基于PXI4461和LabVIEW的水聲信號采集系統設計＊

李 斌 尚 超

（海軍91388部隊 湛江 524022）

1 引言

傳統的數據采集一般由單片機和硬件采集電路或數據采集卡配置計算機組成。這種數據采集系統具有開發難度大、數據采集效率低、存儲容量小等缺點。針對傳統數據采集系統的不足，本文利用PXI－4461采集卡、虛擬儀器軟件（LabVIEW）及主控計算機，設計了一套水聲信號采集系統，通過改變主控計算機上LabVIEW軟件的程序，就可以改變系統的功能，從而實現了對水聲信號的高速采樣、存儲、回放、信號處理及信號分析。

虛擬儀器VI（virtualinstrument）這一概念最早是由美國國家儀器公司（NI）在20世紀80年代提出來的，它主要由計算機、虛擬儀器軟件及儀器硬件三部分組成。用戶可以通過修改軟件就能改變其功能。虛擬儀器是計算機技術和測量技術相結合的產物，它的出現給測量技術帶來了變革，相對于傳統儀器的物理面板，虛擬儀器具有一個十分友好的圖形方式軟面板[1]。虛擬儀器應用軟件集成了信息采集、測試控制、數據分析、結果顯示輸出和用戶界面等功能，用軟件替代了部分或全部的硬件，因此，可以認為軟件就是儀器，它是現代測試儀器系統的核心。

2 水聲信號采集系統硬件設計

整個水聲信號采集系統由水聽器、PXI－4461采集卡、PC機、數據采集與處理軟件組成。水聽器連接采集卡的模擬量采集通道，這樣就可實現采集卡對水聲信號的采集，并通過PXI總線送給PC機，PC機在應用程序控制下，對水聲信號進行處理，完成各種電量測試，并將采集到的水聲信號數據存儲到硬盤，最后在屏幕上以波形圖和數據形式顯示。整個系統的功能框圖如圖1所示。

圖1 水聲信號采集系統信號流程框圖

PXI－4461采集卡是整個數據采集系統的核心，采集卡的A／D轉換器的分辨率：24位；最高采樣率：204kS／s；兩路24位模擬輸入和輸出；具有同步觸發功能；模擬輸入范圍：±10V。

3 水聲信號采集系統軟件設計

3.1 程序設計

LabVIEW是一種基于圖形語言編程的可視化軟件開發平臺，與VC、VB等其他可視化編程語言相比，其函數庫豐富、調試方便，而且開發界面簡單，界面風格與傳統儀器相似，它用圖標、連線和框圖代替傳統的程序代碼，可以形象地觀察數據的傳輸過程。LabVIEW是目前國際上應用最廣的數據采集和控制開發環境之一，它具有十分強大的功能，如數值運算、信號處理、數據分析、數據采集以及圖形獲取和傳輸等。

本實驗系統主要由信號采集、存儲、信號處理及信號分析等部分組成。系統的基本工作過程是：啟動LabVIEW程序后，首先設置信號采集卡PXI－4461的通道、采樣頻率、觸發類型、觸發電平等，然后啟動采集，進行連續采集并將采集到的數據存放到計算機硬盤。在保存信號數據的同時，程序會對采集到的信號進行濾波、Hilbert變換取包絡、信號有效性判斷、得出被測信號的時延值并以文本文件的格式保存起來。

3.2 信號采集模塊

PXI－4461采集卡直接采集水聽器接收的水聲信號，采集的結果直接影響后續的數據處理、分析。LabVIEW信號采集程序的編寫主要包括：配置通道參數、觸發設置、采樣時鐘設置、讀取函數設置。圖2是信號采集模塊程序框圖。

圖2 信號采集模塊程序

1）設置配置通道函數，可以設置信號的輸入、輸出通道名，按照所需要的任務設置成單通道或是多通道模擬信號、數字信號、計數器的輸入或輸出，本系統選擇輸入通道選ai0，電壓測量，設置輸入電壓的范圍是±5V。

2）設置觸發模式，觸發就是設置數據采集在什么條件下開始，這里選擇數字信號觸發，邊沿設置數字信號的上升沿或下降沿觸發，本系統中設置為數字信號的上升沿觸發。

3）設置采樣時鐘，設置采樣模式、采樣率和每通道采樣數。PXI－4461采集卡的最高采樣率是204kS／s，采樣時鐘的采樣頻率一般最小是被采集信號頻率的兩倍。

4）設置讀取數據函數，可讀取一個或多個通道的數據，數據類型可以是雙精度浮點型和波形數據。設置每通道的采樣數，如任務進行連續采樣且該輸入的值為－1，VI將讀取緩沖區中當前可用的全部采樣。如采集一定數量的采樣且該輸入的值為－1，VI將等待任務獲取全部所需采樣，然后讀取采樣。本系統讀取函數選擇模擬單通道多采樣1DDBL。

