王 挺，盛 文，蔣 偉，程 楊

（空軍預(yù)警學(xué)院 防空預(yù)警裝備系，武漢 430019）

近些年來(lái)，軍用武器裝備和民用大型設(shè)備發(fā)展迅速，傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器大多存在體積較大、功能單一、難以擴(kuò)展、技術(shù)更新慢等缺點(diǎn)，無(wú)法滿(mǎn)足當(dāng)前電子設(shè)備的測(cè)試需求。以“軟件即儀器”為核心理念的虛擬儀器技術(shù)VI[1]，利用具有強(qiáng)大信息處理能力和軟件兼容性能的通用計(jì)算機(jī)和外部數(shù)據(jù)采集模塊，可以較好地彌補(bǔ)傳統(tǒng)儀器多種缺點(diǎn)，該技術(shù)已成為當(dāng)今儀器領(lǐng)域發(fā)展的重要方向[2]。

數(shù)字信號(hào)分析儀作為測(cè)試領(lǐng)域非常實(shí)用的虛擬測(cè)試儀器，已有多人對(duì)該儀器進(jìn)行了設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[3]以USB總線的F24U數(shù)據(jù)采集卡作為數(shù)據(jù)采集設(shè)備，利用LabWindows/CVI實(shí)現(xiàn)了1臺(tái)虛擬信號(hào)分析儀；文獻(xiàn)[4]采用PCI-6251數(shù)據(jù)采集卡作為數(shù)據(jù)采集設(shè)備，基于LabVIEW完成了虛擬信號(hào)頻譜分析儀的設(shè)計(jì)；文獻(xiàn)[5]以STM32和附加電路作為數(shù)據(jù)采集設(shè)備，基于LabWindows/CVI實(shí)現(xiàn)虛擬信號(hào)分析儀的設(shè)計(jì)。在此，基于LabWindows/CVI軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，采用測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域具有最主流的模塊化儀器標(biāo)準(zhǔn)的PXI總線技術(shù)，利用NI PXI-5122高速數(shù)字化儀設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)了1臺(tái)虛擬數(shù)字信號(hào)分析儀。該分析儀可單獨(dú)作為平時(shí)實(shí)驗(yàn)測(cè)量?jī)x器，也可應(yīng)用于電子設(shè)備的性能測(cè)試，還可擴(kuò)展為自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的一個(gè)測(cè)試模塊，充分體現(xiàn)其廣泛的適用性和可擴(kuò)展性。

1 虛擬數(shù)字信號(hào)分析儀的設(shè)計(jì)方案

1.1 硬件模塊選擇

信號(hào)分析儀硬件模塊采集設(shè)備的性能指標(biāo)[6]主要包括通道數(shù)、采樣率、采樣精度和帶寬。當(dāng)前普通實(shí)驗(yàn)室示波器大多為雙通道，采樣率多為20 M/s和50 M/s，采樣精度在30 mV左右，帶寬大多在50 MHz左右。

結(jié)合普通實(shí)驗(yàn)室示波器性能特點(diǎn)，選用了NI公司的PXI 5122[7]數(shù)字化儀作為虛擬數(shù)字信號(hào)分析儀的信號(hào)采集模塊。該數(shù)字化儀具有雙通道采集能力，100 M/s單通道最高采樣率和最高200 M/s的交叉采樣采樣率，在最大輸入電壓為20 V的情況下，14 b高精度分辨率可將采樣精度提升至2 mV，并具有帶有去噪和抗混疊濾波器的100 MHz帶寬。這些性能指標(biāo)均可以滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)室的要求。

1.2 軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)選擇

目前，可用于虛擬儀器開(kāi)發(fā)的軟件平臺(tái)種類(lèi)較多，概括起來(lái)分為以下2類(lèi)[8]：①通用型軟件編程開(kāi)發(fā)環(huán)境， 包括 C/C++，Visual Basic，VC++，Visual Studio.net，Delphi，等；②專(zhuān)用型軟件編程開(kāi)發(fā)環(huán)境，主要有NI公司基于圖形化語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)環(huán)境Lab-VIEW和基于C語(yǔ)言的文本開(kāi)發(fā)環(huán)境LabWindows/CVI等。在此，采用在測(cè)試、測(cè)量領(lǐng)域久經(jīng)驗(yàn)證的LabWindows/CVI作為虛擬數(shù)字信號(hào)分析儀的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)。

