毕业设计（论文）-基于LABVIEW信号处理器的设计.doc

基于labview的信号处理器摘 要利用labview建立更加简洁方便的虚拟示波仪,频谱分析仪等,产生原始信号并组成了对信号的分析处理系统。首先是对原始信号进行时域波形显示,频域频谱显示。最后再对滤波后的信号进行相关分析,除掉谐波干扰信号。最终完成对所有干扰信号的过滤。虚拟仪器的出现是测量仪器发展历史上的一场革命。它充分利用最新的计算机技术来实现和扩展仪器的功能，用计算机屏幕可以简单地模拟大多数仪器的调节控制面板，以各种需要的形式表达并且输出检测结果，用计算机软件实现大部分信号的分析和处理,完成大多数控制和检测功能。用户通过应用程序将一般的通用计算机与功能化模块硬件结合起来,通过友好的界面来操作计算机,就像在操作自己定义，自己设计的单个仪器,可完成对被测量的采集，分析，判断，控制，显示，数据存储等。虚拟仪器是一种高效用于构建数据采集与监测系统图形化编程语言。使用虚拟仪器，您快速创建用户界面，让您交互控制您的软件系统。要指定您系统的功能，您只需装配块关系图一种自然的设计表示科学家和工程师。测量硬件紧密集成方便了数据采集、分析与演示文稿解决方案的快速发展。关键词： labview 虚拟仪器 前面板 后面板abstractusing labview to establish a more concise and convenient virtual oscilloscope, spectrum analyzer and so on, to produce the original signal and the composition of the signal analysis and processing system. the first is on the original signal time-domain waveform display, frequency spectrum display. finally, the filtered signal correlation analysis, remove the harmonic interference signal. the final completion of all interference signal filtering.the emergence of virtual instrumentation is a revolution in the history of the development of measuring instruments. it fully utilizes the latest computer technology to implement and extend the instrument function. using the image of a computer screen can be easily simulate a variety of equipment control panels to the needs expressed in the form of the output of test results. using computer software to achieve most of the signal of the analysis and processing to complete a variety of control and test function. the user through the application of general-purpose computer program modules and features of the hardware together. through friendly graphical interface to operate this computer. as in operating their own definition of individual instruments of their own design can be measured to complete the acquisition, analysis, determine, control, display, data storage and so on. labview is a highly productive graphical programming language for building data acquisition an instrumentation systems.with labview, you quickly create user interfaces that give you interactive control