LabWindows/CVI平臺(tái)下虛擬信號(hào)分析儀的設(shè)計(jì)
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張揚(yáng) 肖世德
（西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川成都610031）
摘要：針對(duì)目前傳統(tǒng)信號(hào)分析儀功能單一、修改不易、使用不便等缺點(diǎn)，以LabWindows/CVI為平臺(tái)，研究開發(fā)了一種多功能虛擬信號(hào)分析儀。設(shè)計(jì)時(shí)把人機(jī)交互界面的響應(yīng)處理和信號(hào)采集與顯示分開成兩個(gè)線程運(yùn)行，大大縮短用戶操作的等待時(shí)間，提高了系統(tǒng)運(yùn)行效率。該信號(hào)分析儀具備偽隨機(jī)信號(hào)產(chǎn)生、雙通道信號(hào)采集、時(shí)域分析、頻譜分析、互相關(guān)函數(shù)計(jì)算等功能。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，該虛擬信號(hào)分析儀基本功能完全實(shí)現(xiàn)，信號(hào)分析結(jié)果正確，說明了推廣發(fā)展虛擬儀器的可行性和必要性。
關(guān)鍵詞：虛擬儀器集成電路通信C語言信號(hào)處理時(shí)域頻域測(cè)量?jī)x器濾波干擾傅里葉變換
0引言
虛擬儀器技術(shù)是伴隨著集成電路、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的迅速發(fā)展而產(chǎn)生的。它通過軟件將儀器與計(jì)算機(jī)有機(jī)地融合為一體，從而把計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)計(jì)算處理能力和儀器硬件的測(cè)量、控制能力結(jié)合在一起，大大減少了儀器硬件成本，并且顯著縮小了儀器體積。與傳統(tǒng)的固定儀器相比，用戶可以根據(jù)需求，靈活地對(duì)虛擬儀器進(jìn)行功能設(shè)計(jì)、維護(hù)和系統(tǒng)升級(jí)。
目前能夠用于虛擬儀器系統(tǒng)開發(fā)且比較成熟的開發(fā)工具可以分為兩類：第一類是通用的可視化編程軟件，主要有Microsoft公司的Visual C++和VisualBasic等；第二類是專用于虛擬儀器開發(fā)的編程軟件，主要有NI公司圖形化的編程環(huán)境LabVIEW和文本語言的編程環(huán)境LabWindows/CVI，以及NI公司和Microsoft合作開發(fā)的Measurement Studio等。
多功能虛擬信號(hào)分析儀設(shè)計(jì)所采用的LabWindows/CVI是以ANSIC為核心的交互式C語言開發(fā)平臺(tái)，它將功能強(qiáng)大、使用靈活的C語言平臺(tái)與用于數(shù)據(jù)采集分析和顯示的測(cè)控專業(yè)工具有機(jī)地結(jié)合起來。利用集成化開發(fā)環(huán)境、交互式編程方法、函數(shù)面板和豐富的庫函數(shù)大大增強(qiáng)C語言的功能，為C語言的開發(fā)設(shè)計(jì)人員編寫檢測(cè)系統(tǒng)、自動(dòng)測(cè)試環(huán)境、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、過程監(jiān)控系統(tǒng)等應(yīng)用軟件提供了一個(gè)理想的軟件開發(fā)環(huán)境。
1 信號(hào)采集與處理的關(guān)鍵技術(shù)
信號(hào)處理是指對(duì)信號(hào)進(jìn)行某種加工變換或運(yùn)算（如濾波、變換、估計(jì)、識(shí)別等）。廣義的信號(hào)處理可把信號(hào)分析也包括在內(nèi)。信號(hào)處理包括時(shí)域和頻域處理。時(shí)域處理中最典型的是波形分析，例如示波器就是一種最通用的波形分析和測(cè)量?jī)x器。把信號(hào)從時(shí)域變換到頻域進(jìn)行分析和處理，可以獲得更多的信息。
因此頻域處理更為重要。信號(hào)處理主要是濾波，把信號(hào)中感興趣的部分（有效信號(hào)）提取出來，抑制（削弱或?yàn)V除）不感興趣的部分（干擾或噪聲）。
