【導(dǎo)讀】入到信號分析模塊經(jīng)過判斷來確定系統(tǒng)是否穩(wěn)定的一種監(jiān)控手段。主要流程是數(shù)據(jù)采集輸入、輸出、信號分析、判斷、結(jié)果顯示。序進(jìn)行修改，以滿足系統(tǒng)的需要，為低成本構(gòu)建數(shù)據(jù)采集提供了一種思路。LabVIEW環(huán)境中實(shí)現(xiàn)了對測試系統(tǒng)的監(jiān)測和控制。

　　

【正文】 ，并自動(dòng)停止運(yùn)行。但在這個(gè)程序中，這種情況出現(xiàn)的可能性并不大，因?yàn)槌绦蛑袑?shí)際送給 AI Read VI 的 y 的值，是設(shè)定值與前次循環(huán)時(shí)緩沖區(qū)中剩余數(shù)據(jù)個(gè)數(shù) scan backlog相比較得到的較大的那個(gè)值，通過這種方法可避免緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)的益出。 使用循環(huán)緩沖區(qū)的優(yōu)點(diǎn)在于，在兩次調(diào)用 AI Read VI 從緩沖區(qū)中讀取數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔內(nèi)，程序可以處理其他任務(wù)，比如對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理等。如果不使用循環(huán)緩沖區(qū)，則難以保證在連續(xù)采集數(shù)據(jù)的過程中不丟失數(shù) 據(jù)，則同時(shí)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。 4． 6 DAQ 波形模入 波形模出的易用 VI 級函數(shù)是 AO Generate Wavefrom VI,其圖標(biāo)和連接端口如下： 與波形模入類似，波形模出除了將 模出的 wavefrom 接到 VI上處，還要指點(diǎn) 35 定參數(shù) update ： 使用中級 VI的波形模出 圖 411給出了一個(gè)使用中級 VI 的波形模出實(shí)例 圖（ 411）使用中級模出 VI 進(jìn)行波形模擬輸出的程序框圖 程序中各 VI 的功能為： AO Config VI 用于指定輸出通道； AO Write VI 用于將數(shù)據(jù)寫入緩沖區(qū)中； AO Start VI 以 update rate 設(shè)定的速率產(chǎn)生波形； AO Wait VI 等待波形結(jié)束； AO Clear VI 清除模出操作，并釋放資源。 正弦波發(fā)生模塊的樣本數(shù) s 連接到了 AO Config VI 的 buffer size 上，而其采樣率 Fs連接到了 AO Write VI 的 update rate 上， 這樣能保證緩存大小與正弦波樣本數(shù)相同，并能保證實(shí)際模擬輸出的信號頻率與正弦波產(chǎn)生模塊的 Fs相等。 DAQ連續(xù)模出與周期信號的連續(xù)模出 當(dāng)連續(xù)地產(chǎn)生信號時(shí)，需要使用連續(xù) 模出，連續(xù)模出與連續(xù)模入一樣，需要靠緩沖區(qū)來維持這種連續(xù)。一般常使用中級模出函數(shù)來構(gòu)建這種程序，但在Analog OutputUtilities 下有一個(gè)專門的用于連續(xù)模出的函數(shù)，即 AO Continuous,如果要得到的是一個(gè)連續(xù)的周期波形，可以用一種更為簡單的方法，即不需要向緩沖區(qū)不停的送數(shù)據(jù)，而只在開始時(shí)送一個(gè)周期的樣本“模板”就可圖形顯示 36 以了，余下的事情就是將緩沖工里的“模板”一次雙一次不停地送往 DAC。該過程不需要使用循環(huán)緩沖區(qū)。圖 412給出了一個(gè)簡單的連續(xù)發(fā)生周期波形的例子。本例使用了 Analog OutputUtilities 下的另外一個(gè)實(shí)用性模出函數(shù) Ao Waveform Gen 。 