《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集與信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)
現(xiàn)代電子技術(shù)
謝 冰,陳昌鑫,鄭 賓 中北大學(xué)
摘要: 摘要:針對(duì)虛擬儀器技術(shù)具有性能高,易于實(shí)現(xiàn)硬件和軟件集成等特點(diǎn),將虛擬儀器技術(shù)和LabvIEW應(yīng)用于測(cè)試領(lǐng)城。以計(jì)算機(jī)和NI9201數(shù)據(jù)采集卡為硬件,以LabVIEW8.6軟件作為開發(fā)平臺(tái),構(gòu)建了數(shù)據(jù)采集與信號(hào)處理的虛擬測(cè)
Abstract:
Key words :

摘要:針對(duì)虛擬儀器技術(shù)具有性能高,易于實(shí)現(xiàn)硬件和軟件集成等特點(diǎn),將虛擬儀器技術(shù)和LabvIEW應(yīng)用于測(cè)試領(lǐng)城。以計(jì)算機(jī)和NI 9201數(shù)據(jù)采集卡為硬件,以LabVIEW8.6軟件作為開發(fā)平臺(tái),構(gòu)建了數(shù)據(jù)采集與信號(hào)處理的虛擬測(cè)試系統(tǒng)。系統(tǒng)由信號(hào)源和信號(hào)處理模塊組成,其中信號(hào)源部分包括數(shù)據(jù)采集卡采集的模擬信號(hào)模塊、虛擬信號(hào)發(fā)生器仿真信號(hào)模塊;信號(hào)處理部分包括對(duì)信號(hào)源的時(shí)城測(cè)量、波形顯示、濾波、頻譜分析等,完成了對(duì)實(shí)際模擬信號(hào)和仿真信號(hào)的采集、信號(hào)分析與處理。
關(guān)鍵詞:虛擬儀器;LabVIEW;數(shù)據(jù)采集;信號(hào)處理

0 引言
    隨著計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展,由美國(guó)國(guó)家儀器公司NI(NationalInstruments)提出的虛擬儀器技術(shù)引發(fā)了測(cè)試領(lǐng)域一場(chǎng)重大變革,開創(chuàng)了“軟件即是儀器”的先河,目前虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用日益廣泛。
    虛擬儀器是指以通用計(jì)算機(jī)作為系統(tǒng)控制器,由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互和大部分儀器功能的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。與傳統(tǒng)儀器不同,虛擬儀器是由通用計(jì)算機(jī)和一些功能化硬件模塊組成的儀器系統(tǒng)。在這種儀器系統(tǒng)中,不僅儀器的操作和測(cè)量結(jié)果的顯示是借助于計(jì)算機(jī)顯示器以及虛擬面板的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)的,而且數(shù)據(jù)的傳送、分析、處理都是由計(jì)算機(jī)軟件來(lái)完成的,這就大大突破了傳統(tǒng)儀器儀表在這方面的限制,方便了用戶對(duì)儀器的使用、維護(hù)、擴(kuò)展和升級(jí)等。NI公司開發(fā)的LabVIEW是目前最為成功的虛擬儀器軟件之一,它是一種基于G語(yǔ)言的32位編譯型圖形化編程語(yǔ)言,其圖形化界面可以方便地進(jìn)行虛擬儀器的開發(fā),并在測(cè)試測(cè)量、數(shù)據(jù)采集、儀器控制、數(shù)字信號(hào)處理等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

1 虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
    以美國(guó)國(guó)家儀器公司NI的LabVIEW8.6作為開發(fā)平臺(tái),配合NI公司的NI 9201數(shù)據(jù)采集卡作為硬件實(shí)現(xiàn)該測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)單、雙通道的模擬信號(hào)的采集、虛擬信號(hào)的產(chǎn)生,同時(shí)完成對(duì)信號(hào)的分析與處理,測(cè)試系統(tǒng)的核心是前端數(shù)據(jù)采集和后續(xù)信號(hào)處理。虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

