1、第 1 页 共 40 页基于 LABVIEW 的虚拟信号发生分析仪的设计摘要：随着科学技术的快速发展，电子技术也受到了越来越多的关注，而它的发展离不开测试技术，信号分析作为测试技术中一个重要的组成部分，就需要我们更多的关注。在不同的应用环境下采用不同的信号分析仪来进行测试具有重要的意义。本文设计的虚拟信号发生分析仪主要是针对一些机械、噪声、音频等方面的信号，对于这种指标要求不是太高、成本较低的分析仪作为教学仪器是非常合适的。本文正是基于这种目的设计此虚拟信号发生分析仪。本文中设计的虚拟信号发生分析仪主要是在 LABVIEW 平台的基础上，以硬件平台的采集模块为前提，LABVIEW 软件平台为编
2、程工具来实现的。文中首先介绍了虚拟仪器 LABVIEW 的总体概况，发展历程以及研究意义，随后详细介绍了设计的软硬件情况，具体内容主要包括了数据采集模块和信号发生分析模块。硬件的采集模块中，为了适应更高的信号分析需求，将此模块原来 8 位的采集芯片 AD9288 更换成了 12 位的 AD9224，并重新排版布局，以此提高测量精度；对于通信模块来说，此模块主要进行电脑与平台的通信，将原来 EPP 并行模式通信方式转换为 USB 串口转 EPP 并行模式。在存储控制模块中，此模块通过FPGA 与 S 口实现对采集模块的控制以及对采集数据的存储等功能。在软件方面，采用模块化的软件设计方式，详细阐述
3、了编程思想和设计流程图，并通过 LABVIEW 软件平台进行虚拟信号发生分析仪的控制面板、数据采集模块的设计以及运用 FFT 算法进行频谱分析的设计，实现信号发生、信号采集、信号时域分析与信号频域分析的功能。关键词：信号分析仪 数据采集 LABVIEW 时域分析 频域分析第 2 页 共 40 页Based on the LABVIEW dummy signal generator design and therealizationAbstract:With the development of electronic science and technology,there is much mo
4、refocus on it,and its development has huge relationship witll the measurementtechnology；Spectrum analyzer is an important part of the measurement technologyAnd thedifferent spectrum analyzers which test the signals in the different circumstances havethe significant meaningOur spectrum analyzer is to
5、 measure the signals ofnoise，audio，mechanism and so onIn this paper,our designed virtual spectrum is based on theteaching and gives the students the profundity impressionBased on this purpose，We design this solo channel of spectrum analyzerMy virtual spectrum analyzer designed on the SJS002_B platfo
6、rm，previous on thedata acquisition module in the platform，and as the software tools of LabVIEW todesign itAt first， the paper instroduces the whole things of virtual spectrum analyzer, the meaning of development and research，then discussed the details of its hardware and software designingOn the har
7、dware part,data acquisitionin this part I changed the 8 bits ADC to 1 2bits one and rejusted its peripheral circuitsSecond，communication module，whichcommunicated the computer wim platform，and use the USBEPP modelThird，Storeand control module，which controls the data acquisition modme and storing the