圖（ 412）更簡潔的連續(xù)輸出周期函數(shù)的方案 模擬邊沿觸發(fā) 模擬邊沿觸發(fā)在實(shí)際中比較常用，它不需要額外的數(shù)字信號和連線。使用這一功能前，應(yīng)首先確認(rèn)所用的采集卡硬件是否支持該功能。下面給出一個(gè)例子： 例：模擬邊沿觸發(fā)采集波形 該例的程序圖 413 如下所示： 37 圖（ 413）模擬觸發(fā)采集波形 程序中使用了， Analog OutputUtilities 下的 Al Wavefrom 函數(shù)。該函數(shù)提供了觸發(fā)設(shè)置與控制端子。在程序前面板上的 trigger and clock框內(nèi)，可以看到其內(nèi)容： Trigger type 選用模擬觸發(fā)； Pretrigger scans 用于預(yù)觸發(fā)樣本數(shù)，例如若取 2，則可以在觸發(fā)點(diǎn)之前找回 2個(gè)樣本，本例中未設(shè)置該參數(shù)； Edge or slope 用于設(shè)置觸發(fā)沿，這里設(shè)為上沿； Trigger channel 設(shè)為通道 0； 觸發(fā)電平設(shè)為 0； 時(shí)鐘源取默認(rèn)值，即內(nèi)部時(shí)鐘。 實(shí)際測量是將外部一個(gè) 30Hz 的正弦信號接到模入通道 0， Fs 和 s 的值 旭框圖中所示。運(yùn)行程序時(shí)得到的波形總是不變的正弦波，即第一個(gè)樣本是在波形上升沿的過零點(diǎn)，這說明觸發(fā)起了作用。 4． 7 模入、模出的并行安排 有時(shí)一個(gè)程序需要模入、模出同時(shí)運(yùn)行。這個(gè)問題比較復(fù)雜下面 給出一個(gè)模入、模出的并行安排程序框圖，如圖 414所示： 圖（ 414）模出和模入并行安排程序框圖 首先初始化 AO；然后初始化 AI；接下來將模出數(shù)據(jù)寫入緩沖區(qū)，啟動(dòng)模出；下一步則啟動(dòng)模入，開始采集；進(jìn)入循環(huán)后檢查是否有錯(cuò)或是否停止執(zhí)行；最后清除模入及模出設(shè)置等。 信號處理與分析 38 第五章 信號處理與分析 5．１ 概述 數(shù)字信號 在我們周圍無所不在。因?yàn)閿?shù)字信號具有高保真、低噪聲和便于信號處理的優(yōu)點(diǎn)，所以得到了廣泛的應(yīng)用，例如電話公司使用數(shù)字信號傳輸語音，廣播、電視和高保真音響系統(tǒng)也都在逐漸數(shù)字化。太空中的衛(wèi)星將測得數(shù)據(jù)以數(shù)字信號的形式發(fā)送到地面接收站。對遙遠(yuǎn)星球和外部空間拍攝的照片也是采用數(shù)字方法處理，去除干擾，獲得有用的信息。經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)、人口普查結(jié)果、股票市場價(jià)格都可以采用數(shù)字信號的形式獲得。因?yàn)閿?shù)字信號處理具有這么多優(yōu)點(diǎn)，在用計(jì)算機(jī)對模擬信號進(jìn)行處理之前也常把它們先轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。本章將介紹數(shù)字信號處理的基本知識，并介紹由上百個(gè) 數(shù)字信號處理和分析的 VI構(gòu)成的 LabVIEW分析軟件庫。 目前，對于實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)，高速浮點(diǎn)運(yùn)算和數(shù)字信號處理已經(jīng)變得越來越重要。這些系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用到生物醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)處理、語音識別、數(shù)字音頻和圖像處理等各種領(lǐng)域。數(shù)據(jù)分析的重要性在于，無法從剛剛采集的數(shù)據(jù)立刻得到有用的信息，如下圖所示。