基于labview的虚拟信号分析仪的设计.docx
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基于labview的虚拟信号分析仪的设计
毕业设计
基于LabVIEW的虚拟信号分析仪的设计
2013年6月
诚信声明
本人郑重申明：
所呈交的毕业论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。
除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
本人签名：
年月日
毕业设计任务书
设计（论文）题目：
基于LabVIEW的虚拟信号分析仪的设计
1．课题意义及目标
学生应通过本次毕业设计，学习LABVIEW的相关知识和图形化编程的算法，并掌握程序模块化设计、数据库、Web、多线程等技术，为学生在毕业后从事测控技术工作打好基础。
2．主要任务
（1）查阅与本课题相关的技术资料，并写出文献综述；
（2）掌握信号频谱分析仪的设计原理；
（3）学习LABVIEW软件，能够进行图形化编程；
（4）完成毕业设计论文。
3．主要参考资料
[1]武一，杨瑞文，时惠玲虚拟信号测量仪的设计与开发[J].电子测量技术，2008,31（3）：
55-57
[2]张宏群.基于LABVIEW的虚拟信号分析仪的设计[J].仪器仪表用户，2007,14（5）：
124-125
[3]丁玉美，高西全.数字信号处理[M].西安：
西安电子科技大学出版社，2001.201-211
4．进度安排
设计（论文）各阶段名称
起止日期
1
系统学习，查阅资料，写开题报告。
2015年3月2日~3月22日
2
了解虚拟仪器相关知识，掌握信号分析仪的设计原理，并确定用LABVIEW设计信号分析仪的实现方案。
2015年3月23日~4月12日
3
用LABVIEW设计出虚拟信号分析仪。
2015年4月13日~5月3日
4
进行模拟和仿真。
2015年5月4日~5月31日
5
完成毕业设计论文，准备毕业答辩。
2015年6月1日~6月20日
基于LabVIEW的虚拟信号分析仪设计
摘要
虚拟仪器技术的发展是21世纪的自动测试与电子测量仪器技术领域的一个重要发展方向。
该技术是用常见的计算机作为基础，并在此平台基础上进行仪器的的定义、设计以及测试功能。
使得用户在操作这种计算机的时候就像是在操作一台由自己专门设计使用的一种特殊的电子仪器设备。
进行操作的人员可以通过非常直观的图形化用户界面和易于理解的图形化编程语言来控制系统的开始、运行和结束，从而实现数据的采集、信号分析、被测信号和频谱图的显示、波形图显示、故障诊断、数据存储、和控制输出等功能。
在虚拟仪器系统中，硬件主要用来实现信号的输入和输出功能，而软件可以很容易地进行修改，从而可以改变仪器系统需要实现的功能，以适应不同用户的实际需要。
一般采用数据采集卡来完成信号的输入。
商业数据采集卡的通用性一般比较强，但是他的价格较为昂贵，在实际的使用场合中，他所具有的某些功能可能并不实用。
普通的声卡，一般具有16位量化精度，具有44kHz的数据采集频率，可以完全满足一些特殊的应用场合上对于数据收集的需求，它所具有的一些个别的性能指标甚至优于商业的数据采集卡，但是普通声卡的价格，却只是商业数据采集卡的价格是一小部分。
本论文采用普通声卡作为采集卡，并采用美国NI公司的虚拟仪器软件LabVIEW作为本设计的开发平台，从而实现虚拟频谱分析仪的功能。
利用本设计可以准确的采集到声卡设计频率范围之内的信号，实现基本的示波器测量功能和频谱分析功能，可以用来测量频率范围内的音频信号。
关键词:
LabVIEW，声卡，虚拟仪器，虚拟频谱分析仪
ThedesignofVirtualSpectrumAnalyzerBasedonLabview
Abstract
Appearanceandthedevelopmentofthevirtualinstrumenttechnologymarkstheautomatictestofthe21stcenturyandanimportantdevelopmentdirectioninthefieldofelectronicmeasurementinstrumenttechnology.Thetechnologyistodefinethegeneralcomputerplatformandthedesignoftheinstrumenttestingcapabilities,usersintheuseofcomputersintheoperationoftraditionaldesignspecialelectronicequipment.Operatorsthroughfriendlygraphicaluserinterfaceandgraphicalprogramminglanguagetocontroltheoperationofthetool,thebeginningandend,completedatacollection,signalanalysisofmeasuredsignalandspectrumgraphdisplay,waveformfiguredisplay,faultdiagnosis,datastorage,andcontroltheoutput,andotherfunctions.Inthevirtualinstrumentsystem,tosolvethesignalinputandoutputhardware,thesoftwarecanbeeasilymodified,changethefunctionoftheinstrumentsystem,soastoadapttotheneedsofdifferentusers.Signalinputpartoftheuniversaldataacquisitioncard.Commercialdataacquisitioncardisgreaterversatility,butthepriceisexpensive,inspecificapplications,somefeaturesmaynotbepractical.Ordinarysoundcard,has16quantitativeaccuracy,44kHzfrequencyofdatacollection,canfullymeettheneedsofspecificapplicationswithinthescopeofdatacollection,theindividualperformanceindexissuperiortothecommercialdataacquisitioncard,andcommercialdataacquisitioncardisasmallfractionofthepriceofa10afewminutes.
