基于LabVIEW和USB声卡的直流信号采集设计

摘要：针对普通声卡无法采集直流信号现状，文中介绍了在虚拟仪器LabVIEW环境下，以CM108音频芯片为核心，结合A／D芯片PCM1801，通过I2S数据格式传输实现直流信号采集的一种方法。
关键词：USB声卡：LahVIEW；直流信号；I2S

作为多媒体计算机的基本硬件——声卡，其A／D转换功能已经成熟，而且被广泛作为数据采集器应用。目前主流声卡采样精度为16位，比普通12位的数据采集卡的采样精度还要高，而且采样频率也达到44．1K，完全满足低频信号的采集需要。USB声卡是近年流行起来的产品，其通过USB接口与计算机连接进行数据的录制或播放，A／D功能与电脑内置声卡相似。用声卡作为数据采集卡，不仅价格低廉，兼容性好、性能稳定、通用性强，软件特别是驱动程序升级方便，而且在LabVIEW软件中有现成的驱动程序，使用起来也十分方便。但是无论是电脑声卡还是USB声卡，都只能接受音频范围(20Hz～20k Hz)内的交流信号，不能对直流信号进行采集。这是声卡代替专用的数据采集卡的瓶颈所在。
鉴于声卡采集的这一局限，本文介绍了在LabVIEW软件环境下，结合USB声卡，通过添加外围电路实现USB声卡采集直流信号的功能，并给出了实验测试结果。

1 硬件组成与设计
该方法的硬件设计结构原理如图1所示。

硬件设计主要包括USB声卡芯片CM108外围电路、A／D芯片PCM1801电路和信号调理电路等三部分构成。直流信号由信号调理电路进入外置的A／D转换器——PCM1801，把模拟信号转变为I2S格式的数字信号，所得数据通过I2S总线传送给声卡，再经USB总线传送到PC机进行处理、显示，从而达到直流信号采集的功能。
1．1 信号调理电路设计
在信号采集过程中，若直接把直流信号输入到PCM1801的模拟通道，会出现直流信号被“湮没”的现象。因为PCM1801的模拟输入端是采用交流耦合输入，要使得直流信号顺利输入，必须去掉隔离电容。但去掉隔离电容，模拟输入端的电平会发生偏移。在与信号源直接相接时，信号电平不再适合此时PCM1801的输入电平范围要求了。因此需要在信号输入PCM1801之前将输入信号电平进行平移，提高到PCM1801的输入电平范围内。本文利用NE5532运算放大器对输入信号进行电平平移操作，并提供瞬态电流隔离功能，其电路图如图2所示。图中的参考电压VREF由PCM1801内部提供，其中NE5532采用±5V电源供电。

1．2 A／D芯片PCM1801电路设计
鉴于CM108内部只有一个ADC，支持单声道录音，其I2S数据输入也只接受单声道的数据，因此本设计采取了单通道采集。CM108内部ADC嵌入了低通数字滤波器，当直流信号经过滤波器后会完全被滤掉。鉴于这一情况，本文调用外部ADC对直流信号进行采集，含有直流信号的数据由I2S总线从外部传送CM108。I2S总线拥有3条数据线进行传输：1条双向数据传输线，1条命令选择线和1条时钟线。对应有3个主要信号：串行时钟SCLK，命令选择信号WS(LRCK)和串行数据SD。为了实现两个不同没备之间的数据传输同步，还增加一个土时钟信号MCLK。
要实现直流信号的采集，ADC的选择是关键本文选用了PCM1801芯片作为外部的ADC。该芯片的采佯频率为48K，采样位数16位，支持I2S格式数据输出。其最大特点就是可以通过硬件设置，关闭内部低通数字滤波器，允许直流信号通过，从而实现直流信号采集的功能，而且该芯片工作电压为+5V，可南电脑USB电源提供，使用方便。设计中PCM1801工作模式设置为从模式，所需要的时钟信号全部由CM108提供，其工作的外部电路如图3所示。

1．3 CM108音频芯片外围电路设计
CM108是高集成度的USB音频芯片，其内部嵌入了USB2．0接口电路，可把音频数据转变为USB数据流传送到PC机中进行相关处理。该芯片支持即插即用，PC机上无需任何驱动，十分方便。而且CM108可以通过硬件设置，关闭其内部的ADC，调用外部的ADC，可使声卡的采集功能得到进一步扩展，这也是本文的设计思路。CM108芯片支持16佗的I2S格式数据输入，工作模式为主模式，能够向外提供I2S数据传输的时钟信号。外部ADC把含有直流信号的模拟信号转变为I2S格式的数字信口，数据冉以I2S的数据格式传输到CM108内部由USB总线传送到PC机进仃处理和显示。这样含有直流信号的数字信号就可以绕过CM108内部的低通数字滤波器而被采集到并传到PC机、CM108芯片电源直接由PC机USB接口+5V电源提供。

2 软件设计
考虑到USB声卡的软件驱动问题，本文选用NI公司LabVIEW软件来编写PC机采集软件。原因在于LabVIEW软件函数库丰富，配有声卡驱动节点，直接调用即可，无需再次编写，而且开发界面简单，图形语言编程，编程十分方便，再加上界面风格与传统仪器相似，人机交互界面直观友好。