基于USB4716的虚拟信号处理仪设计

黄昆　谭钧剑　郝小江

（攀枝花学院电气信息工程学院，四川　攀枝花　617000）

基于USB4716的虚拟信号处理仪设计

黄昆谭钧剑郝小江

（攀枝花学院电气信息工程学院，四川攀枝花617000）

以USB4716数据采集卡和LabVIEW软件为核心，设计一个虚拟信号处理仪。该处理仪先通过USB4716采集外界各种信号，送入计算机，再利用LabVIEW编程所得到的前面板和程序框图，实现信号的测量、滤波、加窗、频谱分析等功能。实验表明，虚拟信号处理仪程序设计简单，人机界面友好，操作简单方便，实用性较强。

虚拟仪器LabVIEWUSB4716信号处理

1　引言

虚拟仪器技术发展非常迅速，只要拥有数据采集硬件和相应的虚拟仪器软件，就可构成基于计算机的测量仪器。本文利用USB4716作为数据采集硬件，在安装有LabVIEW软件平台的计算机上，设计出虚拟信号处理仪器，实现数据采集、处理与显示等功能。

2　设计平台

2.1硬件平台

硬件平台主要包括计算机和数据采集卡。

数据采集卡采用台湾研华公司USB4716，它的主要测量与控制功能如下：

①16个单端/8个差分模拟量输入通道；

②16-bit分辨率，采样速率达200kS/s；

③8个数字量输入和8个数字量输出通道；

④2个模拟量输出通道；

⑤总线供电，支持USB2.0和热插拔。

2.2软件平台

本文采用LabVIEW2010虚拟仪器软件平台。它由美国NI公司开发，具有直观的前面板与简便的图形化编程方法，是构建虚拟仪器的理想工具。使用LabVIEW编写的程序也叫虚拟仪器，简称VI。编写VI程序会用到LabVIEW三个操作选板：工具选板、控件选板、函数选板。

3　系统总体设计框图

系统总体设计分前面板设计和程序框图设计两大块，采用模块化设计思想。总体设计框图如图1所示。

虚拟信号处理仪设计可分为“信号来源”和“信号处理”两块。其中，信号来源包括USB4716采集信号模块和仿真信号模块；信号处理包括信号测量模块、滤波模块、加窗模块、频谱模块。

图1　系统总体设计框图

4　具体模块设计

4.1USB4716信号采集模块设计

当USB4716数据采集卡要与计算机连接交换信息时，先要安装好驱动程序。当驱动成功安装后，就能在电脑设备管理器找到硬件，并能在LabVIEW中调用其对应的数据采集函数。

采集模块前面板和程序框图设计如图2所示。

图2　采集模块前面板和程序框图

前面板设计包括三个数值输入控件（设备名、采样率、采样数）和一个传统DAQ通道I/O控件，用于配置采集卡。

程序框图设计主要是选用“ADV AI Acquire Waveform.vi”函数来实现。此函数功能为采集USB4716输入的模拟信号。

4.2仿真信号产生模块设计

为了功能验证的方便，本设计增加了仿真信号产生模块，主要产生四种典型仿真信号（正弦波、方波、锯齿波、三角波），并且还可加入噪声（高斯白噪声或均匀白噪声）。

前面板设计如图3所示，主要包括两个组合框控件（信号类型、噪声类型）、两个旋钮控件（频率、幅值）、两个数值输入控件（相位、方波占空比）、一个簇控件（模拟信号采样信息）和一个单选按钮控件（是否加噪声），方便用户产生各种仿真信号。

图3　仿真信号产生模块前面板

程序框图设计如图4所示，主要采用条件结构和波形生成函数来实现。

图4　仿真信号产生模块程序框图

4.3信号测量模块

该模块主要是对要进行处理的输入信号进行简单测量，包括信号的幅值测量和时间频率测量。

前面板设计如图5所示，它主要包括幅值测量的三个数值显示控件（峰峰值、周期平均、周期均方根）和时间频率测量的三个数值显示控件（周期、频率、占空比），用于显示信号的基本信息。

