陳貞

(莆田學(xué)院電子信息工程學(xué)系，福建莆田 351100)

數(shù)字信號處理是電子信息類專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課程之一，其基本理論和方法具有廣泛的應(yīng)用［1］，目前的教學(xué)實驗方式為，教師對課本內(nèi)容作講解，配合使用多媒體課件展示一些圖片，在實驗中使用傳統(tǒng)的實驗設(shè)備，即以指示燈和部分開關(guān)模擬整個工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的設(shè)備，學(xué)生在實驗中既體會不到信號特性分析對象的概念，也無法領(lǐng)會信號分析儀中時域分析部分和頻域分析部分的形象分析.不利于培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣，教學(xué)效率也較低.而信號分析儀實驗室的一套分析設(shè)備，需要資金和人員的維護，是典型的信號分析儀器產(chǎn)品和理想的教學(xué)實驗設(shè)備.但是這樣的設(shè)備不能搬進課堂里，并且從數(shù)量上也無法滿足所有學(xué)生的實驗要求.

將虛擬現(xiàn)實技術(shù)引入計算機系統(tǒng)成為虛擬實驗室，來虛擬地實現(xiàn)各種實驗環(huán)境和實驗操作，它是在計算機仿真基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一項應(yīng)用技術(shù).利用計算機強大的圖形和數(shù)據(jù)處理功能可以虛擬仿真實驗室的物理系統(tǒng)及其控制系統(tǒng)，將計算機輔助技術(shù)與虛擬儀器技術(shù)通過數(shù)據(jù)交換共享建成的虛擬仿真實驗，能夠代替部分實際實驗項目供學(xué)生學(xué)習(xí).這樣的實驗同樣能給人創(chuàng)造一種近乎進行真實實驗的感覺，實驗者可以像在真實環(huán)境中一樣完成實驗項目，對學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)起到重要的促進作用.

1 信號分析儀的總體設(shè)計

本設(shè)計實現(xiàn)了基于LabVIEW的信號分析儀平臺，具有初級信號處理、信號的時域分析、信號的頻域分析等模塊和數(shù)字功能、圖形化功能及存儲數(shù)據(jù)功能的信號分析儀的教學(xué)系統(tǒng)平臺.

系統(tǒng)軟件環(huán)境:采用WINXP中文操作系統(tǒng)和LabVIEW8.6開發(fā)平臺，使用結(jié)構(gòu)化和模塊化的編程思想進行應(yīng)用軟件設(shè)計［2］.在LabVIEW開發(fā)平臺下，模塊化編程是實現(xiàn)軟件結(jié)構(gòu)化的重要手段.系統(tǒng)應(yīng)用程序分為四個模塊:數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊和波形處理模塊.在具體編程時按層次結(jié)構(gòu)將每一個細節(jié)任務(wù)編制成結(jié)構(gòu)完整、功能相對獨立的子程序塊.軟件部分總體構(gòu)成如圖1所示.

圖1 軟件總體框圖

信號采集模塊:信號采集模塊完成測量信號參量的采集，即從實驗教學(xué)隨機采集的各種信號，然后通過LabVIEW虛擬儀器的驅(qū)動程序完成信號采集過程.

信號處理模塊:信號處理模塊是本系統(tǒng)軟件的核心部分，主要對采集得到的信號進行處理，分析常見波形信號的時域、頻域和信號特性等.

信號存儲模塊:信號存儲模塊完成將各模塊分析后的數(shù)據(jù)以Excel格式保存在文件中，并存放在計算機硬盤一定的目錄下以便操作人員查閱和進行統(tǒng)計分析.

波形處理模塊:波形處理模塊包括波形數(shù)據(jù)的存盤和波形的回放以及波形圖像的保存.其中波形圖像保存為bmp格式.

2 主界面總體設(shè)計

為了提高《信號分析與處理》課程的教學(xué)水平，通過分析課程的特點和教學(xué)內(nèi)容［3］，研究了在目前技術(shù)條件下實驗教學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)成要求，設(shè)計了一種基于虛擬儀器的綜合實驗教學(xué)系統(tǒng).該實驗教學(xué)系統(tǒng)把理論知識和虛擬儀器系統(tǒng)結(jié)合起來，構(gòu)成一個綜合實驗教學(xué)系統(tǒng)，內(nèi)容包括初級信號處理模塊、信號的時域分析模塊、信號的頻域分析模塊和信號濾波及特性分析模塊，這四個模塊都是信號分析與處理教程的重中之重.主界面圖和程序框圖分別如下圖2(a)、圖2(b)所示.

