基于LabVIEW的信號示波分析儀的開發

0 引言

　　示波器不僅能直觀地看到電信號隨時間變化的圖形，而且還能直接觀察測量信號的幅度、頻率、周期等基本參量，信號分析儀能完成信號的時域和頻域分析，在醫學、生物學、機械工程、地質學和大學實驗室中得到了廣泛的應用。示波器成為了時域分析最典型的儀器，也是當前測量領域中，品種最多、數量最大、最常用的一種儀器，但示波器和分析儀價格較貴，其功能固定不能根據需求變化。

　　隨著虛擬儀器技術的發展，人們紛紛提出利用虛擬儀器軟件開發建立在通用硬件和計算機技術上的、用于實驗室和工程實際的虛擬儀器[1][2][3]。為了充分利用虛擬儀器的特點和計算機軟件的功能，我們設計開發了一個虛擬的信號示波分析儀，該儀器不僅具備一般數字示波器的基本功能，同時還實現了信號分析儀的一些功能，以滿足一般高等院校的實驗和科研要求。

1 虛擬儀器與LabVIEW

　　1.1 LabVIEW的特點

　　LabVIEW是美國NI（National Instruments）公司推出的一個通用的圖形化軟件開發環境，它采用圖形化編程代替一般高級語言采用的文本編程來創建應用程序，是一種基于數據流控制的、適合任何編程任務和具有擴展數據庫的通用編程語言[4]。

　　LabVIEW是一個開放性的環境，它與測量硬件之間的連接簡單，能很快地完成數據的采集工作，并能方便地與各種儀器相連;內置了600多個分析函數，能輕松地提取有用信息、進行測量數據分析和信號處理;而且還具有較強的數據顯示、界面設計和數據管理等功能。極大地方便了測試與測量、故障診斷、過程控制和工業自動化等方面的研究工作，因此在航空航天、通訊、汽車、機械、半導體和生物醫學等世界范圍的眾多領域內得到了廣泛的應用。

　　1.1 虛擬儀器的簡介

　　虛擬儀器（virtual instrument）是基于計算機的儀器，是利用現有的計算機，加上通用的硬件和專用的軟件組合成的一個測試平臺。虛擬儀器的最大特點就是充分發揮計算機的能力，具有強大的數據處理能力，而且用戶可以根據自己的需要定義和制造各種儀器，各種儀器的差異主要是軟件[5]。

　　虛擬儀器是當前測控領域的一個重要發展方向，而LabVIEW被認為是標準的數據采集和儀器控制軟件。LabVIEW編寫的程序被稱為虛擬儀器 VI（Virtual Instruments），其程序面板是采用圖形化的框圖形式編程，簡單快捷;其前面板是交互式用戶接口，相當于真實物理測試儀器的儀器面板，用戶操作方便。目前LabVIEW成為了開發虛擬儀器的主要軟件之一，在此開發中我們選擇LabVIEW 8.0作為信號示波分析儀的開發平臺。

2 總體設計

圖1 虛擬信號示波分析儀的結構框圖

　　我們開發的虛擬信號示波分析儀主要是用于對電信號進行數據采集、顯示、波形存儲和回放、時域和頻域分析，不但具有一般數字示波器的功能，還具有信號分析儀的基本功能，以便應用于實驗室教學和科研中。該儀器主要由以下幾個功能模塊組成（圖1）：

　　（1）數據采集模塊。在數據采集前面板上對通道、采樣率、采樣點數、電壓的最大/最小值和信號的連接方式等方面進行設置，在控制面板中利用DAQmx相關函數的功能完成數據采集。

　　（2）信號顯示及觸發模塊。該模塊主要是通過分別調節時基和兩個通道的Y坐標的值，從而控制信號的顯示比例來完成信號的時域顯示，并且提供了觸發控制，使時域顯示具有觸發顯示的功能。

　　（3）信號的基本參數測量模塊。主要是對兩個通道信號的一些基本統計量：幅值、峰峰值、有效值和頻率等量進行計算。

　　（4）信號的存儲與回放。主要完成對采集的信號進行存儲，并將以前存儲的采集結果調出進行時域顯示和時域頻域分析。

　　（5）信號的分析模塊。每個通道信號的濾波及加窗選取設置，完成自相關、自功率譜、幅頻以及諧波分析，和兩個通道信號之間的互相關與互功率譜分析。

3 信號示波分析儀的設計

　　3.1 前面板的設計

　　VI程序的前面板是一個交互式的用戶界面，它相當于真實物理測試儀器的儀器面板。在設計時應根據人機工程學的相關理論，充分考慮宜人性、一致性、關聯性、反饋和簡潔等方面的要求，使設計的前面板操作簡單、輕松自如，較長時間使用也不會產生疲勞感。

