基于labview的聲音識別系統(tǒng)設計【開題報告】_第1頁
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文檔簡介

1、<p><b>  畢業(yè)設計開題報告</b></p><p><b>  測控技術與儀器</b></p><p>  基于LabVIEW的聲音識別系統(tǒng)設計</p><p><b>  1前言</b></p><p>  LabVIEW是美國National Instr

2、uments(美國國家儀器公司,簡稱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)庫和完備的總線設備驅動程序。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。這種編程方式強調信號處理的實際過程,有利于簡化編程,縮短開發(fā)時間和降低開發(fā)難度。[1] [2]</p><p>  LabVIEW廣泛應用于包括自動化、通信、半導體、電路設計

3、、航空和生產(chǎn)過程控制及生物醫(yī)學在內的各種工業(yè)領域中,用來提高應用系統(tǒng)的開發(fā)效率。這些應用涵蓋了產(chǎn)品的研發(fā)、測試、生產(chǎn)到后期服務的各個環(huán)節(jié)。在系統(tǒng)設計中協(xié)調使用LabVIEW,共享軟件及信息資源,可以節(jié)約大量的時間和金錢[3]。LabVIEW的應用大致可分為以下幾個主要方面:</p><p>  應用于生產(chǎn)檢測:LabVIEW已經(jīng)成為用于測試測量領域的工業(yè)標準化開發(fā)工具。LabVIEW結合NI TestStand測

4、試執(zhí)行環(huán)境和該領域中最大的儀器驅動程序庫,為整個系統(tǒng)建立穩(wěn)固完整的檢測管理平臺。</p><p>  應用于研究與分析:運用LabVIEW,可在汽車、能源研究和其它眾多工業(yè)領域的應用系統(tǒng)中進行實時數(shù)據(jù)的分析和處理。對于圖像處理、時頻分析、小波和數(shù)字濾波的應用系統(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>  應用于過程控制和工廠自動化:可利用LabVIEW來建

5、立過程控制和工業(yè)自動化應用系統(tǒng)。在LabVIEW平臺下,可以實現(xiàn)多通道的高速測量和控制。對于大型復雜的工業(yè)自動化和控制系統(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)絡進行通信,以及提供基于PC機的控制。</p><p>  應用于機器監(jiān)控:對于要求有實時控制、視覺和圖像分析或運動控制的機器監(jiān)視和預先維護的應用系統(tǒng),LabVIEW是理想的選擇。LabVIEW系列產(chǎn)品,包括用于可

6、靠、確定性控制的實時LabVIEW(LabVIEW RT)軟件,能夠快速、準確的建立起功能強大的機器監(jiān)視和自動控制應用程序。</p><p>  應用于測控系統(tǒng):LabVIEW有著強大的功能和廣闊的應用前景,但就目前國內的現(xiàn)狀來看,大多數(shù)的用戶還只僅僅利用它來進行數(shù)據(jù)的處理、分析和顯示,而忽略了LabVIEW強大的數(shù)據(jù)采集和控制功能,特別是基于PC機的實時控制,在國內應用較少。[4] [5] [6]</p&

7、gt;<p>  聲音識別和處理是目前信息學領域的研究熱點和難點,其任務是研究如何利用信號處理技術研究聲音信號,使未來的計算機“能聽會說”。聲音信號的處理是對聲音信號進行分析,只有通過分析得到的參數(shù)才能做進一步的研究。聲音分析涉及大量復雜的數(shù)學運算,如果采用硬件方式實現(xiàn),從價格和靈活性上都不可取。如果通過計算機軟硬件結合的方法采用主流的編程方式實現(xiàn),則存在編程復雜,不易擴展和界面不友好等問題。</p><

8、;p><b>  2 系統(tǒng)構成及設計</b></p><p>  2.1 軟件部分與硬件部分</p><p>  本設計的軟件部分由LabVIEW實現(xiàn)。數(shù)據(jù)采集硬件包括傳感器、信號調理儀器、信號記錄儀器。前兩者已有專門的廠商研發(fā)。計算機采集卡是信號記錄儀器中的重要組成部分,主要起A /D轉換功能。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. 但這些卡價格均比較

9、昂貴。相對而言,同樣具備A /D功能的聲卡技術已經(jīng)成熟,成為計算機的標準配置,在大多數(shù)的計算機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>  聲音信號一般被看作一種短時平穩(wěn)的隨機信號,主要是對他進行時域、頻域和倒譜域上的信號分析。聲音信號的時域分析是對信號從統(tǒng)計的意義上進行分析,得到短時

10、平均能量、過零率、自相關函數(shù)以及幅差函數(shù)等信號參數(shù)。根據(jù)聲音理論,氣流激勵聲道產(chǎn)生聲音,聲音信號是氣流與聲道的卷積,因此可以對信號進行同態(tài)分析,將信號轉換到倒譜域,從而把聲道和激勵氣流信息分離,獲得信號的倒譜參數(shù)。[8]</p><p>  2.3 聲音識別主要算法</p><p>  聲音識別系統(tǒng)常用的算法有ANN(神經(jīng)網(wǎng)絡)、DTW (動態(tài)時間歸整匹配)、HMM(隱馬爾可夫)的識別和訓

