第9章基于labview数字信号处理实验-part c结合硬件部分

结合（DAQ）硬件的信号处理实LabVIEW容易入门的开发环境和丰富的信号处理函数，引导9.9.1系统（DAQ）与实验平台简到计算机系统内部的过程。现在市场上的多功能设备通常包括模拟信号输入（gInpt（gOptO（alI/O，O、计数器/定时器（er/Timer）等四大功能。狭义的主要是指模拟信号输（对于基于计算机的系统来说所的数据信号一般为电信（如电压、电流变换。实现模拟信号输入的系统结构如图9-7示。图9-97模拟信号输入的系统构成示意、，虽然不同系统成本档次不同，但其基本都是由传感器或变送器设备送入硬件设备硬件设备的功能是将信号转换为计算机可处理的数字信号，并传递到计算机中去。对于模拟量输入信号，ADC是硬件设备中必不可少的组成部分。根据需求和应用场合的不同设备有不同类型可以选择，如果按照其与计PCI/PCIExpress、PXI/PXIExpress、USB、以太网、PCMCIA等不同接口形式的卡。相对来说，PXI/PXIExpress总线具有最佳的可靠性，在工业现场和应用较多。而对于教学实验来说，最常见的是基于PCI总线的插入式卡，以及基于USB总线的外置式卡。通过总线可以将经过A/D转换后的数字信号传到计算机中通过软件（如LabVIEW）进行进一步的分析和处理。对于图9-97所示的系统组成框图有时在传感器和硬件设备之间还会有信号调理装置完成信号放大、模拟滤波、信号等功能。、，在本节内容中，将以国家仪器公司（NationalInstruments，NI）在教学中常用的两种设备NIELVIS多功能虚拟仪器教学平台和NImyDAQ便携式学生实验平台为例，介绍结合的信号处理实验。如果使用其他NI卡，基本的使用方式几乎相DAQmxAPILabVIEW程序也完全一样。如果采用其他厂商的NIELVIS实验平台，它的是一个集成了8路差分输入（或16路单端输入）模拟、1.25MS/s接口多功能卡，同时又集成了+/-15V和5V固定电源以及12种常用的仪器（包括生综合设计型实验留有足够的开发空间ELVIS通过USB接口连接PC，连接简单便于调试；同时考虑到学生使用的特点，ELVIS特别设计了多重保护机制，有效保证设备的使用。目前主流的ELVIS型号是ELVISII和ELVISII+，两者的主要区别是前者的示波器通道采样率为1.25MS/s100MS/s。、图9- NIELVIS多功能虚拟仪器综合实验平ELVISNImyDAQNImyDAQ便携式学生实验平台（9-99）是针对高校学生课后动手作业和课外创新实200kS/s路模拟信号输出、8路数字I/O通道、1路计数器通道的USB接口多功能卡，同时又集成了+/-15V5V8（理实验，myDAQ还特别提供了一个3.5mm音频信号输入端口和一个音频信号输出端口。NImyDAQ以螺丝端子的方式将各种信号接口引出，接线也非常方便。NImyDAQUSBPCPCmyDAQ提供的各种仪器功能并用它进行各种与信号分析的课外实验NImyDAQ的体积也非常小巧，不到一本32开的大小，完全可以装进书包，也便于学生随时随地开展科技实践活动。图9- NImyDAQ便携式学生实验平ELVIS一样，考虑到学生使用的特点，NImyDAQ也特别设计了保护电路，学生即使短接电源端口也不会造成设备的损坏。NImyDAQ同时也是一个多学科的教学实验平台，广NIELVISNImyDAQNIELVIS和NImyDAQ使用统一的驱动软件NI-ELVISmx，可以从NI公司上免费ELVIS来说有12种仪器，对于myDAQ来说有8种仪器，见图9-100，我们可以使用这些现12图9- NI-ELVISmx驱动提供了12种现成的仪器软面，这些软面板虽然很方便，但是功能毕竟是固定的。因此在大多数实验中通过自定义的LabVIEW编程实现和信号处理，这需要我们在安装NI-ELVISmx软件时选择NI-DAQmx驱动。，软件的正确安装顺序应该是首先安装LabVIEW软件，再安装NI-ELVISmx软件，安装外的其他NI设备，则只安装NI-DAQmx软件，但无法获得NI-ELVISmx所提供的仪LabVIEWExpressVILabVIEW量I/O”选板中出现“DAQmx-”和“ELVISmx”两个子选板（如图9-101所示。图9-101“DAQmx-”和“NIELVISmx”子选VI，NIELVISmyDAQ设备，也可以编程控制其他NI硬件设备。