基于Labview的數據采集與信號處理系統設計與實現

王昆

（西安航空學院陜西西安710077）

隨著現代計算機信息技術的不斷發展，虛擬儀器在各個領域均得到了不同程度的應用。其主要指的是在計算機硬件平臺上，用戶自行設計功能，通過測試軟件實現其測試功能，具有一定的便利性與靈活性[1]。作為目前最成功的虛擬儀器軟件之一，Labview屬于圖形化編程語言，其采用的是32位編譯G語言，Labview界面有利于實現虛擬儀器開發，兼具數據采集、分析、信號處理等多種功能，在多個領域均得到了廣泛地應用。

1 系統總體方案設計

研究采用的是開發平臺為美國NI公司的Labview8.20平臺，采集卡為該公司研究的配套PCIMIO-16-4采集卡，其能夠完成單雙通道數據采集、虛擬信號產生及處理等，與傳統儀器相比，該虛擬儀器面板布置簡潔，具有極強的靈活性，便于各項硬件功能的實現，在進行儀器性能改進、擴展時[2]，僅需要對其軟件進行更新，無需重新購買設備，物美價廉。且隨著現代計算機技術的不斷發展，其將會逐步實現與網絡設備的互聯、互通。其總體設計原理結構圖如圖1所示。

圖1 系統原理結構圖

2 系統軟件結構設計

通常，完整的LabVIEW程序涵蓋了前面板、圖標/連接端與框圖程序3個部分。1）前面板：采用交互式圖形化界面，為用戶端，由用戶對輸入數值進行設置，并能夠對其輸出量予以觀察[3]；2）框圖：其為圖形化源代碼，能夠實現對vi功能的定義，通過圖形語言實現對前面板的控制；3）圖標/連接端口：將程序定義為子程序，使其能夠在其他程序靈活調用[4]。軟件系統設計采用的是模塊化思想，每個模快對應相應的功能，具體見圖2。

圖2 儀器功能設計圖

2.1 虛擬信號發生器模塊

系統中各類激勵信號的實現都需要依賴信號發生器，其能夠產生出不同幅度、不同頻率的信號，在自動控制系統、電子實驗室等領域中有著廣泛地應用。在虛擬技術支持下設計信號發生器，一方面能夠節省成本，減少系統開發時間，另一方面能夠與其他虛擬儀器相結合，構成一個相對完成的實驗系統，實現信號輸出[6～7]。其前面板結構見圖3。其所產生的信號主要通過公式予以表述，波形主要以正弦波、方波以及三角波等為主，在具體應用過程中可以結合需求將高斯白噪聲疊加在波形信號中，一般只需確認噪聲標準差及種子數，便能夠實現不同高斯白噪聲的疊加。用戶可以自行設置信號參數，在前面板控件作用下對信號頻率以及初始相位等進行調節，與此同時還能夠完成對信號的存儲與回放[8]。采用仿真測試信號，能夠實現對系統模型的測試，也可以針對信號處理進行專項研究。經過D/A轉換及信號調理后，仿真信號功率將會被放大，然后輸出程序，為外部實際電路提供所需的各類激勵信號。

圖3 虛擬信號發生器前面板示意圖

2.2 數據采集模塊

如圖4所示，數據采集模塊前面板顯示的是波形，該信號主要由正弦發生器對采集卡的采集獲得，單、雙通道數據采集均是通過該模塊完成的，其主要包括通道、觸發以及時基控制功能，與此同時還能夠實現對波形的存儲與回放[9～10]。1）觸發控制，主要指的是對觸發斜坡、電平以及模式的控制；2）通道控制：采集主要控制通道的相關信息；3）時基控制：對采集卡掃描率以及經過每一個通道所用的掃描次數進行采集；4）采集模塊：對各個功能節點進行測量，進而實現對PCI-MIO-16-4采集卡的控制，確保信號模擬的實現以及數據的采集，在采集卡的作用下，外部模擬信號能夠向數字信號轉化，然后在PCI總線作用下將信號采集到PC機[11]。

