基于虛擬儀器的信號頻域分析與處理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

1、基于虛擬儀器的信號頻域分析與處理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)周林栗秋華張鳳莊華（重慶大學(xué)電氣工程學(xué)院高電壓與電工新技術(shù)教育部重點實驗室重慶市）摘要虛擬儀器的迅速發(fā)展，使得計算機控制的模塊化儀器系統(tǒng)得到了廣泛的認同與應(yīng)用。本文建立了和的接口，實現(xiàn)了兩者的混合編程，在此基礎(chǔ)上設(shè)計了一個實用的信號采集、分析與處理系統(tǒng)，通過軟、硬件技術(shù)結(jié)合，實現(xiàn)了對實際模擬信號的采集、分析與處理。為了節(jié)約系統(tǒng)開發(fā)時間和開發(fā)難度，在系統(tǒng)開發(fā)過程中使用了模塊化的思想。關(guān)鍵詞虛擬儀器；硬件；軟件；信號分析中圖分類號Design and Realization of a Signal Frequency-field Analysis a

2、nd Processing SystemBased on Virtual InstrumentZhou Lin, Li Qiuhua, Zhang Feng, Zhuang Hua(The Key Laboratory of High Voltage Engineering and New Technology of Ministry of Education, College of Electrical Engineering,Chongqing University, Chongqing 400030, China，；引言目前，國際上虛擬儀器的發(fā)展十分迅速，虛擬儀器 在發(fā)達國家已經(jīng)十分普及

3、。但虛擬儀器在我國的應(yīng)用還處于起步階段。所謂虛擬儀器，就是在通用的計算機平臺上定義和設(shè)計儀器的功能，用戶操作計算機的同時就是在使用一臺專門的電子儀器。虛擬儀器以計算機為核心，充分利用計算機強大的圖形界面和數(shù)據(jù)處理能力，提供對測量數(shù)據(jù)的分析和顯示功能。虛擬儀器的主要優(yōu)點集中在開發(fā)靈活、功能全面，可利用資源豐富，測試規(guī)?？梢院艽蟆＼浖翘摂M儀器的關(guān)鍵，任何一個使用者都可以通過修改虛擬儀器的軟件來改變它的功能，這就是美國公司“軟件就是儀器”（）一說的來歷。虛擬儀器系統(tǒng)的組成框圖如圖所示。 虛擬信號頻域分析與處理系統(tǒng)總體設(shè)計這套虛擬信號分析與處理系統(tǒng)可以實現(xiàn)信號采集、信號分析、信號加窗分析、信號數(shù)字濾

4、波分析和信號頻譜分析五種功能，事實上可以看作是具有相同儀器結(jié)構(gòu)的五種儀器。五種儀器都采用類虛擬儀器結(jié)構(gòu)，即除計算機外附加硬件是一塊高性能的數(shù)據(jù)采集卡，這類虛擬儀器的工作過程是通過數(shù)據(jù)采集卡采集信號，得到其離散序列，由儀器軟件分析該數(shù)據(jù)得到的測量目標值，儀器的性能除了受軟件算法本身的精度影響外，通常還決定所使用的數(shù)據(jù)采集卡的性能。圖虛擬儀器系統(tǒng)的組成框圖在本設(shè)計中，五種儀器共同使用一種數(shù)據(jù)采集卡數(shù)據(jù)采集卡，儀器軟件均由軟件開發(fā)平臺開發(fā)，并由軟件打包工具打包在一起，從而構(gòu)成了一個整體。為了節(jié)省該系統(tǒng)的開發(fā)時間和再開發(fā)難度，方便地解決所遇到的困難，在設(shè)計過程中采用了一種模塊化的設(shè)計方法，將綜收稿日期

5、：作者簡介：周林，教授，主要從事及電網(wǎng)諧波治理方面的研究。合的信號頻域分析與處理系統(tǒng)分為五個模塊：數(shù)據(jù)采集儀、二維分析儀、信號的加窗函數(shù)分析儀、數(shù)字濾波器分析儀、頻譜分析儀，分別實現(xiàn)這五個簡單分析儀的功能，然后將其嵌套起來構(gòu)成虛擬信號分析與處理系統(tǒng)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖所示。圖系統(tǒng)總體框圖數(shù)據(jù)采集卡的參數(shù)設(shè)置要使數(shù)據(jù)采集卡正確地實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的功能，必須根據(jù)實際測量的需要對一些參數(shù)進行設(shè)置。模擬信號輸入部分的設(shè)置設(shè)置信號的輸入方式：確定信號是單端輸入還是雙端輸入，輸入信號是單極性信號還是雙極性信號等，一般為了減小干擾而設(shè)置為雙端差分輸入。選擇增益：根據(jù)輸入信號幅值變化的范圍和分辨率的要求，選擇增

