摘要：針對虛擬儀器技術具有性能高，易于實現硬件和軟件集成等特點，將虛擬儀器技術和LabvIEW應用于測試領城。以計算機和NI 9201數據采集卡為硬件，以LabVIEW8．6軟件作為開發平臺，構建了數據采集與信號處理的虛擬測試系統。系統由信號源和信號處理模塊組成，其中信號源部分包括數據采集卡采集的模擬信號模塊、虛擬信號發生器仿真信號模塊；信號處理部分包括對信號源的時城測量、波形顯示、濾波、頻譜分析等，完成了對實際模擬信號和仿真信號的采集、信號分析與處理。
關鍵詞：虛擬儀器；LabVIEW；數據采集；信號處理
0 引言
隨著計算機的快速發展，由美國國家儀器公司NI(NationalInstruments)提出的虛擬儀器技術引發了測試領域一場重大變革，開創了“軟件即是儀器”的先河，目前虛擬儀器技術的應用日益廣泛。
虛擬儀器是指以通用計算機作為系統控制器，由軟件來實現人機交互和大部分儀器功能的一種計算機儀器系統。與傳統儀器不同，虛擬儀器是由通用計算機和一些功能化硬件模塊組成的儀器系統。在這種儀器系統中，不僅儀器的操作和測量結果的顯示是借助于計算機顯示器以及虛擬面板的形式來實現的，而且數據的傳送、分析、處理都是由計算機軟件來完成的，這就大大突破了傳統儀器儀表在這方面的限制，方便了用戶對儀器的使用、維護、擴展和升級等。NI公司開發的LabVIEW是目前最為成功的虛擬儀器軟件之一，它是一種基于G語言的32位編譯型圖形化編程語言，其圖形化界面可以方便地進行虛擬儀器的開發，并在測試測量、數據采集、儀器控制、數字信號處理等領域得到了廣泛的應用。
1 虛擬儀器測試系統的結構
以美國國家儀器公司NI的LabVIEW8．6作為開發平臺，配合NI公司的NI 9201數據采集卡作為硬件實現該測試系統的設計。該系統可實現單、雙通道的模擬信號的采集、虛擬信號的產生，同時完成對信號的分析與處理，測試系統的核心是前端數據采集和后續信號處理。虛擬儀器測試系統的結構框圖如圖1所示。
2 程序設計模塊
該測試系統體現了NI公司提出的“軟件即是儀器”的思想，以LabVIEW8．6為平臺，設計的虛擬儀器能夠完成對數據采集卡采集的模擬信號進行分析與處理，同時，利用LabVIEW的強大功能，開發了虛擬信號發生器模塊，使得該虛擬儀器對仿真信號進行分析與處理。也即該測試系統的信號源包括：數據采集卡采集的模擬信號；虛擬信號發生器模塊產生的仿真信號。據采集與信號處理系統的結構框圖如圖2所示。
2．1 信號源
本次設計的虛擬測試系統能夠實現對信號的時域測量、波形顯示、濾波、頻譜分析等。其中，信號源模塊包括NI 9201數據采集的模擬信號和基于LabVIEW設計的虛擬信號發生器輸出的仿真信號。
2．1．1 數據采集卡采集的模擬信號
以NI公司的NI 9201數據采集卡作為硬件，實現該數據采集系統的設計。NI 9201提供8個通道，12位模擬輸入，ADC類型為逐次逼進型(SAR)。它的通道與系統中的其他模塊相隔離，模塊的每個通道均具有過壓保護功能，輸入信號經掃描、緩沖和調理后，由一個12位的模／數轉換器對其采樣。NI 9201的輸入電路示意圖如圖3所示。
進入NI配置管理軟件“Measurement ＆ Automation Explorer”進行數據采集卡的參數配置。選擇采集電壓信號進行參數配置后生成的程序代碼如圖4所示。
2．1．2 虛擬信號發生器輸出的仿真信號
