基于LabVIEW的信號(hào)示波分析儀的開(kāi)發(fā)

0 引言

　　示波器不僅能直觀地看到電信號(hào)隨時(shí)間變化的圖形，而且還能直接觀察測(cè)量信號(hào)的幅度、頻率、周期等基本參量，信號(hào)分析儀能完成信號(hào)的時(shí)域和頻域分析，在醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、機(jī)械工程、地質(zhì)學(xué)和大學(xué)實(shí)驗(yàn)室中得到了廣泛的應(yīng)用。示波器成為了時(shí)域分析最典型的儀器，也是當(dāng)前測(cè)量領(lǐng)域中，品種最多、數(shù)量最大、最常用的一種儀器，但示波器和分析儀價(jià)格較貴，其功能固定不能根據(jù)需求變化。

　　隨著虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展，人們紛紛提出利用虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)建立在通用硬件和計(jì)算機(jī)技術(shù)上的、用于實(shí)驗(yàn)室和工程實(shí)際的虛擬儀器[1][2][3]。為了充分利用虛擬儀器的特點(diǎn)和計(jì)算機(jī)軟件的功能，我們?cè)O(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一個(gè)虛擬的信號(hào)示波分析儀，該儀器不僅具備一般數(shù)字示波器的基本功能，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了信號(hào)分析儀的一些功能，以滿(mǎn)足一般高等院校的實(shí)驗(yàn)和科研要求。

1 虛擬儀器與LabVIEW

　　1.1 LabVIEW的特點(diǎn)

　　LabVIEW是美國(guó)NI（National Instruments）公司推出的一個(gè)通用的圖形化軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，它采用圖形化編程代替一般高級(jí)語(yǔ)言采用的文本編程來(lái)創(chuàng)建應(yīng)用程序，是一種基于數(shù)據(jù)流控制的、適合任何編程任務(wù)和具有擴(kuò)展數(shù)據(jù)庫(kù)的通用編程語(yǔ)言[4]。

　　LabVIEW是一個(gè)開(kāi)放性的環(huán)境，它與測(cè)量硬件之間的連接簡(jiǎn)單，能很快地完成數(shù)據(jù)的采集工作，并能方便地與各種儀器相連;內(nèi)置了600多個(gè)分析函數(shù)，能輕松地提取有用信息、進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)分析和信號(hào)處理;而且還具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)顯示、界面設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)管理等功能。極大地方便了測(cè)試與測(cè)量、故障診斷、過(guò)程控制和工業(yè)自動(dòng)化等方面的研究工作，因此在航空航天、通訊、汽車(chē)、機(jī)械、半導(dǎo)體和生物醫(yī)學(xué)等世界范圍的眾多領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。

　　1.1 虛擬儀器的簡(jiǎn)介

　　虛擬儀器（virtual instrument）是基于計(jì)算機(jī)的儀器，是利用現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)，加上通用的硬件和專(zhuān)用的軟件組合成的一個(gè)測(cè)試平臺(tái)。虛擬儀器的最大特點(diǎn)就是充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的能力，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，而且用戶(hù)可以根據(jù)自己的需要定義和制造各種儀器，各種儀器的差異主要是軟件[5]。

　　虛擬儀器是當(dāng)前測(cè)控領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展方向，而LabVIEW被認(rèn)為是標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。LabVIEW編寫(xiě)的程序被稱(chēng)為虛擬儀器 VI（Virtual Instruments），其程序面板是采用圖形化的框圖形式編程，簡(jiǎn)單快捷;其前面板是交互式用戶(hù)接口，相當(dāng)于真實(shí)物理測(cè)試儀器的儀器面板，用戶(hù)操作方便。目前LabVIEW成為了開(kāi)發(fā)虛擬儀器的主要軟件之一，在此開(kāi)發(fā)中我們選擇LabVIEW 8.0作為信號(hào)示波分析儀的開(kāi)發(fā)平臺(tái)。

2 總體設(shè)計(jì)

圖1 虛擬信號(hào)示波分析儀的結(jié)構(gòu)框圖

　　我們開(kāi)發(fā)的虛擬信號(hào)示波分析儀主要是用于對(duì)電信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、顯示、波形存儲(chǔ)和回放、時(shí)域和頻域分析，不但具有一般數(shù)字示波器的功能，還具有信號(hào)分析儀的基本功能，以便應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室教學(xué)和科研中。該儀器主要由以下幾個(gè)功能模塊組成（圖1）：

