摘 要:將主要用于測控領(lǐng)域的虛擬儀器擴展作為一種通用信號處理平臺。以NI的LabVIEW為框架，以NI的數(shù)據(jù)采集卡為主要硬件設計了一個完整的信號處理平臺，在該平臺上可以快速構(gòu)建多種多樣的信號處理系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的現(xiàn)場采集與處理。此外，針對LabVIEW的一些不足，平臺提供了多種編程語言的接口，使用者可以根據(jù)需要，選用Matlab，C語言等填寫核心算法，從而發(fā)揮各種編程語言的優(yōu)點，增強平臺的通用性且豐富了系統(tǒng)的功能。最后，運用該平臺搭建了2FSK信號解調(diào)系統(tǒng)，驗證了該平臺的通用性和有效性。

關(guān)鍵詞:虛擬儀器; 數(shù)據(jù)采集; 信號處理; 混合編程

中圖分類號:TP313 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)09-0187-04

Quick Construction of Signal Processing Platform with

Virtual Instruments and Hybrid Programming

HUANG Yong-hua1， TANG Zhi-liang1，2， GAO Yong1

(1.College of Electronics and Information Engineering， Sichuan University， Chengdu 610065， China;

2.Chongqing Communication Institute， Chongqing 400035， China)

Abstract: The virtual instrument which is widely used in industrial measurement and control is applied as a common signal processing platform. A perfect signal processing platform which takes LabVIEW as the framework， and a data acquisition card as the main hardware is designed. Various kinds of field signal processing systems can be quickly built on this platform to realize the real-time data acquisition and processing. Considering the deficiency of LabVIEW， various kinds of program languages such as Matlab or C are supported by this platform. The hybrid programming can take advantage of each program language， which enhances the compatibility and the functions of this platform. A 2FSK demodulation system was successfully built to demonstrate the compatibility and effectiveness of this platform.

Keywords: virtual instrument; data acquisition; signal processing; hybrid programming

0 引 言

虛擬儀器技術(shù)以通用計算機為基礎(chǔ)，外加少量硬件設備，就可完成信號的分析測量工作。與普通儀器相比，虛擬儀器具有低成本，多功能等優(yōu)點。近幾年虛擬儀器發(fā)展迅速，目前全球已有很多家虛擬儀器供應商，本文選用NI(美國國家儀器)公司的虛擬儀器產(chǎn)品。

在虛擬儀器構(gòu)建的測量分析系統(tǒng)中，主要硬件設備是數(shù)據(jù)采集卡。NI公司的數(shù)據(jù)采集卡種類豐富，簡單易用，能滿足各種應用場合，選用現(xiàn)成的數(shù)據(jù)采集卡可以省去很多硬件開發(fā)工作。NI公司開發(fā)的圖形化編程軟件LabVIEW將硬件驅(qū)動和一些簡單的信號處理函數(shù)編寫成一系列獨立的VI(Visual Instrument)模塊，既能實現(xiàn)與硬件的無縫連接，又能進行簡單的信號運算分析。同嵌入式系統(tǒng)開發(fā)相比，LabVIEW環(huán)境下的系統(tǒng)開發(fā)不必考慮如寄存器配置、存儲空間分配等復雜問題，開發(fā)工作變得如同軟件仿真一樣簡單。

MathWorks公司的Matlab是一種公式化編程語言，有十分豐富的庫函數(shù)和工具箱、信號處理功能強大、但與硬件結(jié)合不夠緊密;C語言使用廣泛，語法嚴謹、程序結(jié)構(gòu)清晰、可移植性好、執(zhí)行效率較高;LabVIEW的圖形化編程語言(G語言)作為一種較新的編程語言，目前還未被廣泛使用。為了使各種編程語言能優(yōu)勢互補，本文采用編程接口技術(shù)實現(xiàn)LabVIEW環(huán)境下多語言混合編程，以充分發(fā)揮各種編程語言的長處。

1 平臺結(jié)構(gòu)

圖1列出了平臺結(jié)構(gòu)框圖，數(shù)據(jù)采集端由傳感器和采集卡組成。傳感器輸出的模擬信號進入數(shù)據(jù)采集卡。在某些應用場合，傳感器和數(shù)據(jù)采集卡之間需要加上信號調(diào)理設備，以實現(xiàn)多路復用、信號幅度調(diào)整、濾波等功能。

