基于虛擬儀器的信號與系統實驗裝置研制*

馮學玲，翁文婷，吳 葛，鄧春花，尹 仕

（華中科技大學電氣與電子工程學院，武漢 430074）

0 引言

《信號與系統》為華中科技大學電氣學科大類基礎課，涉及信號的各種變換和分析方法。這門課程配套實驗主要是在傳統的數塊電路板上進行測試，該電路板已經投入使用超過10年，電路原理已逐漸陳舊過時；同時由于學生僅需完成端口接線，便可得到驗證性實驗結果，多次的拔插使得測試接口磨損，已無法滿足現有課程教學；再者目前的實驗內容單一，缺少工程背景，多為驗證性實驗，無法滿足新工科背景下人才培養和學生工程實踐訓練的要求。針對上述問題，部分學校引入了Mat?lab和NILabview仿真技術，加強學生理解實驗原理[1-2]。這些實踐盡管加強了學生對知識點的理解和記憶，但在學生能力培養方面，對大腦的訓練仍停留在知識理解層面，很難激發大腦的深度學習。

為此，本文圍繞該課程的核心知識點：信號采樣與恢復，信號分析與變換，信號濾波與調制解調等，設計基于聲音、生理（心電）和電信號的《信號與系統》綜合實驗平臺，通過模塊化的硬件、開放的接口，結構化的軟件以及交互式的界面，培養學生自主學習、應用和創新的能力[3]。

1 實驗信號檢測平臺設計

本文采用模塊化思路設計實驗信號檢測平臺，有利于靈活便捷地開展實驗研究。所設計平臺如圖1所示，主要包括信號檢測模塊以及輔助電源模塊等。

圖1 《信號與系統》綜合實驗信號檢測平臺

（1）AC220 V輸入。后面板，市電輸入，電信號檢測模塊和輔助電源的輸入。

（2）AC220 V輸出。后面板，同市電輸入，電能質量測量網絡供電。

（3）輔助電源模塊。工業級開關電源模塊JMD10-B和DC-DC電壓轉換模塊，提供各信號檢測模塊所需的供電電壓。JMD10-B為一路單相AC100～240 V輸入，兩路直流輸出（5 V/1 A；±15 V/0.2 A）；DC-DC電壓轉換模塊將5 V電壓轉換為3.3 V，為心電信號檢測模塊供電。

（4）心電信號檢測模塊。單導聯心率監護儀模擬前端AD8232芯片，是一款用于心電及其他生物電信號測量應用的集成信號調理模塊[4]，具有尺寸小、功耗低等優點。模塊供電電壓為3.6 V，內置專用儀表放大器、運算放大器、驅動放大器和中間電源電壓基準電壓緩沖器各一個。專用儀表放大器具有共模抑制的功能，小信號可獲得100倍以上增益。

（5）電流測量模塊。TA12-100交流電流互感器，輸入交流電流范圍為0～5 A，變比為1 000/1，輸出端接200Ω電阻，將電流信號轉換為電壓信號，電流測量模塊的輸出為0.2 V/A。通過改變電阻值大小，可以調節電流測量模塊的輸出。

（6）電壓測量模塊。單相交流有源輸出電壓互感器模塊，搭載ZMPT101B系列高精度電壓互感器以及高精度運放，供電電壓為5～30 V，交流電壓測量范圍為0～250 V，輸出信號為含一定直流分量的正弦波，電壓傳輸比倍數可通過電位器進行調節。

（7）信號輸入/輸出接口。前面板，心電檢測的導聯線輸入接口以及對應電壓、電流和心電信號的BNC輸出接口。

2 基于NI虛擬儀器的實驗設計

2.1 虛擬儀器編程語言NILabVIEW

NILabVIEW是一種圖形化編程語言，是專門針對工程師和科學家所設計的開發環境，內置能簡化編程復雜度的功能和函數，便于與硬件集成[5-7]。LabVIEW虛擬儀器技術具有數據采集和計算分析功能強大、兼容性好、開發周期短、投資少和智能化等優點。

應用LabVIEW編制的程序即VI，包括前面板和后面板。通過適當配置，前面板可以作為人機界面實時顯示測量值。后面板即函數選板，通過庫函數的合理組合，可以實現各種復雜的信號處理功能。