　　（1）數(shù)據(jù)采集模塊。在數(shù)據(jù)采集前面板上對(duì)通道、采樣率、采樣點(diǎn)數(shù)、電壓的最大/最小值和信號(hào)的連接方式等方面進(jìn)行設(shè)置，在控制面板中利用DAQmx相關(guān)函數(shù)的功能完成數(shù)據(jù)采集。

　　（2）信號(hào)顯示及觸發(fā)模塊。該模塊主要是通過(guò)分別調(diào)節(jié)時(shí)基和兩個(gè)通道的Y坐標(biāo)的值，從而控制信號(hào)的顯示比例來(lái)完成信號(hào)的時(shí)域顯示，并且提供了觸發(fā)控制，使時(shí)域顯示具有觸發(fā)顯示的功能。

　　（3）信號(hào)的基本參數(shù)測(cè)量模塊。主要是對(duì)兩個(gè)通道信號(hào)的一些基本統(tǒng)計(jì)量：幅值、峰峰值、有效值和頻率等量進(jìn)行計(jì)算。

　　（4）信號(hào)的存儲(chǔ)與回放。主要完成對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)，并將以前存儲(chǔ)的采集結(jié)果調(diào)出進(jìn)行時(shí)域顯示和時(shí)域頻域分析。

　　（5）信號(hào)的分析模塊。每個(gè)通道信號(hào)的濾波及加窗選取設(shè)置，完成自相關(guān)、自功率譜、幅頻以及諧波分析，和兩個(gè)通道信號(hào)之間的互相關(guān)與互功率譜分析。

3 信號(hào)示波分析儀的設(shè)計(jì)

　　3.1 前面板的設(shè)計(jì)

　　VI程序的前面板是一個(gè)交互式的用戶(hù)界面，它相當(dāng)于真實(shí)物理測(cè)試儀器的儀器面板。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)人機(jī)工程學(xué)的相關(guān)理論，充分考慮宜人性、一致性、關(guān)聯(lián)性、反饋和簡(jiǎn)潔等方面的要求，使設(shè)計(jì)的前面板操作簡(jiǎn)單、輕松自如，較長(zhǎng)時(shí)間使用也不會(huì)產(chǎn)生疲勞感。

　　設(shè)計(jì)本分析儀的前面板（圖2）時(shí)，我們主要考慮了以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：

　　（1） 整個(gè)面板和按扭的顏色均以深灰色為主，簡(jiǎn)單地配以一些藍(lán)色細(xì)框線(xiàn)進(jìn)行分割，盡量使界面清晰、簡(jiǎn)潔，符合人機(jī)工程學(xué)中的信息顯示界面舒適性要求;

　　（2） 信號(hào)顯示用Graph控件，顯示區(qū)域要盡量的大，以便能清楚地觀察信號(hào)的情況，并且利用Cursor Legend的游標(biāo)功能，使儀器實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)的讀取;

　　（3） 由于前面板上的內(nèi)容較多，因此按照類(lèi)別進(jìn)行了項(xiàng)目的分組，并用藍(lán)色的細(xì)線(xiàn)框?qū)⒏黝?lèi)別組合在一起，使整個(gè)面板多而不亂，一目了然，符合人機(jī)工程中的顯示器“功能分區(qū)”原則;

　　（4） 在設(shè)計(jì)前面板盡量參照現(xiàn)有的示波器的面板形式，使用戶(hù)操作簡(jiǎn)單方便。

圖2 儀器數(shù)據(jù)采集及顯示前面板（運(yùn)行時(shí)）

　　3.2 數(shù)據(jù)采集

圖3 信號(hào)示波分析儀主框圖程序

　　在LabVIEW中既可以利用MAX界面來(lái)設(shè)置數(shù)據(jù)采集任務(wù)，也可以通過(guò)數(shù)據(jù)采集DAQmx提供的數(shù)據(jù)采集助手進(jìn)行任務(wù)和通道的設(shè)置，從而生成程序代碼。在本設(shè)計(jì)中由于是想開(kāi)發(fā)一個(gè)基于NI公司數(shù)據(jù)采集卡的通用平臺(tái)，因此我們分別利用DAQmx中的Task、Channel和Timing等函數(shù)完成了任務(wù)、通道和時(shí)鐘等功能的設(shè)置，并編制了一個(gè)數(shù)據(jù)采集的設(shè)置子VI。

