基于LabVlEW和MyDAQ的虛擬信號處理儀器設計

伍 杰，周辰笛

（江蘇科技大學電子信息學院，江蘇鎮江，212000）

基于LabVlEW和MyDAQ的虛擬信號處理儀器設計

伍 杰，周辰笛

（江蘇科技大學電子信息學院，江蘇鎮江，212000）

隨著計算機軟、硬件的不斷更新，計算機與外界的信息交流日趨頻繁。在這些信息交換廣泛運用和發展的基礎上，美國國家儀器公司提出了虛擬儀器的概念，強調軟件即儀器的觀點。本文基于LabVIEW平臺，利用myDAQ完成函數發生器、示波器等虛擬儀器的設計。仿真結果表明，本文設計的虛擬儀器具有較好的信號產生、信號仿真及采集功能。

LabVIEW；數據采集；虛擬儀器；MyDAQ

0 引言

傳統電子儀器利用相關電子器件和物理電路為用戶提供有限的界面和功能。這種方式也決定了傳統儀器功能固定，維修困難，更新周期慢等特征。隨著控制、通信和人機交換等互聯電子信息技術的更新和發展，各類儀器已成為實驗室和應用領域不可缺少的一環。但傳統儀器功能單一、費用昂貴等使其在運用領域受到了很大的限制[1]。

20世紀70年代，美國國家儀器公司（National Instruments Corporation）提出虛擬儀器的概念，其實質就是利用我們已擁有的計算機，加上經過設計人員精心設計的硬件和軟件，形成了實驗儀器基本功能和普通儀器缺失的特殊功能兼備的高性價比高實用性的全新類型儀器[2]。虛擬儀器充分使用了個人計算機圖像處理能力和對話框窗口，建立起了虛擬儀器儀表盤前面板，以便更好地控制一切。當前虛擬儀器的構成主要有7種類型：數據采集系統、GPIB系統、VXI系統、PXI系統、串行接口系統、現場總線系統、LXI系統[3]。

1 LabVIEW軟件開發平臺

LabVIEW是一種程序開發環境，是由美國國家儀器（NI）公司研發，使用圖形化編輯語言編寫程序，產生的程序以框圖形式呈現[4]。

LabVIEW設計的初衷是提供一個大眾化的，方便的，快捷的開發工具。這個軟件極大的發展了虛擬儀器科學和數據采集系統，使得人們可以在很多情況下的測量處理分析數據變得更加方便，當我們利用這個平臺進行數據采集，分析，處理，顯示，規劃的時候，極大的節省了使用者的時間，避免耗費巨大的人力和物力[5]。

總體來說，LabVIEW具有以下幾個特點。

（1）圖形化的編程語言，使編程更接近人的思維，具有極強的直觀性和可讀性[6]。

（2）連接功能和儀器控制，大量控制和測量領域的子vi程序，用于連接和控制下位機。

（3）開放式編程環境，完美的兼容大量第三方提供的代碼和其他自定義vi。

（4）硬件受限性小，可與其他儀器或設備等完美銜接。

（5）成本低，基于軟件的開發體系，大大節省了開發和維護的硬件成本。

諸多優點使得LabVIEW軟件得到和快發展和應用，在航空、通信、汽車、生物醫學等眾多領域得到快速和廣泛應用[7]。

2 NI MyDAQ簡介

2.1 NI MyDAQ設備

MyDAQ 是一種體積小巧，低成本的數據采集卡，通過 USB 與個人計算機進行連接，使用LabVIEW編程[8]，可以用來測量和分析實際的信號。MyDAQ 與計算機上的 LabVIEW 軟件互相配合，能夠分析并處理獲取到的數據，而且能夠很方便地控制其進程。

DAQ旁側分布有音頻插頭和20位螺栓端子，頂端分布3位DMM測量通道。表1為端口的詳細說明。

2.2 軟件配置

在軟件方面首先要安裝支持NI myDAQ的驅動軟件NI ELVISmx。該驅動軟件使基于LabVIEW的軟件控制NImyDAQ設備及提供一些常用的集成模塊[9]。

NI公司除了為NI myDAQ提供驅動程序以外，還提供了一款功能豐富的配置工具軟件MAX（Measurement&AutomationExplorer），用于[10]：

（1）快速檢測及配置硬件和軟件，分配設備編號；

（2）診斷硬件所處狀態；

（3）建立新的通道、任務及接口等。

MAX會根據硬件設備類型的不同顯示不同的配置與測試窗口[11]。

2.3 分辨率

分辨率，即采樣數據最低位所代表的模擬量值[12]，才表示為：分辨率=滿量程輸入值/2n

其中，n為 A/D 轉換器的位數，位數越多，分辨率越高。

表1 螺栓端子信號說明

3 虛擬儀器設計

3.1 虛擬信號發生器

在現代電子測量中，信號發生器作為一個基礎的電子測驗儀器，在教學、科研和生產上得到廣泛應用[13]。信號發生器可以通過調節產生：正弦波、方波、三角波、鋸齒波等，同時函數發生器也應具有調制的功能，可以進行幅度調節、頻率調節、相位調節等。其設計主要包括了函數信號發生模塊的設計，信號調節模塊的設計和物理通道的設計。

