摘  要： 提出一種基于虛擬儀器LabVIEW的FFT頻譜分析儀的設計,，分析了DSP技術在虛擬儀器中的應用。在深入研究DSP處理系統(tǒng)的基礎上,，開發(fā)了基于DSP技術以及USB總線的虛擬式FFT 頻譜分析儀,，具有設計新穎,、實用性強的特點,。
關鍵詞： 虛擬儀器；LabVIEW,；DSP,；USB總線；FFT,；頻譜分析儀

1 虛擬儀器概念和特點
    虛擬儀器是虛擬技術在儀器儀表領域中的一個重要應用,。它是日益發(fā)展的計算機硬件、軟件和總線技術在向其他技術領域密集滲透的過程中,，與測試技術,、儀器儀表技術密切結合孕育出的一項新的成果。20世紀80年代,，NI公司首先提出了虛擬儀器的概念,，認為虛擬儀器是由計算機硬件資源、模塊化儀器硬件和用于數(shù)據(jù)分析,、過程通信及圖形用戶界面的軟件組成的測控系統(tǒng),，是一種由計算機操縱的模塊化儀器系統(tǒng)。虛擬儀器是以計算機作為儀器統(tǒng)一的硬件平臺,，充分利用計算機獨具的運算,、存儲,、回放、調用,、顯示以及與文件管理等基本智能化功能,，同時把傳統(tǒng)儀器的專業(yè)化功能和面板控件軟件化，使其與計算機融為一體,，構成了從外觀到功能都完全與傳統(tǒng)硬件儀器一致,，同時又充分享用計算機智能資源的全新的儀器系統(tǒng)。由于儀器的專業(yè)化功能和面板控件都由軟件形成,，因此國際上把這類新型的儀器稱為“虛擬儀器”[1],。
    目前在虛擬儀器技術領域，使用較為廣泛的計算機語言是NI公司推出的LabVIEW,。LabVIEW是一種圖形化的編程語言開發(fā)環(huán)境,，類似于C和BASIC開發(fā)環(huán)境，但較之不同的是,，LabVIEW使用的是圖形化的編輯語言,，又稱為“G”語言。這種編程語言的特點是用具有框圖結構的VI代替繁瑣的程序代碼,，產生的程序是框圖的形式,，同時它盡可能利用了技術人員、工程師,、專家所熟悉的術語,、概念和圖標，因而廣泛地被工業(yè)界,、學術界和研究實驗室所接受,。LabVIEW逐漸成為一種標準的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件，在進行研究,、設計,、測試并實現(xiàn)儀器系統(tǒng)時，可大大提高工作效率,。
2 DSP在虛擬儀器中的應用
    在PC虛擬儀器領域,，采用高速DSP和局部總線的結構將成為PC虛擬儀器的主流結構。虛擬儀器作為儀器發(fā)展的新階段,，雖然其專業(yè)化功能和面板控件都是以軟件形式所表現(xiàn)出來,，但其硬件采集仍需要硬件設備來完成。
    DSP芯片是專門用于數(shù)字信號處理的芯片,，它能獨立于CPU單獨運行,，同時又有豐富的接口處理功能。更為重要的是,，DSP芯片對數(shù)字信號的處理由其裝載的程序控制,，開發(fā)人員可根據(jù)實際的需求自行開發(fā)程序,，再將程序裝載入芯片，從而達到數(shù)字信號處理的目的,。然而直接使用DSP來開發(fā)頻譜分析儀有諸多不便,，這主要是因為當系統(tǒng)運行在WINDOWS等多任務操作系統(tǒng)時，特別在處理如FFT等大容量,、高精度運算時,，CPU資源會造成嚴重不足，這給底層硬件系統(tǒng)的設計應用帶來一定的不便,。但使用虛擬儀器能很好地解決這個問題,，虛擬儀器能借助DSP處理系統(tǒng)，將采集來的數(shù)據(jù)在DSP中進行預處理,，然后再將數(shù)據(jù)傳遞給軟件部分,，這樣不但沒有增加系統(tǒng)的負擔，相反,，可以讓系統(tǒng)資源用更多的時間來處理其他事情,。數(shù)據(jù)的處理是由軟件控制計算機系統(tǒng)來完成,虛擬儀器主要處理由USB數(shù)據(jù)采集器所采集到的數(shù)字信號，對其進行分析,、運算和顯示,。