of your software system. to specify your system functionality,you simply assemble block diagrams - a natural design notation for scientists and engineers. tis tight integration with measurement hardware facilitates rapid development of data acquisition ,analysis,and presentation solutions.key words：labview ;virtual ; front panel ;back panel第一章 引言1.1虚拟仪器所谓虚拟仪器,就是在以计算机为核心的硬件平台上,其功能由用户定义和设计,具有虚拟面板,其测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。虚拟仪器的实质是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板,以多种形式表达输出检测结果;利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析和处理;利用i/ o 接口设备完成信号的采集、测量与调试,从而完成各种测试功能的一种计算机仪器系统。1.1.1 虚拟仪器概念虚拟仪器的起源可追溯到20世纪70年代。“虚拟”的含义主要是强调了软件在这类仪器中的作用，体现了虚拟仪器与主要通过硬件实现各种功能的传统仪器的不同。由于虚拟仪器结构形式的多样性和适用领域的广泛性，目前对于虚拟仪器的概念还没有统一的定义。美国国家仪器公司（national instruments corporation，ni）认为，虚拟仪器是由计算机硬件资源、模块化仪器硬件和用于数据分析、过程通信及图形用户界面的软件组成的测控系统，是一种计算机操纵的模块化仪器系统。虚拟仪器主要由通用的计算机资源（例如微处理器、内存、消声器）、应用软件和仪器硬件（例如a/d、d/a、数字i/o、定时器、信号调理等）等构成。使用者利用应用软件将计算机资源和仪器硬件结合起来，通过友好的图形界面来操作计算机，完成对测试信号的采集、分析、判断、显示和数据处理等功能。虚拟仪器中的硬件主要用于解决信号的调理以及输入、输出问题。而软件主要用于实现对数据的提取、分析处理、显示以及对硬件的控制等功能，这些功能在传统电子仪器中往往通过硬件来实现。图1-1给出了一种利用数据采集卡实现的虚拟仪器。 信号调理 数据处理 数据采集卡 传感器 虚拟仪器面板 与传统仪器相比，虚拟仪器具有以下优点。 （1）虚拟仪器的软件和硬件具有开放性、模块化、互换性以及可重复使用等优点。例如，为了提高仪器的性能，可加入一个通用的仪器模块，或者更换一个仪器模板，而不必重新购买整个仪器。 （2）在通用硬件平台搭建后，由软件来实现仪器的具体功能，即软件在虚拟仪器中具有重要的作用。 （3)虚拟仪器的功能是由用户根据实际需要通过软件来定义的，而不是事先由仪器商定义的。 （4）虚拟仪器研制的周期较传统仪器大为缩短。 （5）虚拟仪器的性价比较高。 （6）由于虚拟仪器技术是建立在计算机技术和数据采集技术基础上的，因而技术更新较快、成本较低、测试自动化程度较高，而且可与网络及其他设备互联。 （7）虚拟仪器具有友好、灵活的人机界面，传统仪器的界面较呆板。1.1.2虚拟仪器的分类虚拟仪器随着计算机的发展和采用总线方式的不同，一般可分为六种类型。 （1）pc总线插卡型虚拟仪器 这种方式借助插入计算机内的数据采集卡与专用的软件构成测试系统。pc-daq/pci插卡是最廉价的形式，从数据采集的前向通道到后向通道的各个环节都有对应的产品。它充分利用了pc的机箱、总线、电源及软件资源，因而也受pc机箱环境和计算机总线的限制，存在诸多的不足。美国ni公司提出的pxi总线，是pci总线计算机在仪器领域的扩展，由它形成了具有性能价格比优势的最新虚拟仪器测试系统，但由于技术新、成本高，目前使用还不普及。 （2）gpib总线方式的虚拟仪器gpib技术是ieee488标准的虚拟仪器早期的发展阶段。它的出现使电子测量独立的单台手工操作向大规模自动测试系统发展，典型的gpib系统由一台pc机、一块gpib接口卡和若干台bpib形式的仪器通过gpib电缆连接而成。用gpib通用仪器总线，可替代传统的人工操作方式，在计算机的控制下完成复杂的测量。我国几百家厂商的数以万计的仪器都配置了gpib总线，应用遍及科学研究、工程开发、医药卫生、自动测试设备、射频、微波等各个领域。 （3）vxi总线方式虚拟仪器vxi总线是一种高速计算机总线vme总线在vi领域的扩展，它具有稳定的电源，强有力的冷却能力和严格的rfi/emi屏蔽。