8、data by FPGAOn the software part,we designed it on modde，and descript the methods of theprogramming and flow chart in details，then I designed the ViltUal spectrum analyzerscontrol panel，data acquisition module and FFTmodule by LabVIEWand finally make itachieve functionalKey Words: Virtual spectrum a
9、nalyzer；data acquisition；LABVIEW;FFT;DFT第 3 页 共 40 页1 绪论1.1 引言近年来，由于电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通及家庭中的应用日益广泛，信号发生分析仪也得到了广泛的应用。信号分析仪是一种信号分析仪器，它用来观察、测量、记录各种物理现象并以图形方式显示信号与时间关系。信号分析仪直观的效果有助于对被测对象的理解，因此它得到了广泛的应用，成为目前电子测量中重要工具之一 【1】 。在过去的一个世纪里，仪器技术得到了不断的发展，大致经历了模拟仪器、数字仪器和智能仪器三个阶段。其共同特点是“信号采集与控制、信号分析与处理
10、、结果的表达与输出“三大功能模块，而这些模块只能由厂家来定义、制造，那样就使得仪器功能固定、灵活性差。在当今的技术发展条件下，将计算机与仪器结合进行测试操作，如将仪器的信号分析与处理、结果表达与输出放到计算机上完成，或将仪器的三大功能模块全部放到计算机上来完成，是完全可能的，在这种需求的背景条件下诞生了虚拟仪器。虚拟仪器这不仅增强了传统仪器的功能，而且还大大地降低了成本，方便了我们的测试人员 【2】 。虚拟信号发生分析仪是在当今电子科学技术与计算机技术快速发展的大背景下，充分发挥计算机的强大功能，使软件发挥更加重要的作用，促进了虚拟分析仪的快速发展。在这样的情况下，频谱分析仪向着高效、高速、高
11、精度和高可靠性以及自动化、智能化、模块化和网络化的方向发展，并且越来越能突显其灵活性和方便性，并满足多数用户的需求。虚拟分析仪技术兼顾了虚拟仪器的优势，因此它具有虚拟仪器的灵活性和便捷性，因此在构建虚拟频谱仪的时候就显得十分方便。如果相关硬件平台结合软件开发的虚拟频谱仪与实验室的物理环境结合起来，就能更好的提高教学质量，并增强学生的动手能力与工程实践能力 【3】 。因此，正式基于此种目的而开发虚拟分析仪的。本课题研究的虚拟信号分析仪隶属于教育部立项的教学研究项目中一个重要组成部分。该项目的目的是为了研制和开发一个通用的测试平台，以此来改善当前国内高校电工、电子信第 4 页 共 40 页息类专业
12、的教学实验条件，建设一个现代化的教学实验环境，以此提高实验课程的效果和学生的动手能力。目前，在各大高校的实验课程中需要使用大量的实验仪器和设备(如示波器、函数发生器，频谱分析仪等等)来满足教学要求，并且同时发现在综合性实验过程中需要使用到的多种不同测试、测量仪器不仅在价格上昂贵、体积庞大，而且连接也相对比较麻烦，对于提高教学质量来说是一大瓶颈。因此能够开发出一套通用综合性实验平台，使之用于多种实验教学，将大大节约实验经费，并产生可观的经济效益，而且对教学也将提供一定的便利性。本文正是在这种背景下设计了这个通用测试平台的一个重要组成部分虚拟信号发生分析仪。通用测试平台上设计的信号分析仪作为实验环
13、节的一个重要组成部分，不仅要让学生懂得简单的软件设计，最重要的是需要培养他们的动手能力，发挥测试平台的二次开发能力，让学生更深入的学习和研究虚拟频谱分析仪，最终能够到达满意的教学成果 【4】 。1.2 国内外发展状况上世纪 70 年代，信号分析仪快速的发展，出现了百花齐放的局面。如 HP公司的 HP8553B、8554B、8554A8552R141T 系列等，Tek 公司的 7L14，日本TR 公司的 TR41104113 系列等。到了 80 年代后，随着计算机、微处理器的发展和医用，分析仪向智能化、自动化方向发展。如：HP8568A、8566D，Tek496P、494P 等。从上世纪末到本世