圖1 虛擬信號發生器程序框圖

3.1.1 軟件編程實現

虛擬函數發生器應具有選擇發生器的物理通道。信號類型有正弦波、三角波、方波、鋸齒波可供選擇，頻率、幅值可調。相較于一般的函數發生器，程序多了一個物理通道，可以將發生的信號傳輸至 myDAQ 采集卡。

3.1.2 程序運行結果

圖2 虛擬信號發生器實測

函數發生器產生的信號被送入MyDAQ經由MyDAQ送至計算機上的虛擬示波器，顯示結果如圖2所示。函數發生器經過運行，仿真結果表明其可以產生標準的正弦波、方波、三角波和鋸齒波，頻率0到5KHz可調（采樣頻率Fs必須大于等于模擬信號頻譜中最高頻率Fx的2倍），幅值0到10V可調（電壓過高可能會損壞MyDAQ 的內部結構）。

3.2 示波器及濾波器

在進行電子測量時，我們總是期望于能夠直接看到信號實時變化的波形，也希望能直接記錄信號的幅值、頻率、周期等基本參數[14]。虛擬示波技術能夠完成這一目標，將電信號隨著時間的變化直接顯示在電腦屏幕上。但其所能達到的性能指標和系統能力與采集模塊數字化能力密不可分[15]。

3.2.1 軟件編程實現

信號處理的關鍵問題是從接收到的信號中消除或衰減噪聲，即抑制噪聲[16]。濾波器，其實就是讓我們需要的信號頻率能夠順利地通過而被保留下來，衰減不需要的信號。按工作頻率范圍來劃分：有低通、高通、帶通及帶阻濾波器。

圖3 虛擬示波器及濾波器前面板

圖4 虛擬示波器及濾波器程序框圖

3.2.2 程序運行結果

設計中示波器能夠對波形進行顯示，橫軸和縱軸可以調節，對采樣率等采樣信息也能進行自定義，濾波器同樣能夠正常進行工作，濾波的模式可以進行調節，濾波器的上下截止頻率等參數同樣能夠進行調節。示波器和濾波器功能完善，能夠代替實驗室中存在的那些陳舊的實體儀器。

圖5 示波器實測

圖6 濾波器實測

4 結論

以目前比較流行的圖形化編程軟件LabVIEW作為開發平臺，完成常用虛擬儀器設計和開發。仿真結果表明，本文設計的虛擬儀器具有較好的性能。

[1]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.

[2]邢麗娟，楊世忠.虛擬儀器的原理及發展[J]. 山西電子技術. 2006（1）： P90-P91

[3]陳尚松,郭慶，雷加.電子測量與儀器［M］.電子工業出版社，2009.

[4]沈歡,王云秀,沈鉆楊,肖俊.基于LabVIEW的電子虛擬實驗室構建[J].科技經濟導刊,2016,(31)：25+24.

[5]唐贛.基于NImyDAQ的傳感器實驗原型卡設計與實現[J].2011年12月，P23-24.

[6]陳川. 基于LabVIEW的輪軌模擬試驗機高速數據采集系統的設計與研究[D].西南交通大學,2015.

[7]孫倩. 基于Labview的虛擬頻譜分析儀設計[D].杭州電子科技大學,2015

[8]沈冰夏,王宏偉. 基于myDAQ的電子鼓設計與實現[J].電子測試,2016,(17)：34+18.

[9]楊君寶. myDAQ遠程多對象測控系統研究與實現[D].大連理工大學,2014.

[10]黃松嶺，王珅，趙偉.虛擬儀器設計教程.清華大學出版社.2015年7月.

[11]楊文裕. 基于LabVIEW的手機硬件測試工具的設計與實現[D].中國科學院大學(工程管理與信息技術學院),2015.

[12]黃嘉智. 基于LabVIEW的高速數據采集及管理系統設計[D].北京理工大學,2016.

[13]錢超. 基于LabVIEW和DSP的信號發生器軟件設計與研究[D].武漢理工大學,2012.

[14]徐玓.基于LabVIEW的虛擬應用物理實驗室的設計與實現[D].碩士學位論文.合肥工業大學. 2007

[15]姜碧瓊. 基于LabVIEW的虛擬示波器的設計[D].西北農林科技大學,2008.

[16]安麗霞. 基于SOPC技術及HPSO算法的FIR數字濾波器研究[D].蘭州交通大學,2015.

Virtual Signal Processing Instrument Design based on LabVIEW and MyDAQ

Wu Jie,Zhou Chendi
（College of electronic information Jiangsu universityof science andtechnology,Zhenjiang Jiangsu,212000）

；With the update of computer hardware and software, computer communication with the outside world has become increasingly frequent. Because of the information exchange and development, National Instruments puts forward the concept of virtual instrument, emphasized”The soft is the instrument”.Based on the LabVIEW platform,we use the MyDAQ to complete the design of virtual function generator and oscilloscope, etc. The simulation results show that the design of virtual instrument has good signal and the signal and acquisition function.

LabVIEW;Data Collection;Virtual Instrument;MyDAQ