由于它的标准开放、结构紧凑、数据吞吐能力强、定时和同步精确、模块可重复利用、众多仪器厂家支持的优点，很快得到广泛的应用。经过多年的发展，vxi系统的组建和使用越来越方便，尤其是组建大、中规模自动测量系统以及对速度、精度要求高的场合。有其他仪器无法比拟的优势。然而，组建vxi总线要求有机箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造价比较高。 （4）pxi总线方式虚拟仪器pxi总线方式是pci总线内核技术增加了成熟的技术规范和要求形成的，增加了多板同步触发总线的技术规范和要求形成的，增加了多板发总线，以使用于相邻模块的高速通讯的局总线。pxi的高度可扩展性。pxi具有8个扩展槽，而台式pci系统只有34个扩展槽，通过使用pcipci桥接器，可扩展到256个扩展槽，台式pc的性能价格比和pci总线面向仪器领域的扩展优势结合起来，将形成未来的虚拟仪器平台。 （5）并行总线方式虚拟仪器最新发展的一系列可连接到计算机并行接口的测试装置，它们把仪器硬件集成在一个采集盒内，完成各种测量功能。 （6）串行总线方式虚拟仪器usb通用串行总线，是简化pc与外设之间互联的一种标准总线，它使设备具有热插拔、即插即用、自动配置的能力。usb的级联星形拓扑结构大大扩充了外设数量，使用外设更加便捷、快速。而usb2.0标准更是将数据传输速率提高到了一个新的高度，因而具有很好的应用前景。由于其价格低廉、用途广泛、特别适合于研发部门和各种教学实验室应用。1.1.3虚拟仪器系统的构成虚拟仪器由硬件设备与接口、设备驱动软件和虚拟仪器面板组成。其中，硬件设备与接口可以是各种以pc为基础的内置功能插卡、通用接口总线接口卡、串行口、vxi总线仪器接口等设备，或者是其它各种可程控的外置测试设备，设备驱动软件是直接控制各种硬件接口的驱动程序，虚拟仪器通过底层设备驱动软件与真实的仪器系统进行通讯，并以虚拟仪器面板的形式在计算机屏幕上显示与真实仪器面板操作元素相对应的各种控件。用户用鼠标操作虚拟仪器的面板就如同操作真实仪器一样真实与方便。 1.2 labview labview（laboratory virtual instrument engineering）是一种图形化的编程语言，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。labview集成了与满足gpib、vxi、rs-232和rs-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。它还内置了便于应用tcp/ip、activex等软件标准的库函数。这是一个功能强大且灵活的软件。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。图形化的程序语言，又称为“”语言。使用这种语言编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是流程图。它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念，因此，labview是一个面向最终用户的工具。它可以增强你构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。利用labview，可产生独立运行的可执行文件，它是一个真正的位编译器。像许多重要的软件一样，labview提供了windows、unix、linux、macintosh的多种版本。1.2.1 labview应用程序的构成所有的labview应用程序，即虚拟仪器（vi），它包括前面板（front panel）、流程图（block diagram）以及图标/连结器(icon/connector)三部分。前面板前面板是图形用户界面，也就是vi的虚拟仪器面板，这一界面上有用户输入和显示输出两类对象，具体表现有开关、旋钮、图形以及其他控制（control）和显示对象（indicator）。图2-1所示是一个随机信号发生和显示的简单vi的前面板，上面有一个显示对象，以曲线的方式显示了所产生的一系列随机数。还有两个控制对象：控制开关可以启动和停止工作；循环延时能够控制随机信号发生的循环时间。1.2.2 labview中的操作模板labview具有多个图形化的操作模板，用于创建和运行程序。这些操作模板可以随意在屏幕上移动，并可以放置在屏幕的任意位置。操纵模板共有三类，为工具（tools）选板、控制（controls）选板和函数（functions）选板。工具选板（tools palette）工具模板用于创建、修改和调试vi程序的工具。如果该模板没有出现，则可以在【查看(v)】菜单下选择【工具选板（t）】命令以显示该模板。当从模板内选择了任一种工具后，鼠标箭头就会变成该工具相应的形状。