基于LabVIEW和DSP技術的FFT頻譜分析儀

　　1 虛擬儀器概念和特點
　　
　　虛擬儀器是虛擬技術在儀器儀表領域中的一個重要應用。它是日益發(fā)展的計算機硬件、軟件和總線技術在向其他技術領域密集滲透的過程中，與測試技術、儀器儀表技術密切結合孕育出的一項新的成果。20世紀80年代，NI公司首先提出了虛擬儀器的概念，認為虛擬儀器是由計算機硬件資源、模塊化儀器硬件和用于數(shù)據(jù)分析、過程通信及圖形用戶界面的軟件組成的測控系統(tǒng)，是一種由計算機操縱的模塊化儀器系統(tǒng)。虛擬儀器是以計算機作為儀器統(tǒng)一的硬件平臺，充分利用計算機獨具的運算、存儲、回放、調用、顯示以及與文件管理等基本智能化功能，同時把傳統(tǒng)儀器的專業(yè)化功能和面板控件軟件化，使其與計算機融為一體，構成了從外觀到功能都完全與傳統(tǒng)硬件儀器一致，同時又充分享用計算機智能資源的全新的儀器系統(tǒng)。由于儀器的專業(yè)化功能和面板控件都由軟件形成，因此國際上把這類新型的儀器稱為“虛擬儀器”[1]。
　　
　　目前在虛擬儀器技術領域，使用較為廣泛的計算機語言是NI公司推出的LabVIEW。LabVIEW是一種圖形化的編程語言開發(fā)環(huán)境，類似于C和BASIC開發(fā)環(huán)境，但較之不同的是，LabVIEW使用的是圖形化的編輯語言，又稱為“G”語言。這種編程語言的特點是用具有框圖結構的VI代替繁瑣的程序代碼，產(chǎn)生的程序是框圖的形式，同時它盡可能利用了技術人員、工程師、專家所熟悉的術語、概念和圖標，因而廣泛地被工業(yè)界、學術界和研究實驗室所接受。LabVIEW逐漸成為一種標準的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件，在進行研究、設計、測試并實現(xiàn)儀器系統(tǒng)時，可大大提高工作效率。
　　
　　2 DSP在虛擬儀器中的應用
　　
　　在PC虛擬儀器領域，采用高速DSP和局部總線的結構將成為PC虛擬儀器的主流結構。虛擬儀器作為儀器發(fā)展的新階段，雖然其專業(yè)化功能和面板控件都是以軟件形式所表現(xiàn)出來，但其硬件采集仍需要硬件設備來完成。
　　
　　DSP芯片是專門用于數(shù)字信號處理的芯片，它能獨立于CPU單獨運行，同時又有豐富的接口處理功能。更為重要的是，DSP芯片對數(shù)字信號的處理由其裝載的程序控制，開發(fā)人員可根據(jù)實際的需求自行開發(fā)程序，再將程序裝載入芯片，從而達到數(shù)字信號處理的目的。然而直接使用DSP來開發(fā)頻譜分析儀有諸多不便，這主要是因為當系統(tǒng)運行在WINDOWS等多任務操作系統(tǒng)時，特別在處理如FFT等大容量、高精度運算時，CPU資源會造成嚴重不足，這給底層硬件系統(tǒng)的設計應用帶來一定的不便。但使用虛擬儀器能很好地解決這個問題，虛擬儀器能借助DSP處理系統(tǒng)，將采集來的數(shù)據(jù)在DSP中進行預處理，然后再將數(shù)據(jù)傳遞給軟件部分，這樣不但沒有增加系統(tǒng)的負擔，相反，可以讓系統(tǒng)資源用更多的時間來處理其他事情。數(shù)據(jù)的處理是由軟件控制計算機系統(tǒng)來完成,虛擬儀器主要處理由USB數(shù)據(jù)采集器所采集到的數(shù)字信號，對其進行分析、運算和顯示。
　　
　　3 頻譜分析儀的應用和發(fā)展
　　
　　頻譜分析是信號分析處理中常用的分析方法，主要是在頻域上對信號進行處理、分析及顯示。目前，頻譜分析在生產(chǎn)實踐與科學研究中獲得了日益廣泛的應用。例如，在聲納系統(tǒng)中，為了尋找海洋水面艦艇或潛艇，需要對噪聲信號進行頻譜分析，以提取有用信息，從而判斷艦艇運動速度、方向、位置、大??；對飛機、汽車、電機、機床等主體或部件進行實際運行的頻譜分析，可以提供設計數(shù)據(jù)、檢驗設計效果，或者尋找振源和診斷故障，以便及時排除潛在故障因素，保證安全運行。
　　
　　早期的頻譜分析儀實質上是一臺掃頻接收機，輸入信號與本地振蕩信號在混頻器變頻后，經(jīng)過一組并聯(lián)的不同中心頻率的帶通濾波器，使輸入信號顯示在一組帶通濾波器限定的頻率軸上。由于帶通濾波器由電感、電容等多種無源、有源元件構成，頻譜分析儀顯得很笨重，且頻率分辨率不高。隨著電子電路技術的發(fā)展，出現(xiàn)了以傅里葉變換為基礎的現(xiàn)代頻譜分析儀，這類頻譜分析儀以電子電路來實現(xiàn)傅里葉變換，從而實現(xiàn)頻譜分析。但是，這類頻譜分析儀仍然是以硬件電路來實現(xiàn)的傳統(tǒng)意義上的頻譜分析儀，存在復雜性、封閉性等自身無法克服的缺點。隨著計算機技術的發(fā)展和普及，虛擬儀器技術應用到頻譜分析儀中，克服了傳統(tǒng)硬件化的頻譜分析儀自身無法克服的缺點。