摘  要： 提出一種基于虛擬儀器LabVIEW的FFT頻譜分析儀的設(shè)計(jì)，分析了DSP技術(shù)在虛擬儀器中的應(yīng)用。在深入研究DSP處理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了基于DSP技術(shù)以及USB總線的虛擬式FFT 頻譜分析儀，具有設(shè)計(jì)新穎、實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞： 虛擬儀器；LabVIEW；DSP；USB總線；FFT；頻譜分析儀

1 虛擬儀器概念和特點(diǎn)
    虛擬儀器是虛擬技術(shù)在儀器儀表領(lǐng)域中的一個重要應(yīng)用。它是日益發(fā)展的計(jì)算機(jī)硬件、軟件和總線技術(shù)在向其他技術(shù)領(lǐng)域密集滲透的過程中，與測試技術(shù)、儀器儀表技術(shù)密切結(jié)合孕育出的一項(xiàng)新的成果。20世紀(jì)80年代，NI公司首先提出了虛擬儀器的概念，認(rèn)為虛擬儀器是由計(jì)算機(jī)硬件資源、模塊化儀器硬件和用于數(shù)據(jù)分析、過程通信及圖形用戶界面的軟件組成的測控系統(tǒng)，是一種由計(jì)算機(jī)操縱的模塊化儀器系統(tǒng)。虛擬儀器是以計(jì)算機(jī)作為儀器統(tǒng)一的硬件平臺，充分利用計(jì)算機(jī)獨(dú)具的運(yùn)算、存儲、回放、調(diào)用、顯示以及與文件管理等基本智能化功能，同時把傳統(tǒng)儀器的專業(yè)化功能和面板控件軟件化，使其與計(jì)算機(jī)融為一體，構(gòu)成了從外觀到功能都完全與傳統(tǒng)硬件儀器一致，同時又充分享用計(jì)算機(jī)智能資源的全新的儀器系統(tǒng)。由于儀器的專業(yè)化功能和面板控件都由軟件形成，因此國際上把這類新型的儀器稱為“虛擬儀器”[1]。
    目前在虛擬儀器技術(shù)領(lǐng)域，使用較為廣泛的計(jì)算機(jī)語言是NI公司推出的LabVIEW。LabVIEW是一種圖形化的編程語言開發(fā)環(huán)境，類似于C和BASIC開發(fā)環(huán)境，但較之不同的是，LabVIEW使用的是圖形化的編輯語言，又稱為“G”語言。這種編程語言的特點(diǎn)是用具有框圖結(jié)構(gòu)的VI代替繁瑣的程序代碼，產(chǎn)生的程序是框圖的形式，同時它盡可能利用了技術(shù)人員、工程師、專家所熟悉的術(shù)語、概念和圖標(biāo)，因而廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接受。LabVIEW逐漸成為一種標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件，在進(jìn)行研究、設(shè)計(jì)、測試并實(shí)現(xiàn)儀器系統(tǒng)時，可大大提高工作效率。
2 DSP在虛擬儀器中的應(yīng)用
    在PC虛擬儀器領(lǐng)域，采用高速DSP和局部總線的結(jié)構(gòu)將成為PC虛擬儀器的主流結(jié)構(gòu)。虛擬儀器作為儀器發(fā)展的新階段，雖然其專業(yè)化功能和面板控件都是以軟件形式所表現(xiàn)出來，但其硬件采集仍需要硬件設(shè)備來完成。
    DSP芯片是專門用于數(shù)字信號處理的芯片，它能獨(dú)立于CPU單獨(dú)運(yùn)行，同時又有豐富的接口處理功能。更為重要的是，DSP芯片對數(shù)字信號的處理由其裝載的程序控制，開發(fā)人員可根據(jù)實(shí)際的需求自行開發(fā)程序，再將程序裝載入芯片，從而達(dá)到數(shù)字信號處理的目的。然而直接使用DSP來開發(fā)頻譜分析儀有諸多不便，這主要是因?yàn)楫?dāng)系統(tǒng)運(yùn)行在WINDOWS等多任務(wù)操作系統(tǒng)時，特別在處理如FFT等大容量、高精度運(yùn)算時，CPU資源會造成嚴(yán)重不足，這給底層硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用帶來一定的不便。但使用虛擬儀器能很好地解決這個問題，虛擬儀器能借助DSP處理系統(tǒng)，將采集來的數(shù)據(jù)在DSP中進(jìn)行預(yù)處理，然后再將數(shù)據(jù)傳遞給軟件部分，這樣不但沒有增加系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，相反，可以讓系統(tǒng)資源用更多的時間來處理其他事情。數(shù)據(jù)的處理是由軟件控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來完成,虛擬儀器主要處理由USB數(shù)據(jù)采集器所采集到的數(shù)字信號，對其進(jìn)行分析、運(yùn)算和顯示。
