張 靜

(華北電力大學(xué)電子與通信工程系,河北保定 071003)

基于LabV IEW的虛擬信號頻譜分析儀設(shè)計

張 靜

(華北電力大學(xué)電子與通信工程系,河北保定 071003)

設(shè)計了基于 LabV IEW的虛擬信號頻譜分析儀,并成功地進行了運行檢測.利用 N I公司的 PCI6251數(shù)據(jù)采集卡,虛擬信號分析儀能夠分析信號頻率小于 50 kHz,最大幅值小于 5 V的電壓信號的頻譜;采集到的波形通過相應(yīng)的程序處理模塊處理,能夠得到波形的頻率、幅值、平均值和均方根等信息;波形信號、信號參數(shù)信息及波形的頻譜分析結(jié)果能夠通過保存模塊以報表的形式進行保存.實驗證明,所設(shè)計的頻譜分析儀分析結(jié)果正確,程序運行穩(wěn)定.

虛擬儀器;頻譜分析;數(shù)據(jù)采集

虛擬儀器實際上是一個按照用戶自定義的需求來組織數(shù)據(jù)采集并通過軟件設(shè)計來實現(xiàn)儀器全部功能的一種儀器.在數(shù)字信號處理理論、微電子技術(shù)、計算機技術(shù)迅速發(fā)展的支撐下,虛擬儀器得到了長足的發(fā)展,且廣泛應(yīng)用于汽車、通信、航空、半導(dǎo)體、電子設(shè)計生產(chǎn)、過程控制和生物醫(yī)學(xué)等各個領(lǐng)域,涵蓋了從研發(fā)、測試、生產(chǎn)到服務(wù)的所有階段[1].

LabV IEW是美國 N I公司推出的一種基于 G語言 (Graphics language,圖形化編程語言)的虛擬儀器軟件開發(fā)工具,包含了大量的工具與函數(shù)用于數(shù)據(jù)采集、分析、顯示和存儲等[2].本文介紹一種虛擬信號頻譜分析儀的軟件設(shè)計方法,以 LabV IEW8.6作為開發(fā)平臺,配合利用 N I公司的 PCI6251數(shù)據(jù)采集卡,實現(xiàn)信號采集、顯示和頻譜分析功能.

1 頻譜分析儀器功能

頻譜分析是將信號強度按頻率順序展開,使其成為頻率的函數(shù).本文介紹的信號分析儀的主要功能包括:

1)對輸入的波形信號進行采樣,將采集的波形信號在前面板顯示;

2)對采集的波形信號進行分析,顯示信號的幅度、頻率、均值、最大值、最小值及均方根;

3)對采集的波形信號進行頻譜分析,在前面板顯示信號的頻率 -幅度波形;

4)通過點擊前面板的保存按鈕以報表的形式保存該時刻的波形信號、波形參數(shù)以及頻譜分析結(jié)果.

2 前面板設(shè)計

LabV IEW程序由 2個部分組成:前面板程序和框圖程序.整個程序基于多線程設(shè)計,即前面板和系統(tǒng)程序各占用一個線程.使用采集卡的模擬電壓輸入通道采集信號波形,通過 LabV IEW的圖形用戶界面來模擬頻譜分析儀的操作面板,利用信號處理程序?qū)π盘柌ㄐ芜M行分析.

前面板用于設(shè)置輸入?yún)?shù)、觀察信號及信號分析結(jié)果,模擬真實的頻譜分析儀面板.由于虛擬面板直接面向用戶,是控制軟件的核心,因此設(shè)計這部分時,主要考慮界面美觀、操作簡潔,用戶能通過面板上的各種按鈕、開關(guān)來控制頻譜分析儀工作.

虛擬頻譜分析儀的前面板如圖 1所示,設(shè)計前面板時充分利用 LabV IEW軟件的優(yōu)點,建立了友好的人機交互界面.使用過程中,用戶可同時觀察信號的時域波形、單頻信號的波形參數(shù)和頻譜分析結(jié)果.

圖1 虛擬頻譜分析儀前面板

3 軟件程序設(shè)計

基于虛擬儀器的頻譜分析儀程序設(shè)計主要包括 3個模塊:信號采集與處理、信號的頻譜分析、信號及信號頻譜分析結(jié)果保存.

3.1 信號采集與處理數(shù)據(jù)采集模塊利用 N I公司的 PCI6251數(shù)據(jù)采集卡進行數(shù)據(jù)采集,頻譜分析儀的最大輸入信號頻率為 50 kHz,最大輸入電壓幅值為 5 V.利用 N I-DAQmx作為驅(qū)動軟件,部分信號采集程序如圖 2所示.信號采集類型選擇電壓,物理通道選擇 1通道;采樣模式為連續(xù)采樣,通過外加 while循環(huán)來實現(xiàn);采樣頻率通過讀取前面板的時基參數(shù)進行換算;PCI6251屬于M系列數(shù)據(jù)采集卡,信號采集的觸發(fā)方式采用模擬邊沿觸發(fā),利用模擬輸入通道的信號本身作為觸發(fā)源.

