利用LabVIEW实现信号处理

利用LabVIEW实现信号处理

摘要

信号处理几乎涉及到所有的工程技术领域，而频谱分析正是信号处理中的一个非常重要的分析手段。一般的频谱分析都依靠传统频谱分析仪来完成，价格昂贵，体积庞大，不便于工程技术人员携带。而基于LabVIEW设计的虚拟频谱分析仪，用软件代替硬件，价格低，便于工程技术人员完成现场信号的采集、处理及频谱分析。

现今最有代表性的图形化编辑软件——LabVIEW，用之模拟从DAQ板卡中采集到一路带有均匀白噪声的正弦信号，显示其波形，并分析、显示其幅频特性曲线以及相频特性曲线。另外本文还根据LabVIEW中的子程序，实现了语音信号的录音与播放。

关键词虚拟仪器数据采集总线LabVIEW

1.1 LabVIEW简介

LabVIEW (laboratory virtual instrument engineering wokbench——实验室虚拟仪器工程平台)的概念,是直观的前面板与流程图式的编程方法的结合,是构建虚拟仪器的理想工具。LabVIEW和仪器系统的数据采集、分析、显示部分一起协调工作, 是简化了而又更易于使用的基于图形化编程语言G的开发环境。

LabVIEW集成了很多仪器硬件库,如GPIB/VXI/PXI/基于计算机的仪器、RS232/485协议、插入式数据采集、模拟/数字/计数器Ｉ/Ｏ、信号调理、分布式数据采集、图像获取和机器视觉、运动控制、PLC/数据日志等。

与传统的编程方式相比,使用LabVIEW设计虚拟仪器,可以提高效率4～10倍。同时,利用其模块化和递归方式,用户可以在很短的时间内构建、设计和更改自己的虚拟仪器系统。

1.2用LabVIEW设计虚拟仪器的步骤

LabVIEW编程一般要经过以下几个步骤。

1、总体设计：根据用户需求，进行VI总体结构设计，确定面板布局与程序流程，并保证所使用的虚拟仪器硬件在LabVIEW函数库中有相应的驱动程序。

2、前面板设计：在LabVIEW的前面板编辑窗口内，利用工具模板和控件模板进行VI 前面板的设计。

3、方框图编程：在LabVIEW的方框图编辑窗口内，利用工具模板和函数模板进行方框

图编程。

4、程序调试：单击前面板编辑窗口或方框图编辑窗口工具条中的运行按钮，执行VI 程序；同时可利用LabVIEW工具模板中的断点工具和探针工具调试缩编程序。

2.1 LabVIEW与信号处理

信号处理是LabVIEW的一个重要组成部分它提供了大量的信号处理库函数，即VI，从信号的生成或采集，进行FFT变换，到作各种谱分析等都有现成的VI调用，对于通用信号的分析或精度要求不高时，利用其现成的VI就已经能够满足要求。但当用于处理复杂信号时，其精度远达不到要求。LabVIEW是一比较开放的编程环境，它提供了代码接口节点（CIN）和调用库函数（CLF）等功能，方便了用户直接调用由其它语言编成的可执行程序。结合工程实际，编制了信号处理频谱校正的部分程序。利用LabVIEW的CIN接点功能，加入频谱校正三种新方法，大幅度提高了处理复杂信号的精度，使其完全满足工程分析需要。

2.2利用LabVIEW实现信号处理的目的意义

信号处理，作为对信号的分析、解释和操作，是几乎各类工程应用中的基本需求。借助LabVIEW软件完整的分析功能，无需浪费时间移动不相容工具之间的数据，无需编写自己的分析规程，就能处理各类信号。想在屏幕上查看数据，单凭数据的采集和处理往往是不够的。您有时需要保存采集的数据以备今后参考；在硬盘和数据库中存储数百或数千兆字节的数据也并不稀奇。应用程序运行了一次乃至上百次后，用户继而可以提取信息以便作出决定、比较结果、对过程做适当的修改，直到获得满意的结果。

盲目存储所有采集的数据，使累积大量数据相对容易，以至其变得无法管理。借助快速数据采集卡和足量的通道数，只需数毫秒就能获取数千个值[NI PCI-6115 S系列数据采集(DAQ)卡每秒采集超过57 MB的原始数据]。搞清所有数据的意义并不是一项琐碎的任务。工程师和科学家一般会提出报告，创建图形，并最终用经验数据来证实任何评估和结论。缺乏正确的工具，任务艰巨的同时，还导致效率下降。

借助LabVIEW，在将数据存储到磁盘前，可先轻松执行重要的数据压缩和规范化，这样在提取已保存的数据做进一步分析或预览时，就显得更容易。重采样、平均和数学变换，如：快速傅立叶变换(FFT)，可将大量原始数据转换为更有用的结果以便记录和今后参考。有别于仅为数据采集或信号处理设计的软件开发工具，LabVIEW从开发时就提供完全集成的解决方案，帮助用户在单一环境中同时采集并分析数据。

2.3带有白噪声的正弦信号分析

本节采用LabVIEW编写一个VI程序，模仿从DAQ板中采集一信号，假设该信号为带有均匀白噪声的正弦信号，其中正弦信号的幅度值为1V，白噪声信号的峰值为0.2V。从DAQ

板卡中采集信号后，采用传统示波器的思想显示其波形，并对其进行幅频特性分析以及相频特性分析，并显示幅频特性曲线以及相频特性曲线。本设计还对输入信号的峰峰值进行测量并显示，并将信号的峰峰值保存到.lvm文件（可用word或excel打开），当信号的峰峰值超过2.2V时，用LED报警。VI的前面板如下：

图2—1 正弦信号分析程序前面板

上图中，第一个图表显示带有白噪声的正弦信号，第二个图表对信号进行FFT分析，显示其幅频特性曲线，第三个图形为相频特性曲线。

程序流程图如下：

图2—2 正弦信号分析程序框图

2.4简单录音器与播放器的制作

LabVIEW为程序设计者提供了一系列的子VI，本部分主要利用音频信号处理的子VI，包括SI config、SI start、SI read、SI write等，设计了一个简单的音频信号播放器以及录音器，前面板如图2－3所示：

图2—3 录音器与播放器前面板

图2－3中，最上边的一排播放控制控件，前三个为录音控件，分别为record（录音）、pause（暂停）、stop（停止）；后五个为放音播放控件，依次为open（打开文件）、play（播放）、pause（暂停）、stop（停止）、quit（放弃）。图2－3的三个显示面板自左向右，第一个为面板显示播放文件的信息，其余两个分别显示录音文件以及放音文件的波形。程序流程如图2－4所示。

图2—4 录音器与播放器程序框图

3 LabVIEW实现信号处理结果和结论

虚拟仪器技术在机械工程中的应用实现了信号的实时处理，简化了设备结构，增强了仪器功能，使检测结果更精确、更可靠。它将现有的计算机主流技术新的灵活易用的软件和高性能模块化硬件结合在一起建立起功能强大又灵活易变的基于计算机测试测量与控制系统

来代替传统仪器的功能。在虚拟仪器中硬件不是系统的主体，而只是信号输入输出的通道。将测量所得模拟信号转化为数字信号，然后传输给计算机。信号的分析、计算、统计和结果显示等繁杂的工作都交由系统的软件处理。利用计算机处理器强大的运算能力，可很快得到结果。除此之外，虚拟仪器可以连接多种传感器，可将数据融合图像处理等尖端技术集于一身，将是监测精密器件的必不可少的工具。