在“LabVIEW編程環(huán)境”下完成兩項任務，首先是配置數(shù)據(jù)采集卡并接收數(shù)據(jù)，配置參數(shù)包括輸入接線端配置、物理通道選擇、采樣時鐘設置、緩沖區(qū)設置、每通道采樣數(shù)設置等;其次是對數(shù)據(jù)流進行實時分配并處理。為了實現(xiàn)處理的連貫性，采用NI定義的“生產(chǎn)者/消費者設計模式”[1]，該結(jié)構(gòu)通過響應事件實現(xiàn)代碼的異步執(zhí)行，同時不影響用戶界面的響應速度?！吧a(chǎn)者/消費者設計模式”是將數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理分別放在兩個循環(huán)里單獨執(zhí)行，數(shù)據(jù)采集循環(huán)每一次采集的若干個樣點定義為一個采樣幀，數(shù)據(jù)處理循環(huán)每執(zhí)行一次，完成一個采樣幀的分析。采集的數(shù)據(jù)用隊列緩存。隊列是一種數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)，遵循FIFO(First In First Out)存取機制，每個采樣幀作為隊列的一個元素由隊列尾部入列，數(shù)據(jù)處理循環(huán)不斷地從隊列頭部取走元素直至取完，取完后等待新采集的數(shù)據(jù)到來。因此，在“生產(chǎn)者/消費者設計模式”下，只要數(shù)據(jù)處理循環(huán)單次執(zhí)行時間小于數(shù)據(jù)采集循環(huán)單次執(zhí)行時間，就可以實現(xiàn)連續(xù)的實時分析。“函數(shù)模塊”包含供LabVIEW調(diào)用的核心算法，通過編程接口技術(shù)實現(xiàn)參數(shù)的傳遞。函數(shù)模塊的編寫較自由，兼容多種編程語言，某些現(xiàn)有的代碼幾乎不用修改就可以直接使用。運算結(jié)果可以通過LabVIEW前面板輸出，也可以由“函數(shù)模塊”直接輸出。在某些對程序前面板有特殊要求的場合，例如儀表面板等，這時采用LabVIEW前面板作為輸出界面更直觀。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 LabVIEW與其他編程語言的接口

2.1 動態(tài)鏈接庫接口和CIN(Code Interface Node)

動態(tài)鏈接庫(DLL)是Windows操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)，動態(tài)鏈接庫通常都不能直接運行，它們是一些獨立的文件，其中包含能被可執(zhí)行程序或其他DLL調(diào)用來完成某項工作的函數(shù)。只有在其他模塊調(diào)用動態(tài)鏈接庫中的函數(shù)時，它才發(fā)揮作用。LabVIEW支持動態(tài)鏈接庫技術(shù)，支持動態(tài)加載和隱式鏈接，兼容標準調(diào)用約定和C調(diào)用約定。

下面以隱式調(diào)用為例說明LabVIEW和Visual C++的接口建立過程:首先在Visual C++中創(chuàng)建一個WIN32動態(tài)鏈接庫或MFC類庫并將函數(shù)導出[2]，然后選擇LabVIEW“互聯(lián)接口”菜單下的“調(diào)用庫函數(shù)節(jié)點”，指定動態(tài)鏈接庫(DLL)文件和引入庫文件的路徑名稱，選擇要調(diào)用的函數(shù)并配置參數(shù)，參數(shù)與原函數(shù)形參類型要保持一致，如果是數(shù)組，則要求長度一致。此時在程序面板里可以看到“調(diào)用庫函數(shù)節(jié)點”模塊上的參數(shù)接線端，最后連接需要傳遞的參數(shù)，則可建立隱式調(diào)用模塊。CIN節(jié)點[1]是專門用來調(diào)用C/C++代碼的功能節(jié)點，可以直接向VI中添加C/C++代碼，十分簡便。

2.2 專用Matlab接口

LabVIEW提供了兩種常用Matlab接口:第一種是MathScript節(jié)點[1]，在LabVIEW程序框圖面板的編程菜單結(jié)構(gòu)子菜單下可以找到MathScript節(jié)點，在MathScript框內(nèi)直接填寫Matlab代碼便能生成腳本，由于腳本的執(zhí)行需要調(diào)用Matlab軟件腳本服務器，因此必須安裝具有許可證的Matlab 6.5或以上版本才能使用Matlab腳本節(jié)點。Matlab腳本節(jié)點僅適用于Windows操作系統(tǒng)，目前MathScript還不支持所有的Matlab函數(shù)，應用受到一定的限制。