Paperusingordinarysoundacquisitioncard,theuseofvirtualinstrumentsoftwaredevelopmentplatformofvirtualinstrumentinNIcompany,realizationofvirtualoscilloscope.Systemcancollectthecorrectsoundcarddesignfrequencyrangeofthesignal,realizesthebasicoscilloscopemeasurementfunctionandspectrumanalysisfunction,canbeusedtomeasurethescopeoftheaudiosignal.
Keywords:
Virtualinstrument;Soundcard;LabVIEW;Virtualoscilloscope
1.2.3本文主要研究的内容....................................................................................3
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第1章绪论
1.1课题意义与背景
仪器制造商设计的传统桌面频谱分析仪是一个封闭结构的函数,它只有一个特定的接口用来作为输入/输出，和一个仪器操作面板，具有波形显示和参数测量的功能。
如果想实现函数测量的功能，就需要配置许多额外的工具，如此一来就对使用者的实际应用造成极大的麻烦。
传统的频谱分析仪的测量精度也比较的低，已经远远不能满足某些高精度测量系统的实际要求。
更为关键的是，传统的频谱分析仪没有与计算机相连接的接口，这就大大增加了数据采集和数据处理的困难。
除上述所述的缺陷之外，传统的频谱分析仪设计的体积一般来说相对较大，制作所需的成本也比较高，这就大大增加了后期应用时测量系统的开发成本。
伴随着近几年来计算机技术和测量技术的快速发展和日趋成熟，虚拟仪器技术也有了比较快速的发展，相应的应用产品——虚拟频谱分析仪系统在这种形势下也就应运而生了。
由使用者自主定义的虚拟频谱分析仪系统的桌面极为整洁，该系统具有很强大的功能，而且具有非常高的测量精度，非常快的测量速度，它的系统初始化时间也非常的短，可扩展性强，仪器更智能等。
除此之外，虚拟频谱分析仪系统操作起来也是极为方便的，这样可以将测量人员从复杂的设备中解放出来，很大程度的节省了人力、物力和财力。
制作虚拟频谱分析仪系统所需的成本非常的低，并且可以与目前使用极为广泛的网络技术相结合，从而可以实现对于远程数据的自动测量、自动记录和自动数据处理的多重功能，最终可以满足更多用户更广泛的实际需求。
本课题主要是利用LabVIEW软件设计出简单的频谱分析仪，根据频谱分析仪的原理确定其功能，结合LabVIEW软件平台的特点对仪器做出设计和软件编程，实现对信号的分析和研究。
整个系统由虚拟信号采集模块、虚拟信号滤波器模块和频谱分析模块三部分组成。
掌握基于LabVIEW编程的相关知识和信号的频谱分析方法，要求系统能够采集声音信号，并对上述信号进行时域分析、频域分析和谐波分析等。
虚拟信号采集模块能够采集声音信号，对声音信号进行时域分析、频域分析和谐波分析并能对产生的波形进行存储。
本设计中，用计算机声卡代替昂贵的数据采集卡采集数据，以图形化编程语言的虚拟仪器软件LabVIEW为开发工具，充分利用计算机强大的信息处理能力和LabVIEW模块化编程技术，实现了常见音频信号的实时采集、显示、存储，回放以及分析等功能。
表1.1 USB-6008采集卡与声卡的比较
USB-6008
声卡
输入通道数
8
2
采样频率（S/）
10K
44K
分辨率（位）
12
16
价格（元）
1800
50
表1.1显示，有12位/10kHz采样率8通道数据采集卡块，虽然能够满足各种应用的需要，但与电脑声卡的价格昂贵，在具体应用中的许多功能不使用，造成资源浪费。