1.1 信號(hào)時(shí)域處理的關(guān)鍵技術(shù)
時(shí)域分析是對(duì)信號(hào)的時(shí)域波形的分析，從記錄的信號(hào)中提取各種有用的信息或?qū)⒂涗浀男盘?hào)轉(zhuǎn)換成所需要的形式。通過不同的時(shí)域處理方法，可以確定實(shí)測(cè)波形的幅值和時(shí)間歷程。通常時(shí)域分析包括信號(hào)參數(shù)測(cè)試（峰值、有效值、均值等）、自相關(guān)、微積分、抽取等分析算法。
1.1.1 自相關(guān)分析
在測(cè)試結(jié)果的分析中，相關(guān)是一個(gè)非常重要的概念。相關(guān)是指變量之間的線性關(guān)系。變量x、y之間相關(guān)程度可以用相關(guān)系數(shù)p，，來表示：
式中：E為數(shù)學(xué)期望；u、u，分別為x、y，的均值；σ。σ，分別為x、y的標(biāo)準(zhǔn)差。
設(shè)x(t)是某各態(tài)歷經(jīng)過程的一個(gè)記錄樣本（所謂各態(tài)歷經(jīng)過程是指樣本的集合平均等于時(shí)間平均），x(t+下)是x(t)時(shí)移f后的樣本。x(t)的自相關(guān)函數(shù)定義為：
設(shè)x(t)、x（t+T）的相關(guān)系數(shù)為p(；)，(。+，)，簡(jiǎn)寫作Px（下）。因?yàn)閦(t+r)、x(t)具有相同的均差和標(biāo)準(zhǔn)差，所以：
將式(3)的分母移項(xiàng)到等式的左邊，就可以得到：
1.1.2互相關(guān)分析
兩個(gè)隨機(jī)信號(hào)x(t)和y(t)的互相關(guān)函數(shù)R。(7．)定義為：
式(13)、(14)為離散傅里葉變換對(duì)，在時(shí)頻域均為有限長(zhǎng)且都是離散的。
在實(shí)際工作中，常常遇到的是非周期序列，可能是有限長(zhǎng)，也可能是無限長(zhǎng)。若x(n)是有限長(zhǎng)，則令其長(zhǎng)度為N；若x(n)為無限長(zhǎng)序列，則可用矩形窗將其截成N點(diǎn)，然后把這N點(diǎn)序列視為一個(gè)周期序列x(n)的其中一個(gè)周期，也就是說x(n)是由x(n)做周期延拓形成的。
由上述可知，X(k)將是x(n)的傅里葉變換或是對(duì)其傅里葉變換的某種程度上的近似。
對(duì)于DFT，求出一點(diǎn)X(k)，需N次復(fù)數(shù)乘法，求N點(diǎn)X(k)，需N2次復(fù)數(shù)乘法。當(dāng)N很大時(shí)，其計(jì)算量是相當(dāng)龐大的。而快速傅里葉變換算法使Ⅳ點(diǎn)的DFT的計(jì)算量下降為
次，從而使DFT成為信號(hào)處理中最重要、最方便的計(jì)算。
分裂基算法是最好的快速傅里葉變換算法，該算法的基本思路是對(duì)偶序號(hào)輸出使用基2算法，對(duì)奇序號(hào)輸出使用基4算法。算法推導(dǎo)如下。
對(duì)于N=2M點(diǎn)DFT，對(duì)k的偶序號(hào)項(xiàng)用頻率抽取( DIF)基2的FFT算法，即：
對(duì)k的奇序號(hào)項(xiàng)用基4的算法，即：
式中：r =0，1，2，…，N/4 -1。式(15)、(16)、(17)構(gòu)成了分裂基算法的L型算法結(jié)構(gòu)。
1.2.2 自功率譜密度分析
一個(gè)信號(hào)可以從時(shí)域描述，也可以從頻域來描述，這兩種描述是存在一個(gè)對(duì)應(yīng)關(guān)系的。功率譜分析能夠提供信號(hào)的頻域信息，是研究平穩(wěn)隨機(jī)過程的重要方法。對(duì)于遍歷隨機(jī)過程的一個(gè)樣本序列，這個(gè)序列只是無窮多個(gè)可能的隨機(jī)序列中的一個(gè)，因此這個(gè)序列實(shí)際上不能真正代表整個(gè)隨機(jī)過程。但是不管選取哪個(gè)序列，通過該序列計(jì)算得到的自相關(guān)函數(shù)總是相同的，即由某一個(gè)序列計(jì)算得到的自相關(guān)函數(shù)能夠作為對(duì)過程本質(zhì)的描述。因此，可從自相關(guān)函數(shù)出發(fā)考慮信號(hào)的功率譜問題。