基于LabVIEW設計的虛擬信號發生器能夠產生周期信號和非周期信號，通過布爾控件選擇周期信號和非周期信號。虛擬信號發生器模塊的前面板如圖5所示。
其中，周期信號包括正弦波、三角波、方波、鋸齒波等，其幅值、頻率等參數可以利用布爾控件調節，同時可以設置選擇是否添加噪聲的模塊，可以選擇添加均勻自噪聲等。非周期信號包括斜坡信號、沖激信號、公式信號，各種信號都提供了幅值、延遲等參數設置的控件，其中公式信號提供了輸入一組函數，能夠根據輸入函數產生任意信號。另外，設置了波形存儲模塊，通過一個布爾控件選擇是否存儲，波形存儲的路徑可以選擇。總之，該虛擬信號發生器能夠提供各種常見的周期信號和特殊非周期信號，供信號分析與處理模塊使用，同時，各種信號添加噪聲后，可以用作實際信號的仿真信號使用。
2．2 信號處理模塊
該信號處理模塊完成對信號源信號的綜合分析與處理，包括波形顯示、波形存儲和打印、時域測量、濾波、頻譜分析等幾個子模塊。信號處理模塊程序框圖如圖6所示。
信號處理模塊的各個子模塊功能如下：波形顯示模塊即完成了信號源模塊輸入的波形顯示，能夠直觀地看出波形；波形存儲和讀取，通過設置布爾控件，選擇是否存儲波形或者讀取波形，并且提供波形存儲或者讀取路徑的選擇；打印模塊設置波形打印選項，通過布爾控件選擇是否打印波形，方便快捷地啟用打印機打印波形；時域測量模塊實現對信號源的時域測量，包括單頻測量、幅值與電平測量、信號的時間與瞬態特性測量等，能夠直接測量出信號的幅值、頻率、相位、方波占空比、均方根等參數；濾波模塊實現了對信號源的濾波處理，用到的是IIR濾波器，根據需要選擇合適的濾波方式和截止頻率，實現信號的濾波；頻譜分析模塊實現了對信號的FFT，通過頻譜分析模塊得到信號的幅值譜和相位譜。
3 測試結果分析
信號處理模塊對信號源部分的信號(虛擬信號發生器的仿真信號、數據采集卡采集的模擬信號)進行分析與處理，結果如下。
3．1 對虛擬信號發生器仿真信號分析與處理
利用設計的虛擬信號發生器產生一組添加均勻白噪聲的正弦信號進行分析與處理，設置其參數為幅值8 mV、頻率5 Hz、相位0。運行程序，對該仿真信號進行時域測量、頻譜分析、濾波分析處理等，選擇選項卡控件，可以觀察被測量信號的波形、時域測量結果、濾波及頻譜圖等，同時增加了信號保存及打印等可選項。信號處理結果的前面板如圖7所示。
3．2 對數據采集卡采集信號的分析與處理
以某沖擊測試實驗結果處理為例，使用ADXL001振動傳感器和NI 9201數據采集卡硬件，結構框圖如圖8所示。
利用設計的信號處理系統對信號進行濾波、頻譜分析等處理，處理結果的前面板如圖9所示。
設計的信號處理系統對該信號進行了有效的濾波和頻譜分析。從處理的結果圖可以得出，該沖擊信號的峰值為15 mV，信號主頻率為50 Hz。
4 結語
本文設計了一個操作簡單、界面友好的多功能數據采集與信號處理系統。該系統綜合應用了傳感器、數據采集、LabVIEW圖形化編程軟件開發和信號處理等多種技術，集數據采集和信號處理與一體，構建了一個完整的多功能虛擬測試系統，完成了對信號源(數據采集卡、虛擬信號發生器)包括波形顯示、時域和頻域在內的分析與處理。本文設計的虛擬測試系統充分體現了虛擬儀器技術和LabVIEW軟件在數據采集和信號分析與處理中的強大功能，可以廣泛用于測試測量領域，完成對信號的實時采集與處理。