14、纪初，信号分析仪的发展速度更加迅猛，在技术、工艺等方面都达到了很高的水平，如HP8562AB、70000 系列的分析仪都有上百个功能，HP8562 集小型化与高性能为一体，使其具有更快、更精确的测量能力。而且 HP70000 系列是模块化的分析仪，它还可以随时增加或替换模块，以此实现频段扩展或指标的提升等。而国内由于在这方面起步比较晚，因此与国外相比还有一定的差距，不过随着国内学习国外技术步伐的加快，国内已有一些企业或研究所做出了不错的成绩，如中电 41 所，前锋电器等。NI(National Instrument)美国国家仪器公司，它是虚拟仪器行业的领军企业，它也是虚拟仪器的创造者和倡导者。
15、NI 创造了基于革新性的测试测量技术，为客户提供了测量与自动化的最佳方案。NI 的虚拟频谱分析仪通过数据采集卡第 5 页 共 40 页并配合专门用于虚拟仪器设计的软件-LABVIEW 设计出相应的频谱分析仪。NI 公司的虚拟信号分析仪在很多方面都具有领先地位。另外荷兰 TiePie Engineering 公司的 HS801 型虚拟仪器是五合一(任意波形发生器、数字存储示波器、瞬态波形记录仪、频谱分析仪、数字表)虚拟综合测试仪，美国 Link 公司推出 DS0-2902、DS02904 和 DS 沪 25216 三款 DSO 系列混合信号数字存储示波器(三合一，存储示波器+逻辑分析仪+FFT
16、频谱分析仪)，处于世界领先水平 【5】 。在虚拟信号分析仪领域中，国内近年的发展也相当的迅速，虽然与国际的先进水平还有一定的差距，正是这样才更加表明了我国的产品发展的空间还很大，还有潜力，需要我们来进一步的开发和利用。国内从 90 年代起一些大学就相继的开展了虚拟仪器或频谱仪的研究工作，如电子科技大学、哈尔滨工业大学、重庆大学、中国科技大学等，在研制虚拟仪器的厂商有北京炜煌科技公司、北京普源科技公司等。但是我们国家在这方面的研究仍然是属于起步阶段，这样就需要我们来开设这门课程，引导更多的同学进入到这个领域，努力开发我们自己的平台。有关专家还指出，在今后几年中，数据系统的设计和开发还将面临一个非
17、常重要的时期，无论是开发高速通信系统，还是其它的计算机系统等，用户都会越来越倾向于使用一台示波器和一台信号分析仪，来同时从不同的角度全方位地捕获和分析系统中的信号，从而解决来源于不同角度的问题。因此频谱分析仪对于测试方面来说是非常重要的一方面 【6】 。1.3 虚拟信号发生分析仪平台简介本课题设计的信号分析仪主要包含了数据采集和信号分析两大模块，并结合并口总线(或 USB 转并口总线)的通信技术和虚拟仪器技术，组成了所设计的虚拟信号分析仪。这个通用测试平台主要通过并口或 USB 转并口的通信方式与计算机连接，实现对平台的控制以及数据传输。而计算机则主要用于虚拟面板的控制，并通过面板上设计的软件
18、控件来发送控制信号以及显示测试的相关波形和结果，从而实现测试得目的。虚拟信号发生分析仪主要有信号采集模块、信号发生、信号滤波、信号时域分析和频域分析模块。主要实现过程为由输入信号通过数据采集传送到计算机，计算机将采集到的信号再进行滤波、时域频域等一系列的变换。第 6 页 共 40 页1.4 课题的任务和要求任务：利用 LABVIEW 设计虚拟信号发生分析仪。（1） 学习和掌握信号发生和信号分析的相关知识；（2） 使用 LABVIEW 软件对操作界面进行编程；（3） 能实现信号的发生与分析功能；（4） 实验平台界面要求美观、大方，操作方便。1.5 课题的主要工作具体工作内容有：（1）学习和掌握信
19、号发生和信号分析的相关知识；（2）学习 LABVIEW 编程方法，能利用其进行程序设计；（3）学习数据采集卡的相关知识；（4）设计虚拟信号发生分析仪。（5）结合实验进行调试。本章小结：本章主要介绍由本课题看出现在虚拟仪器的兴起和介绍本课题设计实现的平台知识以其本课题的主要工作和要求。第 7 页 共 40 页2 虚拟信号发生分析仪硬件设计2.1 DAQ 系统简介数据采集(Data Acquisition)是获取信息的最基本手段，我们主要通过对采集的数据进行分析和处理，以此得到我们想要的结果。从而数据采集是虚拟分析仪中一个重要的组成部分。虚拟信号分析仪的硬件组成可以如下图 2.1 所示，包括 I/
20、O 接口设备和计算机两大部分。图 2.1 硬件电路结构计算机是硬件平台的核心，通过 IO 接口设备(例如数据采集卡 DAQ)完成被测信号的自动采集、调整、放大、模数转换；利用 LABVIEW 开发平台编制的应用程序实现对信号的时域波形显示、频谱分析和时频域分析。常用的IO 接口设备有 5 种：PCDAQ 接口、GPIB 接口、串行接口、VXI 接口以及PXI 接口。软件组成主要包括 IO 接口设备驱动程序、LABVLEW 应用程序。YO 接口设备驱动程序实现对特定外部硬件设备的控制。LABVIEW 应用程序完成信号的分析、处理、显示及输出。LABVIEW 应用程序基于 LABVIEW 开发平台
