基于LabVIEW 的虛實結合的信號分析與濾波實驗系統

林思宇， 蔣華勝， 周慶華

（長沙理工大學 物理與電子科學學院， 長沙410114）

0 引 言

在教學體系中，實驗教學是非常重要的環節，將理論知識運用到實際情景中，既可以培養學生的動手能力，又可以加深學生對于課程的理解［1］。 目前，在高校的電類課程的實驗教學中，以基于實際電路的硬件實體實驗和基于軟件仿真的虛擬實驗兩種實驗模式為主［2］。 實體實驗通常選用電路實驗箱和其他儀器設備來搭建實驗平臺，實驗可操作性強，實驗結果也較為直觀。 但實體實驗受實際環境的限制較大，比如實驗場所和實驗時間相對固定，實驗設備會存在損壞和老化等問題，實驗教學的效果得不到保障。 同時，為了購置實驗設備和維護實驗平臺，高校往往需要投入大量的經費［3］。 虛擬實驗在極大程度上減少了硬件條件的限制，減少了實驗開銷，在實驗時間上也相對靈活，虛擬實驗通常使用C、MATLAB 等語言編程實現，實驗內容可拓展性較強。 但純虛擬實驗無法接觸到實際的信號，學生可能會對實際電路和硬件設備缺乏直觀認識，不能切實體會到理論與實際的聯系。 因此，將實體實驗和虛擬實驗結合起來，構成虛實結合的實驗系統，不但可以減少實驗教學中對硬件設備的需求，方便實驗平臺的維護和實驗內容的拓展更新，還有效的解決了純虛擬實驗過于理想化的問題，達到完善實驗教學的目的［4－6］。

LabVIEW 是美國國家儀器公司推出的一款圖形化編程軟件，軟件內置大量可用于信號處理和分析的函數，并提供功能豐富的工具包，在學術研究、工業測量控制和上位機監控界面的設計上均有著較為廣泛的應用［7］。 軟件與搭配NI 數據采集卡相結合，有多種方式采集實際的物理量［8］，也為虛實結合的實驗系統提供了良好的軟件和硬件基礎。 本文提出基于LabVIEW 的虛實結合的信號分析與濾波實驗系統，以LabVIEW 2015 為軟件開發平臺，配合NI USB－6253 數據采集卡，實現對信號的生成、采集、分析、濾波和輸出等功能，可以完成信號分析與濾波的實驗項目。

1 總體設計

實驗系統采用模塊化設計思想，根據功能需求劃分出不同的功能模塊，實驗系統的總體結構如圖1 所示，包括信號采集模塊、仿真信號模塊、實驗模塊、實驗結果保存模塊和信號輸出模塊。 信號采集模塊完成對實際信號的采集功能；仿真信號模塊能夠為采集的信號疊加噪聲或生成虛擬信號；實驗模塊提供項目特有的實驗功能，不同的實驗項目有著不同的實驗模塊；實驗結果保存模塊可以根據得到的實驗數據保存實驗結果的圖片；信號輸出模塊可以將處理后的信號輸出到其他硬件設備。

圖1 實驗系統總體結構圖Fig.1 The overall structure diagram of the experimental system

為了達到軟硬件相結合的目的，每個虛實結合的實驗項目都會包含信號采集模塊或者信號輸出模塊。構成實驗項目的功能模塊可以根據實際需求選擇，設計出新的實驗模塊與原有的其他功能模塊組合也可以構成新的實驗項目，實驗系統的可拓展性強。

本文以信號頻譜分析實驗和數字濾波器實驗為例介紹實驗系統的設計與實現。 其中，信號頻譜分析實驗由信號采集模塊、實驗模塊和實驗結果保存模塊三個模塊組成，主要實現對實際信號的采集，并對采集到波形信作時域和頻域的分析，并且能夠保存時域和頻域的波形圖像；數字濾波器實驗由信號采集模塊、仿真信號模塊、實驗模塊和信號輸出模塊四個模塊組成，主要實現對實測信號和仿真信號的濾波功能，能夠通過設置濾波器的參數實現不同濾波特性的低通、高通、帯通、帶阻數字濾波器，并且可以通過采集卡輸出濾波器處理后的信號。

2 功能模塊的設計

2.1 信號采集模塊

信號采集模塊由硬件和軟件兩部分組合而成，采集的信號可以是由采集卡產生的實際信號，也可以是由外接的儀器設備如函數信號發生器、電路實驗箱產生的實際信號。

硬件部分選用NI USB－6353 采集卡，通過采集卡的模擬輸入通道接收實際信號。 USB－6353 采集卡是NI 公司的X 系列，外部電源型USB 數據采集卡，輸入和輸出最大電壓范圍－10 V ～10 V，擁有32個模擬輸入通道，可用于16 個差分輸入或32 個單端輸入，4 個模擬輸出通道，48 個數字I／O，各端子可通過編程獨立配置為輸入或輸出，四個32 位計數器／定時器，板載NI－STC3 定時和同步技術提供高級定時功能，包括獨立的模擬和數字定時引擎，可重觸發的測量任務，適用從于基本數據記錄到控制和測試自動化的應用。