LabWindows/CVI是符合標(biāo)準(zhǔn)C規(guī)范的交互式軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。它不但能夠把數(shù)據(jù)采集分析和測(cè)控領(lǐng)域中的專(zhuān)業(yè)工具有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，還提供了大量與測(cè)試有關(guān)的、用于界面控制的控件，并且將儀器控制、數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡(luò)通訊、用戶(hù)界面設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)處理與分析等功能做成函數(shù)庫(kù)，嵌入到軟件系統(tǒng)中。開(kāi)發(fā)人員可直接利用該軟件系統(tǒng)特有的與測(cè)試儀器界面控制的控件、集成化的開(kāi)發(fā)環(huán)境和完善的函數(shù)庫(kù)，高效地實(shí)現(xiàn)測(cè)控領(lǐng)域各種應(yīng)用軟件的研發(fā)。

1.3 軟件設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的基于LabWindows/CVI虛擬數(shù)字信號(hào)分析儀，實(shí)現(xiàn)被測(cè)信號(hào)采集、時(shí)域分析、加窗濾波、頻譜分析、參數(shù)測(cè)量和波形顯示等功能。整個(gè)軟件系統(tǒng)由主控面板、信號(hào)采集模塊、信號(hào)分析與參數(shù)測(cè)量模塊和波形顯示模塊組成，其總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 軟件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)Fig.1 General design of software system

主控面板完成整個(gè)虛擬數(shù)字信號(hào)分析儀的控制、測(cè)量參數(shù)的設(shè)置、波形顯示和人機(jī)交互。信號(hào)采集模塊將被測(cè)模擬信號(hào)經(jīng)A/D變換后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)；信號(hào)分析與參數(shù)測(cè)量模塊利用LabWindows/CVI強(qiáng)大的函數(shù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)被測(cè)信號(hào)的時(shí)域分析、加窗濾波、頻域分析和時(shí)頻域波形的參數(shù)測(cè)量；波形顯示模塊將時(shí)域波形和頻域波形進(jìn)行同界面顯示，且為了方便用戶(hù)觀察波形，可以根據(jù)需求對(duì)波形的時(shí)間刻度和幅值進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2 虛擬數(shù)字信號(hào)分析儀的實(shí)現(xiàn)

2.1 主控面板的實(shí)現(xiàn)

主控面板利用LabWindows/CVI特有的儀器專(zhuān)用面板、按鈕、旋鈕、輸入框等控件完成界面的搭建。所實(shí)現(xiàn)的主控面板由顯示區(qū)域和控制區(qū)域組成。顯示區(qū)域包括時(shí)頻波形顯示窗口、參數(shù)測(cè)量結(jié)果顯示窗口和錯(cuò)誤信息顯示窗口；控制區(qū)域包括信號(hào)采集、加窗濾波、頻譜分析、參數(shù)測(cè)量和波形調(diào)整等參數(shù)選擇控件。

2.2 信號(hào)采集模塊的實(shí)現(xiàn)

信號(hào)采集由PXI-5122數(shù)字化儀實(shí)現(xiàn)，LabWin dows/CVI需要借助驅(qū)動(dòng)程序NI-SCOPE[9]實(shí)現(xiàn)對(duì)PXI-5122的控制。該驅(qū)動(dòng)程序包含實(shí)現(xiàn)PXI-5122初始化、參數(shù)配置、數(shù)據(jù)采集和關(guān)閉等基本功能的函數(shù)。在使用過(guò)程中，通過(guò)主控面板直接調(diào)用這些相關(guān)函數(shù)，對(duì)PXI-5122進(jìn)行初始化，設(shè)置各種屬性實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)信號(hào)的采集。主要使用的部分函數(shù)如下：

handleErr（niScope_init（resourceName，NISCOPE_VAL_FALSE，NISCOPE_VAL_FALSE，&vi））；//打開(kāi) NI-SCOPE 儀器句柄

handleErr（niScope_InitiateAcquisition（vi））；//采集初始化

handleErr（niScope_ConfigureChanCharacteristics（vi，channelName，inputImpedance，maxInputFrequency））；//配置通道參數(shù)

handleErr（niScope_ConfigureTriggerEdge（vi，triggerSource，trigger-Level，triggerSlope，triggerCoupling，triggerHoldoff，triggerDelay））；//配置觸發(fā)類(lèi)型

2.3 信號(hào)分析與參數(shù)測(cè)量模塊的實(shí)現(xiàn)

該虛擬信號(hào)分析儀通過(guò)調(diào)用LabWindows/CVI中信號(hào)分析庫(kù)和高級(jí)信號(hào)分析庫(kù)中的相關(guān)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)了 Flat top，Hanning，Hamming，Triangle，Blackman等 5 種窗函數(shù)和 Bessel，Butterworth，Chebishev，F(xiàn)IR等4種濾波器對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理；利用FFT變換實(shí)現(xiàn)信號(hào)的幅度譜分析；調(diào)用參數(shù)測(cè)量函數(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)處理后信號(hào)的周期、頻率、幅度、占空比、上升/下降沿時(shí)間、峰值功率等參數(shù)的測(cè)量，所使用的部分函數(shù)見(jiàn)表1。