3 頻譜分析儀的應(yīng)用和發(fā)展
    頻譜分析是信號分析處理中常用的分析方法，主要是在頻域上對信號進(jìn)行處理、分析及顯示。目前，頻譜分析在生產(chǎn)實(shí)踐與科學(xué)研究中獲得了日益廣泛的應(yīng)用。例如，在聲納系統(tǒng)中，為了尋找海洋水面艦艇或潛艇，需要對噪聲信號進(jìn)行頻譜分析，以提取有用信息，從而判斷艦艇運(yùn)動速度、方向、位置、大??；對飛機(jī)、汽車、電機(jī)、機(jī)床等主體或部件進(jìn)行實(shí)際運(yùn)行的頻譜分析，可以提供設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、檢驗(yàn)設(shè)計(jì)效果，或者尋找振源和診斷故障，以便及時排除潛在故障因素，保證安全運(yùn)行。
    早期的頻譜分析儀實(shí)質(zhì)上是一臺掃頻接收機(jī)，輸入信號與本地振蕩信號在混頻器變頻后，經(jīng)過一組并聯(lián)的不同中心頻率的帶通濾波器，使輸入信號顯示在一組帶通濾波器限定的頻率軸上。由于帶通濾波器由電感、電容等多種無源、有源元件構(gòu)成，頻譜分析儀顯得很笨重，且頻率分辨率不高。隨著電子電路技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了以傅里葉變換為基礎(chǔ)的現(xiàn)代頻譜分析儀，這類頻譜分析儀以電子電路來實(shí)現(xiàn)傅里葉變換，從而實(shí)現(xiàn)頻譜分析。但是，這類頻譜分析儀仍然是以硬件電路來實(shí)現(xiàn)的傳統(tǒng)意義上的頻譜分析儀，存在復(fù)雜性、封閉性等自身無法克服的缺點(diǎn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和普及，虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用到頻譜分析儀中，克服了傳統(tǒng)硬件化的頻譜分析儀自身無法克服的缺點(diǎn)。
4 虛擬式FFT頻譜分析儀的系統(tǒng)設(shè)計(jì)
4.1 基于DSP的USB數(shù)據(jù)采集器開發(fā)
    快速傅里葉變換FFT(Fast Fourier Transform)分析要求首先對被分析的信號進(jìn)行數(shù)字采樣，然后再進(jìn)行FFT運(yùn)算。在系統(tǒng)中，信號的采樣和FFT計(jì)算全部在USB數(shù)據(jù)采集器上實(shí)現(xiàn)。為了保證時域信號和FFT處理后的數(shù)據(jù)能實(shí)時傳遞給系統(tǒng)CPU，USB數(shù)據(jù)采集器與主機(jī)之間采用USB接口設(shè)計(jì)[2]。根據(jù)系統(tǒng)要求和實(shí)際條件，USB數(shù)據(jù)采集器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    (1)信號調(diào)理模塊設(shè)計(jì)
    信號調(diào)理模塊實(shí)現(xiàn)信號的輸入緩沖、放大和濾波。在系統(tǒng)中，信號的緩沖由集成運(yùn)放組成同相跟隨器來實(shí)現(xiàn)。放大器采用TI公司的可編程放大器PAG103U，放大倍數(shù)的改變由DSP和邏輯控制器共同實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)中可對輸入通道信號分別進(jìn)行放大倍數(shù)控制。調(diào)理模塊中的濾波器為低通濾波，主要用于對信號進(jìn)行抗混疊濾波，以確保信號的有效FFT分析。
    (2)A/D轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)
    A/D轉(zhuǎn)換的采樣率和分辨率是進(jìn)行數(shù)字采樣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要指標(biāo)。在設(shè)計(jì)中，A/D芯片采用AD7685，單通道最高采樣率可達(dá)250 kS/s，輸出為16位并行輸出，比較電壓為±5 V。
    (3)DSP芯片選用