圖2 信號采集程序

利用信號處理程序[3]對信號進行處理,主要是提取輸入信號的單頻信息,當(dāng)只有單頻信號輸入時,在參數(shù)顯示窗口顯示輸入波形信號的頻率、最大值、最小值、幅度、均值等.當(dāng)輸入的信號包含多個頻率時,參數(shù)顯示窗口顯示幅值最大信號的頻率和幅值等信息.提取信號參數(shù)信息函數(shù)如圖 3所示.

3.2 信號的頻譜分析信號的頻譜分析利用LabV IE W提供的 FFT(Fast Fourier Transfor m)頻譜分析函數(shù)完成,如圖 4所示.FFT即快速傅立葉變換[4],用來計算時間信號的平均 FFT頻譜,幅度和相位返回 FFT值.

圖3 波形參數(shù)提取函數(shù)

圖4 頻譜分析函數(shù)

3.3 信號及信號頻譜分析結(jié)果保存信號及信號頻譜分析結(jié)果的保存是通過前面板的保存按鈕來實現(xiàn).點擊保存按鈕時波形信號、信號的參數(shù)及頻譜分析結(jié)果將以圖片的形式進行保存,保存的結(jié)果如圖 5所示.每次保存時要同時提取本地時間進行保存,以方便進行查詢.信號及信號頻譜分析結(jié)果的存儲程序如圖 6所示,利用報表生成V I中的報表生成函數(shù),完成報表的生成,以圖像的形式存儲頻譜分析儀前面板的圖像和參數(shù)信息.

圖5 保存結(jié)果

圖6 存儲程序

4 虛擬頻譜分析儀的檢測結(jié)果

信號分析儀設(shè)計完成后,需要進行性能檢驗,實驗檢測過程中利用 2臺信號發(fā)生器分別產(chǎn)生測試信號,第 1組為頻率 500 Hz與 1 000 Hz、幅值 2.5 V和 1 V的正弦波信號,第 2組為頻率 500 Hz、幅值 2.5 V的正弦波信號及頻率 1 000 Hz、幅值 1 V的方波信號,將 2組信號同時連接到數(shù)據(jù)采集卡的模擬信號輸入端,頻譜分析儀的顯示結(jié)果如圖 7所示.

圖7 頻譜分析檢測結(jié)果

實驗結(jié)果表明,頻譜分析結(jié)果及波形參數(shù)顯示正確,程序運行穩(wěn)定可靠.

5 結(jié)束語

虛擬儀器是在計算機的支持下的數(shù)據(jù)采集硬件,通過軟件設(shè)計來實現(xiàn)儀器的全部功能,性能上更具有靈活性,是現(xiàn)代測試系統(tǒng)的發(fā)展趨勢,利用本文設(shè)計的虛擬頻譜分析儀可以方便、快捷地實現(xiàn)信號的頻譜分析,并完成分析結(jié)果的保存.如果換成高速率的數(shù)據(jù)采集卡,頻譜分析儀將能分析更高的信號頻率.隨著計算機和微電子技術(shù)的發(fā)展,虛擬儀器技術(shù)在實踐中將會越來越受到重視.

[1]武一,楊瑞霞,時惠玲.虛擬信號測量儀的設(shè)計與開發(fā)[J].電子測量技術(shù),2008,31(3):55-57.

[2]張宏群.基于LabV IEW的虛擬信號分析儀的設(shè)計[J].儀器儀表用戶,2007,14(5):124-125.

[3]龍華偉,顧永剛.LabV IEW8.2與 DAQ數(shù)據(jù)采集[M].北京:清華大學(xué)出版社,2008.

[4]胡廣書.數(shù)字信號處理—理論、算法與實現(xiàn)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2002.

Design of Virtual Signal Spectrum Analyzer Based on LabVIE W

ZHANG Jing

(Department of Electronics and Communication Engineering,North China Electric PowerUniversity,Baoding 071003,China)

In our report,the virtual signal spectrum analyzer based on LabV IEW was designed,and the testwas perfor med successfully.Amplitude signal frequencywhich is less than 50 kHz and voltage which is lower than 5 V could be analyzed by the virtual spectrum analyzer.Waveforms collected were processed by the corresponding program module,and the waveform frequency,amplitude,mean,RMS and other infor mation could be obtained.Wavefor m signal,the signal parameter infor mation and the wavefor m of the spectrum analysis module could be saved in the form of statements.The results showed that the analysis data with the spectrum analyzer is correct,and the program runs s mooth.

virtual instruments;spectrum analysis;data collection

TP 311 < class="emphasis_bold">文獻標志碼:A

A

1004-1729(2011)02-0162-04

2010-10-26

張靜 (1981-),女,河北保定人,華北電力大學(xué)電子與通信工程系助理工程師.