基于LabV IEW的信號(hào)分析儀的設(shè)計(jì)

陳貞

(莆田學(xué)院電子信息工程學(xué)系，福建莆田 351100)

數(shù)字信號(hào)處理是電子信息類專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課程之一，其基本理論和方法具有廣泛的應(yīng)用［1］，目前的教學(xué)實(shí)驗(yàn)方式為，教師對(duì)課本內(nèi)容作講解，配合使用多媒體課件展示一些圖片，在實(shí)驗(yàn)中使用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，即以指示燈和部分開(kāi)關(guān)模擬整個(gè)工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中既體會(huì)不到信號(hào)特性分析對(duì)象的概念，也無(wú)法領(lǐng)會(huì)信號(hào)分析儀中時(shí)域分析部分和頻域分析部分的形象分析.不利于培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣，教學(xué)效率也較低.而信號(hào)分析儀實(shí)驗(yàn)室的一套分析設(shè)備，需要資金和人員的維護(hù)，是典型的信號(hào)分析儀器產(chǎn)品和理想的教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備.但是這樣的設(shè)備不能搬進(jìn)課堂里，并且從數(shù)量上也無(wú)法滿足所有學(xué)生的實(shí)驗(yàn)要求.

將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)成為虛擬實(shí)驗(yàn)室，來(lái)虛擬地實(shí)現(xiàn)各種實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)操作，它是在計(jì)算機(jī)仿真基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)應(yīng)用技術(shù).利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形和數(shù)據(jù)處理功能可以虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的物理系統(tǒng)及其控制系統(tǒng)，將計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)與虛擬儀器技術(shù)通過(guò)數(shù)據(jù)交換共享建成的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，能夠代替部分實(shí)際實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目供學(xué)生學(xué)習(xí).這樣的實(shí)驗(yàn)同樣能給人創(chuàng)造一種近乎進(jìn)行真實(shí)實(shí)驗(yàn)的感覺(jué)，實(shí)驗(yàn)者可以像在真實(shí)環(huán)境中一樣完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)起到重要的促進(jìn)作用.

1 信號(hào)分析儀的總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于LabVIEW的信號(hào)分析儀平臺(tái)，具有初級(jí)信號(hào)處理、信號(hào)的時(shí)域分析、信號(hào)的頻域分析等模塊和數(shù)字功能、圖形化功能及存儲(chǔ)數(shù)據(jù)功能的信號(hào)分析儀的教學(xué)系統(tǒng)平臺(tái).

系統(tǒng)軟件環(huán)境:采用WINXP中文操作系統(tǒng)和LabVIEW8.6開(kāi)發(fā)平臺(tái)，使用結(jié)構(gòu)化和模塊化的編程思想進(jìn)行應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)［2］.在LabVIEW開(kāi)發(fā)平臺(tái)下，模塊化編程是實(shí)現(xiàn)軟件結(jié)構(gòu)化的重要手段.系統(tǒng)應(yīng)用程序分為四個(gè)模塊:數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和波形處理模塊.在具體編程時(shí)按層次結(jié)構(gòu)將每一個(gè)細(xì)節(jié)任務(wù)編制成結(jié)構(gòu)完整、功能相對(duì)獨(dú)立的子程序塊.軟件部分總體構(gòu)成如圖1所示.

圖1 軟件總體框圖

信號(hào)采集模塊:信號(hào)采集模塊完成測(cè)量信號(hào)參量的采集，即從實(shí)驗(yàn)教學(xué)隨機(jī)采集的各種信號(hào)，然后通過(guò)LabVIEW虛擬儀器的驅(qū)動(dòng)程序完成信號(hào)采集過(guò)程.

信號(hào)處理模塊:信號(hào)處理模塊是本系統(tǒng)軟件的核心部分，主要對(duì)采集得到的信號(hào)進(jìn)行處理，分析常見(jiàn)波形信號(hào)的時(shí)域、頻域和信號(hào)特性等.

信號(hào)存儲(chǔ)模塊:信號(hào)存儲(chǔ)模塊完成將各模塊分析后的數(shù)據(jù)以Excel格式保存在文件中，并存放在計(jì)算機(jī)硬盤一定的目錄下以便操作人員查閱和進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析.

波形處理模塊:波形處理模塊包括波形數(shù)據(jù)的存盤和波形的回放以及波形圖像的保存.其中波形圖像保存為bmp格式.

2 主界面總體設(shè)計(jì)

為了提高《信號(hào)分析與處理》課程的教學(xué)水平，通過(guò)分析課程的特點(diǎn)和教學(xué)內(nèi)容［3］，研究了在目前技術(shù)條件下實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)成要求，設(shè)計(jì)了一種基于虛擬儀器的綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng).該實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)把理論知識(shí)和虛擬儀器系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)，構(gòu)成一個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，內(nèi)容包括初級(jí)信號(hào)處理模塊、信號(hào)的時(shí)域分析模塊、信號(hào)的頻域分析模塊和信號(hào)濾波及特性分析模塊，這四個(gè)模塊都是信號(hào)分析與處理教程的重中之重.主界面圖和程序框圖分別如下圖2(a)、圖2(b)所示.