6、益。選擇量程：一般根據(jù)輸入信號是單極性還是雙極性，選擇合適的量程。轉(zhuǎn)換部分的設(shè)置設(shè)置信號輸入通道號；設(shè)定采樣點數(shù)；設(shè)定采樣速率；采樣結(jié)果的輸出方式：采樣結(jié)果可放在一個數(shù)組中，也可放在某一個緩沖區(qū)中。采樣觸發(fā)方式：一般分為外觸發(fā)、定時觸發(fā)及軟件觸發(fā)。轉(zhuǎn)換部分模擬信號的輸出通道號；模擬信號的輸出幅值：此參數(shù)應(yīng)設(shè)置在標稱滿量程的范圍內(nèi)。刷新頻率：該參數(shù)決定被產(chǎn)生的模擬信號波形的“光滑度”，刷新速率的倒數(shù)為響應(yīng)時間。以上參數(shù)為數(shù)據(jù)采集卡的一般參數(shù)，并不是任何情況下，所有參數(shù)都必須設(shè)置。有些簡單的數(shù)據(jù)采集卡不具有某些功能，如國產(chǎn)型數(shù)據(jù)采集卡就不能提供定時采集的功能，響應(yīng)的就沒有采樣速率設(shè)置要求，且采樣觸

7、發(fā)方式只是提供軟件觸發(fā)方式的一種，使用者無法選擇其它的觸發(fā)方式。數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動使用軟件驅(qū)動接口設(shè)備數(shù)據(jù)采集卡，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集分為以下兩種情況：支持的數(shù)據(jù)采集卡，如公司自行生產(chǎn)的各種類型的數(shù)據(jù)采集卡可利用自帶的驅(qū)動函數(shù)驅(qū)動。設(shè)計者只需正確地設(shè)置輸入?yún)?shù)就可實現(xiàn)采集任務(wù)，而不需要編寫代碼程序。不支持的數(shù)據(jù)采集卡，可利用語言編程實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動。和的接口技術(shù)和都是當今非常優(yōu)秀和非常流行的控制系統(tǒng)分析與設(shè)計軟件，但二者各有優(yōu)勢和側(cè)重點。前者是以為核心，將功能強大、使用靈活的語言平臺與數(shù)據(jù)采集和分析等測控專業(yè)工具有機結(jié)合起來，為熟悉語言的開發(fā)人員開發(fā)檢測、數(shù)據(jù)采集、過程監(jiān)控等系統(tǒng)提供了一個理想的軟件

8、開發(fā)環(huán)境。然而在面對測控領(lǐng)域先進的理論和方法，如在系統(tǒng)辨識、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊理論、遺傳算法、魯棒控制等問題上，尚未形成可用的函數(shù)。而則擁有上述豐富的庫函數(shù)，它所擁有的強大科學(xué)計算功能和友好易用的開放式可擴展環(huán)境使之成為計算機輔助設(shè)計與分析、算法研究與開發(fā)的基本工具和首選平臺，但其用于實現(xiàn)實時監(jiān)控的功能相對薄弱。因此如果能使二者有機結(jié)合，揚長避短，無疑有益于設(shè)計出功能強大的虛擬儀器平臺。實現(xiàn)和混合編程的關(guān)鍵是其數(shù)據(jù)和命令的交換。和都提供了與外部程序接口的“組件”，技術(shù)的核心就是如何用正確的方法建立它們之間的聯(lián)系。驅(qū)動器函數(shù)庫的生成自從微軟公司發(fā)布了的規(guī)范以來，作為一種組件式軟件模塊，技術(shù)在桌面操作

