基于生產(chǎn)者/消費(fèi)者設(shè)計(jì)模式的連續(xù)音頻信號(hào)采集系統(tǒng)

0 引 言
    LabVIEW是美國NI公司1986年推出的一種圖形化的編程語言和開發(fā)環(huán)境。作為虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)，由于其圖形化的編程方式具有簡單易學(xué)、直觀方便、功能強(qiáng)大等特點(diǎn)，是很多工程設(shè)計(jì)人員進(jìn)行虛擬儀器開發(fā)的首選。生產(chǎn)者／消費(fèi)者設(shè)計(jì)模式是NI公司最新推出的程序設(shè)計(jì)概念，它從主／從設(shè)計(jì)模式發(fā)展而來，生產(chǎn)者／消費(fèi)者設(shè)計(jì)模式將生產(chǎn)和消費(fèi)數(shù)據(jù)速度不同的任務(wù)分開處理，大大提高了不同速率的多個(gè)循環(huán)之間數(shù)據(jù)共享的能力，對于多任務(wù)處理和實(shí)時(shí)性、連續(xù)性要求嚴(yán)格的程序設(shè)計(jì)，生產(chǎn)者／消費(fèi)者設(shè)計(jì)模式是較好的選擇。在虛擬儀器系統(tǒng)中，硬件解決信號(hào)的輸入和輸出，軟件可以方便地更新儀器系統(tǒng)的功能，以適應(yīng)不同使用者的需要。其中信號(hào)的輸入部分一般使用數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)，商用的數(shù)據(jù)采集卡具有較大的逋用性。普通聲卡具有16位的量化精度、數(shù)據(jù)采集頻率是44 kHz，完全可以滿足特定音頻信號(hào)范圍內(nèi)數(shù)據(jù)采集的需要，個(gè)別性能指標(biāo)還優(yōu)于商用數(shù)據(jù)采集卡，而價(jià)格卻為商用數(shù)據(jù)采集卡的十幾分之一甚至幾十分之一。若保證信號(hào)采集的逼真性，在采集過程中的連續(xù)性和實(shí)時(shí)控制顯得尤為重要。本文以LabVIEW為平臺(tái)，著重介紹了生產(chǎn)者／消費(fèi)者模式的實(shí)現(xiàn)，以及在實(shí)時(shí)控制的連續(xù)音頻采集系統(tǒng)中的應(yīng)用。