3 頻譜分析儀的應用和發(fā)展
    頻譜分析是信號分析處理中常用的分析方法，主要是在頻域上對信號進行處理,、分析及顯示,。目前，頻譜分析在生產實踐與科學研究中獲得了日益廣泛的應用,。例如,，在聲納系統(tǒng)中,，為了尋找海洋水面艦艇或潛艇,，需要對噪聲信號進行頻譜分析，以提取有用信息,，從而判斷艦艇運動速度,、方向、位置,、大?。粚︼w機,、汽車,、電機、機床等主體或部件進行實際運行的頻譜分析,，可以提供設計數(shù)據(jù),、檢驗設計效果,，或者尋找振源和診斷故障，以便及時排除潛在故障因素,，保證安全運行,。
    早期的頻譜分析儀實質上是一臺掃頻接收機，輸入信號與本地振蕩信號在混頻器變頻后,，經過一組并聯(lián)的不同中心頻率的帶通濾波器,，使輸入信號顯示在一組帶通濾波器限定的頻率軸上。由于帶通濾波器由電感,、電容等多種無源,、有源元件構成，頻譜分析儀顯得很笨重,，且頻率分辨率不高,。隨著電子電路技術的發(fā)展，出現(xiàn)了以傅里葉變換為基礎的現(xiàn)代頻譜分析儀,，這類頻譜分析儀以電子電路來實現(xiàn)傅里葉變換,，從而實現(xiàn)頻譜分析。但是,，這類頻譜分析儀仍然是以硬件電路來實現(xiàn)的傳統(tǒng)意義上的頻譜分析儀,，存在復雜性、封閉性等自身無法克服的缺點,。隨著計算機技術的發(fā)展和普及,，虛擬儀器技術應用到頻譜分析儀中，克服了傳統(tǒng)硬件化的頻譜分析儀自身無法克服的缺點,。
4 虛擬式FFT頻譜分析儀的系統(tǒng)設計
4.1 基于DSP的USB數(shù)據(jù)采集器開發(fā)
    快速傅里葉變換FFT(Fast Fourier Transform)分析要求首先對被分析的信號進行數(shù)字采樣,，然后再進行FFT運算。在系統(tǒng)中,，信號的采樣和FFT計算全部在USB數(shù)據(jù)采集器上實現(xiàn),。為了保證時域信號和FFT處理后的數(shù)據(jù)能實時傳遞給系統(tǒng)CPU，USB數(shù)據(jù)采集器與主機之間采用USB接口設計[2],。根據(jù)系統(tǒng)要求和實際條件,，USB數(shù)據(jù)采集器的結構如圖1所示。

    (1)信號調理模塊設計
    信號調理模塊實現(xiàn)信號的輸入緩沖,、放大和濾波,。在系統(tǒng)中，信號的緩沖由集成運放組成同相跟隨器來實現(xiàn),。放大器采用TI公司的可編程放大器PAG103U,，放大倍數(shù)的改變由DSP和邏輯控制器共同實現(xiàn)，設計中可對輸入通道信號分別進行放大倍數(shù)控制。調理模塊中的濾波器為低通濾波,，主要用于對信號進行抗混疊濾波,，以確保信號的有效FFT分析。
    (2)A/D轉換設計
    A/D轉換的采樣率和分辨率是進行數(shù)字采樣系統(tǒng)設計的主要指標,。在設計中,，A/D芯片采用AD7685，單通道最高采樣率可達250 kS/s,，輸出為16位并行輸出,，比較電壓為±5 V。
    (3)DSP芯片選用
    DSP是該系統(tǒng)進行FFT運算的處理器,，其精度,、速度在很大程度上決定了FFT分析儀的性能?？紤]到FFT運算中實時性和精度方面的要求,，設計時選用TMS320VC33浮點型DSP芯片[6]。
    (4)存儲器選用
    存儲器可用于存放大量的表格數(shù)據(jù)和一些臨時數(shù)據(jù),。因為DSP在作FFT運算時要用到大量正弦及其他數(shù)據(jù)表格,，而通常固化DSP程序的閃存和DSP的數(shù)據(jù)交換較慢，為保證FFT的運算速度,，可在FFT運算前,，將表格數(shù)據(jù)存儲于DSP外的高速存儲器內。
