摘要：針對虛擬儀器技術(shù)具有性能高，易于實現(xiàn)硬件和軟件集成等特點，將虛擬儀器技術(shù)和LabvIEW應(yīng)用于測試領(lǐng)城。以計算機和NI 9201數(shù)據(jù)采集卡為硬件，以LabVIEW8．6軟件作為開發(fā)平臺，構(gòu)建了數(shù)據(jù)采集與信號處理的虛擬測試系統(tǒng)。系統(tǒng)由信號源和信號處理模塊組成，其中信號源部分包括數(shù)據(jù)采集卡采集的模擬信號模塊、虛擬信號發(fā)生器仿真信號模塊；信號處理部分包括對信號源的時城測量、波形顯示、濾波、頻譜分析等，完成了對實際模擬信號和仿真信號的采集、信號分析與處理。
關(guān)鍵詞：虛擬儀器；LabVIEW；數(shù)據(jù)采集；信號處理
0 引言
隨著計算機的快速發(fā)展，由美國國家儀器公司NI(NationalInstruments)提出的虛擬儀器技術(shù)引發(fā)了測試領(lǐng)域一場重大變革，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算機作為系統(tǒng)控制器，由軟件來實現(xiàn)人機交互和大部分儀器功能的一種計算機儀器系統(tǒng)。與傳統(tǒng)儀器不同，虛擬儀器是由通用計算機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量結(jié)果的顯示是借助于計算機顯示器以及虛擬面板的形式來實現(xiàn)的，而且數(shù)據(jù)的傳送、分析、處理都是由計算機軟件來完成的，這就大大突破了傳統(tǒng)儀器儀表在這方面的限制，方便了用戶對儀器的使用、維護、擴展和升級等。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語言的32位編譯型圖形化編程語言，其圖形化界面可以方便地進行虛擬儀器的開發(fā)，并在測試測量、數(shù)據(jù)采集、儀器控制、數(shù)字信號處理等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。
1 虛擬儀器測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
以美國國家儀器公司NI的LabVIEW8．6作為開發(fā)平臺，配合NI公司的NI 9201數(shù)據(jù)采集卡作為硬件實現(xiàn)該測試系統(tǒng)的設(shè)計。該系統(tǒng)可實現(xiàn)單、雙通道的模擬信號的采集、虛擬信號的產(chǎn)生，同時完成對信號的分析與處理，測試系統(tǒng)的核心是前端數(shù)據(jù)采集和后續(xù)信號處理。虛擬儀器測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
2 程序設(shè)計模塊
該測試系統(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，設(shè)計的虛擬儀器能夠完成對數(shù)據(jù)采集卡采集的模擬信號進行分析與處理，同時，利用LabVIEW的強大功能，開發(fā)了虛擬信號發(fā)生器模塊，使得該虛擬儀器對仿真信號進行分析與處理。也即該測試系統(tǒng)的信號源包括：數(shù)據(jù)采集卡采集的模擬信號；虛擬信號發(fā)生器模塊產(chǎn)生的仿真信號。據(jù)采集與信號處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
2．1 信號源
本次設(shè)計的虛擬測試系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對信號的時域測量、波形顯示、濾波、頻譜分析等。其中，信號源模塊包括NI 9201數(shù)據(jù)采集的模擬信號和基于LabVIEW設(shè)計的虛擬信號發(fā)生器輸出的仿真信號。
2．1．1 數(shù)據(jù)采集卡采集的模擬信號
以NI公司的NI 9201數(shù)據(jù)采集卡作為硬件，實現(xiàn)該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計。NI 9201提供8個通道，12位模擬輸入，ADC類型為逐次逼進型(SAR)。它的通道與系統(tǒng)中的其他模塊相隔離，模塊的每個通道均具有過壓保護功能，輸入信號經(jīng)掃描、緩沖和調(diào)理后，由一個12位的模／數(shù)轉(zhuǎn)換器對其采樣。NI 9201的輸入電路示意圖如圖3所示。
