虛擬頻譜分析儀的設(shè)計(jì)

0、前言

頻譜分析是信號(hào)處理中非常重要的分析手段，通常的頻譜分析主要依靠傳統(tǒng)的頻譜分析儀來(lái)完成，但這種頻譜分析儀價(jià)格昂貴，體積龐大，功能單一。采用先進(jìn)的虛擬儀器技術(shù)設(shè)計(jì)的虛擬頻譜分析儀徹底的改變了傳統(tǒng)頻譜分析儀的不足，用軟件來(lái)代替硬件，用戶可以根據(jù)具體情況通過(guò)修改軟件來(lái)增加儀器的功能，使儀器功能更加強(qiáng)大，設(shè)計(jì)更加靈活，節(jié)省了開發(fā)時(shí)間，成為頻譜分析儀的發(fā)展方向。

1、虛擬頻譜分析儀的功能

虛擬頻譜分析儀是以信號(hào)調(diào)理電路、NI公司的PCI-6024數(shù)據(jù)采集卡，PC機(jī)為硬件開發(fā)平臺(tái)，以LabVIEW為軟件開發(fā)平臺(tái)開發(fā)的頻譜分析系統(tǒng)。本課題設(shè)計(jì)的虛擬頻譜分析儀是通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡組成的外部數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對(duì)所采集到的外界信號(hào)進(jìn)行頻譜分析。當(dāng)外界被測(cè)信號(hào)傳送到信號(hào)調(diào)理電路，由信號(hào)調(diào)理電路對(duì)它進(jìn)行放大、濾波、隔離等處理。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集卡采集，最后由軟件對(duì)測(cè)試信號(hào)進(jìn)行頻譜分析和處理，得到測(cè)試結(jié)果，并按要求顯示或儲(chǔ)存結(jié)果。虛擬頻譜分析儀提供了一個(gè)強(qiáng)大的頻譜分析功能，并且能夠同時(shí)觀察輸入信號(hào)的時(shí)域和頻域顯示，用戶可以通過(guò)改變采樣速率和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度來(lái)選擇頻率分辨率，在虛擬頻譜分析儀中通過(guò)程序可以直接讀出并在面板上顯示基波頻率和峰值大小，用戶可以參考這個(gè)值，手動(dòng)調(diào)整采樣速率的大小和顯示圖形中X，Y軸的坐標(biāo)來(lái)觀察所需要的頻譜圖，這樣使得操作更為直觀，簡(jiǎn)便。

2、虛擬頻譜分析儀的硬件設(shè)計(jì)

虛擬頻譜分析儀的硬件主要包括了NI公司的PCI-6024數(shù)據(jù)采集卡以及通用PC機(jī)。

2.1、數(shù)據(jù)采集卡

本系統(tǒng)中使用的NI公司的數(shù)據(jù)采集卡PCI-6024，此卡設(shè)計(jì)基于PCI總線。由于PCI 總線傳輸速率高，數(shù)據(jù)吞吐量大，是數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計(jì)的主流，它是一塊性價(jià)比較好的產(chǎn)品，支持DMA方式和雙緩沖模式，保證了實(shí)時(shí)的信號(hào)不間斷采集與儲(chǔ)存。它支持單極性和雙極性模擬信號(hào)輸入，信號(hào)輸入范圍分別為-5v～+5v和0～10v。提供16路單端/8路差動(dòng)模擬輸入通道，2路獨(dú)立的D/A輸出通道，24線的TTL型數(shù)字I/O，3個(gè)16位定時(shí)計(jì)數(shù)器等多種功能。實(shí)際測(cè)量是輸入信號(hào)通過(guò)BNC接頭從輸入端子進(jìn)入數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，同時(shí)用NI公司提供的Measurement Automation軟件進(jìn)行簡(jiǎn)單的設(shè)置便可完成系統(tǒng)軟件與數(shù)據(jù)采集卡之間的通訊。

3、虛擬頻譜分析儀的軟件設(shè)計(jì)

虛擬頻譜分析儀軟件設(shè)計(jì)，是運(yùn)用圖形化編程語(yǔ)言LabVIEW為軟件開發(fā)平臺(tái)，在程序的開發(fā)過(guò)程中運(yùn)用模塊化的設(shè)計(jì)思想，根據(jù)所需的不同功能，分別組建數(shù)據(jù)采集和參數(shù)設(shè)置、頻譜分析、數(shù)據(jù)讀取存儲(chǔ)和傳輸?shù)雀鞣N功能模塊，最后再集成和調(diào)試，設(shè)計(jì)出功能強(qiáng)大的虛擬頻譜分析儀。它的軟件模塊如圖1所示。

圖1 虛擬頻譜分析儀的各軟件模塊

3.1、數(shù)據(jù)采集和參數(shù)設(shè)置模塊

數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)采用了子VI AI Acquire Waveform .vi來(lái)控制PCI-6024數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，把采集進(jìn)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析。在參數(shù)設(shè)置部分主要包括：設(shè)備與通道設(shè)置，緩沖區(qū)大小的設(shè)置，采樣點(diǎn)數(shù)的設(shè)置，觸發(fā)控制，掃描率設(shè)置，顯示方式的設(shè)置。

3.2、頻譜分析模塊

頻譜分析模塊的設(shè)計(jì)是本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的核心部分，它需要完成加窗處理、功率譜轉(zhuǎn)換、功率譜單位轉(zhuǎn)換、頻率峰值檢波、諧波峰值點(diǎn)測(cè)量等諸多功能模塊來(lái)組成。