圖4 數據采集模快前面板

2.3 信號處理模塊

圖5為信號處理模塊前面板，其主要涉及到對波形參數的測量、加窗、頻譜分析等多項功能。

2.3.1 波形參數測量

波形參數主要用于對輸入信號波形幅值參數以及周圍參數、波形瞬態等的分析，只需在對應波形參數按鈕點擊一下便能夠進入到測量界面。

圖5 信號處理模塊前面板

2.3.2 濾波模塊

作為信號處理中一項基本而重要的基礎，濾波在工程測試中有著廣泛地應用，其能夠實現對信號的選頻加工。通常在測試過程中所獲得的信號存在多種不同的頻率，因此，在對某一方面特征進行分析時，需要針對其所對應的信號進行處理與分析，首先要提取出需要的頻率，將無關的頻率成分剔除。信號的頻帶帶寬、振幅類型多樣、參數復雜、不盡相同，在模擬過程中，首先需要對復雜信號做出相應的處理，適當降低頻率帶寬，可在其中加入濾波器[12-13]，基于Labview模塊，可以選擇的濾波器有Elliptic濾波器、Chebyshev濾波器、InverseChebyshev濾波器等。濾波器類型不同，其濾波波形也會呈現出明顯的差異性，因此，在具體設計中要針對相應的信號選擇適當的濾波器對信號實施濾波處理。

2.3.3 加窗模塊

在進行信號采樣過程中，即便對采樣條件及定理做出了充分的說明，也避免不了僅能夠獲取部分局限信號。在實時系統中，局限信號會產生一種短而粗的波形，這種波形與原始連續信號有著不同的譜特征。譜信息的泄露會導致實時系統譜特征產生一種假象[14]。針對這一問題，可以采用窗函數的方式加權處理時域信號，其能夠有效抑制泄露現象的發生。對時域截斷位置不連續情況予以改善。其可以選擇的窗類主要包括：Rectangle、Hanning、7Term等。

2.3.4 頻譜分析

頻譜分析主要經過兩個階段，首先將時域信號轉化成為頻域信號，然后對信號進行分析，其主要針對的是輸入的波形，主要功能有對幅頻、相頻、功率譜等的分析，其能夠對經過濾波以及加窗后的矩形信號予以顯示[15]。

2.3.5 相關分析

某一信號在不同的時刻或者兩個信號在同一時間段內存在一定的相似性，這種相似性被稱作是信號的相關性。其不僅能夠實現對測試信號周期性的分析，而且能夠實現對隨機信號中淹沒周期信號的提取，進而對信號做出提取與識別處理。

3 系統硬件設計

PC計算機與數據采集卡共同構成了虛擬儀器硬件平臺。虛擬儀器構成方式復雜多樣，其中最為廉價且最基本的一種形式為PC-DAQ/PCI插卡式虛擬儀器。該研究采用的是I/O接口設備以及PCIMIO-16-4數據采集卡，其主要包括16個模擬量輸入通道與2個模擬量輸出通道，數字量I/O口共有8個，另外還包括24個位計數器[16-17]，能夠實現以下功能：1）信號采集。涉及到模擬信號輸入與A/D轉換，其性能指標包括不同信號輸入方式選項、放大器增益以及量程、分辨率。放大器增益效果從1倍到100倍不等，量程范圍為±10 V與0～10 V。分辨率一般為 12 V，單通道采樣率不得超過 500 kHz/s。（2）D/A轉換部分。采用數據采集卡對外界信號進行模擬并引入到計算機，設置相應的參數，與PC機連接的采集卡能夠被自動檢測，經過相應的設置及測試后，打開MAX后，選擇PCI-MIO-16E-4采集卡，能夠實現對設備附件、模擬信號范圍及模式等的設置。然后在Data Neighbor中將Great New Channel對話框打開，按照提示對各個項目進行設置。

4 測試結果分析

4.1 虛擬信號發生器仿真信號分析及處理

在虛擬信號發生器作用下，添加均勻白噪聲正弦信號，并對該信號進行分析、處理，其參數幅值設置為8 mV，頻率以5 Hz為宜，相位為0。分別對該仿真信號實施時域測量、濾波分析等，控件選擇的是選項卡，能夠對測量信號波形、時域等予以顯示，與此同時還具備信號保存及打印功能，其處理結果見圖6。

4.2 數據采集卡采集信號的分析與處理

實施沖擊測試實驗，采用了ADXL001振動傳感器與PCI-MIO-16-4數據采集卡硬件，其結構框圖見圖7。其濾波頻譜分析處理結果如圖8所示。經過濾波及頻譜分析，可以發現其峰值為15 mV，其主頻率為50 Hz。

圖6 虛擬信號發生器信號分析及處理結果

圖7 沖擊測試實驗系統結構圖

圖8 實驗測試濾波及頻譜分析

5 結束語

虛擬系統操作簡單，具備齊全的多功能數據采集及信號處理功能，其不僅能夠實現數據采集，而且能夠完成對收集信號的處理，具有較高的性價比，可在多個領域通用，具有較好的擴展性，發展前景廣闊。