基于USB4716的虛擬信號處理儀設(shè)計

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的虛擬信號處理儀設(shè)計

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)計一個虛擬信號處理儀。該處理儀先通過USB4716采集外界各種信號，送入計算機，再利用LabVIEW編程所得到的前面板和程序框圖，實現(xiàn)信號的測量、濾波、加窗、頻譜分析等功能。實驗表明，虛擬信號處理儀程序設(shè)計簡單，人機界面友好，操作簡單方便，實用性較強。

虛擬儀器LabVIEWUSB4716信號處理

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)成基于計算機的測量儀器。本文利用USB4716作為數(shù)據(jù)采集硬件，在安裝有LabVIEW軟件平臺的計算機上，設(shè)計出虛擬信號處理儀器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理與顯示等功能。

2　設(shè)計平臺

2.1硬件平臺

硬件平臺主要包括計算機和數(shù)據(jù)采集卡。

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

①16個單端/8個差分模擬量輸入通道；

②16-bit分辨率，采樣速率達200kS/s；

③8個數(shù)字量輸入和8個數(shù)字量輸出通道；

④2個模擬量輸出通道；

⑤總線供電，支持USB2.0和熱插拔。

2.2軟件平臺

本文采用LabVIEW2010虛擬儀器軟件平臺。它由美國NI公司開發(fā)，具有直觀的前面板與簡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，簡稱VI。編寫VI程序會用到LabVIEW三個操作選板：工具選板、控件選板、函數(shù)選板。

3　系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

系統(tǒng)總體設(shè)計分前面板設(shè)計和程序框圖設(shè)計兩大塊，采用模塊化設(shè)計思想?？傮w設(shè)計框圖如圖1所示。

虛擬信號處理儀設(shè)計可分為“信號來源”和“信號處理”兩塊。其中，信號來源包括USB4716采集信號模塊和仿真信號模塊；信號處理包括信號測量模塊、濾波模塊、加窗模塊、頻譜模塊。

圖1　系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

4　具體模塊設(shè)計

4.1USB4716信號采集模塊設(shè)計

當(dāng)USB4716數(shù)據(jù)采集卡要與計算機連接交換信息時，先要安裝好驅(qū)動程序。當(dāng)驅(qū)動成功安裝后，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)計包括三個數(shù)值輸入控件（設(shè)備名、采樣率、采樣數(shù)）和一個傳統(tǒng)DAQ通道I/O控件，用于配置采集卡。

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

4.2仿真信號產(chǎn)生模塊設(shè)計

為了功能驗證的方便，本設(shè)計增加了仿真信號產(chǎn)生模塊，主要產(chǎn)生四種典型仿真信號（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)計如圖3所示，主要包括兩個組合框控件（信號類型、噪聲類型）、兩個旋鈕控件（頻率、幅值）、兩個數(shù)值輸入控件（相位、方波占空比）、一個簇控件（模擬信號采樣信息）和一個單選按鈕控件（是否加噪聲），方便用戶產(chǎn)生各種仿真信號。

圖3　仿真信號產(chǎn)生模塊前面板

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

圖4　仿真信號產(chǎn)生模塊程序框圖

4.3信號測量模塊

該模塊主要是對要進行處理的輸入信號進行簡單測量，包括信號的幅值測量和時間頻率測量。

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

圖5　信號測量模塊前面板

程序框圖設(shè)計如圖6所示，選用“幅值和電平測量”和“信號的時間與瞬態(tài)特性測量”兩個信號分析函數(shù)來實現(xiàn)。

圖6　信號測量模塊程序框圖

4.4信號濾波模塊設(shè)計

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)計就利用這三種濾波器對原始信號進行濾波。

前面板設(shè)計如圖7所示，它主要包括兩個枚舉型控件（濾波器、濾波器類型）和三個數(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　信號濾波模塊前面板

程序框圖設(shè)計如圖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)來實現(xiàn)。

圖8　信號濾波模塊程序框圖

4.5信號加窗和頻譜模塊

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)出加窗對信號做出的處理，濾波后的信號經(jīng)加窗處理后進行波形和幅度譜顯示，其前面板和程序框圖設(shè)計如圖9所示。

圖9　信號加窗和頻譜模塊前面板和程序框圖

前面板主要包括兩個波形圖控件（加窗后的信號、加窗后幅度譜），用于直觀地顯示信號經(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)來實現(xiàn)。

5　系統(tǒng)運行調(diào)試

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

調(diào)試USB4716采集的實際信號前，先要將外部模擬信號接入USB4716采集卡的某個通道，再將USB4716插入計算機的USB端口，等待計算機檢測到硬件設(shè)備，再打開LabVIEW程序，在前面板USB4716信號采集模塊設(shè)置好對應(yīng)參數(shù)。

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

圖10　信號濾波處理

再觀察對采集信號的測量、加窗和幅度譜分析，如圖11所示。

圖11　信號的測量、加窗和幅度譜分析

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

6　結(jié)束語

本設(shè)計的虛擬信號處理儀，成功地實現(xiàn)了USB4716數(shù)據(jù)采集、仿真信號的生成、信號測量、濾波、加窗、頻譜分析等功能，圖形界面友好，操作簡單方便，達到了設(shè)計目標(biāo)。但仍有需要改進完善的地方，比如可以增加信號的頻率響應(yīng)分析、相關(guān)分析、曲線擬合等功能。

參閱文獻

［1］張重雄，張思維.虛擬儀器技術(shù)分析與設(shè)計（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