基于虚拟仪器的信号与系统实验装置研制*

冯学玲，翁文婷，吴 葛，邓春花，尹 仕

（华中科技大学电气与电子工程学院，武汉 430074）

0 引言

《信号与系统》为华中科技大学电气学科大类基础课，涉及信号的各种变换和分析方法。这门课程配套实验主要是在传统的数块电路板上进行测试，该电路板已经投入使用超过10年，电路原理已逐渐陈旧过时；同时由于学生仅需完成端口接线，便可得到验证性实验结果，多次的拔插使得测试接口磨损，已无法满足现有课程教学；再者目前的实验内容单一，缺少工程背景，多为验证性实验，无法满足新工科背景下人才培养和学生工程实践训练的要求。针对上述问题，部分学校引入了Mat⁃lab和NILabview仿真技术，加强学生理解实验原理[1-2]。这些实践尽管加强了学生对知识点的理解和记忆，但在学生能力培养方面，对大脑的训练仍停留在知识理解层面，很难激发大脑的深度学习。

为此，本文围绕该课程的核心知识点：信号采样与恢复，信号分析与变换，信号滤波与调制解调等，设计基于声音、生理（心电）和电信号的《信号与系统》综合实验平台，通过模块化的硬件、开放的接口，结构化的软件以及交互式的界面，培养学生自主学习、应用和创新的能力[3]。

1 实验信号检测平台设计

本文采用模块化思路设计实验信号检测平台，有利于灵活便捷地开展实验研究。所设计平台如图1所示，主要包括信号检测模块以及辅助电源模块等。

图1 《信号与系统》综合实验信号检测平台

（1）AC220 V输入。后面板，市电输入，电信号检测模块和辅助电源的输入。

（2）AC220 V输出。后面板，同市电输入，电能质量测量网络供电。

（3）辅助电源模块。工业级开关电源模块JMD10-B和DC-DC电压转换模块，提供各信号检测模块所需的供电电压。JMD10-B为一路单相AC100～240 V输入，两路直流输出（5 V/1 A；±15 V/0.2 A）；DC-DC电压转换模块将5 V电压转换为3.3 V，为心电信号检测模块供电。

（4）心电信号检测模块。单导联心率监护仪模拟前端AD8232芯片，是一款用于心电及其他生物电信号测量应用的集成信号调理模块[4]，具有尺寸小、功耗低等优点。模块供电电压为3.6 V，内置专用仪表放大器、运算放大器、驱动放大器和中间电源电压基准电压缓冲器各一个。专用仪表放大器具有共模抑制的功能，小信号可获得100倍以上增益。

（5）电流测量模块。TA12-100交流电流互感器，输入交流电流范围为0～5 A，变比为1 000/1，输出端接200Ω电阻，将电流信号转换为电压信号，电流测量模块的输出为0.2 V/A。通过改变电阻值大小，可以调节电流测量模块的输出。

（6）电压测量模块。单相交流有源输出电压互感器模块，搭载ZMPT101B系列高精度电压互感器以及高精度运放，供电电压为5～30 V，交流电压测量范围为0～250 V，输出信号为含一定直流分量的正弦波，电压传输比倍数可通过电位器进行调节。

（7）信号输入/输出接口。前面板，心电检测的导联线输入接口以及对应电压、电流和心电信号的BNC输出接口。

2 基于NI虚拟仪器的实验设计

2.1 虚拟仪器编程语言NILabVIEW

NILabVIEW是一种图形化编程语言，是专门针对工程师和科学家所设计的开发环境，内置能简化编程复杂度的功能和函数，便于与硬件集成[5-7]。LabVIEW虚拟仪器技术具有数据采集和计算分析功能强大、兼容性好、开发周期短、投资少和智能化等优点。

应用LabVIEW编制的程序即VI，包括前面板和后面板。通过适当配置，前面板可以作为人机界面实时显示测量值。后面板即函数选板，通过库函数的合理组合，可以实现各种复杂的信号处理功能。

2.2 NImyDAQ数据采集卡

NImyDAQ是一种使用NILabVIEW软件的低成本便携式数据采集（DAQ）设备，如图2所示，具有一路USB、两路模拟输入（AI）、两路模拟输出（AO）、8路数字输入和输出（DIO）、音频、电源和数字万用表（DMM）等接口。

