(3)基于LabVIEW信号分析系统的设计

蚕．嘲夭誓硕士专业学位论文（２００８届）基于ＬａｂＶＩＥＷ信号分析系统的设计ＡＳｉｇｎａｌＡｎａｌｙｓｉｓＳｙｓｔｅｍＢａｓｅｄｏｎＬａｂＶＩＥＷ研究生姓名指导教师姓名专业学位名称研冗万同程雪敏施国梁（副教授）电子与通信二程塾±笪墨垫垂±！！旦论又提耍日期基于ＬａｂＶＩＥＷ信号分析系统的设计中文摘要基于ＬａｂＶＩＥＷ信号分析系统的设计中文摘要虚拟仪器是２０世纪８０年代兴起的一项新技术，是现代仪器仪表发展的重要方向，在建模仿真、设计规划和教育训练等方面都有应用。目前ＮＩ公司所提供数据采集设备性能好，但是价格昂贵，构建信号分析系统成本偏高。计算机声卡具备数据传输和Ａ／Ｄ转换功能，作为数据采集卡具有价格低廉、开发容易和系统灵活等优点。基于上述分析，本文用计算机声卡代替普通采集卡作为硬件，在ＬａｂＶＩＥＷ平台上设计了一个信号分析系统，并在信号分析实验中进行了应用。主要贡献为下述几点：１）提出了采用声卡作为数据采集设备构建虚拟音频信号分析系统并应用于实验教学的设想。通过高校实验室现状的调研和对声卡性能的分析，分析了由声卡组建可以用于实验教学的信号分析系统的必要性和可行性。２）构建了基于ＬａｂＶＩＥＷ的音频信号采集分析系统，具有信号采集、分析、波形显示、存储以及数据文件再调用分析等功能。分析、解决了设计及实现过程中出现的问题。３）对提出的设计方法进行了大量的仿真实验，通过实验结果证明了系统设计的合理性和可行性。所生成的采集软件交互性好、操作方便，并且可以根据用户的需求进行功能扩充，为低成本下构建数据采集系统提供了一种思路，可以应用到语音识别、环境噪声监测和实验室测量等多种领域，应用前景广阔。关键词：ＬａｂＶＩＥＷ；声卡数据采集；信号分析；虚拟实验系统作者：程雪敏指导教师：施国梁ＡＳｉｇｎａｌＡｎａｌｙｓｉｓＳｙｓｔｅｍＢａｓｅｄｏｎＬａｂＶＩＥＷＡｂｓｔｒａｃｔＡＳｉｇｎａｌＡｎａｌｙｓｉｓＳｙｓｔｅｍＢａｓｅｄＡｂｓｔｒａｃｔＶｉｒｔｕａｌｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｓａｏｎＬａｂＶＩＥＷｎｅｗｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ａｎｄｉｔｉｓａｒｅａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｄｉｒｅｃｔｉｏｎｉｎｍｏｄｅｒｎｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ．Ｖｉｒｔｕａｌｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓｏｆｔｅｎｕｓｅｄｉｎｍｏｄｅｌｉｎｇａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｄｅｓｉｇｎａｎｄｐｌａｎｎｉｎｇ，ｅｄｕｃａｔｉｏｎａｎｄｔｒａｉｎｉｎｇ．ＴｈｅａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｅｑｕｉｐｍｅｎｔｆｒｏｍＮＩｈａｓａｇｏｏｄｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｂｕｔｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｎｇｓｉｇｎａｌｓａｎａｌｙｓｉｓｓｙｓｔｅｍｗｉｌｌｆｕｎｃｔｉｏｎｓａｓａｃａｕｓｅｈｉｇｈｃｏｓｔ．ｃａｒｄｈａｓＳｏｕｎｄｃａｒｄｗｉｔｈｄａｔａｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎａｎｄＡ／ＤｃｏｎｖｅｒｔｅｒＤＡＱｌｏｗ－ｐｒｉｃｅ，ｅａｓｙ－ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇａｎｄｆｌｅｘｉｂｌｅ－ｓｙｓｔｅｍｓｕｃｈｖｉｒｔｕｅｓ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅａｂｏｖｅａｎａｌｙｓｉｓ，ｔａｋｉｎｇｔｈｅｃｏｍｐｕｔｅｒｓｏｕｎｄｃａｒｄｉｎｓｔｅａｄｏｆＤＡＱｃａｒｄｏｎａｓｈａｒｄｗａｒｅ，ｄｅｓｉｇｎｓｔｈｅｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ．ＴｈｅｍａｉｎＬａｂＶｌＥＷ，ａｎｄｉｍｐｌｅｍｅｎｔｓｉｔｉｎｔｈｅｓｉｇｎａｌａｎａｌｙｓｉｓｃｏｎｔｅｎｔｓａｒｅｌｉｓｔｅｄａｓｆｏｌｌｏｗｓ：ａｓａ１）ＡｎｅｎｖｉｓａｇｅｆｏｒｕｓｉｎｇｓｏｕｎｄｃａｒｄｃｏｎｓｔｒｕｃｔｖｉｒｔｕａｌａｕｄｉｏｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｅｑｕｉｐｍｅｎｔｔＯｉｔｉｎｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｉｓｐｕｔｔｈｅｓｉｇｎａｌｓａｎａｌｙｓｉｓｓｙｓｔｅｍａｎｄｉｍｐｌｅｍｅｎｔｓｆｏｒｗａｒｄ．Ｔｈｅｎｅｅｅｓｓｉｔｙａｎｄｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙｂｙｔｈｅｓｏｕｎｄｃａｒｄｓｙｓｔｅｍｔｏｓｅｔｕｐｓｉｇｎａｌｓａｎａｌｙｓｉｓｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｔｅａｃｈｉｎｇｐｒｏｇｒａｍｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｉｎｔｈｅｎｕｍｂｅｒｏｆｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｃｏｌｌｅｇｅｉｓａｎａｌｙｚｅｄ．２）ＡｕｄｉｏｓｉｇｎａｌａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎａｎｄａｎａｌｙｚｅｓｙｓｔｅｍｉｓｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄｂａｓｅｄｏｎＬａｂＶｌＥＷ，ｉｔｈａｓｆｕｎｃｔｉｏｎｓｏｆｖｉｒｔｕａｌｓｉｇｎａｌａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ，ａｎａｌｙｓｉｓ，ｗａｖｅｆｏｒｍｄｉｓｐｌａｙ，ｓｔｏｒａｇｅａｎｄｔｒａｎｓｆｅｒｏｆｄａｔａｆｉｌｅｓｔＯｍｅｅｔｔｈｅｎｅｅｄｓｏｆｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｔｅａｃｈｉｎｇ．３）Ａｌｏｔｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｏｆｔｈｅｍｅｔｈｏｄｐｒｅｓｅｎｔｅｎｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒｈａｖｅｄｏｎｅ，ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｈａｖｅｐｒｏｖｅｄｔｈａｔｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍｉｓｒｅａｓｏｎａｂｌｅａｎｄｆｅａｓｉｂｌｅ．Ｉｔｉｓｓｉｍｐｌｅｔｏａｐｐｌｙｗｉｔｈｇｏｏｄｉｎｔｅｒｆａｃｅａｎｄｅａｓｙｔｏｕｓｅ．Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｐｐｅｎｄｉｎｇｉｓａｖａｉｌａｂｌｅｏｎｕｓｅｒｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ．ＩｔｏｆｆｅｒｓｓｏｌｕｔｉｏｎａｋｉｎｄｏｆＤＡＱｓｏｌｕｔｉｏｎｗｉｔｈｌＯＷｂｅｅｘｔｅｎｄｅｄｔｏｃｏｓｔ．Ｗｉｔｈｏｆｂｒｏａｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｓｐｅｃｔ，ｔｈｉｓｃａｎｔｈｅｆｉｅｌｄｓｐｅｅｃｈｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ，ａｍｂｉｅｎｔｎｏｉｓｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇａｎｄｌａｂｏｒａｔｏｒｙｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｅｔｃ．ＫｅｙＷｏｒｄｓ：ＬａｂＶＩＥＷ，Ｓｏｕｎｄｃａｒｄｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ，ＳｉｇｎａｌｓＡｎａｌｙｓｉｓ，ｖｉｒｔｕａｌｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍ．ＷｒｉｔｔｅｎｂｙＸｕｅｍｉｎＣｈｅｎｇＳｈｉＳｕｐｅｒｖｉｓｅｄｂｙＧｕｏｌｉａｎｇⅡ苏州大学学位论文独创性声明及使用授权声明学位论文独创性声明本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。研究生签名：丝童数同期：丝。必兰，学位论文使用授权声明苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公御（包括刊登）论文的全部或部分内容。论文的公布（包括刊登）授权苏州大学学位办办理。期：期：枷３，ｌ｜ｌ∥基于ＬａｂＶＩＥＷ信号分析系统的设计第一章引言第一章引言本文旨在运用虚拟仪器开发软件ＬａｂＶＩＥＷ８．