当从【查看(v)】菜单下选择了【工具选板（t）】功能后，把工具选板内选定的任一种工具光标放在流程图程序的子程序（sub vi）或图标上，就会显示相应的帮助信息。与工具模板不同，控制和功能模板只显示顶层子模板的图标。这些顶层子模板中包含许多不同的控制或功能子模板。通过这些控制或功能子模板可以找到创建程序所需的面板对象和框图对象。用鼠标点击顶层子模板图标就可以展开对应的控制或功能子模板，只需按下控制或功能子模板左上角的大头针就可以把对这个子模板变成浮动板留在屏幕上。 图1-1控制选板用控制选板可以给前面板添加输入控制和输出显示。每个图标代表一个子模板。如果控制选板不显示，可以用【查看(v)】菜单的【控制选板（t）】功能打开它，也可以在前面板的空白处，点击鼠标右键，以弹出控制选板。 图1-2 函数选板(functions palette)函数选板是创建框图程序的工具。该模板上的每一个顶层图标都表示一个子模板。若功能选板不出现，则可以用【查看(v)】菜单下的【功能选板（t）】功能打开它，也可以在框图程序窗口的空白处点击鼠标右键以弹出功能选板。 注：只有打开了框图程序窗口，才能出现功能选板。图1-3 第二章 信号发生器2.1信号发生器的设计思路设计一个虚拟信号发生器首先要进行前面板的设计,前面板的设计主要需要考虑到所设计的信号发生器实现什么功能,再根据这些功能,在控件选板中选择相应的控件,放在前面板相应的位置上,摆放也有一定的讲究,使前面板看起来比较协调。再者是后面板的设计。后面板的设计要用到函数模板,根据本程序需要实现的功能,在函数选板中选择相应的函数,由于程序不是只执行一次,所以要涉及到循环结构,本文的程序用到的循环结构有while 循环结构、条件结构。程序调试成功后就产生一个虚拟信号发生器。2.2 信号发生器的前面板设计创建一个新的vi，切换到前面板设计窗口。打开【控件】【新式】【波形图表】控件选项板，如图2-1所示：图2-1选择“波形图表”控件，并放置在前面板适当位置，调整大小。如图2-2所示图2-2利用vis设计的一个数字信号发生器，前面板设计图如图2-3所示图2-32.3 信号发生器的程序框图设计打开【函数】【编程】【波形】【模拟波形】【波形生成】选项板，如图2-4所示图2-4 从【波形生成】选项板中选择“基本函数发生器 .vi” 节点，放置到程序设计区适当位置。移动光标到“基本函数发生器.vi”节点，可以看到该节点又多个端口，并且具有不同的颜色，颜色代表了与该端口相连接的数据类型，移动光标到一个端口，会出现关于该端口的注释框，如图2-5所示 （a） 端口显示 （b） 端口注释图2-5 移动光标到“frequency”（频率）端口上，单击鼠标右键，从弹出快捷菜单中，执行【创建】【输入控件】菜单命令，创建一个与“frequency”端口相连接的输入控件节点，并自动连线，同时在前面板上创建了一个与该节点相对应的数值输入控件对象，如图2-6所示 （a）创建的节点 （b）前面板上相对应的空间对象图2-6 用同样的方法，分别通过“amplitude”（幅值），“phase” （相位），“signal type”（信号类型），“reset signal”（重置信号），“offset”（偏移量），“sampling info”（采样信息）端口创建数值输入控件，调整这些数值输入控件节点在程序框图中的位置，并按图2-7所示进行连线。图2-7 重复上述设计步骤再设计一个基本信号发生器如图2-8所示图2-8打开【函数】【编程】【结构】函数选项板，从中选择“while循环”节点，放置到程序框图设计区，并调整大小，使其包含所有的节点，如图2-9所示。图2-9打开【函数】【编程】【定时】函数选项板，如图2-10所示。图2-10从【定时】函数选项板中选择“等待（ms）”函数节点，放置在“while 循环”结构框图中，移动光标到“等待（ms）”节点的“等待时间”端口上，单击鼠标右键，执行【创建】【常量】菜单命令，创建一个数值常量并修改常量值为“50”，如图11-10所示。图2-11运行程序后结果如图2-12图2-12第三章 信号处理器3.1信号处理器的设计思路本设计主要是针对信号进行分析处理。信号处理是数据采集系统和测试仪器系统设计和分析的一个重要组成部分,测量信号的采集总是与信号处理紧密联系在一起，fft频谱（幅值-相位）节点用于对时域信号进行fft变换，然后在此基础上求变换的幅值和相位谱。3.2信号处理器的前面板设计创建一个新的vi，切换到前面板设计窗口下，在设计区放置5个“波形图表”控件，分别编辑它们的标签为“时间信号”、“fft幅值谱1” 、“fft相位谱1” 、“fft幅值谱2”和 “fft相位谱2” 。切换到前面板设计窗口下，适当调整各控件的大小和位置，并设置各个输入控件的输入参数，然后单击工具栏上程序运行按钮，开始运行程序，其中的一个运行界面如图3-1所示。图3-13.2.1傅里叶变换和fft变换使用计算机完成信号处理工作的要求导致了离散傅里叶变换的产生。