伍 杰，周辰笛

（江蘇科技大學(xué)電子信息學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江，212000）

基于LabVlEW和MyDAQ的虛擬信號(hào)處理儀器設(shè)計(jì)

伍 杰，周辰笛

（江蘇科技大學(xué)電子信息學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江，212000）

隨著計(jì)算機(jī)軟、硬件的不斷更新，計(jì)算機(jī)與外界的信息交流日趨頻繁。在這些信息交換廣泛運(yùn)用和發(fā)展的基礎(chǔ)上，美國(guó)國(guó)家儀器公司提出了虛擬儀器的概念，強(qiáng)調(diào)軟件即儀器的觀點(diǎn)。本文基于LabVIEW平臺(tái)，利用myDAQ完成函數(shù)發(fā)生器、示波器等虛擬儀器的設(shè)計(jì)。仿真結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的虛擬儀器具有較好的信號(hào)產(chǎn)生、信號(hào)仿真及采集功能。

LabVIEW；數(shù)據(jù)采集；虛擬儀器；MyDAQ

0 引言

傳統(tǒng)電子儀器利用相關(guān)電子器件和物理電路為用戶提供有限的界面和功能。這種方式也決定了傳統(tǒng)儀器功能固定，維修困難，更新周期慢等特征。隨著控制、通信和人機(jī)交換等互聯(lián)電子信息技術(shù)的更新和發(fā)展，各類(lèi)儀器已成為實(shí)驗(yàn)室和應(yīng)用領(lǐng)域不可缺少的一環(huán)。但傳統(tǒng)儀器功能單一、費(fèi)用昂貴等使其在運(yùn)用領(lǐng)域受到了很大的限制[1]。

20世紀(jì)70年代，美國(guó)國(guó)家儀器公司（National Instruments Corporation）提出虛擬儀器的概念，其實(shí)質(zhì)就是利用我們已擁有的計(jì)算機(jī)，加上經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)人員精心設(shè)計(jì)的硬件和軟件，形成了實(shí)驗(yàn)儀器基本功能和普通儀器缺失的特殊功能兼?zhèn)涞母咝詢r(jià)比高實(shí)用性的全新類(lèi)型儀器[2]。虛擬儀器充分使用了個(gè)人計(jì)算機(jī)圖像處理能力和對(duì)話框窗口，建立起了虛擬儀器儀表盤(pán)前面板，以便更好地控制一切。當(dāng)前虛擬儀器的構(gòu)成主要有7種類(lèi)型：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、GPIB系統(tǒng)、VXI系統(tǒng)、PXI系統(tǒng)、串行接口系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)、LXI系統(tǒng)[3]。

1 LabVIEW軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)

LabVIEW是一種程序開(kāi)發(fā)環(huán)境，是由美國(guó)國(guó)家儀器（NI）公司研發(fā)，使用圖形化編輯語(yǔ)言編寫(xiě)程序，產(chǎn)生的程序以框圖形式呈現(xiàn)[4]。

LabVIEW設(shè)計(jì)的初衷是提供一個(gè)大眾化的，方便的，快捷的開(kāi)發(fā)工具。這個(gè)軟件極大的發(fā)展了虛擬儀器科學(xué)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，使得人們可以在很多情況下的測(cè)量處理分析數(shù)據(jù)變得更加方便，當(dāng)我們利用這個(gè)平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，分析，處理，顯示，規(guī)劃的時(shí)候，極大的節(jié)省了使用者的時(shí)間，避免耗費(fèi)巨大的人力和物力[5]。

總體來(lái)說(shuō)，LabVIEW具有以下幾個(gè)特點(diǎn)。

（1）圖形化的編程語(yǔ)言，使編程更接近人的思維，具有極強(qiáng)的直觀性和可讀性[6]。

（2）連接功能和儀器控制，大量控制和測(cè)量領(lǐng)域的子vi程序，用于連接和控制下位機(jī)。

（3）開(kāi)放式編程環(huán)境，完美的兼容大量第三方提供的代碼和其他自定義vi。

（4）硬件受限性小，可與其他儀器或設(shè)備等完美銜接。

（5）成本低，基于軟件的開(kāi)發(fā)體系，大大節(jié)省了開(kāi)發(fā)和維護(hù)的硬件成本。

諸多優(yōu)點(diǎn)使得LabVIEW軟件得到和快發(fā)展和應(yīng)用，在航空、通信、汽車(chē)、生物醫(yī)學(xué)等眾多領(lǐng)域得到快速和廣泛應(yīng)用[7]。