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

12、算機中的程序不斷從緩存中提取數(shù)據(jù), 存入計算機中,并進行相關處理,提取有用數(shù)據(jù)進行硬盤存儲。利用LabVIEW 語言編寫數(shù)據(jù)采集卡的驅動程序,對信號分析處理及存儲流程如圖1 所示。[10]</p><p>  圖 1 信號采集與處理系統(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 和聲音文件關閉VI,再加上一個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)。移位寄存器以一對接線端的形式出現(xiàn),分別位于循環(huán)兩側的邊框上,位置相對。右側接線端含有一個向上的箭頭,用于存儲每次循環(huán)結束時的數(shù)據(jù)。LabVIEW 將數(shù)據(jù)從移位寄存器右側接線端傳遞到左側接線端。循環(huán)將使用左側接線端的數(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)行完畢后結束。循環(huán)執(zhí)行后,右側接線端將返回移位寄存器保存的值。右鍵單擊循環(huán)的左側或右側邊框,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)采集應用,性價比較高,適用于儀器測試、圖像處理、視頻數(shù)字化處理及聲音與振動測試等領域。基于PCI-1714 的通用高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結構如圖2 所示。</p><p>  圖 2 基于 PCI-1714的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結構框圖</p><p>  將需監(jiān)測的現(xiàn)場信號經(jīng)濾波器濾波后送入PCI-1714 板卡, 卡上A / D 轉換器對信號進行高速模數(shù)轉換。轉換數(shù)據(jù)首先暫存在板卡的32

16、 K 板載FIFO (先入先出) 中, 當FIFO 半滿或全滿時,向DMA(動態(tài)內存存?。┛刂破靼l(fā)送DMA 請求,使用直接內存存取方式,經(jīng)PCI(外設組件互連)總線將數(shù)據(jù)從FIFO 輸出到內部緩沖區(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所帶來的高速數(shù)據(jù)傳輸要求。[14] [15]</p><p>  2.6 信號分析功能模塊流程的設計</p><p>  信號分析功

17、能模塊流程的設計儀器流程的設計是根據(jù)儀器功能要求, 利用虛擬儀器開發(fā)平臺所提供的子模板,確定程序的流程圖、主要處理算法和所實現(xiàn)的技術方法。不同的處理算法構造出不同的虛擬儀器, 流程設計是虛擬儀器設計的重點。</p><p>  信號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、脈沖響應等諸多功能,因此也特別復雜,其中包含許許多多的Case選擇結構,使得無論是程序的分析還是程序的維護都比較困難(圖

18、3)。[16] [17]</p><p>  圖 3 信號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</b></p><p>  使用LabVIEW 軟件,將從物理介質獲得的聲音,經(jīng)過AD 采樣后,通過做濾波處理和

20、增益控制實現(xiàn)了聲音均衡器設計。聲卡是現(xiàn)在計算機通用的設備,其本身就是一個高性能的數(shù)據(jù)采集設備,用聲卡采集完全滿足采樣定理的要求。[20] </p><p>  通過上述方法構建的聲音分析平臺,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和計算機軟硬件技術的進步而升級。特別重要的是用戶可以在該平臺上開發(fā)驗證新的聲音信號分析處理算法。</p><p><b>  4.參考文

21、獻</b></p><p>  [ 1 ] 汪敏生等著.LabVIEW基礎教程.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:西安電子科技大學出版社,200l</p><p>  [ 3 ] 周德儉,吳斌.智能控制.重慶大學出版社,2005</p><

22、p>  [ 4 ] 劉金餛.先進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. 虛擬儀器技術的發(fā)展與展望[ J ]. 自動化與儀表, 2003, 18 (1) : 1 - 5.</p><p>  [ 6 ] 陳捃,黃用勤,王永濤. 基于虛擬儀器的實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計[ J ]. 武漢理工大學報, 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)采集及濾波處理設計[ J ]. 自動化與儀表, 2009, 24 (5) : 45 - 47.</p><p>  [ 8 ] 韓紀慶,張磊,鄭鐵然. 聲音信號處理[M]. 北京:清華大學出版社,2004,09:2-215.</p><p&g

24、t;  [ 9 ] 候國屏,王坤,葉齊鑫. LabVIEW7.1編程與虛擬儀器設計[M]. 北京:清華 大學出版社,2005.2.</p><p>  [10] 孫鵬. 基于LabVIEW 語言的信號采集與處理[J].技術交流,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)的設計[J]. 北京:電子測量技術,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:西安電子科技大學出版社,2001.</p><p>  [13] 張新亮,孫軍強,劉德明,等. LabvIE 驅動一般多功能接口卡的研究[J]. 北京:儀器儀表學報,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. 測試工程與LabVIEW應用[M]. 北京:電子工業(yè)出版社,2006.</p><p>  [16] 史春雷,秦芳. 基于LabVIEW 虛擬測試分析儀的信號分析功能設計[J].信息技術,2010.(23):25-26</p><

27、;p>  [17] 楊樂平.LabVIEW 程序設計與應用[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計[J].科技設計成果,2010.4(10):8-9.</p><p>  [19] 史劍鋒,常國棟,李志剛. 一種基于LabVIEW和MATLAB 的聲音識別方法[J].通信技術.2007(7)

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