基于LabVIEW的数据采集与信号处理系统设计

0 引言
    随着计算机的快速发展，由美国国家仪器公司NI(NationalInstruments)提出的虚拟仪器技术引发了测试领域一场重大变革，开创了“软件即是仪器”的先河，目前虚拟仪器技术的应用日益广泛。
    虚拟仪器是指以通用计算机作为系统控制器，由软件来实现人机交互和大部分仪器功能的一种计算机仪器系统。与传统仪器不同，虚拟仪器是由通用计算机和一些功能化硬件模块组成的仪器系统。在这种仪器系统中，不仅仪器的操作和测量结果的显示是借助于计算机显示器以及虚拟面板的形式来实现的，而且数据的传送、分析、处理都是由计算机软件来完成的，这就大大突破了传统仪器仪表在这方面的限制，方便了用户对仪器的使用、维护、扩展和升级等。NI公司开发的LabVIEW是目前最为成功的虚拟仪器软件之一，它是一种基于G语言的32位编译型图形化编程语言，其图形化界面可以方便地进行虚拟仪器的开发，并在测试测量、数据采集、仪器控制、数字信号处理等领域得到了广泛的应用。

1 虚拟仪器测试系统的结构
    以美国国家仪器公司NI的LabVIEW8．6作为开发平台，配合NI公司的NI 9201数据采集卡作为硬件实现该测试系统的设计。该系统可实现单、双通道的模拟信号的采集、虚拟信号的产生，同时完成对信号的分析与处理，测试系统的核心是前端数据采集和后续信号处理。虚拟仪器测试系统的结构框图如图1所示。

2 程序设计模块
    该测试系统体现了NI公司提出的“软件即是仪器”的思想，以LabVIEW8．6为平台，设计的虚拟仪器能够完成对数据采集卡采集的模拟信号进行分析与处理，同时，利用LabVIEW的强大功能，开发了虚拟信号发生器模块，使得该虚拟仪器对仿真信号进行分析与处理。也即该测试系统的信号源包括：数据采集卡采集的模拟信号；虚拟信号发生器模块产生的仿真信号。据采集与信号处理系统的结构框图如图2所示。

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2．1 信号源
    本次设计的虚拟测试系统能够实现对信号的时域测量、波形显示、滤波、频谱分析等。其中，信号源模块包括NI 9201数据采集的模拟信号和基于LabVIEW设计的虚拟信号发生器输出的仿真信号。

2．1．1 数据采集卡采集的模拟信号
    以NI公司的NI 9201数据采集卡作为硬件，实现该数据采集系统的设计。NI 9201提供8个通道，12位模拟输入，ADC类型为逐次逼进型(SAR)。它的通道与系统中的其他模块相隔离，模块的每个通道均具有过压保护功能，输入信号经扫描、缓冲和调理后，由一个12位的模／数转换器对其采样。NI 9201的输入电路示意图如图3所示。

    进入NI配置管理软件“Measurement ＆ Automation Explorer”进行数据采集卡的参数配置。选择采集电压信号进行参数配置后生成的程序代码如图4所示。

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2．1．2 虚拟信号发生器输出的仿真信号
    基于LabVIEW设计的虚拟信号发生器能够产生周期信号和非周期信号，通过布尔控件选择周期信号和非周期信号。虚拟信号发生器模块的前面板如图5所示。

    其中，周期信号包括正弦波、三角波、方波、锯齿波等，其幅值、频率等参数可以利用布尔控件调节，同时可以设置选择是否添加噪声的模块，可以选择添加均匀自噪声等。非周期信号包括斜坡信号、冲激信号、公式信号，各种信号都提供了幅值、延迟等参数设置的控件，其中公式信号提供了输入一组函数，能够根据输入函数产生任意信号。另外，设置了波形存储模块，通过一个布尔控件选择是否存储，波形存储的路径可以选择。总之，该虚拟信号发生器能够提供各种常见的周期信号和特殊非周期信号，供信号分析与处理模块使用，同时，各种信号添加噪声后，可以用作实际信号的仿真信号使用。
2．2 信号处理模块
    该信号处理模块完成对信号源信号的综合分析与处理，包括波形显示、波形存储和打印、时域测量、滤波、频谱分析等几个子模块。信号处理模块程序框图如图6所示。

    信号处理模块的各个子模块功能如下：波形显示模块即完成了信号源模块输入的波形显示，能够直观地看出波形；波形存储和读取，通过设置布尔控件，选择是否存储波形或者读取波形，并且提供波形存储或者读取路径的选择；打印模块设置波形打印选项，通过布尔控件选择是否打印波形，方便快捷地启用打印机打印波形；时域测量模块实现对信号源的时域测量，包括单频测量、幅值与电平测量、信号的时间与瞬态特性测量等，能够直接测量出信号的幅值、频率、相位、方波占空比、均方根等参数；滤波模块实现了对信号源的滤波处理，用到的是IIR滤波器，根据需要选择合适的滤波方式和截止频率，实现信号的滤波；频谱分析模块实现了对信号的FFT，通过频谱分析模块得到信号的幅值谱和相位谱。

3 测试结果分析
    信号处理模块对信号源部分的信号(虚拟信号发生器的仿真信号、数据采集卡采集的模拟信号)进行分析与处理，结果如下。

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3．1 对虚拟信号发生器仿真信号分析与处理
    利用设计的虚拟信号发生器产生一组添加均匀白噪声的正弦信号进行分析与处理，设置其参数为幅值8 mV、频率5 Hz、相位0。运行程序，对该仿真信号进行时域测量、频谱分析、滤波分析处理等，选择选项卡控件，可以观察被测量信号的波形、时域测量结果、滤波及频谱图等，同时增加了信号保存及打印等可选项。信号处理结果的前面板如图7所示。

3．2 对数据采集卡采集信号的分析与处理
    以某冲击测试实验结果处理为例，使用ADXL001振动传感器和NI 9201数据采集卡硬件，结构框图如图8所示。

    利用设计的信号处理系统对信号进行滤波、频谱分析等处理，处理结果的前面板如图9所示。

    设计的信号处理系统对该信号进行了有效的滤波和频谱分析。从处理的结果图可以得出，该冲击信号的峰值为15 mV，信号主频率为50 Hz。

4 结语
    本文设计了一个操作简单、界面友好的多功能数据采集与信号处理系统。该系统综合应用了传感器、数据采集、LabVIEW图形化编程软件开发和信号处理等多种技术，集数据采集和信号处理与一体，构建了一个完整的多功能虚拟测试系统，完成了对信号源(数据采集卡、虚拟信号发生器)包括波形显示、时域和频域在内的分析与处理。本文设计的虚拟测试系统充分体现了虚拟仪器技术和LabVIEW软件在数据采集和信号分析与处理中的强大功能，可以广泛用于测试测量领域，完成对信号的实时采集与处理。