軟件部分使用NI－DAQmx 15.0 驅動程序驅動數據采集卡，采集流程主要分為通道建立、時鐘設置、開始采集、信號讀取和清除任務五個環節，每個環節均采用DAQmx 通道類函數編程實現。 信號采集模塊的程序圖如圖2 所示。 通道建立由DAQmx創建虛擬通道VI 實現，任務類型為模擬電壓輸入，輸入電壓范圍默認－5 V～5 V，輸入控件用于指定生成虛擬通道的物理通道端口和輸入接線端配置。 當使用采集卡產生信號時，輸入接線端配置可選擇默認或單端模式，若是與采集卡不共地的外接設備，為了去除共模電壓，一般使用差分方式。 時鐘設置環節使用DAQmx 定時VI，定時類型選擇采樣時鐘，以默認板載時鐘為采樣時鐘源，配置采樣率和通道采樣數，創建所需的緩沖區，采樣模式選擇有限采樣。開始采集環節如果不設置觸發，可直接使用DAQmx開始任務VI，使采集任務處于運行狀態。 為了方便觀測和記錄采集的波形，使用DAQmx 觸發VI，選擇觸發方式為模擬邊緣觸發，以模擬輸入通道本身作為觸發源。 信號讀取環節使用DAQmx 讀取VI，選擇模擬波形1 通道N 采樣模式，讀取采樣數與時鐘設置采樣數相同，即可讀取緩沖區中當前可用的全部波形。 清除任務環節需要先使用DAQmx 停止任務VI，中止采集任務，使用DAQmx 清除任務VI 清除任務并釋放任務所保留的全部資源。

圖2 信號采集模塊程序圖Fig.2 The program diagram of signal acquisition module

2.2 仿真信號模塊

仿真信號模塊使用軟件編程產生參數可調的信號，在實驗中加入此模塊用來提高實驗的效果，為采集到的信號疊加噪聲再進行處理，或是在沒有實際信號的時候使用仿真信號進行實驗。 本文在數字濾波器實驗中加入此模塊，主要使用LabVIEW 軟件信號處理選板中的波形生成函數，使用基本函數發生器VI，生成正弦、方波、三角和鋸齒波信號仿真波形，使用均勻白噪聲、高斯白噪聲等噪聲波形生成函數對采集信號或仿真信號疊加噪聲。

2.3 實驗模塊

本文的實驗系統分為信號頻譜分析實驗和數字濾波器實驗兩個部分。

信號頻譜分析實驗對采集到的波形信號進行顯示，信號頻譜分析實驗模塊程序圖如圖3 所示，分別使用波形測量函數中的基本平均直流－均方根VI、幅值和電平測量VI 和提取單頻信息VI，對采集到的信號進行分析，得到信號的均值、均方根值、頻率、幅值、最大值和最小值等相關波形參數。 若存在多個頻率分量，則返回幅值最高的單頻信息，使用FFT頻譜（幅度－相位）VI，對信號進行快速傅里葉變換，得到信號的頻域波形。

圖3 信號頻譜分析實驗模塊程序圖Fig.3 The program diagram of signal spectrum analysis experiment module

數字濾波器實驗對實際信號和仿真信號進行濾波，得到濾波后的信號波形、濾波器的幅度響應和相位響應，數字濾波器實驗模塊程序圖如圖4 所示。使用條件結構，選擇數字FIR 濾波器VI 或者數字IIR 濾波器VI 對輸入信號濾波，通過控件設置濾波器類型和截止頻率，將濾波器信息的簇數據按名稱解除捆綁，得到濾波器的幅度響應和相位響應。 IIR濾波器可選擇不同的逼近準則（巴特沃斯、切比雪夫I 型、切比雪夫II 型、橢圓濾波器法和貝塞爾濾波器法），當設置的IIR 濾波器的階數小于等于0 時，將由可選IIR 濾波器規范計算階數。 FIR 濾波器可選擇不同的設計方法（窗函數加權法、等波紋FIR法和按規格計算的FIR 法）和相應的參數。

圖4 數字濾波器實驗模塊程序圖Fig.4 The program diagram of digital filter experiment module

2.4 實驗結果保存模塊

實驗結果保存模塊通過按鍵彈出對話框，在對話框中選擇文件保存路徑并輸入文件名，即可保存實驗中的波形圖像。 將按鍵的鍵值改變作為觸發條件添加入事件結構中，在該事件中使用對話框Express VI，在運行時彈出對話框，使用波形圖控件的獲取圖像調用節點，獲取圖像數據，將獲取的文件路徑和圖像數據輸入寫入BMP 文件VI，即可將波形圖像保存為BMP 格式的圖片。 為了避免用戶在對話框中取消保存時出現路徑錯誤，導致程序不能正常運行，需將調用節點和寫入文件VI 放置在對話框Express VI 的錯誤輸出為無錯誤的條件結構中。