NI-DAQmx驱动针对所有NI的设备提供统一的编程接口函数这给应用的开发者提供了极大便利——更换不同型号甚至不同总线接口的NILabVIEWELVISmyDAQ硬件平台，可以开展多种信号处理实验。这些实验可希望本节中笔者所选的几个实验能起到抛砖引玉的作用，希望读者可以利用LabVIEW软件和硬件实现更丰富的信号处理实验与课程设计作品。9-1NIELVIS（NImyDAQ）检查ELVIS工作台的电源已经连接并打开，并且已经通过USB线缆连接至PC机。如myDAQUSBPCmyDAQUSBLED点亮。通过Windows系统的开始>>所有程序>>NationalInstruments>>Measurement&PC中MAX中单击“设备和接口检查是否能找到NIELVISII+（如果是ELVISII，则应找到不带加号的NIELVISII；如果是myDAQ，则应找到NImyDAQ，如果连接正常，前面的板Dev1重命名为“Dev1图9- MAX中显示的ELVIS设NImyDAQAI0+AO0AI0-AGND。9-1039-1Windows中的开始>>所有程序>>NationalInstruments>>NIELVISmxforNIELVIS&NImyDAQ>>NIELVISmxInstrumentLauncherNIELVISmxInstrumentLauncher软件，其界面见上一节的图9-100(a)。如果所用硬件为NImyDAQ，则VPS（可变电源）等4种仪器选分别单击NIELVISmxInstrumentLauncherFGENSCOPE，打开信号发生器和示波器的软面板操作界面9-104进行设（如果采用myDAQ则函数发生器SignalAO0AI09-104实验9-2函数发生器产生的波形信号将ELVISPrototyBoard上的FGEN连接 ogInputSignals中的AI0+；将AI0-myDAQ9-1实验步保持实验9-1中的函数发生器软面板打开并运行，作为待的信号源。在软面板Board，出信号（myDAQ9-1中的设置不变。新建一个LabVIEWVI并保存，作为的程序助手”ExpressVI并将其放置在程序框图中。9-105Express任务…9-105“DAQ助手”ExpressVI106，择通道ai0，然后点击“完成”（图9-107，注:如需选择多条通道同时进行，只需按Shift键再选择通道即可9-1069-107在弹出“Q助手”框中配置相关参数（图9-10，其中“线端配置”选择“差分“模“连续样，“采率为1K“待采样为10“待采样”的意义是每次执行该I时从内存中的采样点数，如果把内存想象成一个水桶，卡会不断以采样率1ks匀速往桶里注水，而这个esI就会像一个容100100100再但如果注水速度太（采样率很高而取水速度很慢那么就有可能发生内存溢的情况导致程序发生错误一般的经验“待采样在数值上设置“采样率的1/0左右，但这也并非绝对。图9-108“DAQ助手”ExpressVI配置中（图9-108，说明已经可以成功到相应的正弦波信号。应提示，在弹出框中点击Yes，选择自动创建While循环（图9-109。9-109建>>图形显示控件。可以注意到，一个波形图控件被放置面板上。最终程序框图如图9-111所示。9-1109-1119-2运行程序，可以看到前面板到的连续波形，如图9-112所示，每次刷新显示0.1秒的正弦波波形（待采样数/采样率=0.1秒，函数发生器产生的正弦波频率为100Hz，101步中函数发生器产生的波形参数，则应Qes打开图9-108所示的置框“待采样参数修改为50再次运行程序会看到每次刷新显示的时间长度和波形周期数有什么变化？如果将“待采样”仍设置为1002率”和“待采样”这两个重要设置参数的意义。以上程序主要采用“DAQmx-”子选板中的“DAQ助手”ExpressVI完成，DAQmxAPIVI编ExpressVI稍复杂，但程序效率更高，并且如果将来需要实现更加复杂的功能DAQmxVI实现的程序框图9-113DAQmxVI的作用简要介绍如下：ChannelviTimingvi，ask.viRead.vi：定每次执行该VI所的数据点数。同样可以通过多态VI选择器来选择的通道数ask.viask.vi9-113DAQmxVI选择正确的物理通道、设置合适的采样率和待采样（即图9-114中的“每通道采样数。