５，设计开发基于声卡的数据采集分析系统，使其具有通过普通声卡进行声音数据的采集、分析、显示以及存储功能，并用其构建音频信号采集分析虚拟实验系统，使其能在具体实验教学中运用。１．１课题开发背景和发展现状由于信息科学的快速发展，需要处理的问题越来越复杂，对于信号分析的要求也越来越高。随着电子技术、计算机技术和网络技术的高速发展及其在电子测量技术与仪器领域中的应用，新的测试理论、新的测试方法、新的测试领域以及新的仪器结构不断出现，传统仪器显得越来越力不从心，其信号处理电路的设计十分复杂且难以更新，当新的计算方法出来后，传统的仪器亦无法升级，满足不了科研人员的要求，给科研工作带来额外的科研成本。而虚拟仪器的信号分析系统完全可以解决这个问题，用虚拟仪器开发平台开发各种“虚拟仪器”，不但成本低廉、简单易行，且交互性、可操作性和真实感与传统仪器基本相同。“软件即仪器”（Ｓｏｆｔｗａｒｅ了虚拟仪器的基本特征１１］。ｉｓＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔ）反映美国是虚拟仪器的诞生地，也是全球最大虚拟仪器制造国。创立于１９７６年的ＮＩ公司，几十年来，不断致力于开发基于计算机的测试测量与自动化平台，其推出的软件产品已经成为行业标准。最新统计显示【２】，全球有超过２５０００的客户在使用ＮＩ的产品，其中不乏国际知名的大公司，像Ｎｏｋｉａ、Ｓｉｅｍｅｎｓ、Ｔｅｋｔｒｏｎｉｘ等等。在世界财富５００强中的制造业厂商，也有９５％都是ＮＩ的客户。此外，虚拟仪器的主要生产厂家还包括ＨＰ公司、Ｔｅｋｒｏｎｉｘ公司等，前者目前生产１００多种型号的虚拟仪器，后者则生产约８０多种型号，这些厂家的产品在国际市场上都具有较强的竞争力。Ｌａｂｖ正Ｗ作为虚拟仪器开发系统的杰出代表，在我国虽然引进的时间不长，但是现在己经被认识和推广、应用，它促进了中国测试领域的技术革命，在科研及教育领域都得到了迅速推广。它在许多企业、科研单位被用于产品测试和测控系统。国内专家预测：未来的几年内，我国将有５０％的仪器为虚拟仪器。国内将有大批企业使用虚拟仪器系统对生产设备的运行状况进行实时检测。随着微型计算机的发展，虚拟仪基于ＬａｂＶＩＥＷ信号分析系统的设计第一章引言器将会逐步取代传统的测试仪器而成为测试仪器的主流。虚拟仪器技术的提出与发展，标志着二十一世纪自动测试与电子测量仪器领域技术发展的一个重要方向。传统仪器具有“技术更新周期长”、“仪器功能无法自定义”、“与其它设备连接困难”、“开发维护费用高＂等问题，所以在对信号处理要求越来越高的今天，用户希望能在虚拟仪器平台上来建立一信号分析系统以解决上述问题；另通过调查显示在高校中存在“传统仪器提供的实验信息量少，由于人工读数而导致实验结果误差率高”、“传统仪器无法进行远程实验，实现设备资源共享”、“实验设备更新困难，大部分设备落后于课程建设的需要”、“实验的内容侧重于理论的验证和模仿训练，学生的实验内容统一，缺乏对学生创新意识的培养和综合能力的提高”等问题，这些在很大程度上制约了实验教学的发展和人才培养质量的提高。究其原因，不能不说在科技迅猛发展的今天，以教育有限的投入无法满足实验设备价格昂贵、更新速度快的要求，是其最根本的原因。这就要求教育工作者，开发能够满足现代实验教学要求、物美价廉的实验教学仪器，以提高实验教学水平，培养高素质、高技能的创新型人才。目前在国内高校，虚拟仪器正逐步走进理工科课堂和实验室，越来越多的学校通过购置美国ＮＩ公司的虚拟仪器产品组建高中档次的虚拟实验室，但成本相对比较昂贵。在这种背景下提出了本课题。１．２研究的意义与计算机技术相结合是测试仪器发展的主流，由此而产生的虚拟仪器技术已经成为测试仪器技术中的重要领域。而传统仪器下的高校实验教学，己严重滞后于信息时代和工程实际的需要，虚拟仪器的出现，彻底改变了传统的仪器观。在学校特别是大学中，要想紧跟技术的发展就要不断更新教学和实验设备，而传统仪器无法升级，更换设备代价又太昂贵。基于ＬａｂＶＩＥＷ的信号分析系统正是解决这一矛盾的最佳方案，它最大的优势在于它的智能化和软件平台对用户的开放性，“我的仪器我设计”是虚拟仪器为我们带来的以人为本的现代科学理念【３１。虚拟仪器能完全替代传统仪器并扩展其功能，这是虚拟仪器在教学、科研中最有价值的应用。目前多数院校采用ＮＩ公司提供的专业数据采集设备能组建专业的虚拟实验系统，但建设成本高。普通声卡是ＰＣ机最基本配置，使用普通声卡进行信号的采集，建设成本大大降低，虽然与专业２基于ＬａｂＶＩＥＷ信口．分析系统的设计第一章引言采集设备相比虽然效果有差距，但能满足日常教学的要求，并能用于音频信号分析方向的科研开发工作。１．３本文组织结构基于需求，本文主要进行以下方面的研究工作：第一章首先介绍了课题开发背景、发展现状和研究意义，分析了虚拟仪器系统在实验教学中应用的优势，阐述了课题设计的必要性，提出采用声卡作为数据采集设备来构建信号分析系统的设想。第二章介绍了构建信号分析虚拟实验系统所需的软、硬件相关知识，及虚拟仪器的具体设计阶段所需的有关信号分析处理方面的必备知识。第三章主要确定了信号分析系统的设计方案，包括对硬件的选择以及软件设计方案的确定。第四章是全文的重点部分，详细论述了在ＬａｂＶＩＥＷ平台下构建音频信号采集分析虚拟实验系统的软件设计过程，详细介绍了程序中的各个模块设计过程。包括数据采集、信号分析（时域分析和频域分析）、信号发生、数据保存和重载等多个功能模块的设计。其中，时域分析包括实时显示波形，信号电压、频率等参数测量及谐波失真分析；频域分析包括幅值谱、相位谱、功率谱等；通过信号发生模块可以产生常用信号（如正弦波、方波、三角波等）和噪声信号。第五章通过“声卡可行性验证实验”和“典型信号滤波和频谱分析实验＂为例验证了本文所设计的信号分析系统的可行性及声卡的信号采集性能。第六章总结及展望，对课题的工作进行了总结，提出尚待开展的工作。基于ＬａｂＶＩＥＷ信号分析系统的设计第二章虚拟仪器、声卡及数据采集理论第二章虚拟仪器、声卡及数据采集理论本文所设计的信号分析系统是在虚拟仪器技术高速发展的背景下，利用美国ＮＩ公司的虚拟仪器开发平台ＬａｂＶＩＥＷ８．５软件实现的。虚拟仪器技术是测试技术和计算机技术综合集成的产物，虚拟仪器从二十世纪八十年代初产生一直到现在，技术发展逐步成熟，在工业自动化、仪器制造和实验室方面应用较为广泛。本章主要介绍信号分析系统建设的软、硬件平台及所需理论基础知识。２．１虚拟仪器介绍虚拟仪器系统是由计算机、应用软件和仪器硬件三大要素构成的。计算机与仪器硬件又称为ＶＩ的通用仪器硬件平台。虚拟仪器利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。灵活高效的软件能帮助用户创建完全自定义的用户界面，模块化的硬件能方便地提供全方位的系统集成，标准的软硬件平台能满足对同步和定时应用的需求。２．１．１虚拟仪器的特点与传统仪器相比，虚拟仪器具有以下特点ｂ１：１）虚拟仪器可以通过几个分面板上的操作来实现比较复杂的功能。２）在通用硬件平台确定后，由软件取代传统仪器中的硬件来实现仪器的功能。３）仪器的功能是用户根据需要由软件来定义的，而不是由厂家事先定义好的。４）仪器的性能改进和功能扩展只需更新相关软件，而不需购买新的仪器。５）研制周期比传统仪器大为缩短。６）虚拟仪器开放、灵活，可与计算机同步发展，与网络及其他周边设备互联。此外，与传统仪器相比，虚拟仪器具有高效、易用、功能强大、性价比高、可操作性好等优点，具体表现为：１）智能化程度高，处理能力强。虚拟仪器的处理能力和智能化程度主要取决于仪器的软件水平。用户完全可以根据实际应用需求，将先进的信号处理算法、人工智能技术和专家系统应用于仪器设计与集成，从而将智能仪器水平提高到一个新的层４基于ＬａｂｖｍＷ信号分析系统的设计第二章虚拟仪器、声卡及数据采集理论次。２）复用性强，系统费用低。采用虚拟仪器技术，可以用相同的基本硬件构建多种不同功能的测量系统。这样形成的测量系统更灵活、更高效、更开放、更便宜。３）可操作性强，灵活易用。虚拟仪器面板可由用户定义，针对不同的应用可以设计不同的操作界面。计算机强大的多媒体处理能力使仪器操作变得更加直观、简便、易于理解。此外，测量完成后可以显示和打印所需的报表（或曲线），可以把测量数据存入数据库系统或通过网络进行数据共享。２．１．２虚拟仪器的开发平台虚拟仪器的开发平台可以分为硬件平台和软件平台。构成虚拟仪器的硬件平台有两部分，①计算机：一般为个人计算机、笔记本或工作站，是硬件平台的核心。②Ｉ／Ｏ（Ｉｎｐｕｔ／Ｏｕｔｐｕｔ，输入／输出）接口设备：大致可分为４类，分别为ＤＡＱ（ＤａｔａＡｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ，数据采集）、ＧＰＩＢ（Ｇｅｎｅｒａ卜ＰｕｒｐｏｓｅＩｎｔｅｒｆａｃｅＢｕｓ，通用接口总线）、ＶＸＩ（ＶＭＥｂｕｓＥｘｔｅｎｓｉｏｎｓｆｏｒＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ，面向仪器扩展的ＶＭＥ总线）、ＰＸＩ（ＰＣＩＥｘｔｅｎｓｉｏｎｓｆｏｒＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ，面向仪器扩展的ＰＣＩ总线），因此组成了４种虚拟仪器体系结构。无论哪种结构，都是将硬件仪器嵌入到各种计算机平台上，再加上应用软件而构成的。虚拟仪器的软件开发平台主要有两类：～类是文本式编程语言，如ＶｉｓｕａｌＶｉｓｕａＩＣ＋＋、Ｂａｓｉｃ、Ｌａｂｗｉｎｄｏｗｓ／ＣＶＩ等；另一类是图形化编程语言，如ＬａｂＶＩＥＷ（ＬａｂｏｒａｔｏｒｙＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＶｉｒｔｕａｌＷｏｒｋｂｅｎｃｈ，实验室虚拟仪器工程平台）、ＨＰＶＥＥ等，其中以ＬａｂＶＩＥＷ应用最为广泛。这些软件开发工具为用户设计虚拟仪器应用软件提供了最大限度的方便条件与良好的开发环境。２．