P，（f）表示了信號(hào)的功率沿頻率軸的分布，故稱P；(f)為自功率譜密度函數(shù)。
經(jīng)典譜估計(jì)的基本方法：在實(shí)際應(yīng)用中，由于只能獲得測(cè)量信號(hào)的有限長(zhǎng)觀察序列，因此只能用所得的有限長(zhǎng)序列來估計(jì)信號(hào)的功率譜，這就產(chǎn)生了譜估計(jì)。經(jīng)典譜估計(jì)的方法有直接法和間接法兩種。直接法又稱周期圖法。設(shè)x(n)為時(shí)域信號(hào)的N點(diǎn)采樣序列，x（k）是采樣序列的傅里葉變換，則用周期圖法估計(jì)的信號(hào)功率譜為：
由于X(k)可由FFT求出，所以P；（k）也可以方便地求出。需要說明的是，LabWindows/CVI使用的功率譜計(jì)算公式為：
譜估計(jì)的另一種算法是間接法。使用間接法時(shí)，先由x(n)估計(jì)出信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)r(m)，然后對(duì)其求傅里葉變換，得到x(n)功率譜。
1. 2.3互功率譜密度分析
互功率譜密度分析類似于自功率譜密度，如果信號(hào)x(t)和y(t)的互相關(guān)函數(shù)Rxy（下）滿足傅里葉變換的條件：
則信號(hào)x(t)和y(t)的互功率譜密度函數(shù)定義為：
對(duì)于一個(gè)單輸入單輸出的線性系統(tǒng)，設(shè)系統(tǒng)的頻率響應(yīng)為H(f，若其輸入為x(t)，輸出為y(t)，則有：
故由輸入信號(hào)的自功率譜和輸入輸出的互功率譜就可以直接得到系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)。所得到的H(f)不僅含有幅頻特性，而且含有相頻特性。
對(duì)于Ⅳ點(diǎn)離散序列x(n)、y(n)，設(shè)其傅里葉變換為X(k、Y(k)，LabWindows/CVI使用的互譜計(jì)算公式為：
2虛擬信號(hào)分析儀的設(shè)計(jì)
本文設(shè)計(jì)的雙通道多功能虛擬信號(hào)分析儀共由兩大部分組成：硬件部分和軟件部分。
2.1硬件部分
系統(tǒng)硬件采用某公司的STM32 F4開發(fā)板。使用STM32F407ZGT6內(nèi)部ADC對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣。由于外部輸入信號(hào)可能有負(fù)壓部分，因此需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行平移。輸入級(jí)采用1 Mfl下拉電阻接同相放大器的結(jié)構(gòu)（下拉電阻在原理圖上未畫出），使輸入阻抗約為1 MQ。經(jīng)過緩沖結(jié)構(gòu)后，將信號(hào)與參考源產(chǎn)生的1.5 V直流電壓相加，結(jié)構(gòu)采用同相加法器，如圖1所示。
為了在緩沖級(jí)能夠處理直流信號(hào)和負(fù)壓信號(hào)，運(yùn)放部分需要采用雙電源供電，而開發(fā)板提供的電壓只有+5 V和+3.3 V兩種。由于這里需要的電流較小、噪聲小，所以采用反向電荷泵來產(chǎn)生-3.3 V的電壓，采用的芯片為TPS60400，僅需3個(gè)外部1 F電容即可以產(chǎn)生-3.3 V，使得整體電路簡(jiǎn)單方便。具體電路如圖2所示。
參考源采用TL431產(chǎn)生2.495 V的電壓，通過兩個(gè)電阻分壓產(chǎn)生1.5 V的參考電壓，經(jīng)過運(yùn)放緩沖給加法器提供參考。具體電路如圖3所示。
2.2 軟件部分
軟件部分按功能劃分為上位機(jī)和下位機(jī)。上位機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理與人機(jī)交互，下位機(jī)負(fù)責(zé)信號(hào)采樣。上位機(jī)和下位機(jī)之間采用開發(fā)板自帶的USB串口通信。
2.2.1上位機(jī)部分
上位機(jī)共有兩個(gè)線程。第一線程利用中斷的方法，主要對(duì)面板的按鍵和文本輸入框等控件進(jìn)行響應(yīng)，以獲取用戶的設(shè)置信息。第二線程的軟件流程圖如圖4所示，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和信號(hào)的顯示。
