用声卡实现的存储示波器

用声卡实现的存储示波器

文章目录

• 用声卡实现的存储示波器
• • 背景知识
  • • 采样频率
    • 量化精度
    • 生产者/消费者模式
  • 总体规划
  • • 设计目标
    • 功能规划
    • 界面规划
    • 程序结构
  • 从声卡采集数据
  • • 声音采集类的定义
    • 消费者/生产者实例
  • wxPython布局基础
  • • 最简单的窗口程序框架
    • 界面布局方法
  • 界面设计
  • • 示波器屏幕原型
    • 框架原型
  • 逻辑处理
  • • 声明主窗口的若干重要属性
    • 在状态栏上显示采集到的数据时间长度
    • 从数据队列中读出数据

背景知识

如果没有工科背景，就不要纠结于什么是示波器以及为什么要加上存储这个限定词了，我们还是关注重点吧：什么是音频信 们人耳能听到的声音的频率范围，大约在20Hz到20000Hz之间，低于下限的，叫次声波，超过上限的，叫超声波。麦克将声音变成了电流，这就是音频信 。音频信 有频率和幅度的变化，存储示波器可以把一段时间内的音频信 直观地显示在屏幕上。

采样频率

声音是连续的，麦克输出的音频信 也是连续的。计算机只能处理数字化信息，所以要对音频信 做数字化处理，这就是所谓的模（拟）数（字）转换或A/D转换，其本质是每隔一个固定间隔时间测量一次信 的大小，并用这个测量值近似代替这个时间间隔内的信 幅度。如果测量的频率超过信 最高频率的两倍，A/D转换就可以取得很好的效果。这个测量频率就是采样频率，业界的标准之一是44100Hz，是音频上限的两倍多一点。

量化精度

A/D转换过程中每次采样得到的数据都需要保存下来。采集到的信 大小，如果用一个字节表示，则信 的动态范围是从-128到127，用两个字节表示，则信 的动态范围是从-32768到32767。这就是所谓的量化精度。

生产者/消费者模式

让我们来想象一个包饺子的场景：有人负责擀皮儿，擀好的饺子皮儿一张张摞成一摞；有人负责包饺子，从成摞的饺子皮儿上揭起一张，放馅儿、捏紧，码放在平板上；有人负责煮饺子，一次取走一平板。擀皮儿、包饺子、煮饺子，是三道相互依赖又各自独立的工序，前道工序是生产者，后道工序是消费者，生产者和消费者之间使用缓冲区作为隔离，最大限度地解除二者之间的相互影响。

总体规划

设计目标

为了描述方便，我先把最终的效果贴在下面。

这段代码定义了一个音频采集（AudioCapture）类中，实例化时需要提供一个数据队列。从声卡读出的数据是str类型，需要使用numpy的fromstring()方法转成numpy的array类型。另外请注意，向队列中写数据时，采用的是非阻塞式的，如果队列已满，则会抛出异常，所以需要捕获该异常。

消费者/生产者实例

下面的代码，演示了一个典型的生产者/消费者模式：一个子线程负责采集数据并写入队列，一个子线程负责从队列中取出数据并显示。同时，也展示了如何创建及使用队列、如何创建及管理线程。

wxPython布局基础

最简单的窗口程序框架

万丈高楼平地起。几乎所有的窗口程序，都可以从下面这个基本框架开始。

源码：base.py

界面布局方法

在开始UI设计之前，有必要先来了解一下wxPython的控件布局理论。wx的所有控件几乎都有parent/id/pos/size/style等属性，其中pos是position的简写，这是一个二元组，表示控件左上角距离在其父级控件左上角的像素距离。我们可以通过设置每个控件的pos实现控件布局，这就是所谓的静态布局法。当程序窗口尺寸变化时，静态布局很难保持好的显示效果，所以更常用的布局方法是使用布局管理控件。

wx.BoxSizer是最常用的布局管理控件，可以将其视为控件容器。装入wx.BoxSizer中的所有控件，垂直或者水平排列。不同于大多数的控件有具体的形象，wx.BoxSizer是无形的、不可见的，实例化时也不需要parent/id/pos/size/style等属性，只需要指定是水平的还是垂直的。下面这段代码演示了如何使用wx.BoxSizer实现布局。