黃昆 譚鈞劍 郝小江
(攀枝花學(xué)院電氣信息工程學(xué)院,四川 攀枝花 617000)
基于USB4716的虛擬信號處理儀設(shè)計
黃昆譚鈞劍郝小江
(攀枝花學(xué)院電氣信息工程學(xué)院,四川攀枝花617000)
以USB4716數(shù)據(jù)采集卡和LabVIEW軟件為核心,設(shè)計一個虛擬信號處理儀。該處理儀先通過USB4716采集外界各種信號,送入計算機,再利用LabVIEW編程所得到的前面板和程序框圖,實現(xiàn)信號的測量、濾波、加窗、頻譜分析等功能。實驗表明,虛擬信號處理儀程序設(shè)計簡單,人機界面友好,操作簡單方便,實用性較強。
虛擬儀器LabVIEWUSB4716信號處理
虛擬儀器技術(shù)發(fā)展非常迅速,只要擁有數(shù)據(jù)采集硬件和相應(yīng)的虛擬儀器軟件,就可構(gòu)成基于計算機的測量儀器。本文利用USB4716作為數(shù)據(jù)采集硬件,在安裝有LabVIEW軟件平臺的計算機上,設(shè)計出虛擬信號處理儀器,實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理與顯示等功能。
2.1硬件平臺
硬件平臺主要包括計算機和數(shù)據(jù)采集卡。
數(shù)據(jù)采集卡采用臺灣研華公司USB4716,它的主要測量與控制功能如下:
①16個單端/8個差分模擬量輸入通道;
②16-bit分辨率,采樣速率達200kS/s;
③8個數(shù)字量輸入和8個數(shù)字量輸出通道;
④2個模擬量輸出通道;
⑤總線供電,支持USB2.0和熱插拔。
2.2軟件平臺
本文采用LabVIEW2010虛擬儀器軟件平臺。它由美國NI公司開發(fā),具有直觀的前面板與簡便的圖形化編程方法,是構(gòu)建虛擬儀器的理想工具。使用LabVIEW編寫的程序也叫虛擬儀器,簡稱VI。編寫VI程序會用到LabVIEW三個操作選板:工具選板、控件選板、函數(shù)選板。
系統(tǒng)總體設(shè)計分前面板設(shè)計和程序框圖設(shè)計兩大塊,采用模塊化設(shè)計思想??傮w設(shè)計框圖如圖1所示。
虛擬信號處理儀設(shè)計可分為“信號來源”和“信號處理”兩塊。其中,信號來源包括USB4716采集信號模塊和仿真信號模塊;信號處理包括信號測量模塊、濾波模塊、加窗模塊、頻譜模塊。
圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖
4.1USB4716信號采集模塊設(shè)計
當(dāng)USB4716數(shù)據(jù)采集卡要與計算機連接交換信息時,先要安裝好驅(qū)動程序。當(dāng)驅(qū)動成功安裝后,就能在電腦設(shè)備管理器找到硬件,并能在LabVIEW中調(diào)用其對應(yīng)的數(shù)據(jù)采集函數(shù)。
采集模塊前面板和程序框圖設(shè)計如圖2所示。
圖2 采集模塊前面板和程序框圖
前面板設(shè)計包括三個數(shù)值輸入控件(設(shè)備名、采樣率、采樣數(shù))和一個傳統(tǒng)DAQ通道I/O控件,用于配置采集卡。
程序框圖設(shè)計主要是選用“ADV AI Acquire Waveform.vi”函數(shù)來實現(xiàn)。此函數(shù)功能為采集USB4716輸入的模擬信號。
4.2仿真信號產(chǎn)生模塊設(shè)計
為了功能驗證的方便,本設(shè)計增加了仿真信號產(chǎn)生模塊,主要產(chǎn)生四種典型仿真信號(正弦波、方波、鋸齒波、三角波),并且還可加入噪聲(高斯白噪聲或均勻白噪聲)。
前面板設(shè)計如圖3所示,主要包括兩個組合框控件(信號類型、噪聲類型)、兩個旋鈕控件(頻率、幅值)、兩個數(shù)值輸入控件(相位、方波占空比)、一個簇控件(模擬信號采樣信息)和一個單選按鈕控件(是否加噪聲),方便用戶產(chǎn)生各種仿真信號。
圖3 仿真信號產(chǎn)生模塊前面板
程序框圖設(shè)計如圖4所示,主要采用條件結(jié)構(gòu)和波形生成函數(shù)來實現(xiàn)。
圖4 仿真信號產(chǎn)生模塊程序框圖
4.3信號測量模塊
該模塊主要是對要進行處理的輸入信號進行簡單測量,包括信號的幅值測量和時間頻率測量。
前面板設(shè)計如圖5所示,它主要包括幅值測量的三個數(shù)值顯示控件(峰峰值、周期平均、周期均方根)和時間頻率測量的三個數(shù)值顯示控件(周期、頻率、占空比),用于顯示信號的基本信息。
圖5 信號測量模塊前面板
程序框圖設(shè)計如圖6所示,選用“幅值和電平測量”和“信號的時間與瞬態(tài)特性測量”兩個信號分析函數(shù)來實現(xiàn)。
圖6 信號測量模塊程序框圖
4.4信號濾波模塊設(shè)計