1 生產(chǎn)者／消費(fèi)者設(shè)計(jì)模式概念及其實(shí)現(xiàn)
1．1 生產(chǎn)者／消費(fèi)者設(shè)計(jì)模式概念
    生產(chǎn)者／消費(fèi)者設(shè)計(jì)模式包括多個(gè)并行循環(huán)，每個(gè)循環(huán)以不同的速率執(zhí)行任務(wù)。一個(gè)循環(huán)作為生產(chǎn)數(shù)據(jù)的循環(huán)，其他循環(huán)作為消費(fèi)數(shù)據(jù)的循環(huán)。生產(chǎn)數(shù)據(jù)的循環(huán)控制所有消費(fèi)數(shù)據(jù)的循環(huán)，并且使用通信技術(shù)與它們進(jìn)行通信。
1．2 生產(chǎn)者循環(huán)與消費(fèi)者循環(huán)之間的通信
    在LabVIEW程序設(shè)計(jì)過程中，變量(局部變量和全局變量)、通知器、隊(duì)列常用于多個(gè)循環(huán)之間傳遞數(shù)據(jù)。
    LabVIEW中的變量是程序框圖中的元素，通過它可以在另一位置訪問或存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。根據(jù)不同的變量類型，數(shù)據(jù)的實(shí)際位置也不一樣。局部變量將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在前面板的輸入控件和顯示控件中，全局變量和單進(jìn)程共享變量將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在特殊的通過多個(gè)VI可以訪問的倉庫中。不管變量將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在何處，所有的變量都可以在不使用連線連接兩個(gè)地方的條件下把數(shù)據(jù)從一個(gè)地方傳遞到另一個(gè)地方，而不必使用正常的數(shù)據(jù)流。但是變量的使用有著其自身的缺點(diǎn)，變量不僅不能保證各個(gè)循環(huán)之間的同步，而且使用變量會(huì)破壞LabVIEW的數(shù)據(jù)流模式，在對變量進(jìn)行讀寫操作時(shí)容易產(chǎn)生內(nèi)存拷貝，浪費(fèi)內(nèi)存資源，影響系統(tǒng)運(yùn)行效率。
    變量還允許競爭狀態(tài)的出現(xiàn)，競爭狀態(tài)不容易識(shí)別和調(diào)試，因?yàn)檩敵鋈Q于操作系統(tǒng)執(zhí)行排定的任務(wù)和外部時(shí)間定時(shí)的順序。任務(wù)之間和任務(wù)同計(jì)算機(jī)之間的交互方式，以及外部時(shí)間的任意定時(shí)都使這種順序變得隨機(jī)。很多情況下，帶有競爭狀態(tài)的代碼會(huì)在數(shù)千次測試中返回相同的結(jié)果，但仍然可能會(huì)在運(yùn)行時(shí)返回一個(gè)不同的結(jié)果。
    對生產(chǎn)者／消費(fèi)者設(shè)計(jì)模式的一個(gè)更有效的實(shí)現(xiàn)是使用通知器和隊(duì)列使數(shù)據(jù)傳輸保持同步。通知器在發(fā)出數(shù)據(jù)可用的通知時(shí)，將同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)。使用通知器將數(shù)據(jù)從主循環(huán)傳送到從循環(huán)消除了和競爭狀態(tài)相關(guān)的問題。使用通知器還有同步的好處，因?yàn)閿?shù)據(jù)可用時(shí)，主從循環(huán)都已完成定時(shí)，并準(zhǔn)備實(shí)現(xiàn)一個(gè)良好的生產(chǎn)者／消費(fèi)者設(shè)計(jì)模式。但是通知器不會(huì)緩沖數(shù)據(jù)，如果主循環(huán)在從循環(huán)讀取第一份數(shù)據(jù)之前發(fā)送另一份數(shù)據(jù)，那么原來那份數(shù)據(jù)就會(huì)被覆蓋并丟失。隊(duì)列類似于通知器。但它可以存儲(chǔ)多份數(shù)據(jù)，默認(rèn)情況下，隊(duì)列按照FIFO(先進(jìn)先出)的方式執(zhí)行。因此，第一份插入隊(duì)列的數(shù)據(jù)，也是第一份從隊(duì)列中刪除的數(shù)據(jù)。在實(shí)時(shí)控制的連續(xù)音頻信號(hào)采集過程中，由于需要處理許多用戶界面的事件，為了不造成數(shù)據(jù)丟失，選擇隊(duì)列在各個(gè)循環(huán)之間傳遞數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)過程如圖1所示。

    如圖1所示，在循環(huán)開始使用“獲取隊(duì)列引用”函數(shù)之前，隊(duì)列就已經(jīng)創(chuàng)建完畢。生產(chǎn)者循環(huán)使用“元素入隊(duì)列”函數(shù)向隊(duì)列中添加數(shù)據(jù)。消費(fèi)者循環(huán)使用“元素出隊(duì)列”函數(shù)從隊(duì)列中移除數(shù)據(jù)。消費(fèi)者循環(huán)一直到隊(duì)列中的數(shù)據(jù)可用時(shí)才執(zhí)行。
    可見，在此生產(chǎn)者／消費(fèi)者設(shè)計(jì)模式中，兩個(gè)循環(huán)均被同步為與生產(chǎn)者循環(huán)一致。消費(fèi)者循環(huán)只在隊(duì)列中的數(shù)據(jù)可用時(shí)才執(zhí)行。這樣就保證了消費(fèi)者循環(huán)執(zhí)行任務(wù)的連續(xù)性和高效性。并且，隊(duì)列用于循環(huán)之間的數(shù)據(jù)傳遞，創(chuàng)建全局可用的位于隊(duì)列中的數(shù)據(jù)，而且在添加新的數(shù)據(jù)到隊(duì)列時(shí)，避免了丟失數(shù)據(jù)的可能性。