　　設計本分析儀的前面板（圖2）時，我們主要考慮了以下幾個方面的問題：

　　（1） 整個面板和按扭的顏色均以深灰色為主，簡單地配以一些藍色細框線進行分割，盡量使界面清晰、簡潔，符合人機工程學中的信息顯示界面舒適性要求;

　　（2） 信號顯示用Graph控件，顯示區域要盡量的大，以便能清楚地觀察信號的情況，并且利用Cursor Legend的游標功能，使儀器實現了對數據點的讀取;

　　（3） 由于前面板上的內容較多，因此按照類別進行了項目的分組，并用藍色的細線框將各類別組合在一起，使整個面板多而不亂，一目了然，符合人機工程中的顯示器“功能分區”原則;

　　（4） 在設計前面板盡量參照現有的示波器的面板形式，使用戶操作簡單方便。

圖2 儀器數據采集及顯示前面板（運行時）

　　3.2 數據采集

圖3 信號示波分析儀主框圖程序

　　在LabVIEW中既可以利用MAX界面來設置數據采集任務，也可以通過數據采集DAQmx提供的數據采集助手進行任務和通道的設置，從而生成程序代碼。在本設計中由于是想開發一個基于NI公司數據采集卡的通用平臺，因此我們分別利用DAQmx中的Task、Channel和Timing等函數完成了任務、通道和時鐘等功能的設置，并編制了一個數據采集的設置子VI。

　　在主程序中利用一個循環進行數據的讀取，同時也可以完成數據采集和分析處理，具體的程序可參見圖3主框圖程序。

　　3.2 信號顯示及觸發

　　在信號時域顯示方面上需要控制三個方面的內容：一個是時基（掃描速率），即Graph控件X軸坐標變化;另一個是幅值（量程），即Graph控件Y軸坐標變化;還有觸發顯示控制。利用Graph控件的屬性節點，通過改變Graph的XScale.Range屬性值來調節時基信號的變化。

　　對于單通道的虛擬信號示波分析儀來說，可以利用和時基信號相同的方法來控制幅值變化，但是由于我們是多通道分別輸入，需要根據各通道信號的具體情況獨立控制信號在Y軸方向的坐標變化，因此我們將信號的y分量單獨提取出來，編制了一個控制Y坐標變化的子VI來完成對幅值變化的獨立控制。

　　以LabVIEW提供的SCOPE.VI子VI為基礎，編制了一個Trigger子VI，并和Y坐標變化子VI一起構成了Y顯示觸發子VI。

　　3.3 信號的存儲與回放

　　LabVIEW數據存儲一般可采用四種格式的文件：文本文件、二進制文件、數據記錄文件和波形文件，文本文件是一種通用的格式，而數據記錄文件和波形文件是只有LabVIEW才能夠讀取的文件格式。

　　數據記錄文件和波形文件操作比較簡單，在本設計中都可以應用，由于我們主要以處理波形數據為主，因此選擇了波形文件作為存儲與回放的文件格式。

　　3.4 信號的基本參數測量與分析

圖4 信號分析框圖程序

　　為了在數據采集時能清楚地看到信號的一些基本信息，因此編制了一個基本量測量模塊，主要是測量信號的頻率、幅值、峰峰值和有效值，并將兩個通道的上述參數分別顯示出來。

　　將前面板從數據采集切換到時域頻域分析面板就可以顯示出被測信號的分析結果，在此我們編制了一個信號分析子VI（圖4）和一個互相關分析子VI，得到的幅頻圖、自相關和自功率分析結果如圖5所示。

圖5 通道A信號的幅頻圖、自相關和自功率分析

4 結束語

　　在程序的調試過程中，我們分別采用虛擬卡以及NI公司的PCI 6221和USB 6008卡進行了測試，其運行結果穩定，功能正常，達到數據采集、顯示、波形存儲和回放、時域和頻域分析等設計要求，將其應用于實驗室的科研和教學中，收到了較好的效果。

　　本文作者創新點：提出了虛擬示波分析儀的開發，將示波器和信號分析儀的功能相結合，實現了這兩個儀器的基本功能;利用編程而非改變控件屬性的方法實現了兩通道幅值的獨立顯示控制，為多通道儀器的開發打下了基礎。