计算机只能处理离散且有限长度的数据,要用计算机完成频谱分析和其他方面的工作,通常的处理方法是通过对模拟信号x (t) 采样得到离散序列x (n) 。实际信号可能是有限长的,也可能是无限长的。若x (n) 为有限长序列,则令长度为n ;若x (n) 是无限长的,可用矩形窗将其截成n 点,然后将这n 点序列视为周期序列.x ( n) 的一个周期,即.x ( n) 是有x (n) 作周期延拓而得的。对于离散傅里叶变换,求出n 点x( k) 需要n2 次复数乘法,n(n - 1) 次复数加法。每次复数乘法需要做四次实数乘法,两次实数加法。因此计算n 点x(k) 总共需要做4n2次实数乘法和4n(n - 0. 5) 次实数加法。dft 运算中包含大量重复运算,充分利用这一性质可以简化dft 运算。j .w. cooly 和j . w. turkey 于1965 年提出了快速傅里叶( fft) 算法,计算n 点dft 的计算量由n2 次复数乘法降为n2log2 n 次复数乘法。3.2.2 频域分析labview高级分析库中的频域分析模块提供了丰富的信号频域分析函数,包括傅里叶变换、hilbert 变换、小波变换、hartley 变换、功率谱分析、联合时域分析、谐波分析、系统辨识等 4 。本设计用到了real fft . vi 模块。其图标和端口为,该模块具有实数快速傅里叶变换功能,即输入为实数数组,输出结果为复数数组。如果输入数组长度为2 的整数次幂,则调用fft 算法,否则调用dft 算法。3.3 信号处理器的程序框图设计切换到程序框图设计窗口下，在设计区放置一个“基本函数发生器 .vi”节点，一个“while循环”节点，并根据各节点的端口创建相应的输入/输出控件，然后按图3-2完成程序框图的设计。图3-2运行程序后结果如图3-3所示图3-3第四章 信号滤波器4.1信号滤波器的设计思路原始信号由正弦信号和高斯干扰波合成，接着对原始信号进行滤波处理,以去除掉高斯噪声,未经滤波后的原始信号很容易看到高频噪声被滤掉了。4.2信号滤波器的前面板设计创建一个新的vi，切换到前面板设计窗口下，在设计区放置两个“波形图表”控件，分别编辑它们的标签为“原始信号”和“滤波后信号”。前面板设计图如图4-1所示图4-14.3信号滤波器的程序框图设计切换到程序框图设计窗口下，在设计区放置一个“正弦波形”节点、一个“高斯白噪声波形. vi”、一个“加”函数节点、一个“butterworth滤波器”节点和一个“while 循环”方框图节点，并根据各节点的端口创建相应的输入/输出控件，然后按图4-2完成程序框图的设计。图4-2运行程序后结果如图4-3所示图4-3第五章 总结本文结合现有条件,围绕虚拟实验仪器的设计和实现进行了较为系统的理论和实验研究,得到如下结果:1) 利用虚拟仪器技术实现了虚拟示波器,虚拟频谱仪等仪器,可以实现波形显示、相关性分析、频谱分析等功能,能够提供过去很难在基础实验中提供的测量仪器。2) 使用虚拟仪器开发平台labview进行编程,实现了对有复杂干扰信号的提取和较为全面的分析。3) 对干扰信号进行了可变处理,本设计实用性强,实验结果可观性强。4) 本文信号处理器的前面板设计图如图5-1所示。5）本文信号处理器的程序框图设计图如图5-2所示。 图5-1参考文献1 刘君华,贾惠芹,丁晖,等. 虚拟仪器图形化编程语言lab2view教程m . 西安:西安电子科技大学出版社,2007.2 mcquiston. virtual inst rument s for use in test systems de2velopment c / / proceedings of the ieee systems readi2ness technology conference s. l. : ieee , 2003.3 赖欣. 虚拟现实技术在教学中的应用j . 四川工业学院学报,2003 (2) :50252.4 杨平乐,李海涛,赵勇,等. labview 高级程序设计m . 北京:清华大学出版社,2003.5 张凯,郭栋. labview 虚拟仪器工程设计与开发m . 北京:国防工业出版社,2006.6 师黎. 虚拟仪器技术在实验室建设中的应用研究j . 郑州工业大学学报,1999 (2) :30232.7 侯国屏,叶齐鑫. labview 编程与虚拟仪器设计m . 北京:清华大学出版社,2005.8 蔡国英,张宏群. 基于labview 的信号产生与分析系统j . 国外电子测量技术,2007 (6) :12214.9 袁渊,古军. 虚拟仪器基础教程m . 成都:电子科技大学出版社,2002.10 邓焱,王磊. labview 7. 1 测试技术与仪器应用m . 北京:机械工业出版社,2004.11 wayne tomas. electronic communications systems f