2 實(shí)時(shí)控制的連續(xù)音頻信號(hào)采集系統(tǒng)
2．1 聲卡簡介
    從數(shù)據(jù)采集的角度看，聲卡是一種音頻范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)采集卡，是計(jì)算機(jī)與外部模擬量環(huán)境聯(lián)系的重要途徑。一般聲卡都是由以下幾部分組成：聲音控制／處理芯片，功放芯片，聲音輸入／輸出端口等。
    聲音控制／處理芯片是聲卡的核心，集成了采樣保持、A／D轉(zhuǎn)換、D／A轉(zhuǎn)換、音效處理等電路，它決定了聲卡的性能和檔次，基本功能包括對聲波采樣和回放控制、處理MIDI指令等，有的廠家還加進(jìn)了混響、合聲、音場調(diào)整等功能。
    功放芯片完成信號(hào)的功率放大以推動(dòng)喇叭發(fā)聲工作。聲音輸入／輸出端口是音頻信號(hào)的輸入和輸出，它主要有外接端口和內(nèi)接端口。外接端口有“SPK Out”喇叭輸出端口，“Wave Out(或Line Out)”線性輸出端口，“Line In"線性輸入端口，“MIC”麥克風(fēng)輸入端口，還有MIDI端口，連接電子樂器以及連接游戲控制器。內(nèi)接端口是內(nèi)置的輸入／輸出端口，是CD音頻接口，通過3～4針的音頻線直接連接。Line In接口和MIC都可以用于外部音頻信號(hào)的輸入，只不過后者可接入較弱的信號(hào)，幅值大約為0.02～O.2 V，顯然這個(gè)信號(hào)較易受到干擾，因而常使用Line In，它可接入幅值約不超過1 V的信號(hào)。
    市面上的聲卡主流都是16位的，聲卡的最高采樣頻率是44．1 kHz，民用的聲卡一般將采樣頻率設(shè)為4檔，分別為44.1 kHz，22.05 kHz，11.025 kHz和8 kH。與一般的數(shù)據(jù)采集卡不同，聲卡的D／A和A／D功能都是連續(xù)狀態(tài)的。
2．2 具體設(shè)計(jì)
    根據(jù)聲卡的性能指標(biāo)，將聲卡初始設(shè)置為雙聲遣、44 100 Hz采樣頻率、16位采樣精度。要使采集到的音頻信號(hào)達(dá)到逼真的效果，要求信號(hào)的采集過程保持連續(xù)，但實(shí)時(shí)控制要求程序?qū)τ脩艚缑娴目丶龀鲰懥ⅲ@就在采集的連續(xù)性和對用戶的響應(yīng)方面產(chǎn)生了矛盾。本音頻信號(hào)采集系統(tǒng)，運(yùn)用生產(chǎn)者／消費(fèi)者程序設(shè)計(jì)模式，很好地解決了這一矛盾，使生產(chǎn)者循環(huán)完成對用戶界面的響應(yīng)，消費(fèi)者循環(huán)完成音頻信號(hào)的采集任務(wù)，從而不僅提高了整個(gè)信號(hào)采集過程的效率，而且使采集的語音信號(hào)效果逼真。圖2是實(shí)際音頻信號(hào)采集系統(tǒng)前面板。

    主要程序框圖如圖3所示，在循環(huán)開始前，使用“獲取隊(duì)列引用”函數(shù)創(chuàng)建消息隊(duì)列。生產(chǎn)者循環(huán)使用“元素入隊(duì)列”函數(shù)向隊(duì)列中添加數(shù)據(jù)。消費(fèi)者循環(huán)使用“元素出隊(duì)列”函數(shù)從隊(duì)列中獲取消息并移除數(shù)據(jù)。