2 NI MyDAQ簡(jiǎn)介

2.1 NI MyDAQ設(shè)備

MyDAQ 是一種體積小巧，低成本的數(shù)據(jù)采集卡，通過(guò) USB 與個(gè)人計(jì)算機(jī)進(jìn)行連接，使用LabVIEW編程[8]，可以用來(lái)測(cè)量和分析實(shí)際的信號(hào)。MyDAQ 與計(jì)算機(jī)上的 LabVIEW 軟件互相配合，能夠分析并處理獲取到的數(shù)據(jù)，而且能夠很方便地控制其進(jìn)程。

DAQ旁側(cè)分布有音頻插頭和20位螺栓端子，頂端分布3位DMM測(cè)量通道。表1為端口的詳細(xì)說(shuō)明。

2.2 軟件配置

在軟件方面首先要安裝支持NI myDAQ的驅(qū)動(dòng)軟件NI ELVISmx。該驅(qū)動(dòng)軟件使基于LabVIEW的軟件控制NImyDAQ設(shè)備及提供一些常用的集成模塊[9]。

NI公司除了為NI myDAQ提供驅(qū)動(dòng)程序以外，還提供了一款功能豐富的配置工具軟件MAX（Measurement&AutomationExplorer），用于[10]：

（1）快速檢測(cè)及配置硬件和軟件，分配設(shè)備編號(hào)；

（2）診斷硬件所處狀態(tài)；

（3）建立新的通道、任務(wù)及接口等。

MAX會(huì)根據(jù)硬件設(shè)備類(lèi)型的不同顯示不同的配置與測(cè)試窗口[11]。

2.3 分辨率

分辨率，即采樣數(shù)據(jù)最低位所代表的模擬量值[12]，才表示為：分辨率=滿量程輸入值/2n

其中，n為 A/D 轉(zhuǎn)換器的位數(shù)，位數(shù)越多，分辨率越高。

表1 螺栓端子信號(hào)說(shuō)明

3 虛擬儀器設(shè)計(jì)

3.1 虛擬信號(hào)發(fā)生器

在現(xiàn)代電子測(cè)量中，信號(hào)發(fā)生器作為一個(gè)基礎(chǔ)的電子測(cè)驗(yàn)儀器，在教學(xué)、科研和生產(chǎn)上得到廣泛應(yīng)用[13]。信號(hào)發(fā)生器可以通過(guò)調(diào)節(jié)產(chǎn)生：正弦波、方波、三角波、鋸齒波等，同時(shí)函數(shù)發(fā)生器也應(yīng)具有調(diào)制的功能，可以進(jìn)行幅度調(diào)節(jié)、頻率調(diào)節(jié)、相位調(diào)節(jié)等。其設(shè)計(jì)主要包括了函數(shù)信號(hào)發(fā)生模塊的設(shè)計(jì)，信號(hào)調(diào)節(jié)模塊的設(shè)計(jì)和物理通道的設(shè)計(jì)。

圖1 虛擬信號(hào)發(fā)生器程序框圖

3.1.1 軟件編程實(shí)現(xiàn)

虛擬函數(shù)發(fā)生器應(yīng)具有選擇發(fā)生器的物理通道。信號(hào)類(lèi)型有正弦波、三角波、方波、鋸齒波可供選擇，頻率、幅值可調(diào)。相較于一般的函數(shù)發(fā)生器，程序多了一個(gè)物理通道，可以將發(fā)生的信號(hào)傳輸至 myDAQ 采集卡。

3.1.2 程序運(yùn)行結(jié)果

圖2 虛擬信號(hào)發(fā)生器實(shí)測(cè)

函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)被送入MyDAQ經(jīng)由MyDAQ送至計(jì)算機(jī)上的虛擬示波器，顯示結(jié)果如圖2所示。函數(shù)發(fā)生器經(jīng)過(guò)運(yùn)行，仿真結(jié)果表明其可以產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的正弦波、方波、三角波和鋸齒波，頻率0到5KHz可調(diào)（采樣頻率Fs必須大于等于模擬信號(hào)頻譜中最高頻率Fx的2倍），幅值0到10V可調(diào)（電壓過(guò)高可能會(huì)損壞MyDAQ 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)）。

3.2 示波器及濾波器

在進(jìn)行電子測(cè)量時(shí)，我們總是期望于能夠直接看到信號(hào)實(shí)時(shí)變化的波形，也希望能直接記錄信號(hào)的幅值、頻率、周期等基本參數(shù)[14]。虛擬示波技術(shù)能夠完成這一目標(biāo)，將電信號(hào)隨著時(shí)間的變化直接顯示在電腦屏幕上。但其所能達(dá)到的性能指標(biāo)和系統(tǒng)能力與采集模塊數(shù)字化能力密不可分[15]。