２ＬａｂＶＩＥＷ简介ＬａｂＶｌＥ是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言。传统文本编程语言根据语句和指令的先后顺序决定程序执行顺序，而ＬａｂＶｌＥＷ则采用数据流编程方式，程序框图中节点之间的数据流向决定了程序的执行顺序。它用图标表示函数，用连线表示数据流向。ＬａｂＶｌＥＷ提供很多外观与传统仪器（如示波器、信号发生器等）类似的控件，可以方便地创建用户界面（在ＬａｂＶＩＥＷ中称为前面板），可以通过使用基于ＬａｂＶＩＥＷ信号分析系统的设计第二章虚拟仪器、声卡及数据采集理论图标和连线编程对前面板上的对象进行控制，这就是图形化源代码，又称“Ｇ代码”或“程序框图代码”。ＬａｂＶＩＥＷ程序被称为ＶＩ（ＶｉｒｔｕａｌＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔ），即虚拟仪器；ＬａｂＶＩＥＷ的核心概念就是“软件即仪器”，即虚拟仪器的概念。ＬａｂＶＩＥＷ还包含了大量的工具与函数用于数据采集、分析、显示与存储等。这些都是向导式的工具，用户只需要一步步按照提示就可以实现与仪器的连接和参数设置。程序员不需要记忆大量的函数，函数以图标与名称的形式存在于函数面板上，只要把它从函数面板上拖放到程序框图中就可以了。２．２．１ＬａｂＶＩ酬的作用ＬａｂＶＩＥＷ在测试、测量和自动化等领域具有最大的优势，因为ＬａｂＶＩＥＷ提供了大量的工具与函数用于数据采集、分析、显示和存储。用户可以在数分钟内完成一套完整的从仪器连接、数据采集到分析、显示和存储的自动化测试测量系统。它被广泛地应用于汽车、通信、航空、半导体、电子设计生产、过程控制和生物医学等各个领域。ＬａｂＶＩＥＷ不仅可以用来快速搭建小型自动化测试测量系统，还可以被用来开发大型的分布式数据采集与控制系统。例如在美国ＬａｗｒｅｎｃｅＬｉｖｅｒｍｏｒｅ国家实验室，一个花费２０００万美金的极为复杂的飞秒激光切割系统就是基于ＬａｂＶｌＥＷ开发的；在北京正负电子对撞机二期工程北京谱仪慢控制系统中，大约有３０种物理量共７０００多点的现场数据点需要实时采集控制和分析记录等Ｈ１。２．２．２选用ＬａｂＶＩＥＷ的原因选择ＬａｂＶＩＥＷ开发测试和测量应用程序的一大决定性因素是其开发速度。通常，使用ＬａｂＶｌＥＷ开发应用系统的速度比使用其他编程语言快４～ｌＯ倍。这一速度背后的原因在于ＬａｂＶＩＥＷ易用易学，它所提供的工具使创建测试和测量应用变得更为轻松。ＬａｂＶＩＥＷ的具体优势主要体现在以下几个方面Ｈ３：１）提供了丰富的图形控件，并采用图形化的编程方法，彻底把工程师们从复杂枯涩的文本编程工作中解放出来。２）内建的编译器在用户编写程序的同时就在后台自动完成了编译。因此用户在编写程序的过程中如果有语法错误，它会被立即显示出来。３）由于采用数据流模型，它实现了自动的多线程，从而能充分利用处理器尤其６基于ＬａｂＶＩＥＷ信号分析系统的设计第二章虚拟仪器、声卡及数据采集理论是多处理器的处理能力。４）通过ＤＬＬ、ＣＩＮ节点、ＡｃｔｉｖｅＸ、．ＮＥＴ或ＭＡＴＬＡＢ脚本节点等技术，可以轻松实现ＬａｂＶＩＥＷ与其它编程语言混合编程。５）通过应用程序生成器可以轻松地发布ＥＸＥ、动态链接库或安装包。６）ＬａｂＶＩＥＷ提供了大量的驱动与专用工具，几乎能与任何接口的硬件轻松连接。７）ＬａｂＶＩＥＷ内建了６００多个分析函数，用于数据分析和信号处理。８）ＮＩ同时提供了丰富的附加模块，用于扩展ＬａｂＶＩＥＷ在不同领域中的应用。２．３声卡简介声卡，也叫音频卡，是ＭＰＣ（ＭｕｌｔｉｍｅｄｉａＰｅｒｓｏｎａｌＣｏｍｐｕｔｅｒ，多媒体个人计算机）的基本组成部分，是计算机进行声音处理的适配器。它有三个基本功能：一是音乐合成发音功能；二是混音器（Ｍｉｘｅｒ）功能和ＤＳＰ（ＤｉｇｉｔａｌＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｏｒ，数字信号处理器）功能；三是模拟声音信号的输入和输出功能。声卡处理的声音信息在计算机中以文件的形式存储。声卡工作应有相应的软件支持，包括驱动程序、混频程序和ＣＤ播放程序等。７下面主要从声卡的硬件结构、声卡的工作流程和声卡的性能指标三个方面来说明声卡的工作原理。１）声卡的硬件结构麦克风、扬声器、耳机等所用的都是模拟信号，而计算机所能处理的信号都是数字信号，声卡的作用就是实现两者之间的转换。一般声卡都是由以下几部分组成：声音控制／处理芯片，功放芯片，声音输入／输出端口等。声音控制／处理芯片是声卡的核心，集成了采样保持、Ａ／Ｄ转换、Ｄ／Ａ转换、音效处理等电路，它决定了声卡的性能和档次，基本功能包括对声波采样和回放的控制、处理ＭＩＤＩ指令等，有的厂家还加进了混响、合声、音场调整等功能。功放芯片完成信号的功率放大以推动喇叭发声工作。声音输入／输出端口是音频信号的输入和输出，它主要有外接端口和内接端口。外接端口有“ＳｐｅａｋｅｒＯｕｔ”喇叭输出端口，“Ｌｉｎｅｏｕｔ＂线性输出端口，“Ｌｉｎｅｉｎ＂线性输入端口，“ＭＩＣｉｎ”麦克风输入端口，还有ＭＩＤＩ端口，连接电子乐器以及连接游戏控制器。内接端［１１是内置的输入／输出端口是ＣＤ音频接口，通过３－－－－４针的音频线直接和光驱连接。基于ＬａｂＶＩＥＷ信号分析系统的设计第二章虚拟仪器、声卡及数据采集理论２）声卡的工作流程声卡的工作流程‘朝如图２—１所示：图２—１声卡的工作流程图声卡的基本工作流程为：输入时，麦克风或线路输入（ＬｉｎｅＩｎ）获取的音频信号通过Ａ／Ｄ转换器转换成数字信号，送到计算机进行播放、录音等各种处理；输出时，计算机通过总线将数字化的声音信号以ＰＣＭ（ＰｕｌｓｅＣｏｄｅＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ，脉冲编码调制）方式送到Ｄ／Ａ转换器，变成模拟的音频信号，通过功放或线路输出（ＬｉｎｅＯｕｔ）送到音箱等设备转换为声波。如果将工程中所需采集的信号仿照声音信号输入，即可实现对信号的采集和存储。３）声卡的性能指标衡量声卡性能的主要技术指标有复音数量、采样位数、采样频率、波表合成方式和波表库容量、声道数、信噪比、总谐波失真和缓冲区等∞３。ａ）复音数量：复音数不是声卡的ＤＡＣ（Ｄｉｇｉｔａｌ－ｔｏ－ＡｎａｌｏｇＣｏｎｖｅｒｓｉｏｎ，数字／模转换器）或ＡＤＣ（Ａｎａｌｏｇ—ｔｏ—ＤｉｇｉｔａｌＣｏｎｖｅｒｓｉｏｎ，模拟／数字转换器）的转换位数，而是代表声卡能同时发出多少种声音。复音数越大，音色就越好，播放ＭＩＤＩ（ＭｕｓｉｃａｌＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＤｉｇｉｔａｌＩｎｔｅｒｆａｃｅ，音乐设备数字接口）时可以听到的声部越多、越细腻。如果一首ＭＩＤＩ乐曲中的复音数超过了声卡的复音数，则将丢失某些声部，但一般不会丢失主旋律。目前声卡的硬件复音数都不超过６４位。ｂ）采样位数：将声音从模拟信号转化为数字信号的二进制位数，即进行Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａ转换的精度。目前有８位、１２位和１６位三种，将来还有２４位的ＤＶＤ（ＤｉｇｉｔａｌＶｉｄｅｏＤｉｓｋ，数字视频光盘）音频采样标准。位数越高，采样精度就越高。例如，１６位声卡把音频信号的大小分为２埔＝６５５３６个量化等级来实施上述转换。在计算机中一般的声卡是１６位的，信噪比可达９６ｄＢ。Ｃ）采样频率：每秒采集声音样本的数量。标准的采样频率有三种：１１．０２５ｋＨｚ（语音）、２２．０５ｋＨｚ（普通音乐）和４４．１ｋＨｚ（高保真音乐），有些高档声卡能提供摹于ＬａｂＶＩＥＷ信号分析系统的设计第二章虚拟仪器、声卡及数据采集理论５ｋＨｚ～４８ｋＨｚ的连续采样频率。根据采样定理，采样频率应为被测信号频率的２倍以上，因此声卡的采样频率决定了可以被测信号的频率，采样频率越高，记录的声音波形就越准确，保真度就越高，但采样数据量相应变大，要求的存储空间也越多。使用声卡作为ＤＡＱ卡（高精度数据采集卡）的缺点是，它不允许用户在最高采样频率之下任意设定采样频率。ｄ）波表合成方式和波表库容量：现在的ＰＣＩ声卡大量采用先进的ＤＳＬ（ＤｏｗｎｌｏａｄａｂｌｅＳａｍｐｌｅ，可下载音色库）波表合成方式，其波表库容量通常是２ＭＢ、４ＭＢ、８ＭＢ，而像ＳＢＬｉｖｅ品牌声卡甚至可以扩展到３２ＭＢ。ｅ）声道数：声道数是衡量声卡档次的重要指标之一，可以分为单声道（早期声卡采用）、准立体声（录音时采用单声道，放音时用立体声）、立体声（录音和放音都是立体声）、四声道环绕（中高档声卡采用）和５．１声道（用于各类传统影院和家庭影院中）等。ＬａｂＶＩＥＷ把声卡的声道分为单声道（ｍｏｎｏ）和立体声（ｓｔｅｒｅｏ）两种。若用单声道采样，左右声道信号都相同，且幅值为原信号的１／２；用立体声采样，左右声道互不干扰，可以采集两路不同的信号，而且幅值与原信号相同。一般声道数为２，需要时还可选用多路输入的高档声卡或配置多块声卡。‘ｆ）信噪比：以ｄＢ（Ｄｅｃｉｂｅｌ，分贝）计算的信号最大保真输出与不可避免的电子噪音的比率。该值越大越好，低于７５ｄＢ，噪音在寂静时有可能被发现。ｇ）总谐波失真：英文全称为ＴｏｔａｌＨａｒｍｏｎｉｃ—Ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ，简称ＴＨＤ，是指用信号源输入信号时，输出信号（谐波及其倍频成分）比输入信号多出的额外谐波成分，通常用百分数来表示。一般来说，１０００Ｈ频率处的总谐波失真最小，因此不少产品均以该频率的失真作为它的指标。所以测试总谐波失真时，是发出１０００Ｈｚ的声音来检测，这个值越小越好。ｈ）缓冲区：与一般ＤＡＱ卡不同，声卡的Ｄ／Ａ功能是连续状态的，为了节省资源，声卡的Ｄ／Ａ或Ａ／Ｄ都对某一缓冲区进行操作，待缓冲区数据操作完毕时产生中断，ＣＰＵ响应中断信号进行处理。一般声卡的缓冲区是８ＫＢ（８１９２）。