2.5 信號輸出模塊

信號輸出模塊可以將處理后的信號通過采集卡輸出到其他硬件設備（例如：示波器或后續信號處理電路）。 信號輸出模塊的硬件部分使用USB－6353 數據采集卡，使用模擬輸出通道實現信號的輸出。 軟件部分的信號輸出流程包括通道建立、時鐘設置、寫入數據、開始輸出和清除任務五個環節，信號輸出模塊程序圖如圖5 所示。 使用DAQmx 創建虛擬通道VI，選擇模擬電壓輸出任務，并創建輸入控件指定信號生成操作的物理通道、輸出接線端配置（差分模式和偽差分模式）。 時鐘設置使用DAQmx 定時VI，選擇采樣時鐘模式，設置采樣方式為連續采樣，并設置其他相關的參數（采樣時鐘源、采樣率和采樣數）。 寫入數據使用DAQmx 寫入VI，寫入數據與濾波后波形數據相連。 開始輸出使用DAQmx 開始任務VI，運行輸出任務，使用While 循環保持任務的運行狀態，讓信號能夠連續輸出。 最后，使用DAQmx 停止任務VI，使用DAQmx 清除任務VI，停止輸出任務并釋放任務所占有的資源。

圖5 信號輸出模塊程序圖Fig.5 The program diagram of signal output module

3 實驗項目的實現

3.1 信號頻譜分析實驗

信號頻譜分析實驗的前面板如圖6 所示，圖中信號源是由采集卡輸出的頻率10 Hz、幅值1 V 的鋸齒波，進行實驗時首先需對硬件進行正確的接線，通過通道設置、定時設置和觸發設置完成信號采集的各項參數設置，通過調整FFT 參數設置，選擇對時域波形做快速傅里葉變換時使用的時域窗和進行平均值運算的平均參數。 通過顯示控件可以觀察采集到的信號時域波形和頻譜特性波形圖像，通過獲取的頻率、均值、均方根值、幅值、電平的最大和最小值等波形參數可以看出與輸入的信號基本符合。 另外可以使用布爾開關和旋鈕調節波形圖控件的標尺和游標以輔助觀測波形圖像，點擊按鍵可以保存實驗結果。

圖6 信號頻譜分析實驗前面板Fig.6 The front panel of signal spectrum analysis experiment

3.2 數字濾波器實驗

數字濾波器實驗的前面板如圖7 所示，實驗時首先通過選項卡選擇輸入信號為實際信號或者仿真信號，并可以為其疊加噪聲信號作為原始波形，通過數字濾波器選擇選項卡可以選用FIR 濾波器或者IIR濾波器對原始波形進行濾波，設置不同的濾波器規范以設計功能不同的濾波器。 在信號波形選項卡中可以分別觀察原始波形、濾波后波形和頻譜圖像，其中原始波形頻譜和濾波后波形頻譜以不同顏色顯示在同一個顯示控件中，濾波器信息選項卡中顯示所設計濾波器的幅度響應和相位響應。 圖中采集的實際信號是由采集卡輸出的頻率10 Hz、幅值為1 V 的正弦波信號，原始波形為該信號疊加幅值為2 V 的均勻白噪聲后的信號波形，選擇低截止頻率為9 Hz，高截止頻率為11 Hz 的巴特沃斯帯通數字IIR 濾波器對原始波形進行濾波，從濾波后的波形和頻譜圖可以看出濾波效果良好，有效地抑制了波形中頻率過高和過低的成分。 通過信號輸出設置可以調整采集卡輸出信號的各項參數，通過開關控制信號輸出的狀態，開關打開時數據采集卡將輸出濾波后的信號。

圖7 數字濾波器實驗前面板Fig.7 The front panel of digital filter experiment

4 結束語

本文基于LabVIEW 開發環境設計并實現了虛實結合的信號分析與濾波實驗系統。 系統通過數據采集卡實現實際信號的采集和輸出，通過LabVIEW編程實現各項實驗功能，達到軟硬件相結合的目的，實驗系統操作簡便，顯示直觀，可以很好的完成虛實結合的實驗項目。

本文主要以頻譜分析實驗和數字濾波器實驗為例做了相關的介紹。 系統的可拓展性強，可以根據實際的需要，利用相同的技術加入新的實驗模塊，在已有功能模塊的基礎上構建新的實驗項目，縮短開發時間并降低開發成本。 虛實結合實驗系統的建設是對實驗教學的有益補充，綜合了實體實驗和軟件仿真實驗的優點，在節約教學資源的同時有效提高實驗教學效果，具有良好的發展前景。