3.2.1 軟件編程實(shí)現(xiàn)

信號(hào)處理的關(guān)鍵問(wèn)題是從接收到的信號(hào)中消除或衰減噪聲，即抑制噪聲[16]。濾波器，其實(shí)就是讓我們需要的信號(hào)頻率能夠順利地通過(guò)而被保留下來(lái)，衰減不需要的信號(hào)。按工作頻率范圍來(lái)劃分：有低通、高通、帶通及帶阻濾波器。

圖3 虛擬示波器及濾波器前面板

圖4 虛擬示波器及濾波器程序框圖

3.2.2 程序運(yùn)行結(jié)果

設(shè)計(jì)中示波器能夠?qū)Σㄐ芜M(jìn)行顯示，橫軸和縱軸可以調(diào)節(jié)，對(duì)采樣率等采樣信息也能進(jìn)行自定義，濾波器同樣能夠正常進(jìn)行工作，濾波的模式可以進(jìn)行調(diào)節(jié)，濾波器的上下截止頻率等參數(shù)同樣能夠進(jìn)行調(diào)節(jié)。示波器和濾波器功能完善，能夠代替實(shí)驗(yàn)室中存在的那些陳舊的實(shí)體儀器。

圖5 示波器實(shí)測(cè)

圖6 濾波器實(shí)測(cè)

4 結(jié)論

以目前比較流行的圖形化編程軟件LabVIEW作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，完成常用虛擬儀器設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)。仿真結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的虛擬儀器具有較好的性能。

[1]蔡國(guó)英，張宏群，基于LabVIEW的信號(hào)產(chǎn)生與分析系統(tǒng)[J]．國(guó)外電子測(cè)量技術(shù).2007.

[2]邢麗娟，楊世忠.虛擬儀器的原理及發(fā)展[J]. 山西電子技術(shù). 2006（1）： P90-P91

[3]陳尚松,郭慶，雷加.電子測(cè)量與儀器［M］.電子工業(yè)出版社，2009.

[4]沈歡,王云秀,沈鉆楊,肖俊.基于LabVIEW的電子虛擬實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建[J].科技經(jīng)濟(jì)導(dǎo)刊,2016,(31)：25+24.

[5]唐贛.基于NImyDAQ的傳感器實(shí)驗(yàn)原型卡設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].2011年12月，P23-24.

[6]陳川. 基于LabVIEW的輪軌模擬試驗(yàn)機(jī)高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[D].西南交通大學(xué),2015.

[7]孫倩. 基于Labview的虛擬頻譜分析儀設(shè)計(jì)[D].杭州電子科技大學(xué),2015

[8]沈冰夏,王宏偉. 基于myDAQ的電子鼓設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子測(cè)試,2016,(17)：34+18.

[9]楊君寶. myDAQ遠(yuǎn)程多對(duì)象測(cè)控系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)[D].大連理工大學(xué),2014.

[10]黃松嶺，王珅，趙偉.虛擬儀器設(shè)計(jì)教程.清華大學(xué)出版社.2015年7月.

[11]楊文裕. 基于LabVIEW的手機(jī)硬件測(cè)試工具的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(工程管理與信息技術(shù)學(xué)院),2015.

[12]黃嘉智. 基于LabVIEW的高速數(shù)據(jù)采集及管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].北京理工大學(xué),2016.

[13]錢(qián)超. 基于LabVIEW和DSP的信號(hào)發(fā)生器軟件設(shè)計(jì)與研究[D].武漢理工大學(xué),2012.

[14]徐玓.基于LabVIEW的虛擬應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].碩士學(xué)位論文.合肥工業(yè)大學(xué). 2007

[15]姜碧瓊. 基于LabVIEW的虛擬示波器的設(shè)計(jì)[D].西北農(nóng)林科技大學(xué),2008.

[16]安麗霞. 基于SOPC技術(shù)及HPSO算法的FIR數(shù)字濾波器研究[D].蘭州交通大學(xué),2015.

Virtual Signal Processing Instrument Design based on LabVIEW and MyDAQ

Wu Jie,Zhou Chendi
（College of electronic information Jiangsu universityof science andtechnology,Zhenjiang Jiangsu,212000）

；With the update of computer hardware and software, computer communication with the outside world has become increasingly frequent. Because of the information exchange and development, National Instruments puts forward the concept of virtual instrument, emphasized”The soft is the instrument”.Based on the LabVIEW platform,we use the MyDAQ to complete the design of virtual function generator and oscilloscope, etc. The simulation results show that the design of virtual instrument has good signal and the signal and acquisition function.

LabVIEW;Data Collection;Virtual Instrument;MyDAQ