运行程序，可以看到效果与采用“DAQ助手”ExpressVI时相同。9-114DAQmxVI实验9-3通过设备音频信号NIELVIS（或其他NI设备）:可以采用对地参考单端（RSE）输入方式，以AI0+AI0-通道分别作为音频左声道和右声道的输入（RSEAI0AI1通道，GROUND3.5mm标准音频接口转换头，再使用一根两端3.5mm接口的线缆连接至MP3或智能等音频输出设备（9-115所示图9-115采用NIELVIS音频信号的硬件连IN附带的一根3.5mm接口音频线缆连接至MP3或智能等音频输出设备（如图9-116图9-116采用NImyDAQ音频信号的硬件连实验步ExpressVI写的程序（9-1119-112所示（9-117所示。9-117Dev1AI0+2VRSE（9-118（ELVIS）点击“DAQ助手”框上方的“添加通道”按钮，在弹出菜单中选择添“Dev1/AI1，键“F2）9-119（myDAQ）如果使用myDAQ作为音频信号设备，因为直接使用它的AUDIOIN端口，所以步骤34中的物理通道应分别选择“Dev1/AudioInputLeft”和“Dev1/AudioInputRight（9-120所示34完全相同。9-120设置完成后，点击“确定”按钮，关闭“DAQ助手”ExpressVI配置框。程序框切换回程序前面板，运行程序。将3.5mm音频线的另一端连接任何音频设备输的波形如图9-121所示波形图的白色和红色曲线分别对应的左右声道输出信号。0.1秒的数据，请思考这是为什么。图9-121的音频信如果采用“DAQmx-”子选板中的底层DAQmxAPI函数来完成本VI，则只需9-212中完成的程序稍作修改即可。首先需要将“DAQmx创建虚拟通道”函数的“输入接线端配置”输入设置为“RSENImyDAQ，还必须设定量程范围为-2V至+2VAUDIOIN端口的相关设置规定（9-122所示对左右声道同时的情况，需要将“DAQmx”函数的多态VI选择器由“单通道”改（9-123所示。9-122“DAQmx图9-123“DAQmx”函数的多态VI选择器设回到前面板，如果选用的是ELVIS或其他NI设备，只要将“物理通道”写为“Dev1/ai0:1”即可（myDAQ，则将其设置为“Dev1/audioInputLeft,Dev1/audioInputRight件和音频源后运行程序，即可到类似图9-124的音频波形信号。图9-124基于DAQmx底层VI完成的音频信号程序界PC看看自己信号波形是什么样的。如果希望观察到更细微的波形变化（即进一步提高时对真实信号的实时和频谱分实验9-4实时周期信号并观察其频谱信息9-2实验步在实验9-2程序的基础上添加功率谱分析功能。可以使用函数选板中“信号处理>>波形测量”子选板中的“频谱测量”ExpressVI，在弹出配置框中选择“功率谱测量，Hanning9-125所示。图9-125增加频谱测量功能之后的程FGENELVISmyDAQ100Hz正弦波，然后运行修改后100Hz（9-126所示。如果改变函数发生器产生的信号频率，可以看到功率谱9-126FGEN100Hz，分别控制其产生正弦波、方波、以及三角波，500Hz…ExpressVIVI来完成。可以打开实验9-2中基于DAQmx底层函数完成的程序VI，在此基础上进行修改。只需要在原程功率谱测量功能（9-1279-128。9-1279-12839-1299-130。图9-129利用“提取单频信息”函数分析所信号频率的程序框图9-130对到的正弦信号实时提取其频率信息的程序前面板及运行结实验9-5实时音频信号并观察其频谱信息9-3实验步9-3程序的基础上，增加相应的频谱测量函数，即可获得语音信号的频谱信则参照图9-131所示的程序框图；如果基于底层VI编写程序，可以参考图9-132所示的程序图9-131对基于ExpressVI的语音程序增加频谱测量功能的程序框图9-132对基于底层VI的语音程序增加频谱测量功能的程序框（仅显示While循环增加的部分9-3的硬件连接相同，连接好音频线和音频输出源之后，运行程序，即可看到实时到的音频信号及相应的功率谱（图9-133。图9-133音频信号与功率谱计算程序的运行时界9-6对方波信号进行滤波如果使用NIELVIS，将ELVISPrototyBoard上的FGEN连接 ogInputSignalsAI0+；将GroundAI0-NImyDAQAO0连接至AI0+AGNDAI0-实验步打开实验9-4基于esI的并按照图9-134即在波形后增加一个滤波器，同时计算滤波后的波形功率谱。