基于LabWindows/CVI的實(shí)時頻譜分析儀

王　鑫，張驚雷

(天津市復(fù)雜控制理論及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津理工大學(xué)自動化學(xué)院　天津　300384)

0　引言

虛擬儀器技術(shù)開創(chuàng)了測控領(lǐng)域的新時代，它是在以計算機(jī)為核心的平臺上，利用其強(qiáng)大的資源設(shè)計開發(fā)具有虛擬面板，測試任務(wù)由軟件算法實(shí)現(xiàn)的一種計算機(jī)儀器系統(tǒng)。

LabWindows/CVI是一種基于ANSI C的虛擬儀器開發(fā)環(huán)境，它將C語言的強(qiáng)大功能與靈活的使用方法帶入到測試、測量和智能儀器等工程領(lǐng)域[1]。由于LabWindows/CVI擁有功能強(qiáng)大的圖形顯示控件、豐富的信號分析函數(shù)庫和良好的開發(fā)環(huán)境，因此非常適合開發(fā)信號分析相關(guān)的應(yīng)用系統(tǒng)。設(shè)計采用LabWindows/CVI多線程技術(shù)，主線程用于顯示面板和響應(yīng)用戶各種初始化操作，其他各線程用于數(shù)據(jù)采集、顯示、濾波、幅頻分析、數(shù)據(jù)管理等模塊的操作。實(shí)驗(yàn)證明系統(tǒng)波形刷新速度快、參數(shù)準(zhǔn)確，滿足了對實(shí)時性和準(zhǔn)確性要求。

1　硬件結(jié)構(gòu)

實(shí)時頻譜分析儀包括傳感器、信號調(diào)理、PCI-6221數(shù)據(jù)采集卡及裝有LabWindows/CVI的計算機(jī)。系統(tǒng)方框圖，如圖1所示。傳感器將測量對象的非電信號轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)過信號調(diào)理模塊達(dá)到合適的量程以滿足PCI-6221數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸入要求。PCI-6221將輸入的模擬電壓經(jīng)多通道A/D采集轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號進(jìn)入計算機(jī)開始運(yùn)算處理。PCI-6221擁有16路16位AI通道，最高采樣率250 kS/s，2路16位模擬輸出 (833 kS/s)，24路數(shù)字I/O線，32位計數(shù)器，關(guān)聯(lián) (Correlated)DIO (8條時鐘線，1 MHz)。它是一款低價位多功能M系列數(shù)據(jù)采集(DAQ)板卡，經(jīng)優(yōu)化適用于該系統(tǒng)的應(yīng)用。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2　軟件設(shè)計

2．1多線程機(jī)制采集任務(wù)的實(shí)現(xiàn)

多線程機(jī)制數(shù)據(jù)采集任務(wù)分為用戶界面控制、通道選擇、數(shù)據(jù)采集和實(shí)時顯示等。任務(wù)線程由基于LabWindows/CVI異步定時機(jī)制的多線程技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，能夠精確控制執(zhí)行次線程回調(diào)函數(shù)的執(zhí)行周期。以下將對其在LabWindows/CVI 2010版平臺下的關(guān)鍵代碼進(jìn)行說明。

數(shù)據(jù)采集方案流程圖如圖2所示。

圖2　數(shù)據(jù)采集方案流程圖

程序開始之前首先要聲明全局變量和宏定義。

static int timerid；//異步定時器句柄

static TaskHandlegTaskHandle=0；//采集任務(wù)句柄

static uInt32gNumChannels；//采集通道數(shù)

float64 *gData=NULL；//開辟數(shù)據(jù)存儲空間

……//其他定義

然后開始執(zhí)行通道設(shè)置程序。

NIDAQmx_NewPhysChanAICtrl(panelHandle，ChannelNum[i]，1//獲取通道信息

利用DAQmx提供的驅(qū)動庫函數(shù)，創(chuàng)建模擬量采集任務(wù)。

DAQmxCreateTask(""，&gTaskHandle)；

DAQmxCreateAIVoltageChan(gTaskHandle，ChanV-alue[i]，""，DAQmx_Val_Cfg_Default，-ampvalue，ampvalu-e，DAQmx_Val_Volts，NULL)；

}//輸入設(shè)置

DAQmxCfgSampClkTiming(gTaskHandle，""，rata，DAQmx_Val_Rising，DAQmx_Val_ContSamps，sampsPe-rChan)；//采樣率rata=10k Hz

DAQmxGetTaskAttribute(gTaskHandle，DAQmx_T-ask_NumChans，&gNumChannels)；//獲取通道數(shù)

DAQmxStartTask(gTaskHandle)；//開始采集任務(wù)

DAQmxReadAnalogF64(gTaskHandle，sampsPerCh-an，1．0，DAQmx_Val_GroupByChannel，gData，sampsPerC-han，&numRead，0)；//讀取數(shù)據(jù)儲存到數(shù)組gData．

2．2三步法巴特沃斯濾波器的軟件實(shí)現(xiàn)

采用軟件實(shí)現(xiàn)的數(shù)字濾波器主要有兩種，無限沖擊響應(yīng)濾波器(IIR濾波器)和有限沖擊響應(yīng)濾波器(FIR濾波器)。IIR濾波器能更好的保留幅頻特性，而FIR濾波器可以實(shí)現(xiàn)相位的不失真。根據(jù)以上特點(diǎn)比較，設(shè)計采用屬于IIR濾波器的三步法巴特沃斯濾波器[2]。

在LabWindows/CVI中實(shí)現(xiàn)三步法巴特沃斯濾波器的代碼如下：

IIRFilterPtr filterinformation；//定義濾波器系數(shù)結(jié)構(gòu)體指針

filterinformation =AllocIIRFilterPtr (BANDPASS，order)；//定義帶通濾波器結(jié)構(gòu)