2.2.2串口通信
波特率設(shè)置為115 200 bit/s，信號(hào)位8位，1位終止位，無校驗(yàn)。上位機(jī)的串口設(shè)置為1~ 15，檢測(cè)不到串口時(shí)會(huì)有提示，此時(shí)檢查連線，若連線正常，打開控制面板_+設(shè)備管理器，查看開發(fā)板的端口號(hào)是否在1~15內(nèi)，若不在，修改端口號(hào)。
2.2.3下位機(jī)部分
(1)下位機(jī)的主函數(shù)流程圖如圖5所示，主函數(shù)主要執(zhí)行兩個(gè)任務(wù)，一是各模塊的初始化（系統(tǒng)時(shí)鐘、ADC、定時(shí)器、串口），二是循環(huán)檢測(cè)串口是否接收到數(shù)據(jù)。為了防止誤收數(shù)據(jù)，設(shè)定采樣率必須以“SR” （SampleRate）開頭，后跟兩個(gè)8位數(shù)據(jù)有效，并且為了防止設(shè)置的采樣率過高，與Oxlfff按位與，使設(shè)定的采樣率不大于4 096個(gè)／s。
(2) ADC采用PBO（ADC1通道8）PC4(ADC1通道14)，具體設(shè)定如下。
(3)串口的端口配置和初始化設(shè)置如下。
(4)系統(tǒng)時(shí)鐘采用168 MHz即可滿足要求，定時(shí)器的設(shè)定時(shí)間公式為：
式中：Te．。為TIM3的輸入時(shí)鐘頻率，MHz；To。。為TIM3溢出時(shí)間，us。
為了使采樣率從1—4 096之間步進(jìn)1時(shí)，有采樣間隔時(shí)間的改變，設(shè)置分頻系數(shù)（psc）為839，這樣采樣率與定時(shí)器計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)( arr)之間的關(guān)系為arr=100 000/SR -1。因此需要改變采樣率時(shí)，只需要根據(jù)公式計(jì)算出arr的值并修改定時(shí)器中斷時(shí)間即可。這里為了分辨X通道和Y通道的數(shù)據(jù)，在兩組數(shù)據(jù)發(fā)送前，發(fā)送“X”和“Y”以作區(qū)分。ADC采樣為12位數(shù)據(jù)，因此傳遞數(shù)據(jù)時(shí)需要先發(fā)高8位再發(fā)低8位。定時(shí)器中斷流程圖如圖6所示。
3 系統(tǒng)功能測(cè)試
將溫度傳感器LM35輸出端接入X通道，此時(shí)信號(hào)分析儀經(jīng)測(cè)試得到該信號(hào)平均值為0.252 V，有效值也為0.252 V，萬用表測(cè)得傳感器LM35輸出電壓為219 mV。
將兩個(gè)溫度傳感器LM35輸出端分別接入X和Y通道，信號(hào)分析儀經(jīng)測(cè)試得到X通道信號(hào)平均值為0. 249 V，有效值為0.250 V，萬用表測(cè)得連接X通道的傳感器LM35輸出電壓為221 mV;Y通道信號(hào)平均值為0.232 V，有效值為0.233 V，萬用表測(cè)得連接Y通道的傳感器LM35輸出電壓為228 mV。
使用函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)該信號(hào)分析儀量程內(nèi)的正弦波，分別連接到示波器和本信號(hào)分析儀輸入端，兩者顯示效果相近，測(cè)試結(jié)果符合預(yù)期要求。
4結(jié)束語
傳統(tǒng)儀器功能相對(duì)單一，并且不容易進(jìn)行擴(kuò)展。為順應(yīng)儀器發(fā)展的趨勢(shì)，需要進(jìn)行虛擬儀器的研究設(shè)計(jì)。在LabWindows/CVI環(huán)境下，通過硬件電路設(shè)計(jì)及上位機(jī)和下位機(jī)軟件的編寫，開發(fā)完成了虛擬信號(hào)分析儀，尤其是采用多線程數(shù)據(jù)采集技術(shù)，在響應(yīng)用戶操作方面取得了比較明顯的效果。通過測(cè)試，該儀器能夠完成數(shù)據(jù)采集、實(shí)現(xiàn)信號(hào)時(shí)域波形顯示、相關(guān)性計(jì)算以及統(tǒng)計(jì)信息實(shí)時(shí)顯示線性振幅譜等功能，結(jié)果正確可靠，表明了推廣發(fā)展虛擬儀器的可行之性。
