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基于ＵＳＢ声卡的数据采集器设计与应用

作者：胡颖舒 吴先球 王珍宁

来源：《中小学信息技术教育》2009年第08期

数据采集器是把实验过程中的电信号转变为数字信号输出,实现了数模之间的转换。而声卡也是一个同样具备数模转换功能的设备。利用声卡在音频范围内代替专用的数据采集器,大大降低了在实际教学中使用数据采集器的门槛。但是由于普通声卡只能接受音频范围(20Hz～20kHz)内的交流信号,不能对直流信号或缓变交流信号进行采集。而中小学阶段的科学实验教学内容里,直流信号占了很大一部分。这也是在教学中使用电脑声卡代替专用的数据采集器局限所在。

针对实际教学情况,笔者自主研制了一套基于USB声卡的数据采集器,通过添加外围电路解决普通声卡无法测量直流信号的问题,为学校提供了符合教育信息化要求的低成本教学实验设备。

一、硬件部分

USB外置声卡的优点有:(1)信噪比得到了较大的提高。(2)安装简单,可被系统自动识别、自动配置、自动安装。(3)具有可热插拔的特点,即插即用。(4)使用USB声卡作为数据采集设置,能有效避免在实验过程中因使用不当而损害主板的声卡,导致维修成本过高。(5)可方便添加外围电路,增强采集功能。

笔者利用PCM2902芯片设计了基于USB声卡的数据采集器,同时通过添加外围电路——压控振荡器,解决了声卡无法测量直流信号的问题,并增强了声卡的数据采集功能。PCM2902的USB声卡模块、压控振荡模块再加上为传感器配置的串行接口,就组成了基于USB声卡的数据采集器硬件设备,如图1所示。

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二、软件部分

基于USB声卡的数据采集器应用程序主要利用LabVIEW来编写,具有“直流采集”、“交流采集”、“数据处理”、“历史回放”四大功能,可完成各种实验的采集记录任务,并可根据教学和探究需要进行数据处理、图线分析等。

“直流采集”选项卡中设有定时和手动记录数据两种模式,记录下的实验数据以表格与图形两种方式同步显示。“交流采集”可把左右两声道的信号实时采集显示,并设有自动保存和手动保存数据两种模式可供选择。用户可通过移动游标读出波形上某一点的精确坐标值,也可缩放图形的显示区域,实现波形的全景和局部观察,如图2。

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当数据采集完毕后,“数据处理”和“历史回放”功能被自动触发。“数据处理”中设有线性拟合、指数拟合等多种拟合方式可供选择,并自动显示拟合后的数据和结果。在“历史回放”选项卡中用户则可选择回放任何已保存的波形文件,用做进一步的图像观察与分析。

三、基于USB声卡的数据采集器在教学中的应用

演示晶体熔化时温度的变化规律实验中,传统方法是使用煤油温度计测量温度。这种由人眼目测并手动记录温度的方法易造成误差。如果固体升温过快,保持温度不变的时间很短,则可能来不及记录数据,使绘制的温度变化曲线不能清晰地显示水平段,导致无法得出此晶体的熔点。本实验中,采用传统实验仪器(如图3),但使用温度传感器代替煤油温度计测量樟脑丸(C10H16O)熔化过程的温度变化。温度在某一时间内是一个稳定值,温度传感器把温度值转化为电信号,这个信号是缓变信号,直接用声卡是无法采集的。因此,需要应用基于USB声卡的数据采集器,运行其应用程序,选用“直流采集”功能,设定系统定时记录温度数据,就能自动采集数据,显示温度变化曲线。实验结果如图4所示。