黃昆　譚鈞劍　郝小江

（攀枝花學(xué)院電氣信息工程學(xué)院，四川　攀枝花　617000）

基于USB4716的虛擬信號(hào)處理儀設(shè)計(jì)

黃昆譚鈞劍郝小江

（攀枝花學(xué)院電氣信息工程學(xué)院，四川攀枝花617000）

以USB4716數(shù)據(jù)采集卡和LabVIEW軟件為核心，設(shè)計(jì)一個(gè)虛擬信號(hào)處理儀。該處理儀先通過USB4716采集外界各種信號(hào)，送入計(jì)算機(jī)，再利用LabVIEW編程所得到的前面板和程序框圖，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的測(cè)量、濾波、加窗、頻譜分析等功能。實(shí)驗(yàn)表明，虛擬信號(hào)處理儀程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，人機(jī)界面友好，操作簡(jiǎn)單方便，實(shí)用性較強(qiáng)。

虛擬儀器LabVIEWUSB4716信號(hào)處理

1　引言

虛擬儀器技術(shù)發(fā)展非常迅速，只要擁有數(shù)據(jù)采集硬件和相應(yīng)的虛擬儀器軟件，就可構(gòu)成基于計(jì)算機(jī)的測(cè)量?jī)x器。本文利用USB4716作為數(shù)據(jù)采集硬件，在安裝有LabVIEW軟件平臺(tái)的計(jì)算機(jī)上，設(shè)計(jì)出虛擬信號(hào)處理儀器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理與顯示等功能。

2　設(shè)計(jì)平臺(tái)

2.1硬件平臺(tái)

硬件平臺(tái)主要包括計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)采集卡。

數(shù)據(jù)采集卡采用臺(tái)灣研華公司USB4716，它的主要測(cè)量與控制功能如下：

①16個(gè)單端/8個(gè)差分模擬量輸入通道；

②16-bit分辨率，采樣速率達(dá)200kS/s；

③8個(gè)數(shù)字量輸入和8個(gè)數(shù)字量輸出通道；

④2個(gè)模擬量輸出通道；

⑤總線供電，支持USB2.0和熱插拔。

2.2軟件平臺(tái)

本文采用LabVIEW2010虛擬儀器軟件平臺(tái)。它由美國(guó)NI公司開發(fā)，具有直觀的前面板與簡(jiǎn)便的圖形化編程方法，是構(gòu)建虛擬儀器的理想工具。使用LabVIEW編寫的程序也叫虛擬儀器，簡(jiǎn)稱VI。編寫VI程序會(huì)用到LabVIEW三個(gè)操作選板：工具選板、控件選板、函數(shù)選板。

3　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)分前面板設(shè)計(jì)和程序框圖設(shè)計(jì)兩大塊，采用模塊化設(shè)計(jì)思想。總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

虛擬信號(hào)處理儀設(shè)計(jì)可分為“信號(hào)來源”和“信號(hào)處理”兩塊。其中，信號(hào)來源包括USB4716采集信號(hào)模塊和仿真信號(hào)模塊；信號(hào)處理包括信號(hào)測(cè)量模塊、濾波模塊、加窗模塊、頻譜模塊。

圖1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

4　具體模塊設(shè)計(jì)

4.1USB4716信號(hào)采集模塊設(shè)計(jì)

當(dāng)USB4716數(shù)據(jù)采集卡要與計(jì)算機(jī)連接交換信息時(shí)，先要安裝好驅(qū)動(dòng)程序。當(dāng)驅(qū)動(dòng)成功安裝后，就能在電腦設(shè)備管理器找到硬件，并能在LabVIEW中調(diào)用其對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)采集函數(shù)。

采集模塊前面板和程序框圖設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2　采集模塊前面板和程序框圖

前面板設(shè)計(jì)包括三個(gè)數(shù)值輸入控件（設(shè)備名、采樣率、采樣數(shù)）和一個(gè)傳統(tǒng)DAQ通道I/O控件，用于配置采集卡。

程序框圖設(shè)計(jì)主要是選用“ADV AI Acquire Waveform.vi”函數(shù)來實(shí)現(xiàn)。此函數(shù)功能為采集USB4716輸入的模擬信號(hào)。

4.2仿真信號(hào)產(chǎn)生模塊設(shè)計(jì)

為了功能驗(yàn)證的方便，本設(shè)計(jì)增加了仿真信號(hào)產(chǎn)生模塊，主要產(chǎn)生四種典型仿真信號(hào)（正弦波、方波、鋸齒波、三角波），并且還可加入噪聲（高斯白噪聲或均勻白噪聲）。

前面板設(shè)計(jì)如圖3所示，主要包括兩個(gè)組合框控件（信號(hào)類型、噪聲類型）、兩個(gè)旋鈕控件（頻率、幅值）、兩個(gè)數(shù)值輸入控件（相位、方波占空比）、一個(gè)簇控件（模擬信號(hào)采樣信息）和一個(gè)單選按鈕控件（是否加噪聲），方便用戶產(chǎn)生各種仿真信號(hào)。

圖3　仿真信號(hào)產(chǎn)生模塊前面板

程序框圖設(shè)計(jì)如圖4所示，主要采用條件結(jié)構(gòu)和波形生成函數(shù)來實(shí)現(xiàn)。

圖4　仿真信號(hào)產(chǎn)生模塊程序框圖

4.3信號(hào)測(cè)量模塊

該模塊主要是對(duì)要進(jìn)行處理的輸入信號(hào)進(jìn)行簡(jiǎn)單測(cè)量，包括信號(hào)的幅值測(cè)量和時(shí)間頻率測(cè)量。