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2 程序設(shè)計(jì)模塊
    該測(cè)試系統(tǒng)體現(xiàn)了NI公司提出的“軟件即是儀器”的思想,以LabVIEW8.6為平臺(tái),設(shè)計(jì)的虛擬儀器能夠完成對(duì)數(shù)據(jù)采集卡采集的模擬信號(hào)進(jìn)行分析與處理,同時(shí),利用LabVIEW的強(qiáng)大功能,開發(fā)了虛擬信號(hào)發(fā)生器模塊,使得該虛擬儀器對(duì)仿真信號(hào)進(jìn)行分析與處理。也即該測(cè)試系統(tǒng)的信號(hào)源包括:數(shù)據(jù)采集卡采集的模擬信號(hào);虛擬信號(hào)發(fā)生器模塊產(chǎn)生的仿真信號(hào)。據(jù)采集與信號(hào)處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

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2.1 信號(hào)源
    本次設(shè)計(jì)的虛擬測(cè)試系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)信號(hào)的時(shí)域測(cè)量、波形顯示、濾波、頻譜分析等。其中,信號(hào)源模塊包括NI 9201數(shù)據(jù)采集的模擬信號(hào)和基于LabVIEW設(shè)計(jì)的虛擬信號(hào)發(fā)生器輸出的仿真信號(hào)。

2.1.1 數(shù)據(jù)采集卡采集的模擬信號(hào)
    以NI公司的NI 9201數(shù)據(jù)采集卡作為硬件,實(shí)現(xiàn)該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。NI 9201提供8個(gè)通道,12位模擬輸入,ADC類型為逐次逼進(jìn)型(SAR)。它的通道與系統(tǒng)中的其他模塊相隔離,模塊的每個(gè)通道均具有過壓保護(hù)功能,輸入信號(hào)經(jīng)掃描、緩沖和調(diào)理后,由一個(gè)12位的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)其采樣。NI 9201的輸入電路示意圖如圖3所示。

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    進(jìn)入NI配置管理軟件“Measurement & Automation Explorer”進(jìn)行數(shù)據(jù)采集卡的參數(shù)配置。選擇采集電壓信號(hào)進(jìn)行參數(shù)配置后生成的程序代碼如圖4所示。

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2.1.2 虛擬信號(hào)發(fā)生器輸出的仿真信號(hào)
    基于LabVIEW設(shè)計(jì)的虛擬信號(hào)發(fā)生器能夠產(chǎn)生周期信號(hào)和非周期信號(hào),通過布爾控件選擇周期信號(hào)和非周期信號(hào)。虛擬信號(hào)發(fā)生器模塊的前面板如圖5所示。

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    其中,周期信號(hào)包括正弦波、三角波、方波、鋸齒波等,其幅值、頻率等參數(shù)可以利用布爾控件調(diào)節(jié),同時(shí)可以設(shè)置選擇是否添加噪聲的模塊,可以選擇添加均勻自噪聲等。非周期信號(hào)包括斜坡信號(hào)、沖激信號(hào)、公式信號(hào),各種信號(hào)都提供了幅值、延遲等參數(shù)設(shè)置的控件,其中公式信號(hào)提供了輸入一組函數(shù),能夠根據(jù)輸入函數(shù)產(chǎn)生任意信號(hào)。另外,設(shè)置了波形存儲(chǔ)模塊,通過一個(gè)布爾控件選擇是否存儲(chǔ),波形存儲(chǔ)的路徑可以選擇??傊?,該虛擬信號(hào)發(fā)生器能夠提供各種常見的周期信號(hào)和特殊非周期信號(hào),供信號(hào)分析與處理模塊使用,同時(shí),各種信號(hào)添加噪聲后,可以用作實(shí)際信號(hào)的仿真信號(hào)使用。
2.2 信號(hào)處理模塊
    該信號(hào)處理模塊完成對(duì)信號(hào)源信號(hào)的綜合分析與處理,包括波形顯示、波形存儲(chǔ)和打印、時(shí)域測(cè)量、濾波、頻譜分析等幾個(gè)子模塊。信號(hào)處理模塊程序框圖如圖6所示。