9、系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。開發(fā)環(huán)境提供了使用控件的標準函數(shù)庫和開發(fā)工具。在標準函數(shù)庫中，函數(shù)庫提供了使用控件的各種功能函數(shù)，可以通過這些函數(shù)來調(diào)用服務(wù)器。首先應(yīng)該建立一個驅(qū)動器函數(shù)庫。在開發(fā)環(huán)境下選擇，然后在服務(wù)控件 選擇框中選擇，將會生成函數(shù)對話框，并將其保存為。同時在選擇的目標目錄中還會生成、等四個文件。將、文件加入工程后，就可以調(diào)用生成的函數(shù)庫，從而實現(xiàn)與的混合編程。函數(shù)功能介紹生成了驅(qū)動函數(shù)庫以后，就可以在開發(fā)環(huán)境下調(diào)用表所示的函數(shù)。表驅(qū)動器函數(shù)庫部分常用函數(shù)函數(shù)功能和說明啟動，并返回句柄退出環(huán)境將窗口最小化將矩陣發(fā)送給工作空間從工作空間獲得矩陣執(zhí)行命令為方便開發(fā)者實現(xiàn)環(huán)境下與的混合編程，

10、公司還專門配置了一個更加友好的接口函數(shù)文件，該文件在的目錄下，名稱為。通過這個接口文件，以上的函數(shù)可以轉(zhuǎn)型為其它更容易操作的函數(shù)。例如將矩陣送入工作空間，從工作空間獲得矩陣，運行命令，運行的函數(shù)。信號分析與處理系統(tǒng)的設(shè)計及其實現(xiàn)按圖的總體設(shè)計思想分別設(shè)計出數(shù)據(jù)信號采集儀、二維分析儀、信號的窗函數(shù)分析儀、數(shù)字濾波器分析儀、數(shù)字濾波器分析儀和信號頻譜分析儀，然后將這些模塊組合成為信號頻域分析與處理系統(tǒng)。信號分析與處理系統(tǒng)的前面板如圖所示。圖信號分析與處理系統(tǒng)的前面板為了不使操作界面看起來煩瑣，便于實際操作，設(shè)計中采用了面板的嵌套方式，在“設(shè)置”按紐中，嵌套了如圖的數(shù)據(jù)采集設(shè)置面板。圖數(shù)據(jù)采集設(shè)置面

11、板在其中可以設(shè)置信號來源（采集信號或虛擬信號）、卡屬性和虛擬信號屬性。在“濾波器設(shè)置”按紐中，嵌套了如圖的數(shù)字濾波器設(shè)置面板。圖數(shù)字濾波器設(shè)置面板在該面板中可以設(shè)置是否使用濾波器、使用濾波器的類型設(shè)置濾波器（和）的屬性。在“圖形幅度”按鈕中嵌套了如圖的圖形幅度設(shè)置面板。圖圖形幅度設(shè)置面板在該面板中可以設(shè)置或 軸的最大值和最小值。寶鋼電鍍錫機組監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計與實現(xiàn)肖云偉李東江陳啟軍（同濟大學(xué)電信學(xué)院控制科學(xué)與工程系上海）E-mail:wisecloud摘要針對寶鋼電鍍錫機組原有監(jiān)控系統(tǒng)的不足，提出了一種新的電鍍錫機組監(jiān)控解決方案。新系統(tǒng)在解決原有問題的同時增加了分析功能，包括趨勢圖顯示、張力負

12、荷分析、陽極板使用分析和報警信息四大模塊。在該系統(tǒng)中，監(jiān)控計算機通過以太網(wǎng)與連接。本軟件完全基于開發(fā)。關(guān)鍵詞電鍍錫機組；監(jiān)控；趨勢圖；中圖分類號Design and Realization of Monitor System Software inElectrolytic Tin Line of BaosteelXiao Yunwei, Li Dongjiang, Chen Qijun(Department of Control Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China：，；引言寶鋼電鍍錫機組是單元的成

13、品機組，對鍍錫產(chǎn)品質(zhì)量有著決定性的影響。鍍錫機組原先沒有專用的收稿日期：作者簡介：肖云偉，碩士研究生，研究方向：工業(yè)控制。實驗研究虛擬信號分析與處理系統(tǒng)完成后。用示波器產(chǎn)生一個幅值為（峰值為）、頻率為的正弦信號來驗證系統(tǒng)準確性。用該系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集卡采集到的信號進行分析的結(jié)果如圖所示。分析可知，系統(tǒng)準確地實現(xiàn)了對信號的采集和分析。圖虛擬信號頻域分析與處理系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集卡信號處理波形顯示總結(jié)本文完成了虛擬信號頻域分析與處理系統(tǒng)的設(shè)計，本系統(tǒng)可以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)采集卡采集到實際信號進行分析和處理，集成了信號處理的多項功能，具有很大的實用價值。參考文獻劉君華現(xiàn)代檢測技術(shù)與測試系統(tǒng)設(shè)計西安：西安交通大學(xué)出版社，年，趙茂泰智能儀器原理及應(yīng)用北京