图2 NImyDAQ设备接口

NI myDAQ通过USB与计算机LabVIEW平台连接，实现采集电路信号传输。

2.3 信号分析处理综合实验平台总体结构

基于虚拟仪器的信号分析处理综合实验平台系统连接方案和结构示意如图3所示，心电、电信号和音频信号经过检测平台后由myDAQ送至LabVIEW上位机，最后由LabVIEW完成后续处理。

图3 基于虚拟仪器的信号分析综合实验平台结构框架

2.4 心电信号分析仪实验设计

（1）心电采集系统

心电信号的常见处理流程包括心电信号的采集、预处理、特征提取与分类识别4个环节[8]。本实验心电信号采集基于AD8232硬件模块，其测量原理结构如图4所示。测量时，不锈钢电极LA、RA和RL（COM）分别接入被测者的左肢、右肢和右腿上。由于测量电极引线较长，系统容易受到共模信号干扰，因此图4所示电路设置了极窄的带通滤波器，在保留心率信号的基础上滤除噪声干扰信号，该电路亦能滤除共模成分并将小信号放大输出。

图4 基于双手测量的心电采集基本电路原理结构

图4中，①所示电路为直流导联脱落检测，独立检测三电极是否脱落和断开；②为输入电极电阻，用以保护被测试者免受故障条件的影响；③所示电路为输出端双极点高通滤波器；④所示电路为双极点低通滤波器；⑤所示电路为基准电压设置器，通过两只电阻分压后并联电容滤波。

通过将AD8232输出“OUTPUT”与myDAQ的模拟输入接口A0相连，可以采集AD8232检测的心电信号。尽管AD8232能提供较高的信噪比，但由于缺少外部干扰屏蔽，还需设计LabVIEW软件完成心电信号滤波、去噪、分析等一系列操作。

（2）心电信号滤波去噪及峰值检测

根据采样定理可知：当采样频率大于信号中最高频率的2倍时，采样后的数字信号可以无失真的恢复。基于AD8233心电监测模块得到的心电信号，可通过设置采样频率，利用LabVIEW软件设计滤波、去噪，以方便观察和分析。常用的一般滤波器模型如图5（a）所示，有低通、高通、带通、带阻和平滑滤波5种类型，以低通滤波器为例，通过设置截止频率和FIR抽头数，可实时预览滤波前后的时域（图5（b））、频谱波形和传递函数伯德图。

图5 LabVIEW信号处理子VI

对于心电信号，还可以采用小波去噪、FIR加窗滤波等方式[9]。其中小波去噪方法主要经过对小波母函数的选择、分解层数和阈值的选择规则进行分析。如许春冬提出的基于coif-5的5层分解树自适应阈值降噪方法，可以得到较佳的效果，该方法通过LabVIEW调用MAT⁃LAB Script脚本节点方式实现滤波[10]。FIR加窗滤波基于有限的脉冲响应，通过选择不同的窗函数，如矩形窗、汉宁窗以及高斯窗等来逼近给定的频率响应特性。

经过滤波去噪的心电信号可利用心电图QRS波群的两个R波峰计算心率[4]。通过上升下降沿来检测心跳、以及两次心跳之间的时间间隔，来计算一分钟内心脏跳动的次数，并经过相邻5次时间间隔后求取平均值，得到每分钟跳动的次数。利用QRS波群还可进行实时心律失常分析。最后设计人机交互界面进行实时显示心电图和心率。

2.5 单相电能质量分析仪实验设计

单相电能质量分析涉及电压偏差、频率偏差和谐波含量等[11]。本文将电能质量分析仪置于用电设备前端，如图1（b）所示，通过霍尔元件采样用电设备的输入电流和输入电压，通过myDAQ两路模拟量输入接口送至LabVIEW后，对电流电压信号实时处理和分析，来完成电能质量相关参数的测量和分析。