然后在界面里通過設(shè)置濾波相關(guān)項(xiàng)目來定義濾波器具體參數(shù)，如圖3左半部分中間位置所示。

圖3　實(shí)時頻譜分析儀界面

lowercutoff用于設(shè)置下限截止頻率，highercutoff用于設(shè)置上限截止頻率。filterinformation用于設(shè)置四種濾波器類型：

filterinformation =AllocIIRFilterPtr (Type，order)；

Type里可以選擇：LOWPASS低通濾波、HIGHPASS高通濾波、BANDPASS帶通濾波、 BANDSTOP帶阻濾波。濾波器階數(shù)通過設(shè)置order來獲得：

GetCtrlVal(panelHandle，PANEL_NUMERIC_ORDER，&order)；

然后產(chǎn)生巴特沃斯濾波器系數(shù)：

Bw_CascadeCoef(wavepoint，lowercutoff，highercutoff，filterinformation)；

然后對采集的gData數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波：

IIRCascadeFiltering(gData，wavepoint，filterinformation，gData)；

最后釋放濾波器結(jié)構(gòu)，任務(wù)結(jié)束：

FreeIIRFilterPtr (filterinformation)；

2．3基于離散傅里葉變換的頻譜分析方法

信號的幅頻分析[3]是用FFT將信號從時域波形轉(zhuǎn)化到以頻率f或ω頻域波形為橫坐標(biāo)變量來描述信號的幅值、相位變化規(guī)律[4-5]。離散傅里葉變換(Discrete Fourier Transform，DFT)計算公式是

獲得時域信號后，在LabWindows/CVI的信號分析庫中可以用AutoPowerSpectrum函數(shù)獲得信號的頻譜圖。計算公式是

頻譜顯示代碼如下：

AutoPowerSpectrum(gData，wavepoint，(1/samprate)，magnitude，&freqspace)；

DeleteGraphPlot(panelHandle，PANEL_GRAPH，-1，VAL_IMMEDIATE_DRAW)；

SetAxisRange(panelHandle，PANEL_GRAPH，VAL_NO_CHANGE，0．0，1．0，VAL_AUTOSCALE，0，5)；//設(shè)置圖譜顯示類型

PlotWaveform (panelHandle，PANEL_GRAPH，magnitude，wavepoint/2，VAL_DOUBLE，1．0，0．0，0．0，freqspace，VAL_THIN_LINE，VAL_EMPTY_SQUARE，VAL_SOLID，1，VAL_RED)；//顯示圖譜

圖3為頻譜分析儀實(shí)時工作時的用戶界面，左側(cè)為參數(shù)設(shè)置，右側(cè)對應(yīng)實(shí)時顯示在參數(shù)設(shè)定后的信號波形。

2．4數(shù)據(jù)儲存與回放

在對原始信號進(jìn)行實(shí)時分析時，為了將來完整、詳盡的分析，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行儲存與回放，代碼如下。

數(shù)據(jù)存儲程序：

ArrayToFile("data．xls"，wavesignal，VAL_DOUBLE，numRead*gNumChannels，gNumChannels，VAL_GROUPS_TOGETHER，VAL_GROUPS_AS_COLUMNS，VAL_SEP_BY_TAB，10，VAL_ASCII，VAL_APPEND)；

ProcessSystemEvents()；

free (wavesignal)；

MessagePopup ("保存"，" OK")；

數(shù)據(jù)回放：

FileToArray("data．xls"，savesignal，VAL_DOUBLE，numRead*gNumChannels，gNumChannels，VAL_GROUPS_TOGETHER，VAL_GROUPS_AS_COLUMNS，VAL_ASCII)；

DeleteGraphPlot(panelHandle，PANEL_GRAPH，-1，VAL_IMMEDIATE_DRAW)；//刷新

PlotY(panelHandle，PANEL_GRAPH，savesignal，wavepoint，VAL_DOUBLE，VAL_THIN_LINE，VAL_EMPTY_SQUARE，VAL_SOLID，1，VAL_BLUE)；//顯示

free (savesignal)；//釋放內(nèi)存，任務(wù)結(jié)束

4　結(jié)束語

文中在LabWindows/CVI 2010虛擬儀器軟件平臺下，利用專用信號分析函數(shù)庫，開發(fā)了一種基于虛擬儀器的實(shí)時頻譜分析儀。由于涉及硬件底層驅(qū)動開發(fā)，運(yùn)用基于C語言的LabWindows/CVI要比其他開發(fā)平臺執(zhí)行效率更高、功能開發(fā)更靈活。該設(shè)計經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，數(shù)據(jù)更新速度快，頻譜數(shù)據(jù)顯示穩(wěn)定準(zhǔn)確，在測控領(lǐng)域具有顯著的實(shí)際意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]譚秀萍，吳曉輝，范蟠果，等．LabWindows/CVI多線程技術(shù)在電負(fù)載系統(tǒng)中的應(yīng)用．測控技術(shù)，2011(8)：79-82．

[2]程乃平，席有猷，趙陽．基于Labwindows/CVI的虛擬頻譜分析儀設(shè)計．電子測量技術(shù)，2009(7)：109-111．

[3]邢志彩，王靈莉，王旭柱．基于LabWindows/CVI的傅里葉變換光譜測量的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)．微型機(jī)與應(yīng)用，2011(10)：1-4．

[4]馬青亮，周倫彬，李振娜．基于LabWindows/CVI的信號分析儀的設(shè)計．中國測試，2009(6)：50-53．

[5]胡寧，徐兵．基于LabVIEW的頻譜分析儀的設(shè)計．計算機(jī)測量與控制，2013(5)：1404-1407．