基于虚拟仪器的信号频域分析与处理系统的设计与实现

1、基于虚拟仪器的信号频域分析与处理系统的设计与实现周林栗秋华张凤庄华（重庆大学电气工程学院高电压与电工新技术教育部重点实验室重庆市）摘要虚拟仪器的迅速发展，使得计算机控制的模块化仪器系统得到了广泛的认同与应用。本文建立了和的接口，实现了两者的混合编程，在此基础上设计了一个实用的信号采集、分析与处理系统，通过软、硬件技术结合，实现了对实际模拟信号的采集、分析与处理。为了节约系统开发时间和开发难度，在系统开发过程中使用了模块化的思想。关键词虚拟仪器；硬件；软件；信号分析中图分类号Design and Realization of a Signal Frequency-field Analysis a

2、nd Processing SystemBased on Virtual InstrumentZhou Lin, Li Qiuhua, Zhang Feng, Zhuang Hua(The Key Laboratory of High Voltage Engineering and New Technology of Ministry of Education, College of Electrical Engineering,Chongqing University, Chongqing 400030, China，；引言目前，国际上虚拟仪器的发展十分迅速，虚拟仪器 在发达国家已经十分普及

3、。但虚拟仪器在我国的应用还处于起步阶段。所谓虚拟仪器，就是在通用的计算机平台上定义和设计仪器的功能，用户操作计算机的同时就是在使用一台专门的电子仪器。虚拟仪器以计算机为核心，充分利用计算机强大的图形界面和数据处理能力，提供对测量数据的分析和显示功能。虚拟仪器的主要优点集中在开发灵活、功能全面，可利用资源丰富，测试规模可以很大。软件是虚拟仪器的关键，任何一个使用者都可以通过修改虚拟仪器的软件来改变它的功能，这就是美国公司“软件就是仪器”（）一说的来历。虚拟仪器系统的组成框图如图所示。 虚拟信号频域分析与处理系统总体设计这套虚拟信号分析与处理系统可以实现信号采集、信号分析、信号加窗分析、信号数字滤

4、波分析和信号频谱分析五种功能，事实上可以看作是具有相同仪器结构的五种仪器。五种仪器都采用类虚拟仪器结构，即除计算机外附加硬件是一块高性能的数据采集卡，这类虚拟仪器的工作过程是通过数据采集卡采集信号，得到其离散序列，由仪器软件分析该数据得到的测量目标值，仪器的性能除了受软件算法本身的精度影响外，通常还决定所使用的数据采集卡的性能。图虚拟仪器系统的组成框图在本设计中，五种仪器共同使用一种数据采集卡数据采集卡，仪器软件均由软件开发平台开发，并由软件打包工具打包在一起，从而构成了一个整体。为了节省该系统的开发时间和再开发难度，方便地解决所遇到的困难，在设计过程中采用了一种模块化的设计方法，将综收稿日期

5、：作者简介：周林，教授，主要从事及电网谐波治理方面的研究。合的信号频域分析与处理系统分为五个模块：数据采集仪、二维分析仪、信号的加窗函数分析仪、数字滤波器分析仪、频谱分析仪，分别实现这五个简单分析仪的功能，然后将其嵌套起来构成虚拟信号分析与处理系统。系统总体结构框图如图所示。图系统总体框图数据采集卡的参数设置要使数据采集卡正确地实现数据采集的功能，必须根据实际测量的需要对一些参数进行设置。模拟信号输入部分的设置设置信号的输入方式：确定信号是单端输入还是双端输入，输入信号是单极性信号还是双极性信号等，一般为了减小干扰而设置为双端差分输入。选择增益：根据输入信号幅值变化的范围和分辨率的要求，选择增

6、益。选择量程：一般根据输入信号是单极性还是双极性，选择合适的量程。转换部分的设置设置信号输入通道号；设定采样点数；设定采样速率；采样结果的输出方式：采样结果可放在一个数组中，也可放在某一个缓冲区中。采样触发方式：一般分为外触发、定时触发及软件触发。转换部分模拟信号的输出通道号；模拟信号的输出幅值：此参数应设置在标称满量程的范围内。刷新频率：该参数决定被产生的模拟信号波形的“光滑度”，刷新速率的倒数为响应时间。以上参数为数据采集卡的一般参数，并不是任何情况下，所有参数都必须设置。有些简单的数据采集卡不具有某些功能，如国产型数据采集卡就不能提供定时采集的功能，响应的就没有采样速率设置要求，且采样触

7、发方式只是提供软件触发方式的一种，使用者无法选择其它的触发方式。数据采集卡的驱动使用软件驱动接口设备数据采集卡，实现数据采集分为以下两种情况：支持的数据采集卡，如公司自行生产的各种类型的数据采集卡可利用自带的驱动函数驱动。设计者只需正确地设置输入参数就可实现采集任务，而不需要编写代码程序。不支持的数据采集卡，可利用语言编程实现数据采集卡的驱动。和的接口技术和都是当今非常优秀和非常流行的控制系统分析与设计软件，但二者各有优势和侧重点。前者是以为核心，将功能强大、使用灵活的语言平台与数据采集和分析等测控专业工具有机结合起来，为熟悉语言的开发人员开发检测、数据采集、过程监控等系统提供了一个理想的软件