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    信號(hào)處理模塊的各個(gè)子模塊功能如下:波形顯示模塊即完成了信號(hào)源模塊輸入的波形顯示,能夠直觀地看出波形;波形存儲(chǔ)和讀取,通過設(shè)置布爾控件,選擇是否存儲(chǔ)波形或者讀取波形,并且提供波形存儲(chǔ)或者讀取路徑的選擇;打印模塊設(shè)置波形打印選項(xiàng),通過布爾控件選擇是否打印波形,方便快捷地啟用打印機(jī)打印波形;時(shí)域測(cè)量模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)源的時(shí)域測(cè)量,包括單頻測(cè)量、幅值與電平測(cè)量、信號(hào)的時(shí)間與瞬態(tài)特性測(cè)量等,能夠直接測(cè)量出信號(hào)的幅值、頻率、相位、方波占空比、均方根等參數(shù);濾波模塊實(shí)現(xiàn)了對(duì)信號(hào)源的濾波處理,用到的是IIR濾波器,根據(jù)需要選擇合適的濾波方式和截止頻率,實(shí)現(xiàn)信號(hào)的濾波;頻譜分析模塊實(shí)現(xiàn)了對(duì)信號(hào)的FFT,通過頻譜分析模塊得到信號(hào)的幅值譜和相位譜。

3 測(cè)試結(jié)果分析
    信號(hào)處理模塊對(duì)信號(hào)源部分的信號(hào)(虛擬信號(hào)發(fā)生器的仿真信號(hào)、數(shù)據(jù)采集卡采集的模擬信號(hào))進(jìn)行分析與處理,結(jié)果如下。
3.1 對(duì)虛擬信號(hào)發(fā)生器仿真信號(hào)分析與處理
    利用設(shè)計(jì)的虛擬信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一組添加均勻白噪聲的正弦信號(hào)進(jìn)行分析與處理,設(shè)置其參數(shù)為幅值8 mV、頻率5 Hz、相位0。運(yùn)行程序,對(duì)該仿真信號(hào)進(jìn)行時(shí)域測(cè)量、頻譜分析、濾波分析處理等,選擇選項(xiàng)卡控件,可以觀察被測(cè)量信號(hào)的波形、時(shí)域測(cè)量結(jié)果、濾波及頻譜圖等,同時(shí)增加了信號(hào)保存及打印等可選項(xiàng)。信號(hào)處理結(jié)果的前面板如圖7所示。

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3.2 對(duì)數(shù)據(jù)采集卡采集信號(hào)的分析與處理
    以某沖擊測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理為例,使用ADXL001振動(dòng)傳感器和NI 9201數(shù)據(jù)采集卡硬件,結(jié)構(gòu)框圖如圖8所示。

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    利用設(shè)計(jì)的信號(hào)處理系統(tǒng)對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波、頻譜分析等處理,處理結(jié)果的前面板如圖9所示。

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    設(shè)計(jì)的信號(hào)處理系統(tǒng)對(duì)該信號(hào)進(jìn)行了有效的濾波和頻譜分析。從處理的結(jié)果圖可以得出,該沖擊信號(hào)的峰值為15 mV,信號(hào)主頻率為50 Hz。

4 結(jié)語(yǔ)
    本文設(shè)計(jì)了一個(gè)操作簡(jiǎn)單、界面友好的多功能數(shù)據(jù)采集與信號(hào)處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)綜合應(yīng)用了傳感器、數(shù)據(jù)采集、LabVIEW圖形化編程軟件開發(fā)和信號(hào)處理等多種技術(shù),集數(shù)據(jù)采集和信號(hào)處理與一體,構(gòu)建了一個(gè)完整的多功能虛擬測(cè)試系統(tǒng),完成了對(duì)信號(hào)源(數(shù)據(jù)采集卡、虛擬信號(hào)發(fā)生器)包括波形顯示、時(shí)域和頻域在內(nèi)的分析與處理。本文設(shè)計(jì)的虛擬測(cè)試系統(tǒng)充分體現(xiàn)了虛擬儀器技術(shù)和LabVIEW軟件在數(shù)據(jù)采集和信號(hào)分析與處理中的強(qiáng)大功能,可以廣泛用于測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域,完成對(duì)信號(hào)的實(shí)時(shí)采集與處理。

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