LabVIEW中擁有大量的數(shù)字濾波器,如Chebyshev濾波器、Butterworth濾波器、貝塞爾濾波器等。本設(shè)計就利用這三種濾波器對原始信號進行濾波。
前面板設(shè)計如圖7所示,它主要包括兩個枚舉型控件(濾波器、濾波器類型)和三個數(shù)值輸入控件(階數(shù)、低截止頻率、高截止頻率),用于濾波器選擇和參數(shù)設(shè)置。
圖7 信號濾波模塊前面板
程序框圖設(shè)計如圖8所示,主要采用條件結(jié)構(gòu)、濾波器函數(shù)、局部變量、解除捆綁函數(shù)來實現(xiàn)。
圖8 信號濾波模塊程序框圖
4.5信號加窗和頻譜模塊
LabVIEW中提供了大量的窗函數(shù),其中包含Blackman窗,Hanning窗,Hamming窗等。為體現(xiàn)出加窗對信號做出的處理,濾波后的信號經(jīng)加窗處理后進行波形和幅度譜顯示,其前面板和程序框圖設(shè)計如圖9所示。
圖9 信號加窗和頻譜模塊前面板和程序框圖
前面板主要包括兩個波形圖控件(加窗后的信號、加窗后幅度譜),用于直觀地顯示信號經(jīng)加窗處理后的變化。
程序框圖主要采用條件結(jié)構(gòu)、窗函數(shù)、幅度譜和相位譜函數(shù)、單位轉(zhuǎn)換函數(shù)來實現(xiàn)。
系統(tǒng)調(diào)試時,信號來源最好先選擇仿真信號,然后分別進行信號的各種處理調(diào)試。待仿真信號調(diào)試成功后,再切換USB4716數(shù)據(jù)采集信號進行。
調(diào)試USB4716采集的實際信號前,先要將外部模擬信號接入USB4716采集卡的某個通道,再將USB4716插入計算機的USB端口,等待計算機檢測到硬件設(shè)備,再打開LabVIEW程序,在前面板USB4716信號采集模塊設(shè)置好對應(yīng)參數(shù)。
下一步,在信號濾波模塊設(shè)置好濾波器參數(shù),運行程序,觀察原始采集信號和濾波后的信號,如圖10所示。
圖10 信號濾波處理
再觀察對采集信號的測量、加窗和幅度譜分析,如圖11所示。
圖11 信號的測量、加窗和幅度譜分析
由以上運行調(diào)試結(jié)果可看出,基于USB4716的虛擬信號處理儀可成功運行,采集和處理功能正常。
本設(shè)計的虛擬信號處理儀,成功地實現(xiàn)了USB4716數(shù)據(jù)采集、仿真信號的生成、信號測量、濾波、加窗、頻譜分析等功能,圖形界面友好,操作簡單方便,達到了設(shè)計目標(biāo)。但仍有需要改進完善的地方,比如可以增加信號的頻率響應(yīng)分析、相關(guān)分析、曲線擬合等功能。
參閱文獻
[1]張重雄,張思維.虛擬儀器技術(shù)分析與設(shè)計(第2版)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2012.
[2]彭勇,潘曉燁,謝龍漢.LabVIEW虛擬儀器設(shè)計及分析[M].北京:清華大學(xué)出版社,2011.
Design of Virtual Signal Processing Instrument Based on USB4716
HUANG Kun TAN Jun-jianHAO Xiao-jiang
(School of Information and Electric Engineering,Panzhihua University,Panzhihua,Sichuan 617000 China)
Based on USB4716 data acquisition card and LabVIEW software,the paper gives a virtual signal processing instrument.The instrument firstly collet outside signals through the USB4716 and sent them to the computer,then use the front panels and program diagrams obtained by LabVIEW to achieve a variety of functions,such as signal measurement,filter,add window,spectrum analysis,etc. Experiments show that the instrument has simple program design,friendly interface,simple and convenient operation,strong practicality.
virtual instrument;LabVIEW;USB4716;signal processing
TP311
A
1008-1739(2015)11-73-3
定稿日期:2015-05-12