用户可以通过测试声卡的性能指标来评价声卡的好坏，声卡性能指标的测试主要有３Ｄ（Ｔｈｒｅｅ—Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ，三维图形）定位精度测试、波形回放与录音测试、多音频流播放测试、全双工通讯模式测试、ＭＩＤＩ音效测试和ＣＰＵ占用率测试等。９基于ＬａｂＶＩＥＷ信号分析系统的设计第二章虚拟仪器、声卡及数据采集理论２．４信号分析理论本节主要介绍课题依据的理论基础：数据采集理论和谐波分析理论。２．４．１数据采集理论基础数据采集系统中以计算机作为处理机。众所周知，计算机内部参与运算的信号是二进制的离散数字信号，而被采集的物理量一般是连续的模拟信号。因此，在数据采集系统中同时存在两种不同形式的信号：连续模拟信号和离散数字信号。连续的模拟信号转换为离散的数字信号，经历两个断续过程：１）时间断续对连续的模拟信号Ｘ（ｔ），按一定的时间间隔Ｔ。，抽取相应的瞬时值（也就是通常所说的离散化），这个过程称为采样。连续的模拟信号Ｘ（ｔ）经过采样过程后转换为时间上离散的模拟信号Ｘ。（ｎＴ。）（即幅值仍是连续的模拟信号），简称为采样信号。２）数值断续把采样信号Ｘ。（ｎＴ。）以某个最小数量单位的整数倍来度量，这个过程称为量化。采样信号Ｘ。（ｎＴ。）经量化后变换为量化信号Ｘ。（ｎＴ。），再经过编码，转换为离散的数字信号Ｘ（ｎ）（即时间和幅值是离散的信号），简称为数字信号。在实际工作中，信号的抽样是通过Ａ／Ｄ芯片来实现的。通过Ａ／Ｄ，将连续信号Ｘ（ｔ）变成数字信号Ｘ（ｎＴ。），Ｘ（ｔ）的傅立叶变换Ｘ（ｊＱ）变成Ｘ（ｅ扣）。Ａ／Ｄ转换原理如图２—２所示。圈日圈日匡模拟信号采样量化数字信号图２－２Ａ／Ｄ转换原理模拟信号经过（Ａ／Ｄ）变换转换为数字信号的过程称之为采样，信号采样后其频谱产生了周期延拓，每隔一个采样频率ｆ。，重复出现一次。为保证采样后信号的频谱形状不失真，采样频率必须大于信号中最高频率成份的两倍。这称之为采样定理。如图２—３所示，由于不满足采样定理，信号产生了混叠。１０基于ＬａｂＶＩＥＷ信号分析系统的设计第二章虚拟仪器、声卡及数据采集理论。八ｆ＾７／］ｊ。ｎ门。ａ）正常采样ｂ）欠采样图２－３信号正常采样和欠采样信号的采样定理是连结离散信号和连续信号的桥梁，是进行离散信号处理与离散系统设计的基础。采样定理（ｓａｍｐｌｉｎｇｔｈｅｏｒｙ）盯１：若连续信号ｘ（ｔ）是有限带宽的，其频谱的最高频率为ｆｃ，对ｘ（ｔ）抽样时，若保证抽样频率工≥２工（或ｇ≥２ｎ，Ｉ≤ｎ＇／Ｑ）那么，可由ｘ（ｎＹ。）恢复出ｘ（ｔ），即ｘ（ｎＹ。）保留了ｘ（ｔ）的全部信息阳３。２．４．２快速傅立叶变换（ＦＦＴ）ＤＦＴ是信号处理中最基本也是最常用的运算，它涉及到信号与系统的分析与综合这一广泛的信号处理领域。对Ｎ点序ＹＵｘ（ｎ），其ＤＦＴ变换对定义为口１：Ⅳ一ｌｘ（尼）＝∑ｚ（咒）嘴置ｎ＝ＯＮ—ｌｘ（ｎ）＝寺∑ｘ（足）Ｋ斌（ｋ＝０，１，２…．，Ｎ一１，ｗ、２ｅ１）（２一１）ＤＦＴ之所以茬各个学科领域获得广泛应用，其中一个非常重要原因是因为它存在有高效快速的算法Ｂ－－－－快速傅立叶变换，简称ＦＦＴ。习惯上是指以１９６５年库利一图基（Ｃｏｏｌｅｙ—Ｔｕｋｅｙ）算法为基础的一类高效算法，它的出现和发展对推动信号的数字处理技术的变革和发展起到着重大作用，是数字信号处理发展史上的一个转折点，也可以称之为一个里程碑。１）ＦＦＴ算法的基本思想己知Ｎ点有限长序Ｎｘ（１３）的ＤＦＴ？§Ｎ式（２－１）所示，通常Ｘ（ｋ）可以为复数，给定的数据ｘ（ｎ）可以是实数也可以是复数。ＤＦＴ可以看作是以Ｗ最为加权系数的一组样点ｘ（ｎ）的线性组合。将式（２－１）中第一个式展开得：工（Ｏ）＝Ｗｏ‘ｏ’ｘ（Ｏ）＋Ｗ，ｏ‘１’工（１）＋…＋形ｏ‘Ⅳ一ｎｘ（Ｎ—１）工（１）＝Ｗ１‘ｏ’ｘ（Ｏ）＋缈１（１’ｘ（１）＋…＋形１‘Ⅳ一ｎｘ（Ｎ一１）（２—２）ｘ（Ｎ一１）＝ＷⅣ一‘‘ｏ’工（０）＋ⅣⅣ一１‘１’ｚ（１）＋…＋缈Ⅳ一‘‘‘Ⅳ一ｎｘ（Ｎ一１）基于ＬａｂＶＩＥＷ信号分析系统的设计第二章虚拟仪器、声卡及数据采集理论可见上式中，每完成一个频谱样点的计算，需要作Ｎ次复数乘法和（Ｎ一１）次复数加法。对整个Ｘ（ｋ）序列的Ｎ个采样点的计算，就得作Ｎ２次复数乘法和（Ｎ一１）次复数加法。而且每一复乘又含有４次实乘和２个复加；每一复加又包含有２个实加。这对一个实际的信号长度来说，每当点较多时，这么大的数组，势必占用很长的计算时间。即使是目前运算速度很快的通用ＰＣ机，往往也难免失去实时性。可见，ＤＦＴ虽然解决了利用计算机进行信号与系统的分析问题，但尚未解决实时性问题，因而直接计算ＤＦＴ，在实际应用中有其局限性，为了提高速度，还有赖于提出高效的算法。ＤＦＴ运算时间能否减少，关键在于实现ＤＦＴ运算是否存在规律性以及如何利用这些潜在的规律。通过以下对式（２—１）的分析，得知指数因子存在周期性，即蝶＝蝶棚咛＝嘴删Ｍ肘删’１，ｍ为整数式中下标Ｎ是为了强调以Ｎ为周期。由于（２—３）所以Ｗ、又称为对模Ｎ的Ｎ次单位根，时称为离散傅立叶变换核（Ｆｏｕｒｉｅｒ在着许多可压缩的重复运算（冗余量），即蝶：ｅ√‘钞：１ＷＮ：沂Ｋｅｒｎｅｌ）。快速傅立叶变换的实现，在很大程度上取决于这个变换核周期性和基于下列关系而存时＝ｌ，哗＝１，ｗ２佗＝一１ｗ２Ｈ＝－ｊ，蝶Ｍ４＝歹，ｗ：Ｎ＝噼坨因此，ｗ、除具有周期性以外，还具有对称性，即（２—４）略Ｍ２＝一眩（２—５）此外，由于ＤＦＴ的复乘和复加的次数都是与Ｎ２成正比的，因此若把长序列分解为短序列，例如把Ｎ点ＤＦＴ分解为２个Ｎ／２点ＤＦＴ之和时，其结果使复乘次数减少到近似等于２（Ｎ／２）２＝Ｎ２／２，即为分解前的一半。由此可见，ＦＦＴ的基本思想是把原始的Ｎ点序列，依次分解成一系列短序列。充分利用ＤＦＴ计算式中指数因子Ｗ、所具有的对称性质和周期性质，进而求出这些短序列相应的ＤＦＴ，并进行适当组合，最终达到删除重复计算、减少乘法运算和提高速度的目的。２）ＦＦＴ算法的软件实现在各种离散傅立叶变换的应用中，其软件部分实现ＦＦＴ运算的程序段是必不可少的，并且一般均作为一个主要的子程序调用。ＦＦＴ算法程序的基本部分，现在一般已经是一个常规的程序。从早期的使用ＦＯＲＴＲＡＮ语言到现在的采用Ｃ（Ｃ＋＋）语言编写的都１２基于ＬａｂＶＩＥＷ信号分析系统的设计第二章虚拟仪器、声卡及数据采集理论能比较方便的找到，一些著名的应用软件如ＭＡＴＬＡＢ、ＭＡＴＨＭＡＴＩＣＡ等，把ＦＦＴ０作为它们的一个内部函数，用一条语句直接调用即可完成运算。在ＬａｂＶ工ＥＷ中也提供了基本ＦＦＴ函数，但直接调用不会得到频谱，必须经过一系列变换才能得到幅频特性。其所采用ＦＦＴ算法为按频率抽取基２ＦＦＴ算法。这种算法要求输入的采样点必须是２的整数幂，如果不是２的整数幂，则自动转化为ＤＦＴ运算。２．４．３谐波分析理论有关谐波的数学分析在１３世纪和１９世纪就已奠定了良好的基础，傅立叶等人提出的谐波分析方法至今仍被广泛应用。本文信号分析中的谐波分析即是基于傅里叶变换的谐波测量，下面介绍关于这一测量方式的基本理论碡３。１）谐波分析原理周期为Ｔ角频率为ｒｌ的周期函数ｆ（ｔ）可表示为：ｆ（ｔ）＝ｆ（ｔ＋ｎＴ）ｎ＝Ｏ，１，２，…（２—６）则任何一个满足狄里赫利条件的非正弦周期信号函数ｆ（ｔ）均可以分解为傅立叶级数，即：∞∞邝）＝口。＋∑（％ｃｏｓ国＋ｂ．ｓｉｎｎｃｏ）＝ａｏ＋∑Ａｃｏｓ（ｎｃｏ＋呼ｏ．）式中０３＝２／Ｔ，Ｔ为ｆ（ｔ）的周期。Ａ＝ａｏ（２—７）２寺ｊ：ｆ（ｔ）ｄｔ％＝等ｒ饨）ｃ删ｏｄｔ３…）阮＝亍２ｆ厂（ｒ）ｓｉｎｃｏｄｔ（，ｌ＝１，２，２①。＝ａｒｃｔａｎ（一子）Ａ＝√彳＋巧第ｎ次谐波的初相角第ｎ次谐波的幅值因此，非正弦波是由直流分量～，基波和一系列频率为基波频率整数倍的正弦波（谐波）构成。要对非正弦信号进行谐波分析，需要对信号采样并进行傅氏变换。为了便于分析，引入复指数因子ｅ业”，并且将ｋ扩充到一∞，式２—７化为：：争避ｊｋｗｒ＋争避一加』ｌ＿，●』●＿‘ｋ＝Ｏｆ（ｔ）：％＋艺（生｛墼肌＋旦专堕Ｐ一肋）ｋ＝Ｏ‘：■ＦｊｅＭ三（２—８）基于ＬａｂＶＩＥＷ信号分析系统的设计第二章虚拟仪器、声卡及数据采集理论棼丢（ａｋ－ｊｂｋ）＝ｉ１瓣％囊＂∞，Ｆ－。：ｉ１（畋＋ｊｂｋ）：ｉ１，。历ａ。？。２ｅ—Ｊ微：ｊ１上两式按瞬时值相加得Ａ∥‘纯一卿（２－９）（２—１０）疋Ｐ肌＋Ｅ女ｅ一肌＝Ａｃｏｓ（ｋｗｔ＋吼）＝Ａｓｉｎ（ｋｗｔ＋败）从上式便可得第ｋ次谐波，其幅值为Ａ。，初相位为婊。利用傅立叶积分变换可得：Ｅ＝扣一ｊｂｋ）＝ｊ１‘亍２胁）ｃｏｓ（㈣出一弓胁）Ｓｉｎ（酬∽＝亍１胁）ｅ－ｊｋｅｌ疵（２—１１）对ｆ（ｔ）进行每周波均匀采样Ｎ点时，将上式进行离散化处理得离散傅立叶形式瓦＝丙Ｉ驴ｎ－１＿ｊ２ｎｚｎｋ＝专茎‘时肛０’１＇２．．．，Ⅳ＿１化后的ＤＦＴ分解，因此可以得出ｆ（ｔ）的第ｋ次谐波的幅值为２ＦｋＱ。１２’式中ｆｋ为ｆ（ｔ）的离散序列，孵：Ｐ１百８为旋转因子。可以得出式２－１２为ｆ（ｔ）离散Ｉ，相位为Ｆ。相位角％加９０度，另根据香农采样定律，一个周期信号的采样点数为Ｎ，仅能得至ＵＯ＇－－－Ｎ一１次频谱，而谐波只能得到Ｏ～（Ｎ／２－１）次。例如对周期信号的采样点数为Ｎ＝２５６，则最多只可能得到该波形的Ｏ～１２７次谐波成分。实际计算时若直接用离散傅立叶变换（ＤＦＴ）进行计算，当采样点很多时计算量很大，ＦＦＴ是ＤＦＴ的一种快速算法，因此在测量时使用的是ＦＦＴ算法。２）谐波参数定义Ｍ为了表示畸变波形偏离正弦波的程度，最常用的特征量有谐波含量、总畸变率和ｎ次谐波的含有率。ａ）谐波含量：所谓谐波含量，就是从周期性交流量中减去基波分量后所得的量。吣晒。辱和的平方根值，即：１４（２－１３）ｂ）畸变波形的周期电压、电流的有效值，等于各次谐波电压、电流有效值的平方基于ＬａｂＶＩＥＷ信号分析系统的设计第二章虚拟仪器、声卡及数据采集理论ＵＨ：厄雨再ｊ可＝，日２√，？＋ｊ；＋…＋ｊ：。√善，：Ｃ）各次谐波含有率于对各次谐波进行检测和采取抑制措施。Ｎ次谐波电压含有率以ＨＲＵ。表示：（２一１４）工程上常常要求给出电压或电流畸变波形中所含有的某次谐波含有率，这样有利职玑２静处００％式中Ｕ。