基于Labview的數(shù)據(jù)采集與信號處理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

王昆

（西安航空學(xué)院陜西西安710077）

隨著現(xiàn)代計算機信息技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬儀器在各個領(lǐng)域均得到了不同程度的應(yīng)用。其主要指的是在計算機硬件平臺上，用戶自行設(shè)計功能，通過測試軟件實現(xiàn)其測試功能，具有一定的便利性與靈活性[1]。作為目前最成功的虛擬儀器軟件之一，Labview屬于圖形化編程語言，其采用的是32位編譯G語言，Labview界面有利于實現(xiàn)虛擬儀器開發(fā)，兼具數(shù)據(jù)采集、分析、信號處理等多種功能，在多個領(lǐng)域均得到了廣泛地應(yīng)用。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

研究采用的是開發(fā)平臺為美國NI公司的Labview8.20平臺，采集卡為該公司研究的配套PCIMIO-16-4采集卡，其能夠完成單雙通道數(shù)據(jù)采集、虛擬信號產(chǎn)生及處理等，與傳統(tǒng)儀器相比，該虛擬儀器面板布置簡潔，具有極強的靈活性，便于各項硬件功能的實現(xiàn)，在進(jìn)行儀器性能改進(jìn)、擴展時[2]，僅需要對其軟件進(jìn)行更新，無需重新購買設(shè)備，物美價廉。且隨著現(xiàn)代計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，其將會逐步實現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的互聯(lián)、互通。其總體設(shè)計原理結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計

通常，完整的LabVIEW程序涵蓋了前面板、圖標(biāo)/連接端與框圖程序3個部分。1）前面板：采用交互式圖形化界面，為用戶端，由用戶對輸入數(shù)值進(jìn)行設(shè)置，并能夠?qū)ζ漭敵隽坑枰杂^察[3]；2）框圖：其為圖形化源代碼，能夠?qū)崿F(xiàn)對vi功能的定義，通過圖形語言實現(xiàn)對前面板的控制；3）圖標(biāo)/連接端口：將程序定義為子程序，使其能夠在其他程序靈活調(diào)用[4]。軟件系統(tǒng)設(shè)計采用的是模塊化思想，每個模快對應(yīng)相應(yīng)的功能，具體見圖2。

圖2 儀器功能設(shè)計圖

2.1 虛擬信號發(fā)生器模塊

系統(tǒng)中各類激勵信號的實現(xiàn)都需要依賴信號發(fā)生器，其能夠產(chǎn)生出不同幅度、不同頻率的信號，在自動控制系統(tǒng)、電子實驗室等領(lǐng)域中有著廣泛地應(yīng)用。在虛擬技術(shù)支持下設(shè)計信號發(fā)生器，一方面能夠節(jié)省成本，減少系統(tǒng)開發(fā)時間，另一方面能夠與其他虛擬儀器相結(jié)合，構(gòu)成一個相對完成的實驗系統(tǒng)，實現(xiàn)信號輸出[6～7]。其前面板結(jié)構(gòu)見圖3。其所產(chǎn)生的信號主要通過公式予以表述，波形主要以正弦波、方波以及三角波等為主，在具體應(yīng)用過程中可以結(jié)合需求將高斯白噪聲疊加在波形信號中，一般只需確認(rèn)噪聲標(biāo)準(zhǔn)差及種子數(shù)，便能夠?qū)崿F(xiàn)不同高斯白噪聲的疊加。用戶可以自行設(shè)置信號參數(shù)，在前面板控件作用下對信號頻率以及初始相位等進(jìn)行調(diào)節(jié)，與此同時還能夠完成對信號的存儲與回放[8]。采用仿真測試信號，能夠?qū)崿F(xiàn)對系統(tǒng)模型的測試，也可以針對信號處理進(jìn)行專項研究。經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換及信號調(diào)理后，仿真信號功率將會被放大，然后輸出程序，為外部實際電路提供所需的各類激勵信號。

圖3 虛擬信號發(fā)生器前面板示意圖

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

如圖4所示，數(shù)據(jù)采集模塊前面板顯示的是波形，該信號主要由正弦發(fā)生器對采集卡的采集獲得，單、雙通道數(shù)據(jù)采集均是通過該模塊完成的，其主要包括通道、觸發(fā)以及時基控制功能，與此同時還能夠?qū)崿F(xiàn)對波形的存儲與回放[9～10]。1）觸發(fā)控制，主要指的是對觸發(fā)斜坡、電平以及模式的控制；2）通道控制：采集主要控制通道的相關(guān)信息；3）時基控制：對采集卡掃描率以及經(jīng)過每一個通道所用的掃描次數(shù)進(jìn)行采集；4）采集模塊：對各個功能節(jié)點進(jìn)行測量，進(jìn)而實現(xiàn)對PCI-MIO-16-4采集卡的控制，確保信號模擬的實現(xiàn)以及數(shù)據(jù)的采集，在采集卡的作用下，外部模擬信號能夠向數(shù)字信號轉(zhuǎn)化，然后在PCI總線作用下將信號采集到PC機[11]。

圖4 數(shù)據(jù)采集?？烨懊姘?/p>

2.3 信號處理模塊

圖5為信號處理模塊前面板，其主要涉及到對波形參數(shù)的測量、加窗、頻譜分析等多項功能。

2.3.1 波形參數(shù)測量

波形參數(shù)主要用于對輸入信號波形幅值參數(shù)以及周圍參數(shù)、波形瞬態(tài)等的分析，只需在對應(yīng)波形參數(shù)按鈕點擊一下便能夠進(jìn)入到測量界面。