在“滤波器”es的配置框中设置滤波器类型为低通滤波器截止频率设置为150H滤波器形式采用3Berh滤波器。9-134配置通过其产生一个100Hz的方波信号（注意如果采用myDAQ，则函数发生器SignalRoute”选择“AO0。然后运行修改后的LabVIEW程序，将同时看到到的方波信号和滤波后的信号，以及它们各自的功率谱，如图9-135所示。对于100Hz的方波信号来说，除了100Hz的主频率分量之外频谱中还包含了奇次谐波分量300Hz500Hz等频率分量。150Hz100Hz的方波信号进行滤波，可以滤除这些谐波100Hz100Hz的正弦dB9-1359-4的程序（VI的）9-136>>IIR滤波器”函数（DigitalIIRFilter.vi）对到的信号进行滤波。程序运行时的前面板如图9-137所示。图9-136增加滤波功能后的程序（仅显示了While循环内的程序框图部分9-137LabVIEW数字滤波器设计工具包所提供的更加底层的函数9.5节中的相关内容。9-7对音频信号进行滤波处理NIELVIS（或其他NI设备）:音频输入通道的硬件线路连接与实验9-3相同；3.5mm音频信号输音频信号输的左右声道分别连接到ELVIS的AO0和A0音频信号输音频信号输图9-138采用NIELVIS音频信号并进行滤波回放的硬件连NImyDAQ9-3myDAQOUT输出设备（9-139所示。图9-139采用NImyDAQ音频信号并进行滤波回放的硬件连接图进行修改，添加滤波和滤波后频谱计算的部分。其中“滤波器”ExpressVI中设置滤波器400Hz，其他参数使用默认参数。图9-140对语音信号进行和滤波的程序框检查硬件连接无误后打开音频源，然后运行程序，应该可以看到类似图9-图9-141音频信号与滤波后的信号波形及功率箱等音频设备听到滤波后的音频信号。具体步骤为：在程序中再添加一个“DAQ助手”ExpressVI，用于执行模拟信号输出功能（即D/A变换。在“DAQ助手”ExpressVI的弹出框中选择“生成信号>>模拟输出>>电压（9-142所示9-142为“DAQ助手”ExpressVI在接下来弹出的框中进一步选择信号输出的物理通道对于ELVIS，选择ao0ao1通道，分别作为左声道和右声道输出（9-143ShiftCtrl键可同时选择多个通道对于myDAQ则直接选择AudioOutputLeft和AudioOutputRight。9-143在继而弹出的“DAQ助手”配置框中，按照图9-144所示对两个输出通道和“电压输出_1myDAQAudioOutputLeft和AudioOutputRight通道的输出范围分别设置为+2V与-2V10V9-144音频信号输出的“DAQ9-1459-146DAQmxAPI函数和底层的滤波器设计函数完成，有的读者可尝试完成。9-146运行程序，通过耳机或有源音箱就可以听到输入音频信号经过低通滤波后参数，比较经过不同滤波器滤波后效果有何不同。9-8音频均衡器的设计与实现在频谱上，音频信号占有一定宽度（20Hz以内产生不同的音效变化。在这个实验中，利用aW和NI（或NIyQ）设别提取出来然后通过程序界面可以调整每个频段的系数最后进行合成输出从而以随心所欲增强或减弱高音、中音、低音中的某个频段，体验不同的音效。9-145硬件连9-7实验步9-7编写好的程序，保留两个“DAQ助手”ExpressVI分别负责声音信号的和发生，然后保留“滤波器”ExpressVI和第二个“频谱测量”ExpressVI。9-146再增添两个“滤波器”ExpressVIExpressVI频率范围分别为450-2500Hz，以及3000-10000Hz。三个系数在程序前面板上分别由三个“垂直指针滑动杆”控件来控制。这三个控件的数值范围均为0至1，为了简洁美观，可以在控件上点击右键，在弹出菜单中选择“标尺>>（如图9-1479-146图9-147通过前面板的“垂直指针滑动杆”控件控制不同频段的系。检查硬件连接无误后，开启音频信号源音乐，运行程序，在ELVIS或myDAQ信号输出所连接的音频输出设备（例如耳机或有源音箱）中就可以听到均衡后的乐声号源可以随心所欲将其改为重低音风格或高频突出的风格体验一把DIY乐队DJ的感觉。