一第Ｎ次谐波电压有效值；Ｕｌ一基波电压有效值。类似对于谐波电流：（２啪）ＨＲＩ：三×１００％．一２（』１１６）ｄ）波形总畸变率波形总畸变率指周期性交流量中的谐波含量的方均根值与其基波分量的方均根值之比（用百分数表示）。波形畸变的程度经常用谐波总畸变ＴＨＤ（ＴｏｔａｌＨａｒｍｏｎｉｃＤｉｓｔｏｒｔｉｏｎ）来表示。电压谐波总谐波畸变率为ＴＨＤ。和电流谐波总畸变率ＴＨＤ。分别定义为：ｒ，ＴＨＤ＝兰旦×１００％Ｕｌ册．：生ｘ１００％（２—１７）Ｊｌ—＿—■一Ｙｈ＝２其中ＵＨ＝、／∑－－Ｕ。２，如＝、／∑鬈为谐波含量。Ｙｈ＝２基于ＬａｂＶＩＥＷ信口．分析系统的设计第三章信号分析系统解决方案第三章信号分析系统解决方案信号分析系统主要实现对音频信号的采集与分析，并能应用于实验教学，硬件的选择、设计方案的确定、设计方法的实现都是本文要考虑的关键问题。３．１声卡作为数据采集卡的可行性分析数据采集卡的功能是对数据进行采集，把模拟信号转换成数字信号，便于对数据进行分析。目前市场上出售的数据采集卡一般包含了完整的数据采集电路、与计算机的接口电路和驱动程序，并且功能强大，性能良好。然而，其性能与价格基本成正比，少则几百、多则上万元的价格使得系统开发成本大大增加，系统性价比（性能／价格）大大减小。此外，数据采集卡种类繁多、良莠不齐，普通用户在选择的时候会无所适从。随着ＤＳＰ技术的成熟，现在的ＰＣ声卡本身就是一个优秀的数据采集系统。几乎每台计算机都有一个内置声卡。声卡通常被用来作为音频输入、输出设备，用于记录、合成和回放语言、音乐和歌曲。然而，声卡其实可以做得更多，从测控的角度来看，声卡是一个具有双通道Ａ／Ｄ和双通道Ｄ／Ａ的信号采集和输出设备。它在音频范围内有很平滑的频率响应，采样频率可达１９２ＫＨｚ，采样深度可达２４位，存储深度极大，可完全利用计算机自身的内存。由于声卡内部都带有增益控制（例如话筒音量控制、话筒提升控制、线路输入音量控制），即使在不外加信号衰减电路的情况下，它也可以测量从１微伏到ｌ伏左右的信号。测量的准确度由声卡的质量决定。通常是外置声卡最好，其次是内置独立声卡，最后是板载声卡，专业级声卡优于消费级声卡。从价格上讲，即使是专业级声卡，其价格也远低于同类的Ａ／Ｄ或Ｄ／Ａ卡（通常是有数倍到数十倍之差）。但是不能因为便宜就小看了声卡，因为便宜只是大批量生产的结果，正是因为大批量生产，所以性能相当稳定。声卡的时基精度通常为０．ＯＯｘ％。例如，一个时基精度为０．００３％的声卡，在采样频率为４４１００Ｈｚ时，频率误差在１．３Ｈｚ内。一个好的声卡，其噪声电平可低于－ｌＯＯｄＢ，总和谐波失真ＴＨＤ低于０．００１％，对于工程测量、教学实验等用途而言，其各项指标均可以满足要求。此外，声卡不仅价格低廉（大多数是ＰＣ主板集成）、性能稳定，而且兼容性好、灵活通用，软件特别是驱动程序升级方便；ＩＳＡ（ＩｎｄｕｓｔｒｙＳｔａｎｄａｒｄＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，工业标准结构）总线向ＰＣＩ总线的过渡，解决了以往声卡与系统交换数据的瓶颈问题，同时也充分发挥ＴＤＳＰ芯片的性能。声卡１６基于ＬａｂＶＩＥＷ信号分析系统的设计第三章信号分析系统解决方案可以较准确地测量音频范围内的信号，例如：振动、转速、心肺听诊、心电图、地震波，声音，电源谐波……根据所用传感器的不同而不同，当然还要看所用的软件。ＬａｂＶＩＥＷ具有ＥｘｐｒｅｓｓＶＩｓ技术，可以方便地调用声卡ＶＩ来控制声卡数据的输入与输出。此外，ＬａｂＶＩＥＷ提供的多线程技术可以使开发出来的系统流畅地运行，并且模块之间互不干扰，通过设计降噪模块可以降低声卡作为数据采集卡的输入噪声。从上面的分析可以知道，用声卡作为数据采集卡，结合ＬａｂＶＩＥＷ编程可以组成一个低成本高性能的数据采集系统。因此，用声卡作为数据采集卡是可行的。３．２信号分析系统设计方案比较信号分析系统的设计方案有很多，并且各有各的优点与不足，下面探讨系统的一些开发方案，比较各个方案的优势与劣势。１）第一个方案是本次系统开发所采用的方案，就是用声卡作数据采集卡、用ＬａｂＶＩＥＷ进行软件编程。这个方案的优点是充分发挥声卡的数据采集性能，系统造价低、开发方便、系统移植能力强；缺点是对低于２０Ｈｚ的信号采集效果不理想，采样精度不够高、通道数量比较少（当然，可以通过配置多块声卡来解决这个问题）。２）第二个方案是用美国国家仪器（ＮＩ）有限公司生产的数据采集卡采集数据、用ＬａｂＶＩＥＷ进行软件编程。这与第一个方案的不同之处在于数据采集卡，因此在这里重点比较数据采集卡的优势与劣势。ＮＩ公司生产的数据采集卡有多种总线类型（可选择），模拟输入有多通道（４个通道以上），传输带宽比较大，采样精度高、延时少，而其价格（官方网站报价为ＲＭＢ８，０１０～－８９，０９０）却不是普通用户能够承受的。３）第三个方案是用国产的普通数据采集卡采集数据、用ＬａｂＶＩＥＷ进行软件编程。这与第一个方案的不同之处依然是数据采集卡。虽然说国产的数据采集卡比较便宜，但这只是相对国外品牌的数据采集卡而言的，对普通用户来说，价钱依然昂贵，如中泰的数据采集卡要３０００多元人民币，凌华的ＤＡＱ一２００６（２５０ｋ四通道同步采样，１６位分辨率）要１３０００多元人民币。当然，也有一些便宜的国产数据采集卡，但这些数据采集卡良莠不齐，让用户很难分辨其性能的好坏，且驱动更新很困难、测量精度也不高、传输速率比较慢等。４）第四个方案是用声卡作数据采集卡、用ＶｉｓｕａｌＣ＋＋（或其他文本式编程语言）进行软件编程。这与第一个方案的不同之处在于系统开发软件，因此在此重点比较开基于ＬａｂＶｒＥＷ信号分析系统的设计第三章信廿１分析系统解决方案发软件的优势与劣势。这罩撇开题目“基于ＬａｂＶＩＥＷ信号分析系统的设计”不谈，仅讨论用ＶｉｓｕａｌＣ＋＋编程的优点与不足。用ＶｉｓｕａｌＣ＋＋开发的系统具有容易维护升级、界面友好、代码效率高、执行速度快等一系列优点，在许多领域都有应用。而其缺点也是显而易见的，诸多代码的编写使程序开发更复杂，这给普通用户组建自己的测量系统带来极大的困难。此外，用ＶｉｓｕａｌＣ＋＋开发的系统只适合在Ｗｉｎｄｏｗｓ操作系统中运行，移植到其他操作系统比较困难，而现在许多服务器出于安全考虑，一般都安装Ｕｎｉｘ或Ｌｉｎｕｘ操作系统，用户一般不可能为了一个测量系统而放弃数据的安全性。通过上面的方案比较可以知道，声卡作数据采集卡在许多方面比其它数据采集卡更具优势。而ＬａｂＶＩＥＷ的图形化编程最大限度地减少了程序代码的编写，让用户有更多的时间和精力设计系统、完善系统功能；ＬａｂＶＩＥＷ带有图形控制流结构的数据流模式使开发的测量系统不受操作系统、计算机等因素的影响，移植性好；ＬａｂＶＩＥＷ的多线程技术允许进行多线程通信，程序运行开销小、运行更流畅。至此，系统的设计方案已经确定，那就是用声卡作数据采集卡采集数据，用ＬａｂＶＩＥＷ进行软件编程，开发基于ＬａｂＶＩＥＷ的信号分析系统。该系统除了前面介绍的功能和优点外，还具有良好的移植性。３．３信号分析系统设计的基本方法信号分析系统以软件为核心，依靠软件及硬件（采集卡）实现仪器功能，并利用计算机强大的运算、显示与扩展功能使系统和传统仪器相比具有较大的优越性。按系统工作流程划分其软件结构如图３—１所示。通过计算机声卡采集到数据，在计算机内通过ＬａｂＶＩＥＷ软件平台编写应用程序和虚拟仪器前面板，其中应用程序是由多个ＬａｂＶＩＥＷ子模块构成ｎ１，然后由各子模块组成的应用程序对采集到的数据进行处理，类似于传统仪器的前面板，提供了较好的人机交互界面。利用ＬａｂＶｌＥＷ的特点本文采用模块化设计方法，下面就模块的编程思想、模块的划分作详细介绍。基于ＬａｂＶＩＥＷ信号分析系统的设计第三章信号分析系统解决方案图３－１信号采集分析系统软件结构３．３．１模块化编程思想所谓的模块化ｎ０｜，就是在对一定范围内的不同产品进行功能分析和分解的基础上，划分并设计、生产出一系列通用模块或标准模块，然后，从这些模块中选取相应的模块并补充新设计的专用模块和零部件一起进行相应的组合，以构成满足各种不同需要的产品的一种标准化形式。许多程序太长或太复杂，很难写在一个单元中。如果把代码分为较小的功能单元，将大大简化编程过程。模块化程序一般比单块程序容易编写、调试和修改。模块化编程方法类似于包含大量电路的硬件设计。器件或程序在逻辑上被分为多个“黑箱子”，这些黑箱子都有指定的输入和输出，只要把各个单元之间的接口定义好，各个单元的详细设计就可以独立进行了。模块化编程有如下优点ｎｌｌ：１）高效率的程序开发：使用模块化编程可以更快地开发程序，因为较小的子程序比大程序更容易理解、设计和测试。定义好模块的输入和输出之后，程序员可以给模块提供需要的输入，通过检测输出来判断模块的正确性。然后由连接器把分立的模块连接、定位，生成一个有唯一绝对地址的可执行模块。最后，测试整个模块。２）子程序可以重用：为一个程序编写的代码经常可以用于其它的程序。在模块化编程中，可以把这些部分保存起来，以备将来使用。因为代码可以被重定位，所以１９基于ＬａｂＶＩＥＷ信号分析系统的设计第三章信号分析系统解决方案保存的模块可以连接到满足其输入和输出要求的任意程序中。而在单块程序编程中，这样的部分深埋在整个程序中，不易被其它的程序使用。３）便于调试和修改：模块化程序一般比单块程序易于调试和修改。因为精心定义了程序的模块接口，很容易把问题定位到特定的模块。一旦找到有问题的模块，程序修改就相当容易了。模块化编程可以简化程序修改的工作。我们可以很方便地把新的或调试过的模块连接一个已有的程序，而不用更改程序的其余部分。ＬａｂＶＩＥｗ内置有基于软件的测量函数和复杂的分析功能。用户可以采用模块化仪器创建完全自定义的测量系统：通过选择合适的硬件模块并在工业标准的软件环境中定制测量应用程序，即可满足各种独特的应用要求。此外，使用模块化仪器建立的系统比传统的仪器具有更高的灵活性、测量精度、数据吞吐量和同步特性。采用模块化编程不但有上述优点，而且便于模块的集成、程序的扩展和系统功能的完善。