基于虚拟仪器的信号频域分析与处理系统的设计与实现

作者:周林;栗秋华;张凤;庄华 刊名:现代科学仪器 上传者:熊苑红

【摘要】虚拟仪器的迅速发展,使得计算机控制的模块化仪器系统得到了广泛的认同与应用。本文建立了LabWindows/CVI和MATLAB的接口,实现了两者的混合编程,在此基础上设计了一个实用的信号采集、分析与处理系统,通过软、硬件技术结合,实现了对实际模拟信号的采集、分析与处理。为了节约系统开发时间和开发难度,在系统开发过程中使用了模块化的思想。

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1引言目前,国际上虚拟仪器的发展十分迅速,虚拟仪器在发达国家已经十分普及。但虚拟仪器在我国的应用还处于起步阶段。所谓虚拟仪器,就是在通用的计算机平台上定义和设计仪器的功能,用户操作计算机的同时就是在使用一台专门的电子仪器。虚拟仪器以计算机为核心,充分利用计算机强大的图形界面和数据处理能力,提供对测量数据的分析和显示功能。虚拟仪器的主要优点集中在开发灵活、功能全面,可利用资源丰富,测试规模可以很大。软件是虚拟仪器的关键,任何一个使用者都可以通过修改虚拟仪器的软件来改变它的功能,这就是美国NI公司“软件就是仪器”(ThesoftwareistheInstrument)一说的来历。虚拟仪器系统的组成框图如图1所示。2虚拟信号频域分析与处理系统总体设计这套虚拟信号分析与处理系统可以实现信号采集、信号FFT分析、信号加窗分析、信号数字滤波分析和信号频谱分析五种功能,事实上可以看作是具有相同仪器结构的五种仪器。五种仪器都采用DAQ类虚拟仪器结构,即除计算机外附加硬件是一块高性能的数据采集卡,这类虚拟仪器的工作过程是通过数据采集卡采集信号,得到其离散序列,由仪器软件分析该数据得到的测量目标值,仪器的性能除了受软件算法本身的精度影响外,通常还决定所使用的数据采集卡的性能。图1虚拟仪器系统的组成框图在本设计中,五种仪器共同使用一种数据采集卡PCI-MIO-16E-4数据采集卡,仪器软件均由LabWidows/CVI软件开发平台开发,并由CVI软件打包工具打包在一起,从而构成了一个整体。为了节省该系统的开发时间和再开发难度,方便地解决所遇到的困难,在设计过程中采用了一种模块化的设计方法,将综合的信号频域分析与处理系统分为五个模块:数据采集仪、二维FFT分析仪、信号的加窗函数分析仪、数字滤波器分析仪、频谱分析仪,分别实现这五个简单分析仪的功能,然后将其嵌套起来构成虚拟信号分析与处理系统。系统总体结构框图如图2所示。图2系统总体框图3数据采集卡的参数设置要使数据采集卡正确地实现数据采集的功能,必须根据实际测量的需要对一些参数进行设置。3.1模拟信号输入部分的设置设置信号的输入方式:确定信号是单端输入还是双端输入,输入信号是单极性信号还是双极性信号等,一般为了减小干扰而设置为双端差分输入。选择增益:根据输入信号幅值变化的范围和分辨率的要求,选择增益。选择量程:一般根据输入信号是单极性还是双极性,选择合适的量程。3.2A/D转换部分的设置设置信号输入通道号;设定采样点数;设定采样速率;采样结果的输出方式:采样结果可放在一个数组中,也可放在某一个缓冲区中。采样触发方式:一般分为外触发、定时触发及软件触发。3.3D/A转换部分模拟信号的输出通道号;模拟信号的输出幅值:此参数应设置在标称满量程的范围内。刷新频率:该参数决定被产生的模拟信号波形的“光滑度”,刷新速率的倒数为响应时间。以上参数为数据采集卡的一般参数,并不是任何情况下,所有参数都必须设置。有些简单的数据采集卡不具有某些功能,如国产HY-1232型数据采集卡就不能提供定时采集的功能,响应的就没有采样速率设置要求,且采样触发方式只是提供软件触发方式的一种,使用者无法选择其它的触发方式。3.4数据采集卡的驱动[4]LabWidows/CVI使用软件驱动I/O接口设备数据采集卡,实现数据采集分为以下两种情况:LabWidows/CVI支持的数据采集卡,如NI公司自行生产的各种类型的数据采集卡可利用LabWidows/CVI自带的驱动函数驱动。设计者只需正确地设置输入参数就可实现采集任务,而不需要编写代码程序。LabWidows

参考文献

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