的驅(qū)動程序，使用起來也十分方便。但是無論是電腦聲卡還是USB聲卡，都只能接受音頻范圍(20Hz～20k Hz)內(nèi)的交流信號，不能對直流信號進行采集。這是聲卡代替專用的數(shù)據(jù)采集卡的瓶頸所在。
    鑒于聲卡采集的這一局限，本文介紹了在LabVIEW軟件環(huán)境下，結(jié)合USB聲卡，通過添加外圍電路實現(xiàn)USB聲卡采集直流信號的功能，并給出了實驗測試結(jié)果。

1 硬件組成與設(shè)計
    該方法的硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

    硬件設(shè)計主要包括USB聲卡芯片CM108外圍電路、A／D芯片PCM1801電路和信號調(diào)理電路等三部分構(gòu)成。直流信號由信號調(diào)理電路進入外置的A／D轉(zhuǎn)換器——PCM1801，把模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)镮2S格式的數(shù)字信號，所得數(shù)據(jù)通過I2S總線傳送給聲卡，再經(jīng)USB總線傳送到PC機進行處理、顯示，從而達到直流信號采集的功能。
1．1 信號調(diào)理電路設(shè)計
    在信號采集過程中，若直接把直流信號輸入到PCM1801的模擬通道，會出現(xiàn)直流信號被“湮沒”的現(xiàn)象。因為PCM1801的模擬輸入端是采用交流耦合輸入，要使得直流信號順利輸入，必須去掉隔離電容。但去掉隔離電容，模擬輸入端的電平會發(fā)生偏移。在與信號源直接相接時，信號電平不再適合此時PCM1801的輸入電平范圍要求了。因此需要在信號輸入PCM1801之前將輸入信號電平進行平移，提高到PCM1801的輸入電平范圍內(nèi)。本文利用NE5532運算放大器對輸入信號進行電平平移操作，并提供瞬態(tài)電流隔離功能，其電路圖如圖2所示。圖中的參考電壓VREF由PCM1801內(nèi)部提供，其中NE5532采用±5V電源供電。

1．2 A／D芯片PCM1801電路設(shè)計
    鑒于CM108內(nèi)部只有一個ADC，支持單聲道錄音，其I2S數(shù)據(jù)輸入也只接受單聲道的數(shù)據(jù)，因此本設(shè)計采取了單通道采集。CM108內(nèi)部ADC嵌入了低通數(shù)字濾波器，當(dāng)直流信號經(jīng)過濾波器后會完全被濾掉。鑒于這一情況，本文調(diào)用外部ADC對直流信號進行采集，含有直流信號的數(shù)據(jù)由I2S總線從外部傳送CM108。I2S總線擁有3條數(shù)據(jù)線進行傳輸：1條雙向數(shù)據(jù)傳輸線，1條命令選擇線和1條時鐘線。對應(yīng)有3個主要信號：串行時鐘SCLK，命令選擇信號WS(LRCK)和串行數(shù)據(jù)SD。為了實現(xiàn)兩個不同沒備之間的數(shù)據(jù)傳輸同步，還增加一個土?xí)r鐘信號MCLK。
    要實現(xiàn)直流信號的采集，ADC的選擇是關(guān)鍵本文選用了PCM1801芯片作為外部的ADC。該芯片的采佯頻率為48K，采樣位數(shù)16位，支持I2S格式數(shù)據(jù)輸出。其最大特點就是可以通過硬件設(shè)置，關(guān)閉內(nèi)部低通數(shù)字濾波器，允許直流信號通過，從而實現(xiàn)直流信號采集的功能，而且該芯片工作電壓為+5V，可南電腦USB電源提供，使用方便。設(shè)計中PCM1801工作模式設(shè)置為從模式，所需要的時鐘信號全部由CM108提供，其工作的外部電路如圖3所示。