总之，模块化编程不但可以提高编程效率、重复利用子程序、便于程序调试和修改，而且便于模块的集成开发、程序的扩展和系统功能的完善。在ＬａｂＶＩＥＷ中使用模块化仪器建立的系统比传统的仪器具有更高的灵活性、测量精度、数据吞吐量和同步特性。因此，在此次示波器系统的开发中，始终坚持模块化编程思想，这样可以少做许多无用功，从而取得更大的效益。３．３．２系统模块划分按照系统的组织结构，系统的模块划分情况如图３—２所示。由图３—２可见，整个系统的模块分为三级，第一级是系统主页，第二级是第一级包含的模块，第三级是第二级包含的模块。通过分析可以知道，在信号分析系统中，有许多模块要重复调用。如果不采用模块化编程，重复的工作将会非常多。这不仅浪费许多宝贵的时间，还会使设计的程序杂乱无章，给程序调试和修改带来困难。可见，本次设计采用模块化编程是十分必要的。按照系统的功能划分，共有３个大模块，６个小模块，在系统设计时，先设计小的功能模块，然后按照系统的组织结构从下往上分别设计各个大的功能模块。这样，系统的设计将井然有序，各模块主要功能介绍如下：基于ＬａｂＶＩＥＷ信号分析系统的设计第三章信号分析系统解决方案图３乏系统功能模块图按照系统的功能划分，共有３个大模块，６个小模块，在系统设计时，先设计小的功能模块，然后按照系统的组织结构从下往上分别设计各个大的功能模块。这样，系统的设计将井然有序，各模块主要功能介绍如下：１）实时采集信号模块主要可以通过对声卡参数设置，实现实时采集数据，并可以对采集信号进行存储。２）历史重载信号模块可以通过选择文件，及设置相关参数调用文件所保存数据，以便进行再分析处理。３）仿真信号模块可以通过选择波形类型，频率、幅度产生相应波形，并可通过“白噪声选择＂按钮添加噪声。４）时域分析模块主要实现电压、频率等参数测量，谐波失真分析、自相关分析，并可在前面板显示相应数据、波形。５）频域分析模块主要包括对输入信号进行功率谱、幅度谱和相位谱分析。６）辅助模块包括图形保存和帮助。２１基于ＩｊｂＶＩＥＷ信导分析系统的设计第四章信号分析系统的设计第四章信号分析系统的设计本文用计算机声卡代替普通采集卡作为硬件，用数据分析和处理功能非常强大的工程实用软件ＬａｂｖＩＥｗ作为软件开发平台，设计了一个信号分析系统，数据的采集、显示、处理、分析等工作均用软件实现，采用模块化编程方法，总体上包括数据采集、仿真信号生成、信号重载、时域分析、频域分析、辅助模块。４１系统首页的设计系统的设计与调试是一件十分烦琐、枯燥的事情．为了便于理解，我们采用从上到下、从大到小、从运行结果到框图设计的分析方法。也就是先分析系统结构的上层，再分析系统结构的下层：先分析大的模块，再分析小的模块：分析的时候先给出模块运行结果，再分析模块的设计框图。友好的界面会使用户感觉更舒服，当用户进入系统时，打开该软件首先看到如图４ｌ所示的系统首页，上面显示软件版本、丌发单位和开发同期，点击“进入系统”即可进入下一步，调用主系统模块，单击“退出系统”退出。０：。Ｉ：啦‘Ｊ析ｒ｝越，。豫ｏｔ影……”≈‘∽｛《；＊！｛％幽４－１系统百贞…系统首页的程序框图中主要是一个事件结构，该事件结构触发条件来源于用户单击界面上“进入系统”按钮，在弹出子面板时主程序处于等待状态，故可以通过直接调用“主页面”子Ｖｌ实现，在子ＶＩ的ＦｉｌｅＣｕｓｔｏｍｉｚｅ对话框中使用ＳｈｏｗｆｒｅｎｔｗｈｅｎＶＩＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓＩＷｉｎｄｏｗＡｐｐｅａｒａｎｃｅｃａｌｌｅｄ选项，当主ｖＩ调用到该子ＶＩ时，该子ｖＩ的前面板便会自动弹出。２２基于ＬａｂＶＩＥＷ信号分析系统的设计第删章信号分析系统的设计４２主页面的设计主页面主要由“信号源选择”、“信号分析处理”、“帮助”和“退出”四个按钮组成，前三个按钮分别连接三个子模块，单击“退出”按钮，退出。程序框图设计如图４－２所示。此程序框图中主要是一个事件结构，该事件结构触发条件来源于用户单击界面上四个按钮中的任何一个按钮．例如当用户单击“信号源选择”按钮时，可以通过ＣｔｌＲｅｆ的ＬａｂｅｌＴｅｘｔ属性获得按钮的名称，由此得到该按钮对应ｖＩ的绝对路径。通过ＯｐｅｎＶＩＲｅｆｅｒｅｎｃｅ函数获得ＶＩ引用后，由ｖＩ的ＥｘｅｃｕｔｉｏｎＳｔａｔｅ属性获得ＶＩ的运行状态，如果ｖＩ处于不运行状态，则通过ＲｕｎＶＩ方法运行该ｖＩ．设置ＷａｉｔＵｎｔｉｌＤｏｎｅ参数为Ｆａｌｓｅ表明该动态加载的ＶＩ与主ｖＩ相互独立运行，最后通ＰａｎｅｌＷｉｎｄｏｗ过设置ＦｒｏｎｔＯｐｅｎ为Ｔｒｕｅ来打开动态加载ＶＩ的前面板。子面板和主面板间无数据流，故可以用同一段代码打开多个面板．子面板间的数据流可以通过全局变量来实现数据交换，从而简化编程。匝亘哐三举轴凰鲴『＿叵亘自ｇ甥建择信号葑析ｎ日嘲囿Ｉ回帮助音。匡习！园田４－２系统主页面程序框图４３信号源选择模块的设计信号源选择模块主要由“实时采集信号”、“历史重载信号”和“仿真信号”三个子模块构成，通过ＴａｂＣｏｎｔｒｏｌ控件不同选项触发事件结构来选择不同子模块。基ｆＬａｂＶＩＬ’Ｗ信号分析系统的设＊４．３第四章信号丹析系统的设计１实时采集信号的设计实时采集信号模块根据用户设置的声音格式从声卡获得数据，然后可以对数据进行部分或全部保存，并可以通过信号分析处理模块对采集数据进行分析。虚拟仪器前面板的设计在整个虚拟仪器设计中占有很重要的地位，因为仪器面板是直接面向使用者的，面扳设计的合不合理直接影响到虚拟仪器的使用效果。以实时采集信号模块界面为例说明该虚拟仪器的前面板设计，实时采集信号模块的前面板设计如图４—３所示。面板中分成三个区域从左至右从上到下分别为：声卡参数设置区、波形显示区和数据采集保存控制区。主要显示采集信号的实时波形，各种参数以及数据采集保存相关控制按钮。此程序在开始采集数据前应注意根据实际情况设置好各参数，在保存数据前应设置好保存路径。根据需要设置了“开始”、“保存／暂停”和“停止”三个按钮，以对数据的采集、保存流程进行控制，此部分设计需注意的是“保存／暂停”按钮的ＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓＯｐｅｒａｔｉｏｎＩＢｕｔｔｏｎｂｅｈａｖｉｏｒ需设为：“Ｓｗｉｔｃｈｗｈｅｎｗｈｅｎｐｒｅｓｓｅｄ”（当下一次点击时恢复原状态），其它按钮设为“Ｌａｔｃｈ变状态后恢复原状态）。Ｐｒｅｓｓｅｄ”（ＬａｂＶＩＥＷ接收改一一～……；．信号源选择图４－３实时采集信号前面板堆于Ｉ＿ａｂＶｌＥＷ信号丹折系统的设计第四￥信号分析系‰的设计数据采集过程分为三步”。：④初始化／配置声卡：②采样；③释放声卡。实时采集信号模块的主要框图设计如图４－４所示。图４－４数据采集部分程序框图Ｉ）初始化声卡在进行数据采集之前，首先需要对声卡参数。如设备ＩＤ（对由多块声卡组成的多通道数据采集系统，ＩＤ的设置是必须的）、采样模式（连续采样／有限采样）、每通道采样数、采样率、通道数（单通道／双通道）以及比特率（８位／１６值）进行设置，我们采用“配置声音输人”（ＳｏｕｎｄＩｎｐｕｔＣｏｎｆｉｇｕｒｅ．节点图如图４－５所示）函数配置声音输入设各（声卡）参数，用于获取数据并且将数据传送至缓冲区，其中声音格式（ｓｏｕｎｄｆｏｒｍａｔ）分别为采样率（ｓａｍｐｌｅｒａｔｅ（Ｓ／ｓ）），通道数（ｎｕｍｂｅｒｐｅｒｏｆｃｈａｎｎｅｌｓ）和采样位数（ｂｉｔｓｓａｍｐｌｅ）三者的设置（设计时要设置默认值，这里分别设黄为１１０２５Ｈｚ、双通道和１６位）。图４—５ＳｏｕｎｄＩｎｐｕｔＣｏｎｆｉｇｕｒｅ节点２）采样、保存数据根据声卡参数设置，在设置好各参数后，按下“开始”按钮，进入“Ｗｈｉｌｅ”循环，使用“读取声音”函数从输入设各读取采集数据，并通过图形显示器（ＷａｖｅｆｏｒｍＧｒａｐｈ）将其显示。该模块还提供保存所有或部分数据的功能。出于ＰｃＭ波形音频格式基于ＬａｂＶＩＥＷ信口Ｊ分析系统的设汁第网章信号分析系统的设计输出的信号质量最好，所以本文使用该格式对信号进行数字化处理、存盘和重载。在设置好存储路径的前提下，通过“保存／暂停”按钮可以对信号进行保存或暂停保存（暂停保存时仍可以在图形显示器动态刷新采样波形），以便对声音信号进行再分析。按下“停止’’按钮，采样、保存工作停止。此模块将为信号分析模块提供实时采集数据，故将此数据设为全局变量。３）释放声卡通过“声音输入清零”函数，停止声音采集，清除缓冲区，返回到任务默认状态，并且释放与任务有关的资源。通过“关闭声音文件”函数，将打开的文件关闭。４．３．２历史重载信号的设计通过“信号源选择”ＴａｂＣｏｎｔｒｏｌ控件的“历史重载信号”选项触发进入此模块，其前面板由“历史数据重载”和“波形显示”两部分构成，波形数据读取模块可以读取所有“．Ｗ３Ｖ”格式的波形数据。对于某份波形数据，用户既可以选择一次性读完，也可以通过设置“起始时间”和“截取长度”来读取波形数据中的某一段数据。数据读取之后可以显示采样率、通道数、采样位数和每通道采样数。为便于信号分析处理模块从此模块提取数据进行分析，此处历史重载亦设为全局变量。４．３．３仿真信号的设计在现实生活中，不是所有的信号都能用实际仪器产生，因此，仿真信号发生模块的作用不可小视，它可以产生任意频率的信号，在无法获得实际信号时，可以用它作为标准信号源产生信号来检测系统（此通过声卡的ＬｉｎｅＯｕｔ输出，则成为一信号发生器，此功能本文没有涉及）。此模块包含信号生成、波形显示、噪声添加等部分。它可以产生正弦波、方波和三角波等常用信号。信号的频率、幅值、采样频率、等可以由用户调节，从而产生用户想要的信号。仿真信号模块程序框图设计如图４—６所示，主要通过两个Ｃａｓｅ结构实现选择不同波形类型，采用相对应的波形节点产生所需波形，通过“白噪声选择”按钮可以选择加入白噪声，幅度可调，再通过Ｗｈｉｌｅ循环结构，产生连续波形。基于ＬａｂＶｌＥＷ信号分析系统的设计丽霞。”