16位/44KHz的采样率，可以满足在许多领域的数据采集和分析的需要计算机声卡，比商业数据采集卡和个人的绩效指标，而且价格也很便宜，已经成为计算机的标准配置。
强大的数据处理功能的LabVIEW，音频信号的采集，和电源，信号的频率和幅值的显示和监控。
声功率的监测可以直接应用于工业生产和城市生活噪声监测，定义数据库两电或声功率比的单位，它等于十倍的功率比的常用对数，缩写为DB。
除了交通噪声和环境噪声，工业企业噪声监测，噪声监测中非常重要的一个内容..整个监测过程的质量保证提高精度是非常重要的，科学合理的噪声监测数据。
准确的监测结果反映和工业污染源的态势，不仅保持了企业的合理排放和噪声控制厂界噪声的危害，以确保城市环境质量。
声音信号的频谱分析已广泛应用于语音识别，地震勘探，振动测量和生物医学等。
此外，多声卡工作在PC，可以构成一个多通道数据采集系统，满足在一个特定的应用程序数据采集的需求。
如果你使用一台笔记本电脑，你可以在没有任何硬件，使用便携式测量系统。
1.2国内外研究现状
1.2.1国外虚拟仪器研究现状
国外仪器行业早在上世纪80年代末开始的虚拟仪器的研究。
在90年代，美国国家仪器公司（NI），摩托罗拉公司等知名企业为代表，开始从数字仪器仪表行业，智能仪器，虚拟仪器的过渡。
1986美国国家仪器公司正式第一次推出了虚拟仪器的概念。
1997年9月1日，NI发布了一个新的开放性的规范，仪器总线规范的到目前为止为PXI模块，根据不同的硬件的检测和控制功能，该行业已经存在了GPIB，VXI，PXI虚拟仪器的构成和四标准的硬件架构。
从1990年初开始，国际社会开始有了一个虚拟仪器市场。
自那时以来，虚拟仪器产品成倍增加，到了1994年底，虚拟仪器制造厂已达95个，共有1000种虚拟仪器产品，他们的销售额达到300000000美元。
惠普公司（目前生产虚拟仪器超过100款）是虚拟仪器的主要生产商，泰克（目前生产超过80种虚拟仪器），aglent公司（目前生产超过60种虚拟仪器的型号）[3]。
目前，这些制造商的产品已经进入我国市场。
1.2.2国内虚拟仪器研究现状
虚拟仪器在国内的现状和发展趋势不容乐观。
虚拟仪器技术是一个综合的结构化的电子测量和控制技术，它是不断发展和不断完善的技术，传统的电子测量与控制技术，计算机技术和通信技术。
而相比于我国计算机，通信和电子工业的发展，和欧洲和美国相比正在处于比较落后的地位，这决定了中国虚拟仪器产业底子薄，所需要的硬件和软件的技术支持缺乏。
起步晚，发展缓慢，直到第二十世纪90年代中后期这种虚拟仪器概念才逐步引入到中国的计算机行业。
出生问题使虚拟仪器行业在中国尚处于起步阶段的。
在过去的几年中，虚拟仪器系统已在我国一些高校的实验室，开发了一批新的虚拟仪器系统进行研究和教学。
其中，华中理工大学机械工程与工程测试实验室将其发展结果在网上公开展示。
汽车发动机检测系统，这是由清华大学汽车系统建立的，方便灵活，可用于在工厂检查汽车发动机的功率，负载特性，等等。
发动机的检测完成后，可以打印出完整的测试报告。
此外，我国已在基于PC机的虚拟仪器发展的几个企业，哈尔滨工业大学仪器王电子有限公司，该公司的产品已达到一定的批量[4]。
其主要产品有：
数字存储示波器，任意波形发生器，多通道容量波形记录仪，等等。
北京中科泛华测控技术有限公司，该公司研制的汽车传感器测试系统在汽车传感器生产线测试中已广泛应用。
1.2.3本文主要研究的内容
本论文设计的主要实现的功能是使用虚拟仪器软件设计一个虚拟频谱分析仪系统，以声卡作为硬件基础，采集声卡的音频信号，并使用所设计的虚拟频谱分析仪系统来分析所采集的波形是否正确。
具体的设计要求如下：
（1）声音采集参数设置功能,录音和回放功能,声音可以实现数据采集,可以完整的显示频谱信号;
（2）声音采集数据可以存储,根据需要调用;
（3）语音信号过滤和处理的功能;
