基于PXI4461和LabVIEW的水聲信號采集系統(tǒng)設(shè)計＊

李 斌 尚 超

（海軍91388部隊 湛江 524022）

1 引言

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集一般由單片機(jī)和硬件采集電路或數(shù)據(jù)采集卡配置計算機(jī)組成。這種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有開發(fā)難度大、數(shù)據(jù)采集效率低、存儲容量小等缺點。針對傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的不足，本文利用PXI－4461采集卡、虛擬儀器軟件（LabVIEW）及主控計算機(jī)，設(shè)計了一套水聲信號采集系統(tǒng)，通過改變主控計算機(jī)上LabVIEW軟件的程序，就可以改變系統(tǒng)的功能，從而實現(xiàn)了對水聲信號的高速采樣、存儲、回放、信號處理及信號分析。

虛擬儀器VI（virtualinstrument）這一概念最早是由美國國家儀器公司（NI）在20世紀(jì)80年代提出來的，它主要由計算機(jī)、虛擬儀器軟件及儀器硬件三部分組成。用戶可以通過修改軟件就能改變其功能。虛擬儀器是計算機(jī)技術(shù)和測量技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它的出現(xiàn)給測量技術(shù)帶來了變革，相對于傳統(tǒng)儀器的物理面板，虛擬儀器具有一個十分友好的圖形方式軟面板[1]。虛擬儀器應(yīng)用軟件集成了信息采集、測試控制、數(shù)據(jù)分析、結(jié)果顯示輸出和用戶界面等功能，用軟件替代了部分或全部的硬件，因此，可以認(rèn)為軟件就是儀器，它是現(xiàn)代測試儀器系統(tǒng)的核心。

2 水聲信號采集系統(tǒng)硬件設(shè)計

整個水聲信號采集系統(tǒng)由水聽器、PXI－4461采集卡、PC機(jī)、數(shù)據(jù)采集與處理軟件組成。水聽器連接采集卡的模擬量采集通道，這樣就可實現(xiàn)采集卡對水聲信號的采集，并通過PXI總線送給PC機(jī)，PC機(jī)在應(yīng)用程序控制下，對水聲信號進(jìn)行處理，完成各種電量測試，并將采集到的水聲信號數(shù)據(jù)存儲到硬盤，最后在屏幕上以波形圖和數(shù)據(jù)形式顯示。整個系統(tǒng)的功能框圖如圖1所示。

圖1 水聲信號采集系統(tǒng)信號流程框圖

PXI－4461采集卡是整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心，采集卡的A／D轉(zhuǎn)換器的分辨率：24位；最高采樣率：204kS／s；兩路24位模擬輸入和輸出；具有同步觸發(fā)功能；模擬輸入范圍：±10V。

3 水聲信號采集系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 程序設(shè)計

LabVIEW是一種基于圖形語言編程的可視化軟件開發(fā)平臺，與VC、VB等其他可視化編程語言相比，其函數(shù)庫豐富、調(diào)試方便，而且開發(fā)界面簡單，界面風(fēng)格與傳統(tǒng)儀器相似，它用圖標(biāo)、連線和框圖代替?zhèn)鹘y(tǒng)的程序代碼，可以形象地觀察數(shù)據(jù)的傳輸過程。LabVIEW是目前國際上應(yīng)用最廣的數(shù)據(jù)采集和控制開發(fā)環(huán)境之一，它具有十分強(qiáng)大的功能，如數(shù)值運(yùn)算、信號處理、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)采集以及圖形獲取和傳輸?shù)取?/p>

本實驗系統(tǒng)主要由信號采集、存儲、信號處理及信號分析等部分組成。系統(tǒng)的基本工作過程是：啟動LabVIEW程序后，首先設(shè)置信號采集卡PXI－4461的通道、采樣頻率、觸發(fā)類型、觸發(fā)電平等，然后啟動采集，進(jìn)行連續(xù)采集并將采集到的數(shù)據(jù)存放到計算機(jī)硬盤。在保存信號數(shù)據(jù)的同時，程序會對采集到的信號進(jìn)行濾波、Hilbert變換取包絡(luò)、信號有效性判斷、得出被測信號的時延值并以文本文件的格式保存起來。

3.2 信號采集模塊

PXI－4461采集卡直接采集水聽器接收的水聲信號，采集的結(jié)果直接影響后續(xù)的數(shù)據(jù)處理、分析。LabVIEW信號采集程序的編寫主要包括：配置通道參數(shù)、觸發(fā)設(shè)置、采樣時鐘設(shè)置、讀取函數(shù)設(shè)置。圖2是信號采集模塊程序框圖。

圖2 信號采集模塊程序

1）設(shè)置配置通道函數(shù)，可以設(shè)置信號的輸入、輸出通道名，按照所需要的任務(wù)設(shè)置成單通道或是多通道模擬信號、數(shù)字信號、計數(shù)器的輸入或輸出，本系統(tǒng)選擇輸入通道選ai0，電壓測量，設(shè)置輸入電壓的范圍是±5V。

2）設(shè)置觸發(fā)模式，觸發(fā)就是設(shè)置數(shù)據(jù)采集在什么條件下開始，這里選擇數(shù)字信號觸發(fā)，邊沿設(shè)置數(shù)字信號的上升沿或下降沿觸發(fā)，本系統(tǒng)中設(shè)置為數(shù)字信號的上升沿觸發(fā)。

