基于USB4716的虛擬信號處理儀設計

黃昆　譚鈞劍　郝小江

（攀枝花學院電氣信息工程學院，四川　攀枝花　617000）

基于USB4716的虛擬信號處理儀設計

黃昆譚鈞劍郝小江

（攀枝花學院電氣信息工程學院，四川攀枝花617000）

以USB4716數據采集卡和LabVIEW軟件為核心，設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

虛擬儀器技術發展非常迅速，只要擁有數據采集硬件和相應的虛擬儀器軟件，就可構成基于計算機的測量儀器。本文利用USB4716作為數據采集硬件，在安裝有LabVIEW軟件平臺的計算機上，設計出虛擬信號處理儀器，實現數據采集、處理與顯示等功能。

2　設計平臺

2.1硬件平臺

硬件平臺主要包括計算機和數據采集卡。

數據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個數字量輸入和8個數字量輸出通道；

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，具有直觀的前面板與簡便的圖形化編程方法，是構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、函數選板。

3　系統總體設計框圖

系統總體設計分前面板設計和程序框圖設計兩大塊，采用模塊化設計思想。總體設計框圖如圖1所示。

虛擬信號處理儀設計可分為“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　系統總體設計框圖

4　具體模塊設計

4.1USB4716信號采集模塊設計

當USB4716數據采集卡要與計算機連接交換信息時，先要安裝好驅動程序。當驅動成功安裝后，就能在電腦設備管理器找到硬件，并能在LabVIEW中調用其對應的數據采集函數。

采集模塊前面板和程序框圖設計如圖2所示。

圖2　采集模塊前面板和程序框圖

前面板設計包括三個數值輸入控件（設備名、采樣率、采樣數）和一個傳統DAQ通道I/O控件，用于配置采集卡。

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

4.2仿真信號產生模塊設計

為了功能驗證的方便，本設計增加了仿真信號產生模塊，主要產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），方便用戶產生各種仿真信號。

圖3　仿真信號產生模塊前面板

程序框圖設計如圖4所示，主要采用條件結構和波形生成函數來實現。

圖4　仿真信號產生模塊程序框圖

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。

前面板設計如圖5所示，它主要包括幅值測量的三個數值顯示控件（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

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

圖6　信號測量模塊程序框圖

4.4信號濾波模塊設計

LabVIEW中擁有大量的數字濾波器，如Chebyshev濾波器、Butterworth濾波器、貝塞爾濾波器等。本設計就利用這三種濾波器對原始信號進行濾波。

前面板設計如圖7所示，它主要包括兩個枚舉型控件（濾波器、濾波器類型）和三個數值輸入控件（階數、低截止頻率、高截止頻率），用于濾波器選擇和參數設置。

圖7　信號濾波模塊前面板

程序框圖設計如圖8所示，主要采用條件結構、濾波器函數、局部變量、解除捆綁函數來實現。

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，其中包含Blackman窗，Hanning窗，Hamming窗等。為體現出加窗對信號做出的處理，濾波后的信號經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加窗處理后的變化。

程序框圖主要采用條件結構、窗函數、幅度譜和相位譜函數、單位轉換函數來實現。

5　系統運行調試

系統調試時，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試。待仿真信號調試成功后，再切換USB4716數據采集信號進行。

調試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備，再打開LabVIEW程序，在前面板USB4716信號采集模塊設置好對應參數。

下一步，在信號濾波模塊設置好濾波器參數，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

由以上運行調試結果可看出，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　結束語

本設計的虛擬信號處理儀，成功地實現了USB4716數據采集、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，達到了設計目標。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分析、相關分析、曲線擬合等功能。

參閱文獻

［1］張重雄，張思維.虛擬儀器技術分析與設計（第2版）［M］.北京：電子工業出版社，2012.

［2］彭勇，潘曉燁，謝龍漢.LabVIEW虛擬儀器設計及分析［M］.北京：清華大學出版社，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