锸”醴穿卜—１１之栅：ｌｒ１６第¨章信号分析系统的设计宙ｉＡ】ｒｂ掣９—一口Ｌ—Ｊ图４－６仿真信号模块程序框图４４信号分析处理模块的设计此模块主要包括“时域分析”、“频域分析”和“辅助功能”三个子模块，其中“时域分析”和“频域分析”子模块通过ＴａｂＣｏｎｔｒｏｌ控件触发事件结构实现。“辅助功能”模块通过按钮控件触发事件结构实现。４４１时域分析的设计时域分析模块共分参数测量、谐波失真分析和自相关分析三部分对信号进行时域分析。该模块程序设计框图如图４—７所示。通过全局变量调用“信号源选择”模块的数据．使用“ＡｍｐｌｉｔｕｄｅＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓａｎｄＬｅｖｅｌｖｉ”进行相关参数测量分析，结果在前面板中显示出来，主要完成信号的周期平均值、周期均方根值、峰峰值、均值等的测量和显示。谐波失真是音频测量中比较重要的一个参数，简单地说就是声音信号经音频设备重放后多出来的额外的谐波成分。本文基于第二章介绍的ＦＦＴ谐波分析理论，调用了“Ｈ删眦ｉｃＤｍｔｏｒｆｉｏｎＡｎａＩｙｚｅｒ．ｖｉ”节点，得出了各谐波失真分析参数。该部分用于分析信号的谐波，包括信号的基频、各谐波的幅值及总的谐波失真。自相关分析常用来检测信号中是否含有周期成分。如果信号中含有周期成分，则自相关函数衰减很慢且有明显的周期性。本文通过调用“Ａｕｔｏ进行自相关分析。Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｖｉ”函数基于ＩｊｂＶＩＥＷ信号分析系统的设计第四章信号分析系统的设计图４７时域分析模块程序框图２频域分析的设计４４在信号分析和处理过程中．有时候仅对信号进行时域分析并不能完全揭示出信号的全部特征，这就要求刘信号进彳亍频域分析。在时域信号处理中复杂的方程和算法，变换到频域进行解决，求解起来就有可能会变得很方便。ＬａｂＶＩＥＷ中对信号的频域分析主要是在对信号进行ＦＦＴ分析基础上进行的。在ＬａｂＶＩＥＷ中提供了许多频域分析的函数节点。下面就信号分析虚拟实验系统的潜分析部分的设计进行介绍。频域分析模块的设计框图如图４－８所示。在对信号进行采样处理时，很容易因为外在因素等原因产生噪声信号，导致信号失真，这就需要用到滤波技术消除这些噪声。ＬａｂＶ［ＥＷ提供了众多信号处理中用到的数字滤波器，能对采样信号进行滤波处理，提高有用信号的比重而消除或减少信号的噪声干扰。和模拟滤波器相比，该数字滤波器不需要硬件设备，不存在阻抗匹配的问题．并且性能高，不会园温度、湿度的影响产生误差。故在此模块框图设计中，在信号分析之前加入了ＩＩＲ滤波器，在其后利用“ＳｃａｌｅｄＷｉｎｄｏｗ”节点进行加窗处理，其主要目的是平滑截断出不连续的变化并减少泄蒲，不同窗处理会带来不同影响，本设计共有“Ｈａｒｍｉｎｇ…ＨａｍｍＪｎｇ”“Ｂｌａｃｋｍａｎ—Ｈａａｒｒｉｓ”等１９种窗函数供用户结合实际处理信号进行选择。然后对滤波、加窗后的信号进行谱分析，本文主要进行了“功率谱分析”和“相位幅度谱分析”，并在前面板中显示相应波形。基于ＬａｂＶＩＥＷ信号分析系统的设计第凹章信号分析系统的鞋计Ｂ图４－８频域分析模块程序框图４４３辅助功能模块的设计辅助功能主要包括“图像保存”和查阅“帮助信息”功能。１）图像的保存对于输入信号波形、频谱图形、谐波信号等采集的数据在ＷａｖｅＧｒａｐｈ上显示，有时为了保存显示的图形ＬａｂＶＩＥＷ中特别提供了几种常用图像格式（｝ＢＭＰ．｛ＪＰＥＧ。｛ＰＮＧ）的保存，本系统中保存格式为｝ＢＭＰ。利用Ｇｒａｐｈ的ＩｎｖｏｋｅＮｏｄｅ（调试模式）的ＧｅｔＩｍａｇｅ属性获得图像（包括图像大小颜色背景色等参数的设置），点击“图像保存”按钮，会弹出选择图像保存对话框以选择要保存的图形。以仿真信号模块通道１图像保存为例，图像保存程序框图如图４—９所示。基于ＬａｂＶＩＥＷ情号分析系统的设计———麴篡鬟三；差舞四章信号分析系统的设＊冈霞＿－ｌ２）帮助界面的设计圈４一ｇ凹像保仔程厅＝ｆ匡蹦帮助界面是使用户对系统有更多的了解，主要介绍了该信号分析系统的主要功能和操作需要注意的事项，另外在程序的菜单按钮中利用对话框函数编写了帮助文档，系统说明了该实验的操作步骤．通过各个按钮的ＤｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎａｎｄＴｉｐ对话框编辑各个按钮的功能说明，使鼠标停放在按钮上时自动提示它的功能。４．５自动错误处理Ｉ．ａｂＶｌＥＷ还有自动错误处理功能，利用其函数节点的ｏ］ｙＩ－ｏｒｌｎ和ｅｒｒｏＦｏｕｔ端口可在程序运行中某一个函数发生错误时自动挂起．弹出错误信息对话框，高亮显示出错函数的图标并将出错信息依次向后传递，后续函数将不再进行任何操作，直到程序最后做出相应的错误处理。在本文设计中充分利用了此功能，极大方便了设计的调试工作。４６文件管理文件管理方式有两种：一种是将各个文件分散独立地保存，另一种是将相关文件集中起来保存于个库中。库文件保存有利于节省磁盘空闻，并且有利于移植到其它平台上去，安全性较高。在完成对信号分析系统各个模块的设计后，将各个模块的程序添加到一个库文件中，同时这些文件保持着自己的独立性。先创建一个新的库文件，在主程序前面板中的Ｐｉ］ｅ菜单中选择Ｓａｖｅａｓ．弹出一基于ＬａｂＶＩＥＷ信号分析系统的设汁第阴章信号分析系统的设计ＶＩ个文件对话框中按下“Ｎｅｗ件名称ＳｉｇｎａｌＡｎａｌｙｓｉｓＬｉｂｒａｒｙ＂按钮，出现一个新的提示对话框，输入库文Ｓｙｓｔｅｍ，再单击“ＶＩＬｉｂｒａｒｙ”按钮，将出现另一个对话框，按下“０Ｋ＂按钮就建立了一个新的库文件。然后将各个模块程序保存到库文件，在各个模块的Ｆｉｌｅ菜单中选择Ｓａｖｅａｓ，在保存文件对话框中选择库文件ＳｉｇｎａｌＳｙｓｔｅｍ．１ｌｂ，弹出一个文件对话框，将文件名输入至ｌＪＮａｍｅ实现将各个模块保存到一个库文件中了。ｔｈｅＡｎａｌｙｓｉｓＶＩ中，确认后就可以４．７程序的运行与调试在创建或编辑完成一个ＶＩ对象后，需要通过调试来排除ＶＩ对象中的问题。完成调试后可以通过运行来检查所编写ＶＩ的功能。４．７．１运行ＶＩ在运行ＶＩ之前，必须保证ＶＩ是可运行的，导致ＶＩ断开的常见情况有ｎ引：１）数据类型不匹配或存在没有连接的连线端，导致程序框图中有断线。２）必须连接的程序框图接线端没有连线。有些节点或子ＶＩ的一些输入或输出接线端必须连接，不能置空。３）子ＶＩ处于断开状态，或在程序框图上放置子ＶＩ后又对该子Ｖ工的连线板进行修改而没有更新。４．７．２调试ＶＩ在程序调试中根据出现的问题，找到以下几种解决方法：１）找出语法错误如果一个Ｖ１程序存在语法错误，则在面板工具条上的运行按钮将会变成一个折断的箭头，表示程序不能被执行。这时这个按钮被称作错误列表。点击它，贝ＥＪＬａｂＶＩＥＷ弹出错误清单窗口，点击其中任何一个所列出的错误，选用Ｆｉｎｄ功能，则出错的对象或端口就会变成高亮。２）设置执行程序高亮在ＬａｂＶＩＥＷ的工具条上有一个画着灯泡的按钮，这个按钮叫做“高亮执行”按钮点击这个按钮使该按钮图标变成高亮形式，再点击运行按钮，ＶＩ程序就以较慢的速度３１基于ＬａｂＶＩＥＷ信号分析系统的设计第删章信号分析系统的设计运行，没有被执行的代码灰色显示，执行后的代码高亮显示，并显示数据流在线的数据值。这样，你就可以在根据数据的流动状态跟踪程序的执行。３）断点与单步执行为了查找程序中的逻辑错误，希望框图程序一个节点一个节点地执行。使用断点工具可以在程序的某一地点中止程序执行，用探针或者单步方式查看数据。使用断点工具时，点击设置或者清除断点的地方。断点的显示对于节点或者图框表示为红框对于联机表示为红点。当ＶＩ程序运行到断点被设置处，程序被暂停在将要执行的节点以闪烁表示。按下单步执行按钮，闪烁的节点被执行，下一个将要执行的节点变为闪烁，指示它将被执行。也可以点击暂停按钮，这样程序将连续执行直到下一个断点４）探针可以用探针工具来查看当框图程序流经某一根连接线时的数据值。从ＴｏｏｌｓＩ具模板选择探针工具，再用鼠标左键点击探针的连接线。这时显示器上会出现一个探针显示窗口。该窗口总是被显示在前面板窗口或框图窗口的上面。在框图中使用选择工具或联机工具，在联机上点击鼠标右键，在联机的弹出式菜单中选择“探针”命令同样可以为该联机加上一个探针。５）保存连线值可以通过单击保存连线值按钮，在程序运行时保存流过连线的数据流的值。ＬａｂＶＩＥＷ虽然为我们提供了功能完善的调试工具，但仍然存在着许多隐含在程序内部的错误无法发现。这就要求设计者在开发程序的过程中一定要仔细地把好每一关，在模块内部将错误清除，才能减轻最终程序调试的难度。４．８本章小结本章详细分析了在ＬａｂＶＩＥＷ平台下利用声卡采集功能实现音频信号采集分析系统的设计过程。分别从声卡设置、数据采集、数据保存重载、仿真信号生成和信号分析等多方面对系统的参数设置、面板设计、程序代码编写进行了阐述。该系统可以完成对音频信号的采集、处理，能满足基础性实验的要求。３２基于ＬａｂＶＩＥＷ信口－分析系统的设计第五章实验结果与分析第五章实验结果与分析为了研究声卡的信号采集性能，进一步验证信号分析系统的可行性，本文进行了大量实验，下面分别通过“声卡可行性验证实验＂和“典型信号滤波和频谱分析实验”为例验证本文所设计的信号分析系统的可行性。１．声卡可行性验证实验选用绿扬（ＬＶＹＡＮＧ）制造商生产的ＹＢｌ６０２函数发生器作为标准信号源，在配置为Ｐｅｎｔｉｕｍ３、５１２Ｍ内存的计算机上，对板载ＣｒｙｓｔａｌＷＤＭＡｕｄｉｏ声卡的数据采集性能进行了测试分析，测得其频率和电压幅值，结果如表１所示。表１输入信号测量值对照表序号１２３４５６７８９１０输入频率（Ｈｚ）２０．０５２５．１３５．１１６０．２１１００．７５００．５５００２１００１７１５０５６２０１２ｌ输入电压（ｍＶ）５６０５５０５３０５４０５５０５６０５５０５６０５７０５７０测得电压（ｍＶ）３２５．３７３８８．２５４５１．７６５０７．３５５２９．０２５３９．８１５４５．１５５３８．１２５３９．７４５４１．５４相对误差（％）４１．９０２９．４ｌ１４．７６６．０５３．８１３．６ｌ０．８８３．９１５．３１４．