    DSP是該系統(tǒng)進(jìn)行FFT運(yùn)算的處理器，其精度、速度在很大程度上決定了FFT分析儀的性能。考慮到FFT運(yùn)算中實(shí)時性和精度方面的要求，設(shè)計(jì)時選用TMS320VC33浮點(diǎn)型DSP芯片[6]。
    (4)存儲器選用
    存儲器可用于存放大量的表格數(shù)據(jù)和一些臨時數(shù)據(jù)。因?yàn)镈SP在作FFT運(yùn)算時要用到大量正弦及其他數(shù)據(jù)表格，而通常固化DSP程序的閃存和DSP的數(shù)據(jù)交換較慢，為保證FFT的運(yùn)算速度，可在FFT運(yùn)算前，將表格數(shù)據(jù)存儲于DSP外的高速存儲器內(nèi)。
    (5)USB接口芯片選用
    USB接口芯片是連接PC機(jī)和底層硬件的通信紐帶，USB總線有著嚴(yán)格的電氣規(guī)范和時序要求，采用接口芯片可以減少電路設(shè)計(jì)的工作量，特別對于在實(shí)現(xiàn)5 V與3.3 V DSP的數(shù)據(jù)傳遞時，采用可同時兼容這兩種電壓的接口芯片，還省去轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)中選用Philips的高速USB2.0芯片ISP1362。數(shù)據(jù)采集器工作時，各主要模塊通過控制器后的基本流程如圖2所示。

4.2 虛擬式FFT頻譜分析儀軟件設(shè)計(jì)
    該系統(tǒng)軟件包括DSP軟件的設(shè)計(jì)和應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)。
4.2.1 DSP軟件的設(shè)計(jì)
    DSP軟件由DSP主程序和中斷服務(wù)程序組成[4]。
    DSP主程序主要完成以下任務(wù)：(1)初始化USB芯片，讀入用戶設(shè)置的采樣頻率參數(shù)，并根據(jù)這個參數(shù)初始化時鐘，以產(chǎn)生正確的采樣時間信號；(2)讀入采樣通道參數(shù)并初始化AD7685；(3)讀入用戶放大倍數(shù)，設(shè)置可編程放大器。這些參數(shù)讀入完畢后，將采樣通道采集的數(shù)據(jù)通過USB口發(fā)送給PC側(cè)的LabVIEW軟件分析處理。
    中斷服務(wù)程序主要用來響應(yīng)A/D所產(chǎn)生的中斷，在設(shè)計(jì)中，中斷服務(wù)的任務(wù)主要是讀取A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，并判斷其是否達(dá)到FFT點(diǎn)數(shù)，如沒達(dá)到則返回，反之，進(jìn)行FFT運(yùn)算，并將數(shù)據(jù)傳遞給接口芯片。
4.2.2 應(yīng)用程序的實(shí)現(xiàn)
    應(yīng)用程序是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交換的控制軟件[5]，數(shù)據(jù)結(jié)果的顯示以及輸入?yún)?shù)的改變都在此完成。要求應(yīng)用程序既要有很好的穩(wěn)定性，又要易于操作。系統(tǒng)的應(yīng)用程序以及USB數(shù)據(jù)采集器的驅(qū)動程序都是在LabVIEW的基礎(chǔ)上編寫出來的，具有很好的穩(wěn)定性和可移植性。圖3所示為基于DSP技術(shù)的虛擬式FFT頻譜分析儀面板圖，檢測輸入信號為200 Hz，交流正弦波為400 Hz，可以看到在FFT上的頻譜圖(幅度譜和相位譜)。

    虛擬式FFT頻譜分析儀系統(tǒng)可在Windows環(huán)境下很好地運(yùn)行和操作，符合項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求。DSP技術(shù)引入到虛擬儀器系統(tǒng)中，使得虛擬儀器的性能突破了通用計(jì)算機(jī)的限制，并在實(shí)時性和精確性上為虛擬儀器廣泛代替?zhèn)鹘y(tǒng)硬件平臺儀器提供了保證。利用計(jì)算機(jī)提供的USB、PCI等高速數(shù)據(jù)接口，進(jìn)一步拓寬了基于DSP的USB數(shù)據(jù)采集器的數(shù)據(jù)傳輸帶寬。隨著DSP技術(shù)的發(fā)展和其在虛擬儀器中的應(yīng)用，虛擬儀器必將在儀器行業(yè)中大放異彩。
參考文獻(xiàn)
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