2.2 NImyDAQ數據采集卡

NImyDAQ是一種使用NILabVIEW軟件的低成本便攜式數據采集（DAQ）設備，如圖2所示，具有一路USB、兩路模擬輸入（AI）、兩路模擬輸出（AO）、8路數字輸入和輸出（DIO）、音頻、電源和數字萬用表（DMM）等接口。

圖2 NImyDAQ設備接口

NI myDAQ通過USB與計算機LabVIEW平臺連接，實現采集電路信號傳輸。

2.3 信號分析處理綜合實驗平臺總體結構

基于虛擬儀器的信號分析處理綜合實驗平臺系統連接方案和結構示意如圖3所示，心電、電信號和音頻信號經過檢測平臺后由myDAQ送至LabVIEW上位機，最后由LabVIEW完成后續處理。

圖3 基于虛擬儀器的信號分析綜合實驗平臺結構框架

2.4 心電信號分析儀實驗設計

（1）心電采集系統

心電信號的常見處理流程包括心電信號的采集、預處理、特征提取與分類識別4個環節[8]。本實驗心電信號采集基于AD8232硬件模塊，其測量原理結構如圖4所示。測量時，不銹鋼電極LA、RA和RL（COM）分別接入被測者的左肢、右肢和右腿上。由于測量電極引線較長，系統容易受到共模信號干擾，因此圖4所示電路設置了極窄的帶通濾波器，在保留心率信號的基礎上濾除噪聲干擾信號，該電路亦能濾除共模成分并將小信號放大輸出。

圖4 基于雙手測量的心電采集基本電路原理結構

圖4中，①所示電路為直流導聯脫落檢測，獨立檢測三電極是否脫落和斷開；②為輸入電極電阻，用以保護被測試者免受故障條件的影響；③所示電路為輸出端雙極點高通濾波器；④所示電路為雙極點低通濾波器；⑤所示電路為基準電壓設置器，通過兩只電阻分壓后并聯電容濾波。

通過將AD8232輸出“OUTPUT”與myDAQ的模擬輸入接口A0相連，可以采集AD8232檢測的心電信號。盡管AD8232能提供較高的信噪比，但由于缺少外部干擾屏蔽，還需設計LabVIEW軟件完成心電信號濾波、去噪、分析等一系列操作。

（2）心電信號濾波去噪及峰值檢測

根據采樣定理可知：當采樣頻率大于信號中最高頻率的2倍時，采樣后的數字信號可以無失真的恢復。基于AD8233心電監測模塊得到的心電信號，可通過設置采樣頻率，利用LabVIEW軟件設計濾波、去噪，以方便觀察和分析。常用的一般濾波器模型如圖5（a）所示，有低通、高通、帶通、帶阻和平滑濾波5種類型，以低通濾波器為例，通過設置截止頻率和FIR抽頭數，可實時預覽濾波前后的時域（圖5（b））、頻譜波形和傳遞函數伯德圖。

圖5 LabVIEW信號處理子VI

對于心電信號，還可以采用小波去噪、FIR加窗濾波等方式[9]。其中小波去噪方法主要經過對小波母函數的選擇、分解層數和閾值的選擇規則進行分析。如許春冬提出的基于coif-5的5層分解樹自適應閾值降噪方法，可以得到較佳的效果，該方法通過LabVIEW調用MAT?LAB Script腳本節點方式實現濾波[10]。FIR加窗濾波基于有限的脈沖響應，通過選擇不同的窗函數，如矩形窗、漢寧窗以及高斯窗等來逼近給定的頻率響應特性。

經過濾波去噪的心電信號可利用心電圖QRS波群的兩個R波峰計算心率[4]。通過上升下降沿來檢測心跳、以及兩次心跳之間的時間間隔，來計算一分鐘內心臟跳動的次數，并經過相鄰5次時間間隔后求取平均值，得到每分鐘跳動的次數。利用QRS波群還可進行實時心律失常分析。最后設計人機交互界面進行實時顯示心電圖和心率。

2.5 單相電能質量分析儀實驗設計

單相電能質量分析涉及電壓偏差、頻率偏差和諧波含量等[11]。本文將電能質量分析儀置于用電設備前端，如圖1（b）所示，通過霍爾元件采樣用電設備的輸入電流和輸入電壓，通過myDAQ兩路模擬量輸入接口送至LabVIEW后，對電流電壓信號實時處理和分析，來完成電能質量相關參數的測量和分析。