第二種Matlab接口是使用調(diào)用節(jié)點(ActiveX)技術(shù)引用MLApp.DIMLApp對象[3]，從LabVIEW“互聯(lián)接口”面板選擇“調(diào)用節(jié)點”模塊，然后為該模塊配置ActiveX類，打開類列表，如果PC上安裝了具有許可證的Matlab 或MCR，則可以看到名為“Matlab Application”的類，對該類進行展開可以看到有幾個對象，選用MLApp.DIMLApp對象，方法列表中的Excute方法是執(zhí)行函數(shù)命令，Quit方法是結(jié)束函數(shù)命令。由于在Matlab工作區(qū)間中的數(shù)據(jù)是矩陣類型，而在多數(shù)編程語言中只有數(shù)組類型沒有矩陣類型，數(shù)組和矩陣看似十分相似，但傳參時數(shù)組并不能代替矩陣。Putfullmatrix方法和Getfullmatrix方法解決了兩者的轉(zhuǎn)換問題，Putfullmatrix將實參數(shù)組變換成矩陣傳入Matlab工作區(qū)間，Getfullmatrix將Matlab工作區(qū)間內(nèi)的矩陣轉(zhuǎn)換為變體(一種變量類型)傳出。

圖2為引用示例，首先在Matlab下編寫函數(shù):function[b]=funtest(a)，函數(shù)內(nèi)容任意，函數(shù)以m文件存在Matlab默認運行目錄下。然后在LabVIEW中編寫圖2所示程序。程序中三個數(shù)組為函數(shù)的實參;a，b為Matlab工作區(qū)間中的矩陣，是函數(shù)的形參。當程序執(zhí)行時，圖中“數(shù)組”和“數(shù)組2”分別轉(zhuǎn)換為矩陣的實部和虛部賦給a，“數(shù)組”和“數(shù)組2”的長度要一致。返回值是變體類型，經(jīng)過變體至數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后賦給“數(shù)組3”。

2.3 基于COM組件的接口技術(shù)

基于COM組件的接口技術(shù)適合于所有支持COM技術(shù)的編程工具。既然LabVIEW可以調(diào)用節(jié)點，完全可以自己創(chuàng)建一個注冊類然后在LabVIEW中調(diào)用。調(diào)用一般遵循這樣一個過程:獲取類引用、執(zhí)行函數(shù)、結(jié)束函數(shù)、關(guān)閉類引用。循環(huán)運算時為了提高執(zhí)行效率，可以把獲取類引用和關(guān)閉類引用放到循環(huán)外部。Matlab環(huán)境下生成可用的COM組件步驟如下[4]:

首先在Matlab中新建一個“Funtest.m”文件，編寫如下測試代碼:

function[b]=Funtest(a)

b=sin(a);

啟動Comtool工具箱(Matlab 7.0版本提供了Comtool工具箱，新版本的comtool已并入deploytool工具箱)，新建一個工程，自定義類名為“IFuntestclass”，通過“Project”菜單下的“Addfiles”將Matlab函數(shù)文件(funtest.m文件)加入工程，運行Build菜單下的Com Object，此時便生成了一個后綴為.dll動態(tài)鏈接庫文件，然后在Windows命令行使用regsvr32命令完成該類的注冊。LabVIEW引用程序如圖3所示。

圖2 引用MLApp.DIMLApp對象示例

圖3 COM組件引用示例

函數(shù)模塊有三個輸入接線端一個輸出接線端，“nargout”為輸出參數(shù)個數(shù)，參數(shù)b有左右兩個接線端，依次對應初始值和返回值。注冊類的函數(shù)在傳參的時候有一定的局限:不支持數(shù)組類型的返回值，例如圖3中的返回值b若是數(shù)組，則無法正確傳給顯示控件“輸出”。這種情況下如果要觀察數(shù)組b的值，只能使用Matlab繪圖函數(shù)將b繪制為曲線，或?qū)的內(nèi)容保存為數(shù)據(jù)文件。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