3 信號分析儀的模塊設(shè)計

3.1 初級信號處理模塊

該模塊是本設(shè)計的第一個小模塊，也是信號分析與處理的基礎(chǔ)知識，總共包括信號的發(fā)生、信號的微分和積分以及周期信號的平均值和均方根.

基本信號發(fā)生模塊是信號分析最基礎(chǔ)的知識模塊，以此模塊為基礎(chǔ)，在接下來的模塊設(shè)計中在分區(qū)段的進行信號分析處理，以達到本次課題的設(shè)計目標和實現(xiàn)價值.該模塊由一個基本函數(shù)信號發(fā)生器控件和一個波形控件共同來完成的模塊.前面板圖和程序框圖分別如下圖3(a)、圖3(b)所示.

3.2 時域分析模塊

連續(xù)時間信號的時域分析就是將不同形式的信號波形用不同的時間函數(shù)來描述.本模塊包括信號的自相關(guān)性、信號的卷積定律、信號的互相關(guān)性和周期信號的時域特性測量.

周期信號的時域特性測量使用方波波形和高斯白噪聲波形共同疊加完成模塊實現(xiàn)，參數(shù)模塊設(shè)計過程中增加了方波頻率、方波幅值、采樣參數(shù)、噪聲標準差分別通過方波波形和高斯白噪聲波形，之后進行疊加產(chǎn)生波形圖，同時還經(jīng)過瞬態(tài)特性測量和脈沖測量分別進行時域特性分析.前面板和程序框圖如下圖4(a)、圖4(b)所示.

圖4 (a)前面板圖

圖4 (b)程序框圖

3.3 頻域分析模塊

頻域分析是通過傅里葉變換來觀察信號的頻率組成成分.傅里葉變換的一個基本應(yīng)用就是計算信號的頻譜，通過頻譜可以方便地觀察和分析信號的頻率組成成分.學(xué)生從本環(huán)節(jié)中可以清晰地觀察到振動信號的頻率組成成分.

其中四種常見波形的頻譜分析模塊在輸出端一邊經(jīng)過捆綁輸出頻譜分析圖，另一邊通過FFT的變換，再通過復(fù)制極坐標的轉(zhuǎn)換，最后再通過捆綁產(chǎn)生變換后的頻譜分析波形圖.前面圖和程序框圖如下圖5(a)、圖5(b)所示.

圖5 (a) 前面板圖

圖5 (b)程序框圖

3.4 信號濾波及特性分析模塊

該模塊包括了窗函數(shù)及濾波器的應(yīng)用，調(diào)幅波解調(diào)器，信號的互平穩(wěn)性－聲卡設(shè)計，虛擬函數(shù)信號發(fā)生器.

虛擬函數(shù)信號發(fā)生器模塊是信號分析最綜合的知識模塊，也是本次設(shè)計程序的整個過程思想的實現(xiàn)方法，僅以此模塊為基礎(chǔ)，在接下來的模塊設(shè)計中在分區(qū)段的進行信號分析處理，以達到系統(tǒng)的設(shè)計目標和實現(xiàn)價值.該模塊由一個基本函數(shù)信號發(fā)生器控件和一個公式波形控件共同來完成的模塊.前面板圖和程序框圖如下圖6(a)、圖6(b)所示.

圖6 (a)前面板圖

4 結(jié)論

基于虛擬儀器概念的信號分析儀系統(tǒng)，使用LabVIEW8.6版本虛擬儀器軟件，最終實現(xiàn)了基于信號分析儀的教學(xué)平臺的設(shè)計，具有頻譜分析儀功能的諧波分析儀系統(tǒng)，并具備數(shù)字存儲示波器功能.由于使用了LabVIEW進行系統(tǒng)的軟件開發(fā)，使得本系統(tǒng)具有很好的通用性和靈活性.

但本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲和回放模塊還只能完成單通道的存儲和讀取，不能實現(xiàn)雙通道數(shù)據(jù)的同時存儲和讀取，這一方面有待進一步加強.另外所開發(fā)的虛擬信號分析分析儀還未具有網(wǎng)絡(luò)功能.

圖6 (b)程序框圖

［1］王懷興.基于Labview的信號與系統(tǒng)仿真實驗系統(tǒng)設(shè)計［J］.湖北第二師范學(xué)院學(xué)報，2009，26(2):76－78.

［2］袁淵，古軍.Labview程序設(shè)計與應(yīng)用［M］.西安:電子科技大學(xué)出版社，2000.

［3］徐科軍.信號處理技術(shù)［M］.武漢:武漢理工大學(xué)出版社，2002.