（4）基于虚拟仪器而实现的虚拟频谱分析仪系统需要具有一个直观、实用而且操作简单易懂的用户界面。
（5）其他功能，例如音量调节，帮助按钮等功能。
第2章虚拟仪器技术概述
2.1虚拟仪器简介
虚拟仪器,总的来说就是指以高性能、集成化的硬件为基础,加上高效率、高灵活性的软件作为控制，进而来实现系统的测试、测量和自动化控制的一般应用。
其中，以模块化的硬件作为基础，具有为仪器提供全方位的集成系统的优势，而采用高效率、灵活并且符合标准的软件作为控制，有利于使用者自主创建符合自身系统实际需要的用户界面。
虚拟仪器所具有的标准、使用简单的软、硬件平台基础可以满足实际的应用程序需求和对于时间同步的精确要求。
与传统仪器相比，虚拟仪器具有较高的效率，使用方法简单，功能强大，性价比高，以及良好的可操作性，具体体现在：
（1）极高的智能化水平，极强的处理能力。
虚拟仪器技术的智能化水平和处理能力的强弱主要依赖于所采用的仪器的软件水平的高低。
发展到现在的仪器设计一般集成了较为先进的信号处理算法,比较先进的人工智能技术和技术性比较强的专业系统，这些都为智能化的仪器奠定了基础，因此我们可以利用虚拟仪器来提高仪器的智能化水平，进而可以满足不同用户的不同需求。
（2）可重复性强，系统成本低。
利用虚拟仪器技术,我们可以使用相同的测量系统的基本硬件来构造出不同的函数。
通过这种思想形成的测量仪器系统具有灵活性更大、效率更高、开放性更强、成本更低的多个优点。
（3）可操作性强，容易使用。
虚拟仪器面板可以由用户自主定义，针对不同的应用，使用者可以设计出不同的操作界面。
目前应用最为普遍的计算机平台，为虚拟仪器的发展提供了强大的多媒体处理能力，使得仪器的界面更为直观，操作更为简单,也是使用者更容易理解。
此外，每次测量完成后，用户都可以把测量的数据结果存储在数据库系统中或通过网络共享数据，方便后期对数据的处理[2]。
2.2虚拟仪器特点
虚拟仪器是基于计算机的功能化硬件模块和计算机软件构成的电子测试仪器，而软件是虚拟仪器的核心，如图2.1所示：
操作系统
图2.1虚拟仪器开发框图
虚拟仪器的特点极为突出，开发者通过虚拟仪器软件面板，虚拟仪器软件开发平台，底层驱动程序和硬件模块，完成了与用户之间的交互。
虚拟仪器可以通过较为简洁的操作完成用户的需求。
是21世纪用途极为广泛的技术。
该技术特点鲜明，用途广泛。
该软件的基本部分是设备驱动软件，及标准仪器驱动软件，这使系统的发展仪器硬件部分的变化无关。
这是虚拟仪器的一个最大的优势，这一点将仪器的开发时间大大缩短。
虚拟仪器的应用程序可以将可选的硬件（如GPIB，VXI，RS-232，DAQ）和可重用的软件库等功能结合，并实现通信模块，仪器的定时和触发模块。
源代码库函数提供了基本的软件模块，为用户构建自己的虚拟仪器（VI）系统。
因为VI的模块化，开放性和灵活性，以及软件的关键特性，无论用户要求的千变万化，都可以方便地由用户自己在硬件和软件调节模块的变化，或重新配置现有的系统以满足新的测试要求。
因此，当用户从一个项目到另一个项目，你可以简单地建立一个新的VI系统而不需硬件和软件资源。
2.3虚拟仪器控制系统的组成
虚拟仪器是基于计算机的仪器。
计算机和仪器的紧密结合，是仪器发展的重要方向，这种结合的方式有两种，一个是电脑进入仪器，其典型的例子就是所谓的智能仪表。
随着计算机性能的不断提高，其体积缩小，这类仪器的功能越来越强大，它已经出现了嵌入式系统的仪器。
另一种方式是将仪器装入电脑。
以通用的计算机硬件及操作系统为依托,实现各种仪器功能,虚拟仪器主要是指这种方式。
虚拟仪器的组成与传统仪器一样,主要由数据采集与控制、数据分析和处理、结果显示三部分组成。
如图2.2所示：
图2.2虚拟仪器内部功能的划分
对于传统仪器，这三个部分几乎均由硬件完成；对于虚拟仪器，前一部分由硬件构成，后两部分主要由软件实现。
与传统仪器相比，虚拟仪器设计日趋模块化、标准化，设计工作量大大减小。
2.4虚拟仪器软件的结构
虚拟仪器技术的核心是软件，其软件基本结构如图2.3所示。