9-148所示。。9-1489-145LabVIEW（LabVIEWSoundandVibrationSuite）就很容易完成。安装该套件之后，会在函数选板中出SoundandVibration子选板（9-149所示，这其中又包括了若干次级子选板，9-1499-146Octaveysis”ExpressVI，用于产生类似图9-145的倍频程分析图。这个ExpressVI位于函数选板下“SoundandVibration>>Octaveysis”子选板中，在弹出框中采用默认参数即可。随后在生成的ExpressVI输出端口“octave”上点击右键，在弹出菜单中选择“创建>>9-151图9-150增加 ysis之后的程序框图9-151增加 ysis之后的程序前面板（运行时界面NIELVISNImyDAQ平台可以开展的一些数字信号处理实验，这些实同时也掌握了设备的使用。事实上，读者基于NIELVIS和myDAQ这样的开放教学实验平台，还可以自行设计富有创意的数字信号处理实验，从传统的验证型实验地过NImyDAQ音频信号，通过数字信号处理的获得其频谱、节拍等信息，然后根据myDAQ的开关量输出，驱动不同的电泵，从而产生水流随音乐强度、节拍自NIELVISNImyDAQ的扩展面包板将模拟电子线路的一些知识点引入数字信号处理实验中，例如在（A/D变换）之前先要求学生设计一个模拟电路对信号进行放大或前置滤波（图9-152，然后再在NIELVISNImyDAQ连接生物医电传感器（如ECG传感器）进行，再结合数字信号处理技术实现数也希望读者有好的实验创意与笔者。Learn,andDoEngineeringwithNImyDAQ》一书）在嵌入式硬件上实现信号处理算前一节的实验主要基于PC，结合硬件真实信号并完成相应的信号处理功能，其数字信号处理的工作主要是基于PC的CPU来完成的（硬件对信号完成A/D变换后，将数字化的原始数据通过总线传递到计算机内存，再由PC的CPU调用内存中的原放器、降噪等，信号处理的工作需要在嵌入式硬件中完成，这些嵌入式硬件包括单片机、ARM、DSPFPGA技术的发展，也有越来越多对处理速度FPGA来完成。ARM等通用处理器基于一定的标准架构，通用性DSP处理器强大。DSP处理器（DigitalSignalProcessor）由于采用针对数字信号处理DSP处理相比，DSP的其他通用功能相对较弱些。FPGA（现场可编程逻辑门阵列）FPGA实现数字信号处理算法，相当于行进行（只要逻辑门的数量足够DSP处理器来说，FPGA可以实现更强大的运算性能，可广泛应用于信号分析、图像处理、通信等领域。LabVIEW从开发难度上来说，DSPFPGA的开发难度又超过DSP处理器。不过各厂商通过不断提供的软件开发工具，致力于简化开发者的工ModuleARM加对嵌入式实时处理器、ARM和FPGA开发的支持，使开发者不需要学习嵌入式C、VHDL/Verilog等针对嵌入式处理器和FPGA的开发语言，就可以仍然基于LabVIEW的图中完成基于PC的LabVIEW程序相类似，不需要在语法细节上花费时间，因此开发者可以专以LabVIEW实时模块为例，用户可以像编写PC上执行的程序完全一样的方式来编写一个VI，然后将该VILabVIEW项目中添加到实时处理器目标下，经过部署（Deploy）之后，LabVIEWFPGAFPGA的编程更接近硬件底层描述，LabVIEW图形化153LabVIEWFPGAFPGA（9-154，在/ipnet上还可以现成的用于FPGA对象的LabVIEW代码。9-153LabVIEW图形化的并行编程方式（右）FPGA硬件实现（左图9- LabVIEWFPGA模块所提供的信号处理函，还需要设计I/O电路等硬件，才能实现一个面向应用的完整系统。对于信号处理工程师来说硬件的设计与调试往往需要花费大量的时间。针对这种情况，也有一些公司提供带有硬件I/O的整成开发板，或半定制化的开发平台，帮助工程师跳过硬件电路的设计，从而可以快速实现系统原型，对相关算法在实际应用中的性能进行验证。NI公CompactRIO平台即是这样的一种可定制化的开发平台，它包括实时控制器（内置嵌入式处理器FPGAI/O三个组成部分（9-155所示。这三个部分都可以根据用户的需求来选择。例如I/O部分，可以根据需要选择不同采样速率的A/D或D/AI/O模块等，并且一个系统中可以容纳多个