基于生產(chǎn)者/消費者設(shè)計模式的連續(xù)音頻信號采集系統(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，由于其圖形化的編程方式具有簡單易學、直觀方便、功能強大等特點，是很多工程設(shè)計人員進行虛擬儀器開發(fā)的首選。生產(chǎn)者／消費者設(shè)計模式是NI公司最新推出的程序設(shè)計概念，它從主／從設(shè)計模式發(fā)展而來，生產(chǎn)者／消費者設(shè)計模式將生產(chǎn)和消費數(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循環(huán)之間數(shù)據(jù)共享的能力，對于多任務(wù)處理和實時性、連續(xù)性要求嚴格的程序設(shè)計，生產(chǎn)者／消費者設(shè)計模式是較好的選擇。在虛擬儀器系統(tǒng)中，硬件解決信號的輸入和輸出，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。其中信號的輸入部分一般使用數(shù)據(jù)采集卡實現(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范圍內(nèi)數(shù)據(jù)采集的需要，個別性能指標還優(yōu)于商用數(shù)據(jù)采集卡，而價格卻為商用數(shù)據(jù)采集卡的十幾分之一甚至幾十分之一。若保證信號采集的逼真性，在采集過程中的連續(xù)性和實時控制顯得尤為重要。

本文以LabVIEW為平臺，著重介紹了生產(chǎn)者／消費者模式的實現(xiàn)，以及在實時控制的連續(xù)音頻采集系統(tǒng)中的應(yīng)用。

1 生產(chǎn)者／消費者設(shè)計模式概念及其實現(xiàn)

1．1 生產(chǎn)者／消費者設(shè)計模式概念

生產(chǎn)者／消費者設(shè)計模式包括多個并行循環(huán)，每個循環(huán)以不同的速率執(zhí)行任務(wù)。一個循環(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)控制所有消費數(shù)據(jù)的循環(huán)，并且使用通信技術(shù)與它們進行通信。

1．2 生產(chǎn)者循環(huán)與消費者循環(huán)之間的通信

在LabVIEW程序設(shè)計過程中，變量(局部變量和全局變量)、通知器、隊列常用于多個循環(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數(shù)據(jù)。根據(jù)不同的變量類型，數(shù)據(jù)的實際位置也不一樣。局部變量將數(shù)據(jù)存儲在前面板的輸入控件和顯示控件中，全局變量和單進程共享變量將數(shù)據(jù)存儲在特殊的通過多個VI可以訪問的倉庫中。不管變量將數(shù)據(jù)存儲在何處，所有的變量都可以在不使用連線連接兩個地方的條件下把數(shù)據(jù)從一個地方傳遞到另一個地方，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，變量不僅不能保證各個循環(huán)之間的同步，而且使用變量會破壞LabVIEW的數(shù)據(jù)流模式，在對變量進行讀寫操作時容易產(chǎn)生內(nèi)存拷貝，浪費內(nèi)存資源，影響系統(tǒng)運行效率。

變量還允許競爭狀態(tài)的出現(xiàn)，競爭狀態(tài)不容易識別和調(diào)試，因為輸出取決于操作系統(tǒng)執(zhí)行排定的任務(wù)和外部時間定時的順序。任務(wù)之間和任務(wù)同計算機之間的交互方式，以及外部時間的任意定時都使這種順序變得隨機。很多情況下，帶有競爭狀態(tài)的代碼會在數(shù)千次測試中返回相同的結(jié)果，但仍然可能會在運行時返回一個不同的結(jié)果。

對生產(chǎn)者／消費者設(shè)計模式的一個更有效的實現(xiàn)是使用通知器和隊列使數(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，將同時發(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，因為數(shù)據(jù)可用時，主從循環(huán)都已完成定時，并準備實現(xiàn)一個良好的生產(chǎn)者／消費者設(shè)計模式。但是通知器不會緩沖數(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)就會被覆蓋并丟失。隊列類似于通知器。但它可以存儲多份數(shù)據(jù)，默認情況下，隊列按照FIFO(先進先出)的方式執(zhí)行。因此，第一份插入隊列的數(shù)據(jù)，也是第一份從隊列中刪除的數(shù)據(jù)。在實時控制的連續(xù)音頻信號采集過程中，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，選擇隊列在各個循環(huán)之間傳遞數(shù)據(jù)，實現(xiàn)過程如圖1所示。

如圖1所示，在循環(huán)開始使用“獲取隊列引用”函數(shù)之前，隊列就已經(jīng)創(chuàng)建完畢。生產(chǎn)者循環(huán)使用“元素入隊列”函數(shù)向隊列中添加數(shù)據(jù)。消費者循環(huán)使用“元素出隊列”函數(shù)從隊列中移除數(shù)據(jù)。消費者循環(huán)一直到隊列中的數(shù)據(jù)可用時才執(zhí)行。

可見，在此生產(chǎn)者／消費者設(shè)計模式中，兩個循環(huán)均被同步為與生產(chǎn)者循環(huán)一致。消費者循環(huán)只在隊列中的數(shù)據(jù)可用時才執(zhí)行。這樣就保證了消費者循環(huán)執(zhí)行任務(wù)的連續(xù)性和高效性。并且，隊列用于循環(huán)之間的數(shù)據(jù)傳遞，創(chuàng)建全局可用的位于隊列中的數(shù)據(jù)，而且在添加新的數(shù)據(jù)到隊列時，避免了丟失數(shù)據(jù)的可能性。

2 實時控制的連續(xù)音頻信號采集系統(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，是計算機與外部模擬量環(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，有的廠家還加進了混響、合聲、音場調(diào)整等功能。