基于LabJack U12的频谱分析集成虚拟仪器设计

【摘要】 本文应用LabVIEW6.1图形化编程软件，配备通用的计算机组建一台基于数据采集模块LabJackU12的频谱分析集成虚拟仪器，实现信号的谱分析功能。软件设计方法和不同方法的谱分析比较是本文详细介绍的内容。 【关键词】 虚拟仪器 数据采集模块 谱分析 【Abstract】 utilizing graphical programming software (LabVIEW6.1), equipping with personal computer, constructs a spectral estimation integrated virtual instrument based on data acquisition module (LabJack U12), which can realize spectral estimation. The methods of software design and the diversification of spectral estimation are important contents of the paper. 【Keywords】 virtual instruments data acquisition module spectral estimation 0 引言 　　随着计算机技术、通信技术、微电子技术、网络技术快速向前发展，给虚拟技术带来了生机和活力。虚拟仪器技术在仪器领域引起了一场革命，“仪器软件化”已成为一种新思想，新理念。它是以通用计算机（含LabVIEW软件）为操作平台，以模块化功能硬件为桥梁的测控系统。在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是解决信号的输入和输出问题的方法和软件赖以生存运行的物理环境，软件才是整个仪器的核心，用于实现硬件的管理和仪器功能的实现[1]。虚拟仪器与传统仪器相比，有较高的性价比，具有良好的人机界面，操作使用特别方便。虚拟仪器的软、硬件具有开放性、模块化、可重复使用及互换性等特点。开发虚拟仪器重在软件的编写和调试，硬件以购买现成的为主。 1 数据采集模块功能 　　LabJack U12是基于USB的多功能数据采集和控制设备。它提供了8路单端或4路差分模拟输入端，分辨率为12位。差分输入充分利用可编程放大器的低噪音精度，提供增益G=1、2、4、5、8、10、16、20，且给出比16位更高的分辨率。2路模拟输出端，分辨率为10位。20路数字I/O口和4kBRAM缓存。能够实现单路或多路软、硬件实时数据采集。当用硬件实时数据采集时，有两种采集方式可供选择：以触发方式，可以从1—4路模拟输入端采集数据，采样速率高达8kS/s；以数据流方式，采样速率高达1.2kS/s。当用软件采集数据时，以命令/应答方式，可从4路或8路模拟通道同时采集数据，平均每通道采样频率高达50 kS/或25kS/s。 2 频谱分析虚拟仪器结构 （1）电信号 　　根据数据采集模块的功能要求，只能对电压信号进行采样，而且只有当电信号的频率低于4kHz时，才能复现待测信号。对于单端输入，电信号的幅值范围-10V～+10V。对于差分输入，可以利用数据采集卡的可编程放大器功能，扩大待测信号的电压范围。 （2）数据采集模块 　　数据采集模块LabJack U12是由北京迪阳科技发展公司研发制造，包括硬件和驱动软件两大部分。硬件部分主要有模拟输入和输出端，数字I/O端，计数器，八路模拟开关，程控放大器，采样/保持器，A/D转换器，缓存器，定时和逻辑控制器等。驱动软件是用图形化编程软件设计，有20多个VI程序。本文设计频谱分析集成虚拟仪器用到的驱动软件有模拟触发采集和数据流采集。 （3）计算机编程软件 　　构建虚拟仪器重在计算机内编程，开发虚拟仪器的编程语言有两类：一是基于文本编程语言。目前普遍流行的是Visual Basic和Visual C++。二是图形化编程语言。例如，美国NI公司的LabVIEW和LabWindows/CVI,HP公司的VEE。通过比较筛选，LabVIEW是开发虚拟仪器最高效的软件。因此，作者利用LabVIEW6.1设计频谱分析集成虚拟仪器。 3 频谱分析虚拟仪器设计 （1）功能模块划分 （2）主界面设计 　　以按钮的方式静态调用子VI，进行不同方法的谱分析（图3）。 （3）子虚拟仪器设计 　　设计子虚拟仪器包括前面板和框图两部分。频谱分析虚拟仪器集成了四个虚拟仪器，分别是傅里叶谱分析、古典功率谱分析、Welch法谱分析、现代功率谱分析。 ⒈ 傅里叶谱分析虚拟仪器设计 ⒉ 古典功率谱分析虚拟仪器设计 ⒊ Welch法谱分析虚拟仪器设计 ⒋ 现代功率谱分析虚拟仪器设计 4 不同谱分析方法的比较 　　平稳随机模拟输入信号 经数据采集模块采样后,得到数字信号 ，数据序列长度为采样数值 ，方差为 。 （1） 傅里叶谱分析 傅里叶谱分析是基于离散傅里叶变换，把时域信号映射到频域，提取随机信号的频率成份，其变换公式矩阵表示： 互相关法： （4）现代功率谱分析 　　构建AR参数模型对一维信号进行功率谱分析是现代功率谱分析的一种，AR参数模型的输出功率谱： 　　P是AR模型的阶次，a1…ap是AR模型的结构参数。求参数的方法有两种，Burg法和Yule-Walker法。通过LabVIEW与MatLab的接口实现AR模型的结构参数的计算。 　　综合比较知，前三种谱分析的核心是离散傅里叶变换，它是对一段数据长度进行的估计，分辨率由于数据的分段，使Welch法谱分析的频率分辨率低于古典功率谱分析的频率分辨率，但改善了谱估计的统计特性。现代功率谱分析是通过建立AR模型，求解最优化参数而对信号的谱分析。选择模型的阶次比较困难，过小会丢失有用信息，过大会出现虚假波峰。 5 频谱分析虚拟仪器的应用 　　应用函数信号发生器对频谱分析虚拟仪器进行调试，测试结果正确，运行良好。频谱分析虚拟仪器能够应用于电工电子实验和信号检测教学，还可以对通用车床的故障诊断等。 参考文献 [1] 吴道悌 主编. 非电量电测技术（第2版）. 西安交通大学出版社，2001.9 [2] 杨乐平 李海涛 赵勇 杨磊 安雪滢 编著. LabVIEW高级程序设计. 清华大学出版社 [3] [美]Robert H.Bishop 编著. LabVIEW6.i实用教程. 北京电子工业出版社,2002 [4] 姚天任 孙洪 主编. 现代数字信号处理. 华中理工大学出，2000 作者简介：赵峰（1978-），毕业于南昌航空工业学院，现在河南机电专科学校从事检测教研工作，研究方向：机电控制系统及其自动化。