3.3 數據存儲、回放模塊

圖3 數據存儲模塊

圖4 數據回放模塊

數據存儲模塊子程序可以利用寫入測量文件VI存儲文件，在寫入測量文件VI的屬性中可以設置保存文件的類型，文件的類型主要有文本格式和二進制格式。如設置文件格式為基于文本的測量文件（.lvm），則在文件名稱中設置文件擴展名為.lvm。如設置文件格式為二進制測量文件（.tdms），則在文件名稱中設置文件擴展名為.tdms。

數據回放是為了使用戶在實時采集存儲和數據分析測量后，重新對信號做進一步的分析和處理，LabVIEW軟件中有現成的讀取文件的VI，可將采集到的波形和數據讀出來。同理，根據存儲的文件類型設置讀取文件的類型，可以利用波形圖控件顯示存儲的波形文件。

3.4 數據處理分析模塊

數據處理是通過濾波、降噪等手段，得到我們想要的有用信號，數據分析則是通過運算等方法分析信號，使我們對信號有進一步的認識。LabVIEW軟件中一般選用Butterworth濾波器對信號濾波，得到理想的信號，對信號進行時域分析和頻域分析。

圖5 信號處理分析模塊

4 實驗室試驗結果

本系統的設計目的是通過采集信號，檢測被測信號的時延值。實驗室利用信號發生器模擬目標發出30KHz的信號，周期是1s，脈寬10ms，經發射換能器從水中發射出去，接收水聽器接收到30KHz的信號后，通過采集卡的模擬輸入通道被采集卡采集。采集到的信號經Butterworth濾波器濾波，去除噪聲，對濾波后的信號進行Hilbert變換，取信號的包絡，利用閾值檢測控件判斷信號的有效性，從而得出被測信號的時延值。圖6為系統程序的前面板和程序框圖。

圖6為LabVIEW程序的前面板，可以直觀的看到我們采集到的信號的波形圖，我們選取的是PXI－4461采集卡采集信號，因為只有一路信號輸入，所以我們選擇模擬輸入ai0通道，輸入電壓范圍設為±5V，采樣率設為100KHz，觸發信號設為數字信號觸發，數字信號上升沿時觸發數據采集。程序主要設計功能包括：采集信號、將信號存儲起來、對信號濾波、對濾波信號進行Hilbert變換取包絡、利用閾值檢測VI對信號進行有效性判斷，得出時延數據、最后將檢測的時延數據保存到當前文件目錄下的文本文件中。

圖6 程序設計的前面板

5 結語

本采集系統主界面采用菜單式設計，各個功能以模塊化編程，各模塊都有自己的前面板，程序的可移植性比較強。采集程序實現了對水聲信號的采集、存儲、信號分析，最后得到了所需要的時延數據，并以文本的形式將時延數據保存了起來，通過對時延數據的處理，可測出試驗母船距目標的距離。

LabVIEW是一種圖形化編程語言，功能強大，PXI－4461采集卡的DAQmx數據采集方法簡單易學，操作方便。通過修改前面板的控件參數就可以輕松地實現對程序功能的改變，真正將人從編程中解放了出來。只需了解和掌握驅動程序的功能，就能利用LabVIEW進行數據的開發和運用，這對我們在實驗室對試驗進行仿真提供了很大的便利，必將成為未來數據采集發展的趨勢。

[1]張桐，陳國順，王正林.精通LabVIEW 程序設計[M].北京；電子工業出版社，2008.

[2]林正盛.虛擬儀器技術及其應用[J].電子技術應用，1997（3）.

[3]王俊峰，等.基于LabVIEW的信號處理虛擬實驗系統[J].國外電子測量技術，2006（10）.

[4]蔡國英，張宏群.基于LabVIEW的信號產生與分析系統[J].國外電子測量技術，2007，26（7）：12－14.

[5]連海洲，趙英俊.基于LabVIEW技術的虛擬儀器系統[J].儀器與測控，2001（8）：21－23.

[6]佟春明，王天利.基于LabVIEW的信號處理系統開發[J]遼寧工學院學報，2003，23（6）：17－20.

[7]張旭，張春梅，王尚錦.虛擬儀器軟件LabVIEW和數據采集[J].微機發展，2004（3）：77－79.

[8]惠俊英，生雪莉.水下聲信道[M].國防工業出版社，2007（2）：1－22.

[9]宋新見，惠俊英.水下噪聲目標被動測距技術研究[J].應用聲學，24（3）：133－136.

[10]周德超，羅亞松.參數可調數字式聲納浮標系統的硬件設計[J].計算機與數字工程，2011（10）.

[11]李啟虎.水聲學研究進展[J].聲學學報，2001，26（4）：295－301.