加窗處理模塊是由Scaled Time Domain Windows.vi模板來(lái)實(shí)現(xiàn)，該模板有兩個(gè)輸入端，兩個(gè)輸出端，從信號(hào)輸入端輸入一個(gè)時(shí)域信號(hào)，再進(jìn)行窗體類型的選擇，根據(jù)實(shí)際的情況，可以選擇漢寧窗，海明窗，布萊克曼窗，平頂窗等8種窗體，處理后輸出一個(gè)加窗后的時(shí)域信號(hào)輸出，以減少窗口效應(yīng)帶來(lái)的柵欄效應(yīng)和泄漏問(wèn)題。

功率譜轉(zhuǎn)換模塊用Auto Power Spectrum. vi模板來(lái)實(shí)現(xiàn)，該模塊有四個(gè)端口，分別是時(shí)域信號(hào)輸入端，時(shí)域間隔dt輸入端，頻域信號(hào)輸出端，頻域間隔df輸出端。該模塊的功能是實(shí)現(xiàn)信號(hào)由時(shí)域向頻域的轉(zhuǎn)換。

功率譜單位轉(zhuǎn)換模塊由Spectrum Unit Conversion.vi 模板來(lái)實(shí)現(xiàn)，該模塊有7個(gè)輸入端，2個(gè)輸出端。輸入端有頻譜類型的選擇，可以選擇功率譜，幅度譜，增益。對(duì)數(shù)/線性的選擇，可以選擇線性，dB，dBm。輸出顯示單位選擇，可以選擇的單位是有效值，峰峰值，有效值的平方，峰峰值的平方等。輸出端是輸出頻譜，輸出頻譜單位。

頻率峰值檢波子模塊是由PowerFrequency Estimate.vi 模板來(lái)實(shí)現(xiàn)，該模塊有5個(gè)輸入端，2個(gè)輸出端。輸入端有功率譜輸入端，峰值頻率輸入，頻率間隔，以峰值頻率為中心的頻率搜索點(diǎn)數(shù)，窗常數(shù)。輸出端由頻率峰值輸出，頻率峰值能量的輸出組成。該模塊用來(lái)求出頻譜的峰值頻率及峰值頻率點(diǎn)的功率估值。顯示模塊的設(shè)計(jì)可以選擇頻譜曲線顯示或時(shí)域信號(hào)顯示，還可以根據(jù)需要進(jìn)行線性或?qū)?shù)顯示。

諧波峰值點(diǎn)測(cè)量模塊的設(shè)計(jì)，可讀出一次諧波，二次諧波，三次諧波峰值點(diǎn)的頻率值和功率值。

3.3、數(shù)據(jù)讀取存儲(chǔ)和傳輸模塊

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊的主要功能是將顯示器上顯示的圖像所對(duì)應(yīng)的時(shí)域數(shù)據(jù)存入二進(jìn)制文件，將與采集數(shù)據(jù)有關(guān)的參數(shù)：平均次數(shù)、數(shù)據(jù) 長(zhǎng)度、分析帶寬、觸發(fā)點(diǎn)采樣點(diǎn)、采集時(shí)間等存入與數(shù)據(jù)文件同名的文本文件中，便于數(shù)據(jù)讀取模塊和用戶使用。

該模塊的設(shè)計(jì)是利用LabVIEW中有豐富的文件操作函數(shù)庫(kù)，可以方便地進(jìn)行文件的讀寫操作。LabVIEW讀寫文件的過(guò)程為：打開一個(gè)文件——按一定格式進(jìn)行讀寫內(nèi)容——最后關(guān)閉文件。在數(shù)據(jù)讀取模塊中用到的主要函數(shù)分別是：打開文件函數(shù)、讀文件函數(shù)、關(guān)文件函數(shù)。而且此虛擬頻譜分析儀也可以通過(guò)Web發(fā)布HTML文件，可以使本地或遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)瀏覽此頻譜分析儀的程序面板，從而可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能。

組建好的各功能模塊按照程序的流程加上必要的控件和顯示器，就可以將它們集成到一起，形成一個(gè)功能完善的虛擬頻譜分析儀。

4、虛擬頻譜分析儀的功能測(cè)試

虛擬頻譜分析儀可以選用通用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器(EM1634)進(jìn)行測(cè)試。該信號(hào)發(fā)生器可以自由設(shè)置輸入信號(hào)的波形類型、頻率及幅值。時(shí)域信號(hào)的頻譜分析可以通過(guò)觀察虛擬頻譜分析儀面板上的顯示與理論計(jì)算值的比較來(lái)判斷正確與否，以此來(lái)驗(yàn)證虛擬頻譜分析儀模塊的設(shè)計(jì)是否正確。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明虛擬頻譜分析儀顯示的信號(hào)相當(dāng)穩(wěn)定，輸出頻譜分量明顯，與理論計(jì)算值相當(dāng)符合，從而驗(yàn)證了本程序編寫的正確性，完全可以滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。

5、結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了虛擬頻譜分析儀的開發(fā)全過(guò)程。其中包括硬件與軟件部分的設(shè)計(jì)，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明此系統(tǒng)的性能相當(dāng)優(yōu)良。當(dāng)然，用戶可以根據(jù)實(shí)際工程中的需要去添加新的測(cè)試功能，擴(kuò)展與外部的接口，實(shí)現(xiàn)更高的要求。

6、本文作者創(chuàng)新點(diǎn)

虛擬頻譜分析儀的設(shè)計(jì)采用了先進(jìn)的虛擬儀器技術(shù)，提高了系統(tǒng)的測(cè)試精度，增加了測(cè)試功能，增強(qiáng)了儀器的靈活性，節(jié)省了開發(fā)時(shí)間，大大的降低了開發(fā)成本。