表1 配置函數(shù)Tab.1 Configuration function

2.4 波形顯示模塊的實(shí)現(xiàn)

將時(shí)域波形和頻域波形分為2個(gè)顯示窗口，同時(shí)顯示在主控面板上，并利用了采樣率=存儲(chǔ)深度×采樣時(shí)間，實(shí)現(xiàn)時(shí)域波形時(shí)間刻度自由調(diào)整的功能，從而便于使用人員對(duì)被測(cè)信號(hào)時(shí)、頻域信息的全面了解，還可提高測(cè)試精度和效率。

波形顯示主要依靠調(diào)用函數(shù)庫(kù)中的PlotWaveform函數(shù)將被測(cè)信號(hào)繪制到Graph控件中。由于不同測(cè)量信號(hào)對(duì)波形顯示要求不同，因此設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了2種顯示模式：①根據(jù)niScope_AutoSetup（vi）函數(shù)自行自動(dòng)配置橫縱坐標(biāo)刻度顯示時(shí)、頻域波形；②用戶(hù)根據(jù)需求可自行手動(dòng)旋轉(zhuǎn)旋鈕控件，將波形調(diào)整到自己需要的狀態(tài)。其主要程序如下：

PlotWaveform （panelHandle，PANEL_acquisitionGraph，waveformPtr，wfmInfoPtr[i].actualSamples，VAL_DOUBLE，1.0，0.0，wfmInfoPtr[i].relativeInitialX，wfmInfoPtr[i].xIncrement，VAL_THIN_LINE，VAL_NO_POINT，VAL_SOLID，1，graphColors[3]）

3 測(cè)試結(jié)果

所有的功能模塊實(shí)現(xiàn)后，利用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生頻率為1 MHz，峰峰值為5 V的正弦波和方波，對(duì)虛擬數(shù)字信號(hào)分析儀進(jìn)行性能檢測(cè)。分別將正弦波和方波通過(guò)“1”通道輸入虛擬數(shù)字信號(hào)分析儀，經(jīng)過(guò)信號(hào)采集、分析處理，所得到的測(cè)量結(jié)果如圖2所示。

圖2 虛擬數(shù)字信號(hào)分析儀的測(cè)量結(jié)果Fig.2 Measurement results of virtual digital signal analyzer

由圖可見(jiàn)，正弦波、方波的時(shí)域波形和頻譜波形均穩(wěn)定清晰，顯示正確，波形參數(shù)的測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確。經(jīng)過(guò)測(cè)試，該虛擬數(shù)字信號(hào)分析儀具有友好的人機(jī)交互體驗(yàn)，操作簡(jiǎn)便快捷。

4 結(jié)語(yǔ)

文中基于LabWindows/CVI軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，利用PXI-5122數(shù)字化儀完成了虛擬數(shù)字信號(hào)分析儀的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)采集、頻譜分析、波形參數(shù)測(cè)量、時(shí)頻域波形顯示等功能。該儀器體積小，攜帶便捷，既可作為日常實(shí)驗(yàn)室的儀器使用，也可作為特定場(chǎng)合的性能測(cè)試儀器。如果用戶(hù)對(duì)信號(hào)分析儀的性能有更高的要求，只需更換性能更好的PXI數(shù)字化儀作為儀器采集設(shè)備，修改軟件系統(tǒng)的部分代碼，就可以實(shí)現(xiàn)性能更加強(qiáng)大的虛擬數(shù)字信號(hào)分析儀。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉鳳，王靜.基于虛擬儀器的新型VXI總線接口的設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2013，21（3）：803-805.

[2]路亞峰，陳義軍，溫新岐，等.虛擬儀器技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J].國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，2010，29（11）：35-37.

[3]馬青亮，周倫彬，李振娜.基于Labwindows/CVI的信號(hào)分析儀的設(shè)計(jì)[J].中國(guó)測(cè)試，2009，35（6）：21-27.

[4]張靜.基于LabVIEW的虛擬信號(hào)頻譜分析儀設(shè)計(jì)[J].海南大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，29（2）：162-165.

[5]張揚(yáng)，肖世德.Labwindows/CVI平臺(tái)下虛擬信號(hào)分析儀的設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化儀表，2016，37（2）：89-91.

[6]高軍芳.基于LabVIEW的虛擬示波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].西安：西安理工大學(xué)，2009：1-15.

[7]National Instruments Corporation.NI Hierar-chical Waveform Storage Help[M].2016.

[8]馬青亮.基于LabWindows/CVI的信號(hào)分析儀的研究[D].廣州：廣東工業(yè)大學(xué)，2008：21-27.

[9]National Instruments Corporation.NI-SCOPE Instrument Driver Quick Reference[M].2016：1-12.