　　在主程序中利用一個(gè)循環(huán)進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取，同時(shí)也可以完成數(shù)據(jù)采集和分析處理，具體的程序可參見(jiàn)圖3主框圖程序。

　　3.2 信號(hào)顯示及觸發(fā)

　　在信號(hào)時(shí)域顯示方面上需要控制三個(gè)方面的內(nèi)容：一個(gè)是時(shí)基（掃描速率），即Graph控件X軸坐標(biāo)變化;另一個(gè)是幅值（量程），即Graph控件Y軸坐標(biāo)變化;還有觸發(fā)顯示控制。利用Graph控件的屬性節(jié)點(diǎn)，通過(guò)改變Graph的XScale.Range屬性值來(lái)調(diào)節(jié)時(shí)基信號(hào)的變化。

　　對(duì)于單通道的虛擬信號(hào)示波分析儀來(lái)說(shuō)，可以利用和時(shí)基信號(hào)相同的方法來(lái)控制幅值變化，但是由于我們是多通道分別輸入，需要根據(jù)各通道信號(hào)的具體情況獨(dú)立控制信號(hào)在Y軸方向的坐標(biāo)變化，因此我們將信號(hào)的y分量單獨(dú)提取出來(lái)，編制了一個(gè)控制Y坐標(biāo)變化的子VI來(lái)完成對(duì)幅值變化的獨(dú)立控制。

　　以L(fǎng)abVIEW提供的SCOPE.VI子VI為基礎(chǔ)，編制了一個(gè)Trigger子VI，并和Y坐標(biāo)變化子VI一起構(gòu)成了Y顯示觸發(fā)子VI。

　　3.3 信號(hào)的存儲(chǔ)與回放

　　LabVIEW數(shù)據(jù)存儲(chǔ)一般可采用四種格式的文件：文本文件、二進(jìn)制文件、數(shù)據(jù)記錄文件和波形文件，文本文件是一種通用的格式，而數(shù)據(jù)記錄文件和波形文件是只有LabVIEW才能夠讀取的文件格式。

　　數(shù)據(jù)記錄文件和波形文件操作比較簡(jiǎn)單，在本設(shè)計(jì)中都可以應(yīng)用，由于我們主要以處理波形數(shù)據(jù)為主，因此選擇了波形文件作為存儲(chǔ)與回放的文件格式。

　　3.4 信號(hào)的基本參數(shù)測(cè)量與分析

圖4 信號(hào)分析框圖程序

　　為了在數(shù)據(jù)采集時(shí)能清楚地看到信號(hào)的一些基本信息，因此編制了一個(gè)基本量測(cè)量模塊，主要是測(cè)量信號(hào)的頻率、幅值、峰峰值和有效值，并將兩個(gè)通道的上述參數(shù)分別顯示出來(lái)。

　　將前面板從數(shù)據(jù)采集切換到時(shí)域頻域分析面板就可以顯示出被測(cè)信號(hào)的分析結(jié)果，在此我們編制了一個(gè)信號(hào)分析子VI（圖4）和一個(gè)互相關(guān)分析子VI，得到的幅頻圖、自相關(guān)和自功率分析結(jié)果如圖5所示。

圖5 通道A信號(hào)的幅頻圖、自相關(guān)和自功率分析

4 結(jié)束語(yǔ)

　　在程序的調(diào)試過(guò)程中，我們分別采用虛擬卡以及NI公司的PCI 6221和USB 6008卡進(jìn)行了測(cè)試，其運(yùn)行結(jié)果穩(wěn)定，功能正常，達(dá)到數(shù)據(jù)采集、顯示、波形存儲(chǔ)和回放、時(shí)域和頻域分析等設(shè)計(jì)要求，將其應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室的科研和教學(xué)中，收到了較好的效果。

　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：提出了虛擬示波分析儀的開(kāi)發(fā)，將示波器和信號(hào)分析儀的功能相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了這兩個(gè)儀器的基本功能;利用編程而非改變控件屬性的方法實(shí)現(xiàn)了兩通道幅值的獨(dú)立顯示控制，為多通道儀器的開(kāi)發(fā)打下了基礎(chǔ)。