在該信號處理平臺上可以搭建多種實際系統(tǒng)，此處以二進制頻移鍵控(2FSK)[5-6]信號解調(diào)為例進行演示。2FSK是常見的數(shù)字調(diào)制方式，2FSK信號有兩種載頻(fs和fm)分別對應0符號和1符號。常見的2FSK解調(diào)方法有三種:非相干解調(diào)、相干解調(diào)、PLL-FSK解調(diào)[7]。此處采用非相干方式解調(diào)。非相干解調(diào)分為帶通濾波、包絡檢波和抽樣判決三個步驟[8]。

FSK信號由Agilent 3320A信號發(fā)生器產(chǎn)生，fs=10 kHz，fm=30 kHz，信息傳輸速率Rb=1 Kb/s，由于信號發(fā)生器直接提供電壓信號，故系統(tǒng)省去了圖1中的傳感器部分，在實際通信系統(tǒng)中，接收機前端的信號要經(jīng)過適當調(diào)理再進行解調(diào)。采集卡選用NI公司的NI9215，該采集卡輸入信號峰值電平為±10 V，最多可進行4個通道的同步數(shù)據(jù)采集，采樣率可達到100 KSPS，量化精度為16 b。同時可通過USB-9162轉(zhuǎn)接器實現(xiàn)與PC的USB端口互聯(lián)。

數(shù)據(jù)采集卡采樣率設為96 kB/s，為了抑制共模干擾，信號發(fā)生器輸出端模擬信號通過差分方式連接到采集卡，同時，代碼中“輸入接線端設置”設為“差分方式”，通道數(shù)設為1。在本系統(tǒng)中，運算結(jié)果的延時約等于采樣幀的時長，因此，采樣幀越長實時性越差。增加采樣幀的長度，可以減少PC與采集卡的頻繁通信，提高了執(zhí)行效率。要對運算延時和執(zhí)行效率進行折衷，必須選擇合適的采樣幀長度，這里將采樣幀長設為4 800點，以采樣幀為單位逐幀進行解調(diào)。

限于篇幅，此處僅以2.2節(jié)中介紹的第二種Matlab編程接口為例進行演示。主程序圖如圖4所示。

圖4 主程序圖

圖4中程序上半部分為數(shù)據(jù)采集，其中包括數(shù)據(jù)采集通道配置、創(chuàng)建隊列和數(shù)據(jù)采集循環(huán);下半部分為數(shù)據(jù)處理循環(huán)，其中包含 “FskDemod.vi”子VI，即Matlab編寫的核心算法，子VI與Matlab函數(shù)模塊接口如2.2所述。帶通濾波器的設計是FSK解調(diào)算法的核心，在Matlab中使用“fdatool”工具箱設計兩個30階的FIR帶通濾波器，中心頻率分別為10 kHz和30 kHz，提取濾波器系數(shù)，再調(diào)用“filter”函數(shù)進行濾波，實現(xiàn)過程十分簡單。除了FSK解調(diào)，本平臺還適用于多種通信系統(tǒng)。虛擬儀器在通信領(lǐng)域正被越來越多的使用[9-10]。圖5，圖6為某工作時刻LabVIEW前面板的繪圖界面，圖5為2FSK信號波形，圖6為包絡檢波后的波形。為了便于展現(xiàn)，圖5，圖6只畫出了一個采樣幀的前192點的波形。包絡檢波結(jié)果再經(jīng)過抽樣判決便得到二進制數(shù)據(jù)流。

圖5 2FSK波形

圖6 包絡檢波后波形

4 結(jié) 語

借助虛擬儀器穩(wěn)定的硬件模塊和靈活的軟件環(huán)境，為開發(fā)者設計了一個實用的信號處理平臺。該平臺上的系統(tǒng)開發(fā)硬件調(diào)試簡單，軟件編寫也十分自由。該平臺非常適合用來快速搭建現(xiàn)場實驗系統(tǒng)以及演示系統(tǒng)，還可以擔任嵌入式系統(tǒng)開發(fā)前期的評估和輔助工作。例如在該平臺下用C語言編寫并調(diào)試通過的算法可以快速移植到DSP系統(tǒng)。開發(fā)者可以根據(jù)實際需要選擇更高端的數(shù)據(jù)采集卡，快速搭建各種信號處理系統(tǒng)，具有較好的實用價值。

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