前面板設(shè)計(jì)如圖5所示，它主要包括幅值測(cè)量的三個(gè)數(shù)值顯示控件（峰峰值、周期平均、周期均方根）和時(shí)間頻率測(cè)量的三個(gè)數(shù)值顯示控件（周期、頻率、占空比），用于顯示信號(hào)的基本信息。

圖5　信號(hào)測(cè)量模塊前面板

程序框圖設(shè)計(jì)如圖6所示，選用“幅值和電平測(cè)量”和“信號(hào)的時(shí)間與瞬態(tài)特性測(cè)量”兩個(gè)信號(hào)分析函數(shù)來實(shí)現(xiàn)。

圖6　信號(hào)測(cè)量模塊程序框圖

4.4信號(hào)濾波模塊設(shè)計(jì)

LabVIEW中擁有大量的數(shù)字濾波器，如Chebyshev濾波器、Butterworth濾波器、貝塞爾濾波器等。本設(shè)計(jì)就利用這三種濾波器對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行濾波。

前面板設(shè)計(jì)如圖7所示，它主要包括兩個(gè)枚舉型控件（濾波器、濾波器類型）和三個(gè)數(shù)值輸入控件（階數(shù)、低截止頻率、高截止頻率），用于濾波器選擇和參數(shù)設(shè)置。

圖7　信號(hào)濾波模塊前面板

程序框圖設(shè)計(jì)如圖8所示，主要采用條件結(jié)構(gòu)、濾波器函數(shù)、局部變量、解除捆綁函數(shù)來實(shí)現(xiàn)。

圖8　信號(hào)濾波模塊程序框圖

4.5信號(hào)加窗和頻譜模塊

LabVIEW中提供了大量的窗函數(shù)，其中包含Blackman窗，Hanning窗，Hamming窗等。為體現(xiàn)出加窗對(duì)信號(hào)做出的處理，濾波后的信號(hào)經(jīng)加窗處理后進(jìn)行波形和幅度譜顯示，其前面板和程序框圖設(shè)計(jì)如圖9所示。

圖9　信號(hào)加窗和頻譜模塊前面板和程序框圖

前面板主要包括兩個(gè)波形圖控件（加窗后的信號(hào)、加窗后幅度譜），用于直觀地顯示信號(hào)經(jīng)加窗處理后的變化。

程序框圖主要采用條件結(jié)構(gòu)、窗函數(shù)、幅度譜和相位譜函數(shù)、單位轉(zhuǎn)換函數(shù)來實(shí)現(xiàn)。

5　系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)試

系統(tǒng)調(diào)試時(shí)，信號(hào)來源最好先選擇仿真信號(hào)，然后分別進(jìn)行信號(hào)的各種處理調(diào)試。待仿真信號(hào)調(diào)試成功后，再切換USB4716數(shù)據(jù)采集信號(hào)進(jìn)行。

調(diào)試USB4716采集的實(shí)際信號(hào)前，先要將外部模擬信號(hào)接入U(xiǎn)SB4716采集卡的某個(gè)通道，再將USB4716插入計(jì)算機(jī)的USB端口，等待計(jì)算機(jī)檢測(cè)到硬件設(shè)備，再打開LabVIEW程序，在前面板USB4716信號(hào)采集模塊設(shè)置好對(duì)應(yīng)參數(shù)。

下一步，在信號(hào)濾波模塊設(shè)置好濾波器參數(shù)，運(yùn)行程序，觀察原始采集信號(hào)和濾波后的信號(hào)，如圖10所示。

圖10　信號(hào)濾波處理

再觀察對(duì)采集信號(hào)的測(cè)量、加窗和幅度譜分析，如圖11所示。

圖11　信號(hào)的測(cè)量、加窗和幅度譜分析

由以上運(yùn)行調(diào)試結(jié)果可看出，基于USB4716的虛擬信號(hào)處理儀可成功運(yùn)行，采集和處理功能正常。

6　結(jié)束語

本設(shè)計(jì)的虛擬信號(hào)處理儀，成功地實(shí)現(xiàn)了USB4716數(shù)據(jù)采集、仿真信號(hào)的生成、信號(hào)測(cè)量、濾波、加窗、頻譜分析等功能，圖形界面友好，操作簡(jiǎn)單方便，達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。但仍有需要改進(jìn)完善的地方，比如可以增加信號(hào)的頻率響應(yīng)分析、相關(guān)分析、曲線擬合等功能。

參閱文獻(xiàn)

［1］張重雄，張思維.虛擬儀器技術(shù)分析與設(shè)計(jì)（第2版）［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2012.

［2］彭勇，潘曉燁，謝龍漢.LabVIEW虛擬儀器設(shè)計(jì)及分析［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2011.

Design of Virtual Signal Processing Instrument Based on USB4716

HUANG Kun TAN Jun-jianHAO Xiao-jiang
（School of Information and Electric Engineering，Panzhihua University，Panzhihua，Sichuan 617000 China）

Based on USB4716 data acquisition card and LabVIEW software，the paper gives a virtual signal processing instrument.The instrument firstly collet outside signals through the USB4716 and sent them to the computer，then use the front panels and program diagrams obtained by LabVIEW to achieve a variety of functions，such as signal measurement，filter，add window，spectrum analysis，etc. Experiments show that the instrument has simple program design，friendly interface，simple and convenient operation，strong practicality.

virtual instrument；LabVIEW；USB4716；signal processing

TP311

A

1008-1739（2015）11-73-3

定稿日期：2015-05-12