基于LabWindows/CVI的实时频谱分析仪

王　鑫，张惊雷

(天津市复杂控制理论及应用重点实验室，天津理工大学自动化学院　天津　300384)

0　引言

虚拟仪器技术开创了测控领域的新时代，它是在以计算机为核心的平台上，利用其强大的资源设计开发具有虚拟面板，测试任务由软件算法实现的一种计算机仪器系统。

LabWindows/CVI是一种基于ANSI C的虚拟仪器开发环境，它将C语言的强大功能与灵活的使用方法带入到测试、测量和智能仪器等工程领域[1]。由于LabWindows/CVI拥有功能强大的图形显示控件、丰富的信号分析函数库和良好的开发环境，因此非常适合开发信号分析相关的应用系统。设计采用LabWindows/CVI多线程技术，主线程用于显示面板和响应用户各种初始化操作，其他各线程用于数据采集、显示、滤波、幅频分析、数据管理等模块的操作。实验证明系统波形刷新速度快、参数准确，满足了对实时性和准确性要求。

1　硬件结构

实时频谱分析仪包括传感器、信号调理、PCI-6221数据采集卡及装有LabWindows/CVI的计算机。系统方框图，如图1所示。传感器将测量对象的非电信号转换为电信号，经过信号调理模块达到合适的量程以满足PCI-6221数据采集卡的模拟输入要求。PCI-6221将输入的模拟电压经多通道A/D采集转换为离散的数字信号进入计算机开始运算处理。PCI-6221拥有16路16位AI通道，最高采样率250 kS/s，2路16位模拟输出 (833 kS/s)，24路数字I/O线，32位计数器，关联 (Correlated)DIO (8条时钟线，1 MHz)。它是一款低价位多功能M系列数据采集(DAQ)板卡，经优化适用于该系统的应用。

图1　系统结构图

2　软件设计

2．1多线程机制采集任务的实现

多线程机制数据采集任务分为用户界面控制、通道选择、数据采集和实时显示等。任务线程由基于LabWindows/CVI异步定时机制的多线程技术来实现，能够精确控制执行次线程回调函数的执行周期。以下将对其在LabWindows/CVI 2010版平台下的关键代码进行说明。

数据采集方案流程图如图2所示。

图2　数据采集方案流程图

程序开始之前首先要声明全局变量和宏定义。

static int timerid；//异步定时器句柄

static TaskHandlegTaskHandle=0；//采集任务句柄

static uInt32gNumChannels；//采集通道数

float64 *gData=NULL；//开辟数据存储空间

……//其他定义

然后开始执行通道设置程序。

NIDAQmx_NewPhysChanAICtrl(panelHandle，ChannelNum[i]，1//获取通道信息

利用DAQmx提供的驱动库函数，创建模拟量采集任务。

DAQmxCreateTask(""，&gTaskHandle)；

DAQmxCreateAIVoltageChan(gTaskHandle，ChanV-alue[i]，""，DAQmx_Val_Cfg_Default，-ampvalue，ampvalu-e，DAQmx_Val_Volts，NULL)；

}//输入设置

DAQmxCfgSampClkTiming(gTaskHandle，""，rata，DAQmx_Val_Rising，DAQmx_Val_ContSamps，sampsPe-rChan)；//采样率rata=10k Hz

DAQmxGetTaskAttribute(gTaskHandle，DAQmx_T-ask_NumChans，&gNumChannels)；//获取通道数

DAQmxStartTask(gTaskHandle)；//开始采集任务

DAQmxReadAnalogF64(gTaskHandle，sampsPerCh-an，1．0，DAQmx_Val_GroupByChannel，gData，sampsPerC-han，&numRead，0)；//读取数据储存到数组gData．

2．2三步法巴特沃斯滤波器的软件实现

采用软件实现的数字滤波器主要有两种，无限冲击响应滤波器(IIR滤波器)和有限冲击响应滤波器(FIR滤波器)。IIR滤波器能更好的保留幅频特性，而FIR滤波器可以实现相位的不失真。根据以上特点比较，设计采用属于IIR滤波器的三步法巴特沃斯滤波器[2]。