图5　信号测量模块前面板

程序框图设计如图6所示，选用“幅值和电平测量”和“信号的时间与瞬态特性测量”两个信号分析函数来实现。

图6　信号测量模块程序框图

4.4信号滤波模块设计

LabVIEW中拥有大量的数字滤波器，如Chebyshev滤波器、Butterworth滤波器、贝塞尔滤波器等。本设计就利用这三种滤波器对原始信号进行滤波。

前面板设计如图7所示，它主要包括两个枚举型控件（滤波器、滤波器类型）和三个数值输入控件（阶数、低截止频率、高截止频率），用于滤波器选择和参数设置。

图7　信号滤波模块前面板

程序框图设计如图8所示，主要采用条件结构、滤波器函数、局部变量、解除捆绑函数来实现。

图8　信号滤波模块程序框图

4.5信号加窗和频谱模块

LabVIEW中提供了大量的窗函数，其中包含Blackman窗，Hanning窗，Hamming窗等。为体现出加窗对信号做出的处理，滤波后的信号经加窗处理后进行波形和幅度谱显示，其前面板和程序框图设计如图9所示。

图9　信号加窗和频谱模块前面板和程序框图

前面板主要包括两个波形图控件（加窗后的信号、加窗后幅度谱），用于直观地显示信号经加窗处理后的变化。

程序框图主要采用条件结构、窗函数、幅度谱和相位谱函数、单位转换函数来实现。

5　系统运行调试

系统调试时，信号来源最好先选择仿真信号，然后分别进行信号的各种处理调试。待仿真信号调试成功后，再切换USB4716数据采集信号进行。

调试USB4716采集的实际信号前，先要将外部模拟信号接入USB4716采集卡的某个通道，再将USB4716插入计算机的USB端口，等待计算机检测到硬件设备，再打开LabVIEW程序，在前面板USB4716信号采集模块设置好对应参数。

下一步，在信号滤波模块设置好滤波器参数，运行程序，观察原始采集信号和滤波后的信号，如图10所示。

图10　信号滤波处理

再观察对采集信号的测量、加窗和幅度谱分析，如图11所示。

图11　信号的测量、加窗和幅度谱分析

由以上运行调试结果可看出，基于USB4716的虚拟信号处理仪可成功运行，采集和处理功能正常。

6　结束语

本设计的虚拟信号处理仪，成功地实现了USB4716数据采集、仿真信号的生成、信号测量、滤波、加窗、频谱分析等功能，图形界面友好，操作简单方便，达到了设计目标。但仍有需要改进完善的地方，比如可以增加信号的频率响应分析、相关分析、曲线拟合等功能。

参阅文献

［1］张重雄，张思维.虚拟仪器技术分析与设计（第2版）［M］.北京：电子工业出版社，2012.

［2］彭勇，潘晓烨，谢龙汉.LabVIEW虚拟仪器设计及分析［M］.北京：清华大学出版社，2011.

Design of Virtual Signal Processing Instrument Based on USB4716

HUANG Kun TAN Jun-jianHAO Xiao-jiang
（School of Information and Electric Engineering，Panzhihua University，Panzhihua，Sichuan 617000 China）

Based on USB4716 data acquisition card and LabVIEW software，the paper gives a virtual signal processing instrument.The instrument firstly collet outside signals through the USB4716 and sent them to the computer，then use the front panels and program diagrams obtained by LabVIEW to achieve a variety of functions，such as signal measurement，filter，add window，spectrum analysis，etc. Experiments show that the instrument has simple program design，friendly interface，simple and convenient operation，strong practicality.

virtual instrument；LabVIEW；USB4716；signal processing

TP311

A

1008-1739（2015）11-73-3

定稿日期：2015-05-12