圖5 信號處理模塊前面板

2.3.2 濾波模塊

作為信號處理中一項基本而重要的基礎(chǔ)，濾波在工程測試中有著廣泛地應(yīng)用，其能夠?qū)崿F(xiàn)對信號的選頻加工。通常在測試過程中所獲得的信號存在多種不同的頻率，因此，在對某一方面特征進(jìn)行分析時，需要針對其所對應(yīng)的信號進(jìn)行處理與分析，首先要提取出需要的頻率，將無關(guān)的頻率成分剔除。信號的頻帶帶寬、振幅類型多樣、參數(shù)復(fù)雜、不盡相同，在模擬過程中，首先需要對復(fù)雜信號做出相應(yīng)的處理，適當(dāng)降低頻率帶寬，可在其中加入濾波器[12-13]，基于Labview模塊，可以選擇的濾波器有Elliptic濾波器、Chebyshev濾波器、InverseChebyshev濾波器等。濾波器類型不同，其濾波波形也會呈現(xiàn)出明顯的差異性，因此，在具體設(shè)計中要針對相應(yīng)的信號選擇適當(dāng)?shù)臑V波器對信號實施濾波處理。

2.3.3 加窗模塊

在進(jìn)行信號采樣過程中，即便對采樣條件及定理做出了充分的說明，也避免不了僅能夠獲取部分局限信號。在實時系統(tǒng)中，局限信號會產(chǎn)生一種短而粗的波形，這種波形與原始連續(xù)信號有著不同的譜特征。譜信息的泄露會導(dǎo)致實時系統(tǒng)譜特征產(chǎn)生一種假象[14]。針對這一問題，可以采用窗函數(shù)的方式加權(quán)處理時域信號，其能夠有效抑制泄露現(xiàn)象的發(fā)生。對時域截斷位置不連續(xù)情況予以改善。其可以選擇的窗類主要包括：Rectangle、Hanning、7Term等。

2.3.4 頻譜分析

頻譜分析主要經(jīng)過兩個階段，首先將時域信號轉(zhuǎn)化成為頻域信號，然后對信號進(jìn)行分析，其主要針對的是輸入的波形，主要功能有對幅頻、相頻、功率譜等的分析，其能夠?qū)?jīng)過濾波以及加窗后的矩形信號予以顯示[15]。

2.3.5 相關(guān)分析

某一信號在不同的時刻或者兩個信號在同一時間段內(nèi)存在一定的相似性，這種相似性被稱作是信號的相關(guān)性。其不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對測試信號周期性的分析，而且能夠?qū)崿F(xiàn)對隨機信號中淹沒周期信號的提取，進(jìn)而對信號做出提取與識別處理。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

PC計算機與數(shù)據(jù)采集卡共同構(gòu)成了虛擬儀器硬件平臺。虛擬儀器構(gòu)成方式復(fù)雜多樣，其中最為廉價且最基本的一種形式為PC-DAQ/PCI插卡式虛擬儀器。該研究采用的是I/O接口設(shè)備以及PCIMIO-16-4數(shù)據(jù)采集卡，其主要包括16個模擬量輸入通道與2個模擬量輸出通道，數(shù)字量I/O口共有8個，另外還包括24個位計數(shù)器[16-17]，能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能：1）信號采集。涉及到模擬信號輸入與A/D轉(zhuǎn)換，其性能指標(biāo)包括不同信號輸入方式選項、放大器增益以及量程、分辨率。放大器增益效果從1倍到100倍不等，量程范圍為±10 V與0～10 V。分辨率一般為 12 V，單通道采樣率不得超過 500 kHz/s。（2）D/A轉(zhuǎn)換部分。采用數(shù)據(jù)采集卡對外界信號進(jìn)行模擬并引入到計算機，設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，與PC機連接的采集卡能夠被自動檢測，經(jīng)過相應(yīng)的設(shè)置及測試后，打開MAX后，選擇PCI-MIO-16E-4采集卡，能夠?qū)崿F(xiàn)對設(shè)備附件、模擬信號范圍及模式等的設(shè)置。然后在Data Neighbor中將Great New Channel對話框打開，按照提示對各個項目進(jìn)行設(shè)置。

4 測試結(jié)果分析

4.1 虛擬信號發(fā)生器仿真信號分析及處理

在虛擬信號發(fā)生器作用下，添加均勻白噪聲正弦信號，并對該信號進(jìn)行分析、處理，其參數(shù)幅值設(shè)置為8 mV，頻率以5 Hz為宜，相位為0。分別對該仿真信號實施時域測量、濾波分析等，控件選擇的是選項卡，能夠?qū)y量信號波形、時域等予以顯示，與此同時還具備信號保存及打印功能，其處理結(jié)果見圖6。

4.2 數(shù)據(jù)采集卡采集信號的分析與處理

實施沖擊測試實驗，采用了ADXL001振動傳感器與PCI-MIO-16-4數(shù)據(jù)采集卡硬件，其結(jié)構(gòu)框圖見圖7。其濾波頻譜分析處理結(jié)果如圖8所示。經(jīng)過濾波及頻譜分析，可以發(fā)現(xiàn)其峰值為15 mV，其主頻率為50 Hz。

圖6 虛擬信號發(fā)生器信號分析及處理結(jié)果

圖7 沖擊測試實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖8 實驗測試濾波及頻譜分析

5 結(jié)束語

虛擬系統(tǒng)操作簡單，具備齊全的多功能數(shù)據(jù)采集及信號處理功能，其不僅能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集，而且能夠完成對收集信號的處理，具有較高的性價比，可在多個領(lǐng)域通用，具有較好的擴展性，發(fā)展前景廣闊。