必須消除噪音干擾、糾正設(shè)備故障而破壞的數(shù)據(jù)，或者補(bǔ)償環(huán)境影響，如溫度和濕度等。 通過分析和處理數(shù)字信號，可以從噪聲中分離出有用的信息，并用比原始數(shù)據(jù)更全面的表格顯示這些信息。下圖顯示的是經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)曲線。 39 用于測量的虛 擬儀器 (VI) 用于測量的虛擬儀器 (VI)執(zhí)行的典型的測量任務(wù)有： ? 計(jì)算信號中存在的總的諧波失真。 ? 決定系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)或傳遞函數(shù)。 ? 估計(jì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)參數(shù)，例如上升時(shí)間、超調(diào)量等等。 ? 計(jì)算信號的幅頻特性和相頻特性。 ? 估計(jì)信號中含有的交流成分和直流成分。 在過去，這些計(jì)算工作需要通過特定的實(shí)驗(yàn)工作臺來進(jìn)行，而用于測量的虛擬儀器可以使這些測量工作通過 LabVIEW 程序語言在臺式機(jī)上進(jìn)行。這些用于測量的虛擬儀器是建立在數(shù)據(jù)采集和數(shù)字信號處理的基礎(chǔ)之上，有如下的特性： ? 輸入的時(shí)域信號被假定為實(shí)數(shù)值。 ? 輸出數(shù)據(jù)中包含 大小、相位，并且用合適的單位進(jìn)行了刻度，可用來直接進(jìn)行圖形的繪制。 ? 計(jì)算出來的頻譜是單邊的（ single_sided），范圍從直流分量到Nyquist 頻率 (二分之一取樣頻率 )。（即沒有負(fù)頻率出現(xiàn)） ? 需要時(shí)可以使用窗函數(shù)，窗是經(jīng)過刻度地，因此每個(gè)窗提供相同的頻譜幅度峰值，可以精確地限制信號的幅值。 一般情況下，可以將數(shù)據(jù)采集 VI 的輸出直接連接到測量 VI的輸入端。測量VI的輸出又可以連接到繪圖 VI 以得到可視的顯示。 有些測量 VI 用來進(jìn)行時(shí)域到頻域的轉(zhuǎn)換，例如計(jì)算幅頻特性和相頻特性、功率譜、網(wǎng)路的傳遞函數(shù)等等。 另一些測量 VI 可以刻度時(shí)域窗和對功率和頻率進(jìn)行估算。 本章我們將介紹測量 VI 中常用的一些數(shù)字信號處理函數(shù)。 信號處理與分析 40 LabVIEW的流程圖編程方法和分析 VI庫的擴(kuò)展工具箱使得分析軟件的開發(fā)變得更加簡單。 LabVIEW 分析 VI通過一些可以互相連接的 VI，提供了最先進(jìn)的數(shù)據(jù)分析技術(shù)。你不必像在普通編程語言中那樣關(guān)心分析步驟的具體細(xì)節(jié)，而可以集中注意力解決信號處理與分析方面的問題。 LabVIEW 6i 版本中，有兩個(gè)子模板涉及信號處理和數(shù)學(xué)，分別是 Analyze 子模板和 Methematics 子模板。這里主要涉及前 者。 進(jìn)入 Functions 模板 Analyze》 Signal Processing 子模板。 其中共有 6個(gè)分析 VI庫。其中包括： ①． Signal Generation（信號發(fā)生）：用于產(chǎn)生數(shù)字特性曲線和波形。 ②． Time Domain（時(shí)域分析）：用于進(jìn)行頻域轉(zhuǎn)換、頻域分析等。 ③． Frequency Domain（頻域分析）： ④． Measurement（測量函數(shù)）：用于執(zhí)行各種測量功能，例如單邊 FFT、 頻譜、比例加窗以 及泄漏頻譜、能量的估算。 ⑤． Digital Filters（數(shù)字濾波器）：用于執(zhí)行 IIR、 FIR 和非線性濾波功能。 ⑥． Windowing（窗函數(shù)）：用于對數(shù)據(jù)加窗。 