在LabWindows/CVI中实现三步法巴特沃斯滤波器的代码如下：

IIRFilterPtr filterinformation；//定义滤波器系数结构体指针

filterinformation =AllocIIRFilterPtr (BANDPASS，order)；//定义带通滤波器结构

然后在界面里通过设置滤波相关项目来定义滤波器具体参数，如图3左半部分中间位置所示。

图3　实时频谱分析仪界面

lowercutoff用于设置下限截止频率，highercutoff用于设置上限截止频率。filterinformation用于设置四种滤波器类型：

filterinformation =AllocIIRFilterPtr (Type，order)；

Type里可以选择：LOWPASS低通滤波、HIGHPASS高通滤波、BANDPASS带通滤波、 BANDSTOP带阻滤波。滤波器阶数通过设置order来获得：

GetCtrlVal(panelHandle，PANEL_NUMERIC_ORDER，&order)；

然后产生巴特沃斯滤波器系数：

Bw_CascadeCoef(wavepoint，lowercutoff，highercutoff，filterinformation)；

然后对采集的gData数据进行滤波：

IIRCascadeFiltering(gData，wavepoint，filterinformation，gData)；

最后释放滤波器结构，任务结束：

FreeIIRFilterPtr (filterinformation)；

2．3基于离散傅里叶变换的频谱分析方法

信号的幅频分析[3]是用FFT将信号从时域波形转化到以频率f或ω频域波形为横坐标变量来描述信号的幅值、相位变化规律[4-5]。离散傅里叶变换(Discrete Fourier Transform，DFT)计算公式是

获得时域信号后，在LabWindows/CVI的信号分析库中可以用AutoPowerSpectrum函数获得信号的频谱图。计算公式是

频谱显示代码如下：

AutoPowerSpectrum(gData，wavepoint，(1/samprate)，magnitude，&freqspace)；

DeleteGraphPlot(panelHandle，PANEL_GRAPH，-1，VAL_IMMEDIATE_DRAW)；

SetAxisRange(panelHandle，PANEL_GRAPH，VAL_NO_CHANGE，0．0，1．0，VAL_AUTOSCALE，0，5)；//设置图谱显示类型

PlotWaveform (panelHandle，PANEL_GRAPH，magnitude，wavepoint/2，VAL_DOUBLE，1．0，0．0，0．0，freqspace，VAL_THIN_LINE，VAL_EMPTY_SQUARE，VAL_SOLID，1，VAL_RED)；//显示图谱

图3为频谱分析仪实时工作时的用户界面，左侧为参数设置，右侧对应实时显示在参数设定后的信号波形。

2．4数据储存与回放

在对原始信号进行实时分析时，为了将来完整、详尽的分析，需要对数据进行储存与回放，代码如下。

数据存储程序：

ArrayToFile("data．xls"，wavesignal，VAL_DOUBLE，numRead*gNumChannels，gNumChannels，VAL_GROUPS_TOGETHER，VAL_GROUPS_AS_COLUMNS，VAL_SEP_BY_TAB，10，VAL_ASCII，VAL_APPEND)；

ProcessSystemEvents()；

free (wavesignal)；

MessagePopup ("保存"，" OK")；

数据回放：

FileToArray("data．xls"，savesignal，VAL_DOUBLE，numRead*gNumChannels，gNumChannels，VAL_GROUPS_TOGETHER，VAL_GROUPS_AS_COLUMNS，VAL_ASCII)；

DeleteGraphPlot(panelHandle，PANEL_GRAPH，-1，VAL_IMMEDIATE_DRAW)；//刷新

PlotY(panelHandle，PANEL_GRAPH，savesignal，wavepoint，VAL_DOUBLE，VAL_THIN_LINE，VAL_EMPTY_SQUARE，VAL_SOLID，1，VAL_BLUE)；//显示

free (savesignal)；//释放内存，任务结束

4　结束语

文中在LabWindows/CVI 2010虚拟仪器软件平台下，利用专用信号分析函数库，开发了一种基于虚拟仪器的实时频谱分析仪。由于涉及硬件底层驱动开发，运用基于C语言的LabWindows/CVI要比其他开发平台执行效率更高、功能开发更灵活。该设计经过实验验证，数据更新速度快，频谱数据显示稳定准确，在测控领域具有显著的实际意义。

参考文献：

[1]谭秀萍，吴晓辉，范蟠果，等．LabWindows/CVI多线程技术在电负载系统中的应用．测控技术，2011(8)：79-82．

[2]程乃平，席有猷，赵阳．基于Labwindows/CVI的虚拟频谱分析仪设计．电子测量技术，2009(7)：109-111．

[3]邢志彩，王灵莉，王旭柱．基于LabWindows/CVI的傅里叶变换光谱测量的数据采集系统．微型机与应用，2011(10)：1-4．

[4]马青亮，周伦彬，李振娜．基于LabWindows/CVI的信号分析仪的设计．中国测试，2009(6)：50-53．

[5]胡宁，徐兵．基于LabVIEW的频谱分析仪的设计．计算机测量与控制，2013(5)：1404-1407．