8、开发环境。然而在面对测控领域先进的理论和方法，如在系统辨识、神经网络、模糊理论、遗传算法、鲁棒控制等问题上，尚未形成可用的函数。而则拥有上述丰富的库函数，它所拥有的强大科学计算功能和友好易用的开放式可扩展环境使之成为计算机辅助设计与分析、算法研究与开发的基本工具和首选平台，但其用于实现实时监控的功能相对薄弱。因此如果能使二者有机结合，扬长避短，无疑有益于设计出功能强大的虚拟仪器平台。实现和混合编程的关键是其数据和命令的交换。和都提供了与外部程序接口的“组件”，技术的核心就是如何用正确的方法建立它们之间的联系。驱动器函数库的生成自从微软公司发布了的规范以来，作为一种组件式软件模块，技术在桌面操作

9、系统中得到了广泛应用。开发环境提供了使用控件的标准函数库和开发工具。在标准函数库中，函数库提供了使用控件的各种功能函数，可以通过这些函数来调用服务器。首先应该建立一个驱动器函数库。在开发环境下选择，然后在服务控件 选择框中选择，将会生成函数对话框，并将其保存为。同时在选择的目标目录中还会生成、等四个文件。将、文件加入工程后，就可以调用生成的函数库，从而实现与的混合编程。函数功能介绍生成了驱动函数库以后，就可以在开发环境下调用表所示的函数。表驱动器函数库部分常用函数函数功能和说明启动，并返回句柄退出环境将窗口最小化将矩阵发送给工作空间从工作空间获得矩阵执行命令为方便开发者实现环境下与的混合编程，

10、公司还专门配置了一个更加友好的接口函数文件，该文件在的目录下，名称为。通过这个接口文件，以上的函数可以转型为其它更容易操作的函数。例如将矩阵送入工作空间，从工作空间获得矩阵，运行命令，运行的函数。信号分析与处理系统的设计及其实现按图的总体设计思想分别设计出数据信号采集仪、二维分析仪、信号的窗函数分析仪、数字滤波器分析仪、数字滤波器分析仪和信号频谱分析仪，然后将这些模块组合成为信号频域分析与处理系统。信号分析与处理系统的前面板如图所示。图信号分析与处理系统的前面板为了不使操作界面看起来烦琐，便于实际操作，设计中采用了面板的嵌套方式，在“设置”按纽中，嵌套了如图的数据采集设置面板。图数据采集设置面

11、板在其中可以设置信号来源（采集信号或虚拟信号）、卡属性和虚拟信号属性。在“滤波器设置”按纽中，嵌套了如图的数字滤波器设置面板。图数字滤波器设置面板在该面板中可以设置是否使用滤波器、使用滤波器的类型设置滤波器（和）的属性。在“图形幅度”按钮中嵌套了如图的图形幅度设置面板。图图形幅度设置面板在该面板中可以设置或 轴的最大值和最小值。宝钢电镀锡机组监控系统软件设计与实现肖云伟李东江陈启军（同济大学电信学院控制科学与工程系上海）E-mail:wisecloud摘要针对宝钢电镀锡机组原有监控系统的不足，提出了一种新的电镀锡机组监控解决方案。新系统在解决原有问题的同时增加了分析功能，包括趋势图显示、张力负

12、荷分析、阳极板使用分析和报警信息四大模块。在该系统中，监控计算机通过以太网与连接。本软件完全基于开发。关键词电镀锡机组；监控；趋势图；中图分类号Design and Realization of Monitor System Software inElectrolytic Tin Line of BaosteelXiao Yunwei, Li Dongjiang, Chen Qijun(Department of Control Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China：，；引言宝钢电镀锡机组是单元的成

13、品机组，对镀锡产品质量有着决定性的影响。镀锡机组原先没有专用的收稿日期：作者简介：肖云伟，硕士研究生，研究方向：工业控制。实验研究虚拟信号分析与处理系统完成后。用示波器产生一个幅值为（峰值为）、频率为的正弦信号来验证系统准确性。用该系统对数据采集卡采集到的信号进行分析的结果如图所示。分析可知，系统准确地实现了对信号的采集和分析。图虚拟信号频域分析与处理系统对数据采集卡信号处理波形显示总结本文完成了虚拟信号频域分析与处理系统的设计，本系统可以实现对数据采集卡采集到实际信号进行分析和处理，集成了信号处理的多项功能，具有很大的实用价值。参考文献刘君华现代检测技术与测试系统设计西安：西安交通大学出版社，年，赵茂泰智能仪器原理及应用北京