    該設(shè)計(jì)模式允許消費(fèi)者循環(huán)以固有速度采集信號(hào)的同時(shí)，生產(chǎn)者循環(huán)完成對用戶界面的響應(yīng)，生產(chǎn)者循環(huán)中采用事件結(jié)構(gòu)，事件結(jié)構(gòu)的延時(shí)時(shí)間為100 ms，采用輪詢操作，處理用戶界面各個(gè)控件的響應(yīng)，對信號(hào)采集進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，同時(shí)為了不影響消費(fèi)者循環(huán)中信號(hào)采集的連續(xù)性，并不是每一個(gè)用戶事件都通過隊(duì)列產(chǎn)生消息，通知消費(fèi)者循環(huán)重新配置信號(hào)采集，只有在聲卡配置參數(shù)(采樣點(diǎn)數(shù)、采樣率)發(fā)生改變時(shí)，生產(chǎn)者循環(huán)使用“發(fā)送通知”函數(shù)產(chǎn)生消息，以便通過“等待通知”函數(shù)通知消費(fèi)者循環(huán)。
    消費(fèi)者循環(huán)內(nèi)部是狀態(tài)機(jī)結(jié)構(gòu)，在第一次循環(huán)時(shí)進(jìn)入“SetUp”分支，進(jìn)行聲卡的初始化配置，從下次循環(huán)開始，在其他控件發(fā)生改變而有關(guān)聲卡配置的參數(shù)不發(fā)生變化時(shí)，生產(chǎn)者循環(huán)不會(huì)產(chǎn)生消息隊(duì)列，消費(fèi)者循環(huán)中在“daq”分支和“Wait”分支間進(jìn)行，“Wait”分支僅檢查消息隊(duì)列中是否有消息，如果沒有轉(zhuǎn)“daq”分支進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，而不會(huì)進(jìn)入聲卡配置的“SetUp”分支，這樣不僅保證了獨(dú)立的采集過程不受影響，而且由用戶界面引起的任何延時(shí)(如顯示對話框)都不會(huì)導(dǎo)致采集過程的循環(huán)操作產(chǎn)生延時(shí)，從而保證采集音頻信號(hào)的連續(xù)性。
    在用戶改變聲卡配置參數(shù)發(fā)生時(shí)，生產(chǎn)者循環(huán)響應(yīng)該事件，“元素入隊(duì)列”函數(shù)向隊(duì)列中添加消息，消費(fèi)者循環(huán)“Wait”分支中的“元素出隊(duì)列”函數(shù)從隊(duì)列中移出消息，在下次循環(huán)時(shí)進(jìn)入“Setup”分支進(jìn)行聲卡參數(shù)配置，然后轉(zhuǎn)入“daq”分支繼續(xù)進(jìn)行信號(hào)采集。在“daq”分支中除進(jìn)行數(shù)據(jù)采集外，還對信號(hào)進(jìn)行功率譜分析，并將信號(hào)保存在一個(gè)硬盤文件中。
    通過大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)采用生產(chǎn)者／消費(fèi)者設(shè)計(jì)模式設(shè)計(jì)的音頻信號(hào)采集系統(tǒng)能夠有效避免在采集過程中出現(xiàn)的聲音中斷和失真現(xiàn)象，較之以前基于其他模式的設(shè)計(jì)有一定的優(yōu)勢。

3 結(jié) 語
    在LabVIEW程序設(shè)計(jì)過程中，并行循環(huán)之問的數(shù)據(jù)傳遞必須進(jìn)行妥善處理，否則就會(huì)出現(xiàn)死循環(huán)等預(yù)想不到的錯(cuò)誤。該文介紹的生產(chǎn)者／消費(fèi)者設(shè)計(jì)模式不僅使并行循環(huán)間傳遞數(shù)據(jù)的邏輯關(guān)系更加簡潔明了，使得程序的修改維護(hù)更加方便，而且大大提高了程序運(yùn)行的效率。本文只是利用一個(gè)簡單的實(shí)時(shí)控制的連續(xù)音頻信號(hào)采集系統(tǒng)介紹了此模式的應(yīng)用，闡明了這種設(shè)計(jì)模式的思想，在用LabVIEW設(shè)計(jì)如網(wǎng)絡(luò)通信程序等要求準(zhǔn)確且響應(yīng)速度快的實(shí)時(shí)控制程序時(shí)，生產(chǎn)者／消費(fèi)者模式有很好的借鑒意義。