基于LabVIEW和USB聲卡的直流信號(hào)采集設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)普通聲卡無(wú)法采集直流信號(hào)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(guò)I2S數(shù)據(jù)格式傳輸實(shí)現(xiàn)直流信號(hào)采集的一種方法。
關(guān)鍵詞：USB聲卡：LahVIEW；直流信號(hào)；I2S

作為多媒體計(jì)算機(jī)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(dá)到44．1K，完全滿(mǎn)足低頻信號(hào)的采集需要。USB聲卡是近年流行起來(lái)的產(chǎn)品，其通過(guò)USB接口與計(jì)算機(jī)連接進(jìn)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(jià)格低廉，兼容性好、性能穩(wěn)定、通用性強(qiáng)，軟件特別是驅(qū)動(dòng)程序升級(jí)方便，而且在LabVIEW軟件中有現(xiàn)成的驅(qū)動(dòng)程序，使用起來(lái)也十分方便。但是無(wú)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(hào)，不能對(duì)直流信號(hào)進(jìn)行采集。這是聲卡代替專(zhuān)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(guò)添加外圍電路實(shí)現(xiàn)USB聲卡采集直流信號(hào)的功能，并給出了實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果。

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

硬件設(shè)計(jì)主要包括USB聲卡芯片CM108外圍電路、A／D芯片PCM1801電路和信號(hào)調(diào)理電路等三部分構(gòu)成。直流信號(hào)由信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)入外置的A／D轉(zhuǎn)換器——PCM1801，把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)镮2S格式的數(shù)字信號(hào)，所得數(shù)據(jù)通過(guò)I2S總線(xiàn)傳送給聲卡，再經(jīng)USB總線(xiàn)傳送到PC機(jī)進(jìn)行處理、顯示，從而達(dá)到直流信號(hào)采集的功能。
1．1 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)
在信號(hào)采集過(guò)程中，若直接把直流信號(hào)輸入到PCM1801的模擬通道，會(huì)出現(xiàn)直流信號(hào)被“湮沒(méi)”的現(xiàn)象。因?yàn)镻CM1801的模擬輸入端是采用交流耦合輸入，要使得直流信號(hào)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(huì)發(fā)生偏移。在與信號(hào)源直接相接時(shí)，信號(hào)電平不再適合此時(shí)PCM1801的輸入電平范圍要求了。因此需要在信號(hào)輸入PCM1801之前將輸入信號(hào)電平進(jìn)行平移，提高到PCM1801的輸入電平范圍內(nèi)。本文利用NE5532運(yùn)算放大器對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)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(jì)
鑒于CM108內(nèi)部只有一個(gè)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(jì)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(hào)經(jīng)過(guò)濾波器后會(huì)完全被濾掉。鑒于這一情況，本文調(diào)用外部ADC對(duì)直流信號(hào)進(jìn)行采集，含有直流信號(hào)的數(shù)據(jù)由I2S總線(xiàn)從外部傳送CM108。I2S總線(xiàn)擁有3條數(shù)據(jù)線(xiàn)進(jìn)行傳輸：1條雙向數(shù)據(jù)傳輸線(xiàn)，1條命令選擇線(xiàn)和1條時(shí)鐘線(xiàn)。對(duì)應(yīng)有3個(gè)主要信號(hào)：串行時(shí)鐘SCLK，命令選擇信號(hào)WS(LRCK)和串行數(shù)據(jù)SD。為了實(shí)現(xiàn)兩個(gè)不同沒(méi)備之間的數(shù)據(jù)傳輸同步，還增加一個(gè)土?xí)r鐘信號(hào)MCLK。