基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集與信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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。

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(kāi)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。

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(guò)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。

    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。

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(guò)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。

    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(guò)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(jiàn)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。

    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(guò)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(guò)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(guò)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。

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。

    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。

    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(kāi)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。