1．3 CM108音頻芯片外圍電路設(shè)計
    CM108是高集成度的USB音頻芯片，其內(nèi)部嵌入了USB2．0接口電路，可把音頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)閁SB數(shù)據(jù)流傳送到PC機中進行相關(guān)處理。該芯片支持即插即用，PC機上無需任何驅(qū)動，十分方便。而且CM108可以通過硬件設(shè)置，關(guān)閉其內(nèi)部的ADC，調(diào)用外部的ADC，可使聲卡的采集功能得到進一步擴展，這也是本文的設(shè)計思路。CM108芯片支持16佗的I2S格式數(shù)據(jù)輸入，工作模式為主模式，能夠向外提供I2S數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r鐘信號。外部ADC把含有直流信號的模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)镮2S格式的數(shù)字信口，數(shù)據(jù)冉以I2S的數(shù)據(jù)格式傳輸?shù)紺M108內(nèi)部由USB總線傳送到PC機進仃處理和顯示。這樣含有直流信號的數(shù)字信號就可以繞過CM108內(nèi)部的低通數(shù)字濾波器而被采集到并傳到PC機、CM108芯片電源直接由PC機USB接口+5V電源提供。

2 軟件設(shè)計
    考慮到USB聲卡的軟件驅(qū)動問題，本文選用NI公司LabVIEW軟件來編寫PC機采集軟件。原因在于LabVIEW軟件函數(shù)庫豐富，配有聲卡驅(qū)動節(jié)點，直接調(diào)用即可，無需再次編寫，而且開發(fā)界面簡單，圖形語言編程，編程十分方便，再加上界面風(fēng)格與傳統(tǒng)儀器相似，人機交互界面直觀友好。

    鑒于以上情況，本文使用了基于LabVIEW環(huán)境下的虛擬示波器作為PC機的采集軟件。它主要實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集、存儲以及實時信號的顯示，其操作界面如圖4所示，功能按鍵類似真實示波器，操作方法與其實示波器一樣。

3 測試與結(jié)果
    實驗測試所需的信號由DS345信號發(fā)生器來產(chǎn)生，利用PC機上的虛擬示波器對輸入信號進行記錄、顯示以及數(shù)據(jù)的儲存。測試時，在DS345上設(shè)置波形、頻率、幅度等參數(shù)。

    首先直接輸入直流信號，利用改進后的USB聲卡對其進行采集，在電腦得到的圖像如圖5所示。圖5(a)是-0．1V的直流電壓信號，圖5 (b)是+0．1V的直流電壓信號。由圖可以看到直流電壓信號很好地得到了采集，而且圖像平直，噪聲干擾影響也比較小。圖表中每一格代表電壓大小為0．1V。

    設(shè)置Upp—0．2V、f—100 Hz的三角波信號，并在原信號加上0．1V的直流偏置電壓，輸出混頻信號，運行虛擬示波器程序，觀察PC機上顯示的波形。測試過程中，分別利用原電腦聲卡和改進后的USB聲卡進行采集，比較所得到兩組波形，如圖6所示。圖6(a)是電腦聲卡采集到的波形，可以看到三角波形沒發(fā)生偏移，因為電腦自身聲卡采集不到含有混頻三角波信號的直流成分；而圖6(b)是改進后USB聲卡采集得到的波形，清晰地看到三角波形向上平移了0．1V，說明實現(xiàn)了混頻三角波信號的直流成分的采集。

4 結(jié)束語
    本文設(shè)計基于虛擬儀器環(huán)境下，采用LabVIEW語言編寫PC機的信號采集程序，結(jié)合USB聲卡芯片CM108，利用I2S總線通過硬件設(shè)置擴展了外部ADC——PCM1801，擴展了USB聲卡的信號采集功能。改進后的USB聲卡與普通聲卡相比，采樣頻率達到了48K，采樣精度16位，不僅采樣頻率和采樣精度得到了提高，而且也克服了直流信號被濾掉問題，初步實現(xiàn)了直流信號采集功能。同時本設(shè)計結(jié)合虛擬儀器的實驗平臺，安裝方便，成本低廉，在采集低頻低壓信號實驗中得到很好的應(yīng)用。