电压偏差是指电网中测量节点实际电压Ure与系统给定的额定电压UN值之间的差，数学表达式为：

国标GB/T 12325-2008《电能质量供电电压偏差》对单相220 V电压允许偏差限值为-10%～+7%[12]。

谐波是非线性负载引起的电源电压或负载电流的周期性正弦形失真，可用波形畸变率（THD）表示波形畸变程度。计算公式为：

式中：Uh为第h次谐波电压分量的均方根值；U1为基波电压均方根值。

国标GB/T 14549—1993《电能质量公用电网谐波》中对低压公用电网的电压谐波畸变率限值为50%[13]。

LabVIEW软件中可用模块程序直接求取均方根、快速傅里叶变换（FFT）和谐波失真，具体图标如图6所示。

图6 LabVIEW信号处理子VI

利用上述子程序模块和滤波器程序，即可实现电压、电流、有功、无功等电量的分析和运算。

2.6 音频调节器

不同频率的声音有不同的音效，本文采用的声音文件可为手机或其他设备正常播放的音乐文件，通过音频线连接AUDIOIN送至LabVIEW。通过设置滤波器来实现频段的划分和增益调节器，以改变不同频段音频信号的大小。最后对各个频段的信号进行叠加，得到最终的输出信号。处理后的音频可通过myDAQ音频输出口AU⁃DIOOUT输出至耳机或扬声器播放。

音频调节器让用户能根据自己的听音习惯调整音频输出，还可根据音频信号的能量谱进一步分析和提取特征信号，实现听音识曲[14]。

2.7 实验信号检测平台封装

为提高系统稳定性，本文对实验信号检测平台进行封装，如图7（a）所示。前面板设计如图7（b）所示，包含电压、电流和心电信号的BNC输出接口以及用于心电检测的导联线输入接口。后面板为市电AC220 V输入电源插座以及被测网络供电电源接口。

图7 硬件采集系统外壳封装

3 实验结论及分析

3.1 心电分析仪和音频调节器实验结果

基于虚拟仪器的心电分析仪和音频调节器实验结果如图8所示，其中图8（a）为某测试者的实时心电图和心率信号；图8（b）为实时音乐播放器，可通过调音区4个频段的增益设置来实时调节音频信号。

图8 心电分析仪和音频调节器的软件界面

人机交互界面能形象直观地观察和体验信号分析处理的乐趣，学生还可以在该软件界面进一步优化和集成，更好地体验学习的乐趣。

3.2 单相电能质量分析仪实验结果及分析

以电容和灯泡并联电路作为用电设备，测试单相电能质量分析仪的性能，如图9所示。其中r为灯泡回路限流电阻，通过波动切换开关S1～S4来改变负载的功率因数。功率计PA1000作为标准测量仪器来对本文设计的电能质量分析仪进行性能检测。

图9 电能质量分析系统测试原理

当图9接入总电容C=0.33μF，S4闭合时负载电流电压波形用该电能质量分析仪测试，结果如图10（a）所示。改变C的大小，可得有功、无功和视在功率的变化，如图10（b）所示。

图10 电能质量分析仪测试数据

将上述结果与用标准仪器PA1000测试结果进行对比，如表1所示，对于不同的总电容，上面一栏的值为虚拟电能质量分析仪的测试结果，下面一栏为标准功率计测试结果。将每组结果计算相对误差并比较得到最大相对误差，即最后一栏的结果。结果表明所有的相对误差都在4%以内，满足教学设计要求。

表1 电能质量分析仪测试结果

4 结束语

本文研制了一套软硬件结合、虚实交互的信号分析综合实验装置，取代了陈旧过时的电路板，能实现信号滤波性能比较、频谱分析和分类识别，直击学生信号学习重难点和痛点。该综合实验装置采用模块化设计方案，引入了学生熟悉的声音信号、生理信号和电流电压信号，共集成3套虚实结合的信号分析测试仪。实验测试结果表明，分析测试仪基本满足测量仪器仪表的要求，能用于《信号与控制综合实验》本科实验教学。学生能通过自主设计硬件模块、创意编程和多种方式融合的方式，成为学习的主导者并产生新的知识和链接，体验信号分析处理的趣味性。该综合实验装置非常适合新工科背景下实践教学需求，同时一体化和模块化设计利于推广。