    (5)USB接口芯片選用
    USB接口芯片是連接PC機和底層硬件的通信紐帶,，USB總線有著嚴格的電氣規(guī)范和時序要求,，采用接口芯片可以減少電路設計的工作量，特別對于在實現(xiàn)5 V與3.3 V DSP的數(shù)據(jù)傳遞時,，采用可同時兼容這兩種電壓的接口芯片,，還省去轉換電路的設計。設計中選用Philips的高速USB2.0芯片ISP1362,。數(shù)據(jù)采集器工作時,，各主要模塊通過控制器后的基本流程如圖2所示。

4.2 虛擬式FFT頻譜分析儀軟件設計
    該系統(tǒng)軟件包括DSP軟件的設計和應用程序的設計,。
4.2.1 DSP軟件的設計
    DSP軟件由DSP主程序和中斷服務程序組成[4],。
    DSP主程序主要完成以下任務：(1)初始化USB芯片，讀入用戶設置的采樣頻率參數(shù),，并根據(jù)這個參數(shù)初始化時鐘，以產生正確的采樣時間信號,；(2)讀入采樣通道參數(shù)并初始化AD7685,；(3)讀入用戶放大倍數(shù)，設置可編程放大器,。這些參數(shù)讀入完畢后,，將采樣通道采集的數(shù)據(jù)通過USB口發(fā)送給PC側的LabVIEW軟件分析處理,。
    中斷服務程序主要用來響應A/D所產生的中斷，在設計中,，中斷服務的任務主要是讀取A/D轉換后的數(shù)據(jù),，并判斷其是否達到FFT點數(shù)，如沒達到則返回,，反之,，進行FFT運算，并將數(shù)據(jù)傳遞給接口芯片,。
4.2.2 應用程序的實現(xiàn)
    應用程序是實現(xiàn)人機交換的控制軟件[5],，數(shù)據(jù)結果的顯示以及輸入?yún)?shù)的改變都在此完成。要求應用程序既要有很好的穩(wěn)定性,，又要易于操作,。系統(tǒng)的應用程序以及USB數(shù)據(jù)采集器的驅動程序都是在LabVIEW的基礎上編寫出來的，具有很好的穩(wěn)定性和可移植性,。圖3所示為基于DSP技術的虛擬式FFT頻譜分析儀面板圖,，檢測輸入信號為200 Hz，交流正弦波為400 Hz,，可以看到在FFT上的頻譜圖(幅度譜和相位譜),。

    虛擬式FFT頻譜分析儀系統(tǒng)可在Windows環(huán)境下很好地運行和操作，符合項目設計要求,。DSP技術引入到虛擬儀器系統(tǒng)中,，使得虛擬儀器的性能突破了通用計算機的限制，并在實時性和精確性上為虛擬儀器廣泛代替?zhèn)鹘y(tǒng)硬件平臺儀器提供了保證,。利用計算機提供的USB,、PCI等高速數(shù)據(jù)接口，進一步拓寬了基于DSP的USB數(shù)據(jù)采集器的數(shù)據(jù)傳輸帶寬,。隨著DSP技術的發(fā)展和其在虛擬儀器中的應用,，虛擬儀器必將在儀器行業(yè)中大放異彩。
參考文獻
[1] 秦樹人,，張思復,，湯寶平，等.集成測試技術與虛擬儀器[J].中國機械工程,，1999,，10(1):77-80.
[2] 劉陽，郭修煌.基于PC總線虛擬儀器的關鍵技術及發(fā)展前景[J].電子技術應用,，1996,，16(3):93-95.
[3] 王念旭.DSP基礎與應用系統(tǒng)設計[M].北京:北京航空航天大學出版社，2000.
[4] 盧文祥，杜潤生.機械工程測試·信息·信號分析[M].(第二版).武漢:華中科技大學出版社,，1999.
[5] 萬相奎,，秦樹人，尹愛軍.虛擬式多通道溫度測試儀[J].重慶大學學報(自然科學版),，2002,，25(4):11-13.
[6] 吳宏鋼，秦樹人,，王婭仙.利用高速數(shù)據(jù)卡開發(fā)通信測試儀[J].重慶大學學報(自然科學版),，2003，26(8):8-9.