基于LabVIEW和USB聲卡的直流信號采集設計

摘要：針對普通聲卡無法采集直流信號現狀，文中介紹了在虛擬儀器LabVIEW環境下，以CM108音頻芯片為核心，結合A／D芯片PCM1801，通過I2S數據格式傳輸實現直流信號采集的一種方法。
關鍵詞：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轉換功能已經成熟，而且被廣泛作為數據采集器應用。目前主流聲卡采樣精度為16位，比普通12位的數據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品，其通過USB接口與計算機連接進行數據的錄制或播放，A／D功能與電腦內置聲卡相似。用聲卡作為數據采集卡，不僅價格低廉，兼容性好、性能穩定、通用性強，軟件特別是驅動程序升級方便，而且在LabVIEW軟件中有現成的驅動程序，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據采集卡的瓶頸所在。
鑒于聲卡采集的這一局限，本文介紹了在LabVIEW軟件環境下，結合USB聲卡，通過添加外圍電路實現USB聲卡采集直流信號的功能，并給出了實驗測試結果。

1 硬件組成與設計
該方法的硬件設計結構原理如圖1所示。

硬件設計主要包括USB聲卡芯片CM108外圍電路、A／D芯片PCM1801電路和信號調理電路等三部分構成。直流信號由信號調理電路進入外置的A／D轉換器——PCM1801，把模擬信號轉變為I2S格式的數字信號，所得數據通過I2S總線傳送給聲卡，再經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 信號調理電路設計
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，會出現直流信號被“湮沒”的現象。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。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內部提供，其中NE5532采用±5V電源供電。

1．2 A／D芯片PCM1801電路設計
鑒于CM108內部只有一個ADC，支持單聲道錄音，其I2S數據輸入也只接受單聲道的數據，因此本設計采取了單通道采集。CM108內部ADC嵌入了低通數字濾波器，當直流信號經過濾波器后會完全被濾掉。鑒于這一情況，本文調用外部ADC對直流信號進行采集，含有直流信號的數據由I2S總線從外部傳送CM108。I2S總線擁有3條數據線進行傳輸：1條雙向數據傳輸線，1條命令選擇線和1條時鐘線。對應有3個主要信號：串行時鐘SCLK，命令選擇信號WS(LRCK)和串行數據SD。為了實現兩個不同沒備之間的數據傳輸同步，還增加一個土時鐘信號MCLK。