９９表１显示当输入频率达到２０ｋＨｚ时，幅值仍能正确测量到。当输入频率高于ｌＯｋＨｚ时，波形已有明显折线，当输入频率低于６０Ｈｚ时，测得的电压幅值下降较快。由表１可见，测得的电压最大值５４５．１５ｍＶ在输入频率５ｋＨｚ左右。测得的电压幅值为０．７０７Ｘ５４５．１５ｍＹ＝３８５．４２ｍＶ，其频率大致为２５Ｈｚ。通过上述分析我们可以看出，只要输入信号频率集中在３０Ｈｚ～２０ｋＨｚ范围内时，都能够正确的采集。为了得到更好的波形，信号的频率最好在１００Ｈｚ～１５ｋＨｚ范围内。但如果需要处理直流或缓变信号，则需要其他技术的配合。２．典型信号滤波和频谱分析实验以滤波和频谱分析为例，验证所设计信号分析系统的可行性。通过声卡采集信号基十ＬａｂＶＩＥＷ信号分析系统的设计第ｉ章宴验结果与分析发生器ＹＢｌ６０２产生正弦波、三角波、方波信号，进行巴特沃思（ＢＵＴＴＥＲＷＯＲＴＨ）ＩＩＲ滤波器滤波和频谱谱分析。ｉ）输入正弦波，频率：５００Ｈｚ，幅度：０５Ｖ（ａ）滤波器设置为低通滤波器，截止频率分别为２５０Ｈｚ、４００Ｈｚ、６００Ｈｚ，滤波效果分别如图５一ｌ、图５—２和图５３所示：ｏ１０００Ｉ‘ｔ２０∞弼∞４０００ｕｕｕｅｎｃｙ由上面的三幅效果图可以看出，截止频率为２５０Ｈｚ时没有能量通过；截止频率为批十ＬａｂＶＩＥＷ倩口分折系统的鞋汁第ｉｍ实验结果与什＊４００Ｈｚ时，频谱峰值有０２Ｖ左右，大部分能量被滤掉，这是由于滤波器不是理想器件所造成．仍有部分能量通过：截止频率为６００Ｈｚ时，则所柏能量都能通过。（ｂ）滤波器设置为高通滤波器，截止频率分别为４００Ｈｚ、６００Ｈｚ、９００ｌｔｚ，滤波效果分别如图５４、图５５和图ｊ６所示·阳０！ｏ呈。图ｊＯ！ｏ＝量Ｄ到５６截止频率为８００ＩＩｚ的高通滤波输出基于ＬａｂＶＩＥＷ信号分析幕统的设计第五章实验结果与分析由上面的三幅效果图可阻看出，截止频率为８００Ｂｚ时没有能量通过；截止频率为６００Ｈｚ时，频谱峰值有０１Ｖ左右，大部分能量被滤掉，这是由于滤波器不是理想器件所造成，仍有部分能量通过；截止频率为４００Ｈｚ时，则所有能量都能通过。（ｃ）滤波器设置为带通滤波器，下截止频率为４００Ｂｚ，上截止频率６００Ｈｚ，滤波效果如图５—７所示：带通滤波器，（ｄ）滤波器设效果如图５８所示黑ｉ图５－８截止频率为４００Ｈｚ一６００Ｈｚ的带阻滤波输出５Ｖ带阻滤波器，下截止频率为４００Ｈｚ，上截止频率６００Ｈｚ，所有能量都不能通过。２）输入三角波，频率：５００Ｈｚ，幅度：０滤波嚣设置为高通滤波器，截止频率为４００Ｈｚ，频谱分析结果如图５－９所示，三角波的频率分量包括５００Ｈｚ，１５００Ｈｚ，２５００Ｈｚ．３５００Ｈｚ，……等。基ｆＬａｂＶＩＥＷ信号分析系统的设计第五章宴验结果与分析２）输入方波．滤波器设置为方波的频率分量包曛ｉ１＾ｒＣ“幢。。（。’Ｋ图５—１０方波频谱通过ＩＩＲ滤波器的各种形式的高通、低通、带通和带阻滤波器对正弦波滤波效果实验和三角波、方波和正弦波等信号的频谱输出实验，说明本课题所设计的信号分析系统能够适用于实际实验教学和研究，具有实用价值。基于ＬａｂＶＩＥＷ信日．分析系统的设计第六章总结与展望第六章总结与展望本文重点研究基于ＬａｂＶｌＥＷ的信号采集分析系统，并将其建成一个虚拟实验系统，为教学、科研工作服务。分析信号分析系统实现的可行性，比较各种设计方案的优劣，确定最终的设计方案。与专业虚拟实验室相比，本方案节约了虚拟实验系统的建设成本，拓展了实验的空间，对实验教学将起到积极的推动作用，借助该系统实现对电子类专业部分音频分析实验的测试与验证，达到预期目的。设计的信号分析系统有数据采集、波形显示与保存、滤波、加窗、参数测量、数据分析、存储以及数据文件再调用分析等功能，基本上满足了音频信号分析和实验教学的需要。信号分析系统集成了虚拟示波器、信号发生器、频谱分析仪等仪器功能，将这些虚拟仪器用到实验教学中去，以取代常规仪器，实际教学中可根据实验要求，自行设计各种面板，定义仪器的功能并可以各种形式表达输出检测结果，进行实时仿真分析，与传统仪器相比，增加了频域分析功能，在相同的硬件条件下，可以通过修改或增加软件模块，形成新的仪器功能；硬件具开放性，可以通过升级硬件来提高性能；运用虚拟仪器技术设计教学用信号分析系统，能充分发挥计算机性能，打破了以往由教学仪器限定实验的模式，使用者能够根据自己的需要更改和重新定仪器的功能；本系统虽然是在ＬａｂＶＩＥＷ平台上开发的可用于实验教学的信号分析系统，但由于采用模块化设计思想和面向对象的设计方法，使该系统具有良好的移植性；在此基础上，可以进一步构建基于虚拟仪器的网络虚拟实验室。本文提出的基于ＬａｂＶＩＥＷ利用声卡作为音频数据采集设备而构建的信号分析系统，虽然具有较高的性价比，但由于受多种客观因素的制约，还存在一些不足，有许多工作有待开展：１）声卡作为普通的Ａ／Ｄ设备，其对信号的采集功能具有一定的局限性。其中表现之一就是对采集信号的频率范围是非常有限的（目前尚不支持高频声音数据的实时采集，对于高频声音数据需使用专用采集设备进行）。因此，本文中所陈述的方案仅仅是一般性实验平台的设计方案，对于要求测量精度高，测试范围广的情况，本方案是不太适用的。对于不同档次的声卡，其性能的高低将直接影响到采集信号的真实性，从而将引起实验数据的误差。在进行同类实验的设计时，应采用同级别的声卡作为信基于ＬａｂＶＩＥＷ信号分析系统的设计第六章总结与展望号采集设备。就目前的软硬件条件，本系统只能服务于～般基础性测量实验的需要，还不能支持高精度测量的要求。２）目前，仪器网络化是虚拟仪器研究的热点之一。所谓仪器网络化是指把虚拟仪器嵌入到Ｗｅｂ中，客户机不需要安装（或仅安装小部分插件）测量系统就可以通过网络实现远程测量，获取测量数据。根据现有的仪器网络化水平，要想完全实现仪器网络化，还有许多问题有待进一步解决，这也是以后进一步的工作。虚拟仪器设计已经成为测试与仪器技术发展的一个重要方向。随着高速Ａ／Ｄ芯片和电路的进一步集成化，可以设想在不远的将来，一台安装有虚拟仪器软件的标准微机成为一个多功能的测量仪器站不再是梦想，这将从从根本上改变目前专用仪器的研制和生产。３９基于ＬａｂＶＩＥＷ信号分析系统的设计参考文献参考文献【１】ＮａｔｉｏｎａｌＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ。ＬａｂＶｌＥＷＵｓｅｒＭａｎｕａｌ［Ｍ］．Ｔｅｘａｓ：ＮａｔｉｏｎａｌＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，２００３．【２】骆金龙．虚拟仪器综述【ＥＢ／ＯＬ】．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｉｎｓｔｒｎｅｔ．ｃｏｍ／ｖｉｅｗｎｅｗｓ．ａｓｐｘ？ｉｄ＝２８３７３（中国仪器仪表信息网），２００５．４．１８．［３】刘君华．虚拟仪器图形化编程语言ＬａｂＶＩＥＷ教，Ｉｉ［ＭＩ．西安：西安电子科技大学出版社，２０００．４．【４】陈锡辉，张银鸿．ＬａｂＶＩＥＷ８．２０程序设计从入门到精通【Ｍ】．北京：清华大学出版社，２００７．７．【５】零点工作室，刘刚，王立香，张连俊．ＬａｂＶｌＥＷ８．２０中文版编程及应用【Ｍ】．北京：电子工业出版社，２００８．１【６】百度知道．声卡性能评价指标和主要生产厂商【ＥＢ／ｏＬ】．ｈｔｔｐ：／／ｚｈｉｄａｏ．ｂａｉｄｕ．ｃｏｍ／ｑｕｅｓｔｉｏｎ／１９８７１６３９．ｈｔｍｌ，２００７－０２—１６【７】高西全，丁美玉，阔永红．数字信号处理【Ｍ】．北京：电子工业出版社，２００６．８．【８】张直平，李芳辰．城市电网谐波手册【Ｍ】．北京：中国电力出版社，２００１．２．【９】谐波国家标准起草工作组．电能质量公用电网谐波【Ｓ】，ＧＢ／Ｔ１４５４９－９３．【１０】谭福有．标准化的形式（四）：模Ｊ＃！ｚ４ＪＣ［Ｊ］．信息技术与标准化，２００５（１０）：５７～６０．【１１】罗亩．模块化编程［ＥＢ／０Ｌ】．ｈｔｔｐ：／／ｂｌｏｇ．２１ｉｃ．ｃｏｍ／ｕｓｅｒｌ／６３０／ａｒｃｈｉｖｅ／２００６／２１２２０．ｈｔｍｌ，２００６．７．６．【１２】杨乐平、李海涛等，ＬａｂＶＩＥＷ程序设计与应用，北京，电子工业出版社，２００１年【１３】龙脉工作室．ＬａｂＶＩＥＷ８．２０中文版入门与典型实例【Ｍ】．北京：人民邮电出版社．２００８．７．基于ＬａｂＶＩＥＷ信号分析系统的设计攻读学位期问公开发表的论文攻读学位期间公开发表的论文１．《基于声卡的数据采集分析系统》，《江苏电器》，２００８年１２月增刊４１基于ＬａｂＶＩＥＷ信号分析系统的设计致谢致谢三年的工程硕士学习生涯即将结束，我要感谢三年来对我提供热心帮助和关心的老师和同学们。回首往日，三年来的点点滴滴，历历在目，我有幸结识了一个非常让人钦佩的教师群体，他们渊博的学识，敬业的精神都让我为之感动，有幸结识了一帮陪我度过难忘时光的同学们，让我在苏大校园获得了知识的同时也拥有了真挚友谊。值此论丈完成之际，更要感谢我的导师施国梁老师，从本课题的选题、开题、定稿，施老师都一丝不苟，不厌其烦，给予我悉心的帮助和指导，提出了很多有价值的指导、修改意见，使我深受启发，学到了许多。他严谨的治学态度、勤奋的工作作风令我非常敬仰。这里再次对施老师表示深深的谢意。感谢我电子系的同事和工程硕士班的同学们，对我学习ＬａｂＶＩＥＷ，撰写论文等工作提供了很大的帮助，感谢所有关心和帮助过我的老师、同学和朋友们，在我的研究工作中也凝聚着他们的关心和友谊。我能够顺利完成本论文，还要感谢我的家人在生活上的关怀和学习上的鼓励，他们的支持是我前进的动力。时光荏苒，回想过去，思绪万千。各位老师、同学、朋友和亲人给我的关怀和帮助，使我永远难忘。这些经历将是我人生不可多得的财富。最后，论文中如有不妥之处，恳请师长们批评指正１程雪敏２００８年９月４２基于LabVIEW信号分析系统的设计

作者：

学位授予单位：

程雪敏苏州大学

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