3）設(shè)置采樣時鐘，設(shè)置采樣模式、采樣率和每通道采樣數(shù)。PXI－4461采集卡的最高采樣率是204kS／s，采樣時鐘的采樣頻率一般最小是被采集信號頻率的兩倍。

4）設(shè)置讀取數(shù)據(jù)函數(shù)，可讀取一個或多個通道的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)類型可以是雙精度浮點型和波形數(shù)據(jù)。設(shè)置每通道的采樣數(shù)，如任務(wù)進(jìn)行連續(xù)采樣且該輸入的值為－1，VI將讀取緩沖區(qū)中當(dāng)前可用的全部采樣。如采集一定數(shù)量的采樣且該輸入的值為－1，VI將等待任務(wù)獲取全部所需采樣，然后讀取采樣。本系統(tǒng)讀取函數(shù)選擇模擬單通道多采樣1DDBL。

3.3 數(shù)據(jù)存儲、回放模塊

圖3 數(shù)據(jù)存儲模塊

圖4 數(shù)據(jù)回放模塊

數(shù)據(jù)存儲模塊子程序可以利用寫入測量文件VI存儲文件，在寫入測量文件VI的屬性中可以設(shè)置保存文件的類型，文件的類型主要有文本格式和二進(jìn)制格式。如設(shè)置文件格式為基于文本的測量文件（.lvm），則在文件名稱中設(shè)置文件擴(kuò)展名為.lvm。如設(shè)置文件格式為二進(jìn)制測量文件（.tdms），則在文件名稱中設(shè)置文件擴(kuò)展名為.tdms。

數(shù)據(jù)回放是為了使用戶在實時采集存儲和數(shù)據(jù)分析測量后，重新對信號做進(jìn)一步的分析和處理，LabVIEW軟件中有現(xiàn)成的讀取文件的VI，可將采集到的波形和數(shù)據(jù)讀出來。同理，根據(jù)存儲的文件類型設(shè)置讀取文件的類型，可以利用波形圖控件顯示存儲的波形文件。

3.4 數(shù)據(jù)處理分析模塊

數(shù)據(jù)處理是通過濾波、降噪等手段，得到我們想要的有用信號，數(shù)據(jù)分析則是通過運(yùn)算等方法分析信號，使我們對信號有進(jìn)一步的認(rèn)識。LabVIEW軟件中一般選用Butterworth濾波器對信號濾波，得到理想的信號，對信號進(jìn)行時域分析和頻域分析。

圖5 信號處理分析模塊

4 實驗室試驗結(jié)果

本系統(tǒng)的設(shè)計目的是通過采集信號，檢測被測信號的時延值。實驗室利用信號發(fā)生器模擬目標(biāo)發(fā)出30KHz的信號，周期是1s，脈寬10ms，經(jīng)發(fā)射換能器從水中發(fā)射出去，接收水聽器接收到30KHz的信號后，通過采集卡的模擬輸入通道被采集卡采集。采集到的信號經(jīng)Butterworth濾波器濾波，去除噪聲，對濾波后的信號進(jìn)行Hilbert變換，取信號的包絡(luò)，利用閾值檢測控件判斷信號的有效性，從而得出被測信號的時延值。圖6為系統(tǒng)程序的前面板和程序框圖。

圖6為LabVIEW程序的前面板，可以直觀的看到我們采集到的信號的波形圖，我們選取的是PXI－4461采集卡采集信號，因為只有一路信號輸入，所以我們選擇模擬輸入ai0通道，輸入電壓范圍設(shè)為±5V，采樣率設(shè)為100KHz，觸發(fā)信號設(shè)為數(shù)字信號觸發(fā)，數(shù)字信號上升沿時觸發(fā)數(shù)據(jù)采集。程序主要設(shè)計功能包括：采集信號、將信號存儲起來、對信號濾波、對濾波信號進(jìn)行Hilbert變換取包絡(luò)、利用閾值檢測VI對信號進(jìn)行有效性判斷，得出時延數(shù)據(jù)、最后將檢測的時延數(shù)據(jù)保存到當(dāng)前文件目錄下的文本文件中。

圖6 程序設(shè)計的前面板

5 結(jié)語

本采集系統(tǒng)主界面采用菜單式設(shè)計，各個功能以模塊化編程，各模塊都有自己的前面板，程序的可移植性比較強(qiáng)。采集程序?qū)崿F(xiàn)了對水聲信號的采集、存儲、信號分析，最后得到了所需要的時延數(shù)據(jù)，并以文本的形式將時延數(shù)據(jù)保存了起來，通過對時延數(shù)據(jù)的處理，可測出試驗?zāi)复嗄繕?biāo)的距離。

LabVIEW是一種圖形化編程語言，功能強(qiáng)大，PXI－4461采集卡的DAQmx數(shù)據(jù)采集方法簡單易學(xué)，操作方便。通過修改前面板的控件參數(shù)就可以輕松地實現(xiàn)對程序功能的改變，真正將人從編程中解放了出來。只需了解和掌握驅(qū)動程序的功能，就能利用LabVIEW進(jìn)行數(shù)據(jù)的開發(fā)和運(yùn)用，這對我們在實驗室對試驗進(jìn)行仿真提供了很大的便利，必將成為未來數(shù)據(jù)采集發(fā)展的趨勢。

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