21、编制，包括实现虚拟仪器前面板功能的软件程序和定义测试功能流程图的软件程序两部分【7】 。信号分析仪可以实现信号产生和信号分析功能。信号分析仪可采用 NI 公司第 8 页 共 40 页的 6024 采集卡在程序运行时，首先通过往通道控件中输入通道号，来控制数据采集时的通道数，同时对扫描数，扫描率和缓冲大小进行配置。配置完成以后，可以点击波形采集，如不满足要求，可重新进行参数配置。当所要采集的波形满足要求后，可以将波形存储，把波形数据保存到指定的文件当中。由于在本课题中我们主要是练习 LABVIEW 软件实现所需功能，所以在这不多介绍硬件设计了。3 虚拟信号发生分析仪设计相关知识3.1 虚拟仪器的
22、发展电子仪器发展至今，大体可分为四代：模拟仪器、数字仪器、智能仪器和虚拟仪器。第一代模拟仪器第一代模拟仪器如指针式万用表、晶体管电压表等，它们的基本结构是电磁机械式的，借助指针来显示最终结果。第二代数字化仪器数字化仪器目前相当普及，如数字电压表等。这类仪器将模拟信号的测量转化为数字信号的测量，并以数字方式输出最终结果，实用于快速响应和较高准确度的测量。第三代智能要求智能仪器内置微处理器，既能进行自动测试，又具有一定的数据处理，可取代部分脑力劳动，习惯上称为智能仪器。它的功能块全部都是以硬件的形式存在，无论是开发还是应用，都缺乏灵活性。第四代虚拟仪器虚拟仪器是现代计算机教技术和测量技术相结合的产
23、物，是传统仪器观念的一次巨大变革，是将来虚拟产业发展的一个重要方向。从1988年开始，陆续有虚拟仪器产品面市。此后，虚拟仪器产品的陆续飞速增加。 【8】3.2 虚拟仪器优点（1）利用了计算机丰富的软件资源。实现了部分仪器硬件的软件化，节省了物质资源，增加了系统的灵活性。通过软件技术和相应数值算法，实时直接第 9 页 共 40 页地对测试数据进行各种分析与处理。图形用户界面（GUI）技术的应用，真正的做到界面友好、人机交互。（2）基于计算机网络技术和接口技术。虚拟仪器具有方便、灵活的互联能力。Connectivity）,广泛支持诸如CAN、Field Bus、PROFIBUS等各种工业总线标准。
24、因此，利用虚拟仪器技术可方便地构建自动测试系统，实现测量、控制过程的网络化（3）基于计算机的开放式标准体系结构。虚拟仪器的硬、软件具有开放性、模块化、可重复使用及互换性等特点，用户可根据自己上的需要，选用不同厂家的标准接口产品，使仪器的开发更为高效，缩短仪器组建、开发时间。（4）具有很强的灵活性。虚拟仪器的功能由用户自己定义，这意味着可自由的组合计算机平台、硬件、软件以及各种实现应用系统所需要的附件。这种灵活性在由供应商定义、功能固定、独立的传统仪器是达不到的。从传统仪器的转变，为用户带来了更多的实际利益。上述虚拟仪器的特点不仅推进了仪器为基础的界面系统改造，同时也影响了以虚拟仪器为主的图形构
25、造方法的进化。过去独立分散、互不相干的许多领域，虚拟仪器通过软件开发平台将计算机硬件资源与仪器硬件有机地融为一体，把计算机强大的数据处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，通过软件实现对数据的显示、存储及分析处理。虚拟仪器的出现是仪器发展史上的一场革命，代表着仪器发展的最新方向和潮流，是信息技术的一个重要领域，必将对科学技术的发展和工业生产产生不可估量的影响。3.3 虚拟仪器的工作原理虚拟仪器以透明的方式把计算与传统仪器一样。虚拟仪器同样划分为数据采集与控制、数据分析与处理、结果表达三大功机资源和仪器硬件的测试能力结合起来，实现了仪器功能的运作。虚拟仪器的功能模块如图3.1 所示。虚拟仪
26、器用各种图标或控件来虚拟传统仪器面板上的各种器件。由各种开关图标实现仪器电源的通断；由各种按钮图标来设置被测信号的“放大倍数”、“通道”等参数；由各种显示控件以数值或波形的方式显示测量或分析结果；由计算机的鼠标和键盘操作来模拟传统仪器面板上的实际操作；以对图形化软件第 10 页 共 40 页流程图的编程来实现各种信号测量和数据分析功能。图3.1 虚拟仪器的组成虚拟仪器的结构如图所示。下面从硬件和软件两个方面介绍虚拟仪器的构成虚拟仪器的硬件系统一般分为计算机硬件平台和接口硬件。(一) 计算机硬件平台虚拟仪器的计算机硬件平台可以是各种类型的计算机，如台式计算机、便携式计算机、工作站、嵌入式计算机等。计算机管理着虚拟仪器的软、硬件资源，是虚拟仪器的硬件基础。计算机在显示、存储能力、处理性能、网络、总线标准等方面的发展，导致了虚拟仪器系统的快速发展图 3.2 虚拟仪器的示意图PCDAQ 采集器 串口仪器GPIB 仪器VXI 仪器PXI 仪器信号处理数字滤波统计分析网络传输磁盘复制文件 I/O图形用户接口