進入NI配置管理軟件“Measurement ＆ Automation Explorer”進行數(shù)據(jù)采集卡的參數(shù)配置。選擇采集電壓信號進行參數(shù)配置后生成的程序代碼如圖4所示。
2．1．2 虛擬信號發(fā)生器輸出的仿真信號
基于LabVIEW設(shè)計的虛擬信號發(fā)生器能夠產(chǎn)生周期信號和非周期信號，通過布爾控件選擇周期信號和非周期信號。虛擬信號發(fā)生器模塊的前面板如圖5所示。
其中，周期信號包括正弦波、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。非周期信號包括斜坡信號、沖激信號、公式信號，各種信號都提供了幅值、延遲等參數(shù)設(shè)置的控件，其中公式信號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。另外，設(shè)置了波形存儲模塊，通過一個布爾控件選擇是否存儲，波形存儲的路徑可以選擇?？傊?，該虛擬信號發(fā)生器能夠提供各種常見的周期信號和特殊非周期信號，供信號分析與處理模塊使用，同時，各種信號添加噪聲后，可以用作實際信號的仿真信號使用。
2．2 信號處理模塊
該信號處理模塊完成對信號源信號的綜合分析與處理，包括波形顯示、波形存儲和打印、時域測量、濾波、頻譜分析等幾個子模塊。信號處理模塊程序框圖如圖6所示。
信號處理模塊的各個子模塊功能如下：波形顯示模塊即完成了信號源模塊輸入的波形顯示，能夠直觀地看出波形；波形存儲和讀取，通過設(shè)置布爾控件，選擇是否存儲波形或者讀取波形，并且提供波形存儲或者讀取路徑的選擇；打印模塊設(shè)置波形打印選項，通過布爾控件選擇是否打印波形，方便快捷地啟用打印機打印波形；時域測量模塊實現(xiàn)對信號源的時域測量，包括單頻測量、幅值與電平測量、信號的時間與瞬態(tài)特性測量等，能夠直接測量出信號的幅值、頻率、相位、方波占空比、均方根等參數(shù)；濾波模塊實現(xiàn)了對信號源的濾波處理，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，實現(xiàn)信號的濾波；頻譜分析模塊實現(xiàn)了對信號的FFT，通過頻譜分析模塊得到信號的幅值譜和相位譜。
3 測試結(jié)果分析
信號處理模塊對信號源部分的信號(虛擬信號發(fā)生器的仿真信號、數(shù)據(jù)采集卡采集的模擬信號)進行分析與處理，結(jié)果如下。
3．1 對虛擬信號發(fā)生器仿真信號分析與處理
利用設(shè)計的虛擬信號發(fā)生器產(chǎn)生一組添加均勻白噪聲的正弦信號進行分析與處理，設(shè)置其參數(shù)為幅值8 mV、頻率5 Hz、相位0。運行程序，對該仿真信號進行時域測量、頻譜分析、濾波分析處理等，選擇選項卡控件，可以觀察被測量信號的波形、時域測量結(jié)果、濾波及頻譜圖等，同時增加了信號保存及打印等可選項。信號處理結(jié)果的前面板如圖7所示。
3．2 對數(shù)據(jù)采集卡采集信號的分析與處理
以某沖擊測試實驗結(jié)果處理為例，使用ADXL001振動傳感器和NI 9201數(shù)據(jù)采集卡硬件，結(jié)構(gòu)框圖如圖8所示。
利用設(shè)計的信號處理系統(tǒng)對信號進行濾波、頻譜分析等處理，處理結(jié)果的前面板如圖9所示。
設(shè)計的信號處理系統(tǒng)對該信號進行了有效的濾波和頻譜分析。從處理的結(jié)果圖可以得出，該沖擊信號的峰值為15 mV，信號主頻率為50 Hz。
4 結(jié)語
本文設(shè)計了一個操作簡單、界面友好的多功能數(shù)據(jù)采集與信號處理系統(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)和信號處理等多種技術(shù)，集數(shù)據(jù)采集和信號處理與一體，構(gòu)建了一個完整的多功能虛擬測試系統(tǒng)，完成了對信號源(數(shù)據(jù)采集卡、虛擬信號發(fā)生器)包括波形顯示、時域和頻域在內(nèi)的分析與處理。本文設(shè)計的虛擬測試系統(tǒng)充分體現(xiàn)了虛擬儀器技術(shù)和LabVIEW軟件在數(shù)據(jù)采集和信號分析與處理中的強大功能，可以廣泛用于測試測量領(lǐng)域，完成對信號的實時采集與處理。