3 信號(hào)分析儀的模塊設(shè)計(jì)

3.1 初級(jí)信號(hào)處理模塊

該模塊是本設(shè)計(jì)的第一個(gè)小模塊，也是信號(hào)分析與處理的基礎(chǔ)知識(shí)，總共包括信號(hào)的發(fā)生、信號(hào)的微分和積分以及周期信號(hào)的平均值和均方根.

基本信號(hào)發(fā)生模塊是信號(hào)分析最基礎(chǔ)的知識(shí)模塊，以此模塊為基礎(chǔ)，在接下來(lái)的模塊設(shè)計(jì)中在分區(qū)段的進(jìn)行信號(hào)分析處理，以達(dá)到本次課題的設(shè)計(jì)目標(biāo)和實(shí)現(xiàn)價(jià)值.該模塊由一個(gè)基本函數(shù)信號(hào)發(fā)生器控件和一個(gè)波形控件共同來(lái)完成的模塊.前面板圖和程序框圖分別如下圖3(a)、圖3(b)所示.

3.2 時(shí)域分析模塊

連續(xù)時(shí)間信號(hào)的時(shí)域分析就是將不同形式的信號(hào)波形用不同的時(shí)間函數(shù)來(lái)描述.本模塊包括信號(hào)的自相關(guān)性、信號(hào)的卷積定律、信號(hào)的互相關(guān)性和周期信號(hào)的時(shí)域特性測(cè)量.

周期信號(hào)的時(shí)域特性測(cè)量使用方波波形和高斯白噪聲波形共同疊加完成模塊實(shí)現(xiàn)，參數(shù)模塊設(shè)計(jì)過(guò)程中增加了方波頻率、方波幅值、采樣參數(shù)、噪聲標(biāo)準(zhǔn)差分別通過(guò)方波波形和高斯白噪聲波形，之后進(jìn)行疊加產(chǎn)生波形圖，同時(shí)還經(jīng)過(guò)瞬態(tài)特性測(cè)量和脈沖測(cè)量分別進(jìn)行時(shí)域特性分析.前面板和程序框圖如下圖4(a)、圖4(b)所示.

圖4 (a)前面板圖

圖4 (b)程序框圖

3.3 頻域分析模塊

頻域分析是通過(guò)傅里葉變換來(lái)觀察信號(hào)的頻率組成成分.傅里葉變換的一個(gè)基本應(yīng)用就是計(jì)算信號(hào)的頻譜，通過(guò)頻譜可以方便地觀察和分析信號(hào)的頻率組成成分.學(xué)生從本環(huán)節(jié)中可以清晰地觀察到振動(dòng)信號(hào)的頻率組成成分.

其中四種常見(jiàn)波形的頻譜分析模塊在輸出端一邊經(jīng)過(guò)捆綁輸出頻譜分析圖，另一邊通過(guò)FFT的變換，再通過(guò)復(fù)制極坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，最后再通過(guò)捆綁產(chǎn)生變換后的頻譜分析波形圖.前面圖和程序框圖如下圖5(a)、圖5(b)所示.

圖5 (a) 前面板圖

圖5 (b)程序框圖

3.4 信號(hào)濾波及特性分析模塊

該模塊包括了窗函數(shù)及濾波器的應(yīng)用，調(diào)幅波解調(diào)器，信號(hào)的互平穩(wěn)性－聲卡設(shè)計(jì)，虛擬函數(shù)信號(hào)發(fā)生器.

虛擬函數(shù)信號(hào)發(fā)生器模塊是信號(hào)分析最綜合的知識(shí)模塊，也是本次設(shè)計(jì)程序的整個(gè)過(guò)程思想的實(shí)現(xiàn)方法，僅以此模塊為基礎(chǔ)，在接下來(lái)的模塊設(shè)計(jì)中在分區(qū)段的進(jìn)行信號(hào)分析處理，以達(dá)到系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)和實(shí)現(xiàn)價(jià)值.該模塊由一個(gè)基本函數(shù)信號(hào)發(fā)生器控件和一個(gè)公式波形控件共同來(lái)完成的模塊.前面板圖和程序框圖如下圖6(a)、圖6(b)所示.

圖6 (a)前面板圖

4 結(jié)論

基于虛擬儀器概念的信號(hào)分析儀系統(tǒng)，使用LabVIEW8.6版本虛擬儀器軟件，最終實(shí)現(xiàn)了基于信號(hào)分析儀的教學(xué)平臺(tái)的設(shè)計(jì)，具有頻譜分析儀功能的諧波分析儀系統(tǒng)，并具備數(shù)字存儲(chǔ)示波器功能.由于使用了LabVIEW進(jìn)行系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)，使得本系統(tǒng)具有很好的通用性和靈活性.

但本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和回放模塊還只能完成單通道的存儲(chǔ)和讀取，不能實(shí)現(xiàn)雙通道數(shù)據(jù)的同時(shí)存儲(chǔ)和讀取，這一方面有待進(jìn)一步加強(qiáng).另外所開(kāi)發(fā)的虛擬信號(hào)分析分析儀還未具有網(wǎng)絡(luò)功能.

圖6 (b)程序框圖

［1］王懷興.基于Labview的信號(hào)與系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.湖北第二師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，26(2):76－78.

［2］袁淵，古軍.Labview程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用［M］.西安:電子科技大學(xué)出版社，2000.

［3］徐科軍.信號(hào)處理技術(shù)［M］.武漢:武漢理工大學(xué)出版社，2002.