電壓偏差是指電網中測量節點實際電壓Ure與系統給定的額定電壓UN值之間的差，數學表達式為：

國標GB/T 12325-2008《電能質量供電電壓偏差》對單相220 V電壓允許偏差限值為-10%～+7%[12]。

諧波是非線性負載引起的電源電壓或負載電流的周期性正弦形失真，可用波形畸變率（THD）表示波形畸變程度。計算公式為：

式中：Uh為第h次諧波電壓分量的均方根值；U1為基波電壓均方根值。

國標GB/T 14549—1993《電能質量公用電網諧波》中對低壓公用電網的電壓諧波畸變率限值為50%[13]。

LabVIEW軟件中可用模塊程序直接求取均方根、快速傅里葉變換（FFT）和諧波失真，具體圖標如圖6所示。

圖6 LabVIEW信號處理子VI

利用上述子程序模塊和濾波器程序，即可實現電壓、電流、有功、無功等電量的分析和運算。

2.6 音頻調節器

不同頻率的聲音有不同的音效，本文采用的聲音文件可為手機或其他設備正常播放的音樂文件，通過音頻線連接AUDIOIN送至LabVIEW。通過設置濾波器來實現頻段的劃分和增益調節器，以改變不同頻段音頻信號的大小。最后對各個頻段的信號進行疊加，得到最終的輸出信號。處理后的音頻可通過myDAQ音頻輸出口AU?DIOOUT輸出至耳機或揚聲器播放。

音頻調節器讓用戶能根據自己的聽音習慣調整音頻輸出，還可根據音頻信號的能量譜進一步分析和提取特征信號，實現聽音識曲[14]。

2.7 實驗信號檢測平臺封裝

為提高系統穩定性，本文對實驗信號檢測平臺進行封裝，如圖7（a）所示。前面板設計如圖7（b）所示，包含電壓、電流和心電信號的BNC輸出接口以及用于心電檢測的導聯線輸入接口。后面板為市電AC220 V輸入電源插座以及被測網絡供電電源接口。

圖7 硬件采集系統外殼封裝

3 實驗結論及分析

3.1 心電分析儀和音頻調節器實驗結果

基于虛擬儀器的心電分析儀和音頻調節器實驗結果如圖8所示，其中圖8（a）為某測試者的實時心電圖和心率信號；圖8（b）為實時音樂播放器，可通過調音區4個頻段的增益設置來實時調節音頻信號。

圖8 心電分析儀和音頻調節器的軟件界面

人機交互界面能形象直觀地觀察和體驗信號分析處理的樂趣，學生還可以在該軟件界面進一步優化和集成，更好地體驗學習的樂趣。

3.2 單相電能質量分析儀實驗結果及分析

以電容和燈泡并聯電路作為用電設備，測試單相電能質量分析儀的性能，如圖9所示。其中r為燈泡回路限流電阻，通過波動切換開關S1～S4來改變負載的功率因數。功率計PA1000作為標準測量儀器來對本文設計的電能質量分析儀進行性能檢測。

圖9 電能質量分析系統測試原理

當圖9接入總電容C=0.33μF，S4閉合時負載電流電壓波形用該電能質量分析儀測試，結果如圖10（a）所示。改變C的大小，可得有功、無功和視在功率的變化，如圖10（b）所示。

圖10 電能質量分析儀測試數據

將上述結果與用標準儀器PA1000測試結果進行對比，如表1所示，對于不同的總電容，上面一欄的值為虛擬電能質量分析儀的測試結果，下面一欄為標準功率計測試結果。將每組結果計算相對誤差并比較得到最大相對誤差，即最后一欄的結果。結果表明所有的相對誤差都在4%以內，滿足教學設計要求。

表1 電能質量分析儀測試結果

4 結束語

本文研制了一套軟硬件結合、虛實交互的信號分析綜合實驗裝置，取代了陳舊過時的電路板，能實現信號濾波性能比較、頻譜分析和分類識別，直擊學生信號學習重難點和痛點。該綜合實驗裝置采用模塊化設計方案，引入了學生熟悉的聲音信號、生理信號和電流電壓信號，共集成3套虛實結合的信號分析測試儀。實驗測試結果表明，分析測試儀基本滿足測量儀器儀表的要求，能用于《信號與控制綜合實驗》本科實驗教學。學生能通過自主設計硬件模塊、創意編程和多種方式融合的方式，成為學習的主導者并產生新的知識和鏈接，體驗信號分析處理的趣味性。該綜合實驗裝置非常適合新工科背景下實踐教學需求，同時一體化和模塊化設計利于推廣。