用户可以采用各种编程软件来开发自己所需要的应用软件。
以美国NI公司的软件产品LabVIEW和LabWindows/CVI为代表的虚拟仪器专用开发平台是当前流行的集成化开发工具[7]。
这些软件开发平台提供了强大的仪器软面板设计工具和各种数据处理工具，再加上虚拟仪器硬件厂商提供的各种硬件的驱动程序模块，简化了虚拟仪器的设计工作。
随着软件技术的迅速发展，软件开发的模块化、复用化，和各种硬件仪器驱动软件的模块化、标准化，虚拟仪器软件开发将变得更加快速、方便。
图2.3虚拟仪器软件结构
2.5图形化虚拟仪器开发平台——LabVIEW
LabVIEW（LaboratoryVirtualInstrumentEngineering）是一种图形化的编程语言，人们把它视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。
LabVIEW集成了与满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能，是一个功能强大且灵活的软件[8]。
利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，编程及使用过程都更加形象化也是由他的图形化的界面所决定的。
传统的文本式编程是一种顺序的设计思路，必须写出执行的语句。
而LabVIEW是基于数据流的工作方式，同时是基于图形化的编程，不必掌握大量的编程语言和程序设计技巧便可设计出虚拟仪器系统。
利用LabVIEW，可产生独立运行的可执行文件，它是一个真正的32编译器。
像许多通用的软件一样，LabVIEW提供了Windows、UNIX、Linux、MacintoshOS等多种版本。
LABVIEW相比其他软件有许多优点尤其是在测量以及控制方面。
LabVIEW的初始功能实际上是测量和测试，这样的测试是现在使用最广泛的虚拟场。
经过多年的发展，LabVIEW已被广泛认可的现场测量和测量的。
到目前为止，最主流的测试设备，数据采集设备有一个专门的LabVIEW驱动程序，使用LabVIEW可以控制这些硬件设备非常方便。
同时，用户也可以很容易地找到各种测试和测量领域的LabVIEW工具包。
这些工具几乎覆盖了，用户需要的所有功能，并且用户容易开发工具包的基础程序..有时甚至只需调用一个函数的几个工具的工具包，可以完整的测试测量中的应用。
在控制方面，控制与测试是两个相关度非常高的领域，从测试领域起家的LabVIEW自然而然地首先拓展至控制领域。
LabVIEW拥有专门用于控制领域的----LabVIEWDSC。
除此之外，工业控制领域常用的设备、数据线等通常也都带有相应的LabVIEW驱动程序。
使用LabVIEW可以非常方便的编制各种控制程序。
强大的数据处理功能的LabVIEW,音频信号的采集,和电源,信号的频率和幅值的显示和监控。
声功率的监测可以直接应用于工业生产和城市生活噪声监测,定义数据库两电或声功率比的单位,它等于十倍的功率比的常用对数,缩写为DB。
除了交通噪声和环境噪声,工业企业噪声监测,噪声监测中非常重要的一个内容..整个监测过程的质量保证提高精度是非常重要的,科学合理的噪声监测数据。
准确的监测结果反映和工业污染源的态势,不仅保持了企业的合理排放和噪声控制厂界噪声的危害,以确保城市环境质量。
声音信号的频谱分析已广泛应用于语音识别,地震勘探,振动测量和生物医学等。
此外,多声卡工作在PC,可以构成一个多通道数据采集系统,满足在一个特定的应用程序数据采集的需求。
如果你使用一台笔记本电脑,你可以在没有任何硬件,使用便携式测量系统。
2.5.1基于LabVIEW平台的虚拟仪器程序设计
所有的LabVIEW应用程序，即虚拟仪器（VI），它包括前面板（FrontPanel）、流程图（BlockDiag
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