在后面幾節(jié)中，你將學(xué)習(xí)如何使用分析庫中的 VI 創(chuàng)建函數(shù)發(fā)生器和簡單實(shí)用的頻譜分析儀，如何使用數(shù)字濾波器，窗函數(shù)的作用以及不同類型窗函數(shù)的優(yōu)點(diǎn)，怎樣執(zhí)行簡單的曲線擬合功能，以及其他一些內(nèi)容?？梢栽贚abVIEW\examples\analysis 目錄中找到一些演示程序。 5．２ 信號的產(chǎn)生 本節(jié)將介紹怎樣產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)頻率的信號，以及怎樣創(chuàng)建模 擬函數(shù)發(fā)生器。參考 41 例子見 examples\analysis\。 你還將學(xué)習(xí)怎樣使用分析庫中的信號發(fā)生 VI 產(chǎn)生各種類型的信號。信號產(chǎn)生的應(yīng)用主要有： ? 當(dāng)無法獲得實(shí)際信號時(shí)，（例如沒有 DAQ 板卡來獲得實(shí)際信號或者受限制無法訪問實(shí)際信號），信號發(fā)生功能可以產(chǎn)生模擬信號測試程序。 ? 產(chǎn)生用于 D/A轉(zhuǎn)換的信號 在 LabVIEW 6i 中提供了波形函數(shù)，為制作函數(shù)發(fā)生器提供了方便。以WaveformWaveform Generation 中的基本函數(shù)發(fā)生器（ Basic Function ）為例，其圖標(biāo)如下： 其功能是建立一個(gè)輸出波形，該波形類型有：正弦波、三角波、鋸齒波和方波。這個(gè) VI 會記住產(chǎn)生的前一波形的時(shí)間標(biāo)志并且由此點(diǎn)開始使時(shí)間標(biāo)志連續(xù)增長。它的輸入?yún)?shù)有波形類型、樣本數(shù)、起始相位、波形頻率（單位： Hz） 參數(shù)說明： offset： 波形的直流偏移量，缺省值為 。數(shù)據(jù)類型 DBL reset signal： 將波形相位重置為相位控制值且將時(shí)間標(biāo)志置為 0。缺省值為FALSE. signal type： 產(chǎn)生的波形的類型，缺省值為正弦波 。 frequency ：波形頻率（單位 Hz），缺省值為 10。 amplitude ：波形幅值，也稱為峰值電壓，缺省值為 。 phase ：波形的初始相位（單位 度）缺省值為 . error in ：在該 VI 運(yùn)行之前描述錯(cuò)誤環(huán)境。缺省值為 no error. 如果一個(gè)錯(cuò)誤已經(jīng)發(fā)生，該 VI 在 error out 端返回錯(cuò)誤代碼。該 VI 僅在無錯(cuò)誤時(shí)正常運(yùn)行。 錯(cuò)誤簇包含如下參數(shù)。 status ：缺省值為 FALSE，發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)變?yōu)?TRUE。 信號處理與分析 42 code ：錯(cuò)誤代碼，缺省值為 0。 source ：在大 多數(shù)情況下是產(chǎn)生錯(cuò)誤的 VI 或函數(shù)的名稱，缺省值為一個(gè)空串。 sampling info ：一個(gè)包括采樣信息的簇。共有 Fs 和 s 兩個(gè)參數(shù)。 Fs ：采樣率，單位是樣本數(shù) /秒，缺省值為 1000。 s ：波形的樣本數(shù)，缺省值為 1000。 duty cycle (%)：占空比，對方波信號是反映一個(gè)周期內(nèi)高低電平所占的比例，缺省值為 50%。 signal out：信號輸出端 phase out ：波形的相位，單位：度。 error out ：錯(cuò)誤信息。如果 error in 指示一個(gè)錯(cuò)誤， error out 包含 同樣的錯(cuò)誤信息。否則，它描述該 VI 引起的錯(cuò)誤狀態(tài)。 使用該 VI 制作的函數(shù)發(fā)生器如下，由框圖可以看出，其中沒有附加任何其他部件。 43 5． 3 標(biāo)準(zhǔn)頻率 在模擬狀態(tài)下，信號頻率用 Hz或者每秒周期數(shù)為單位。但是在數(shù)字系統(tǒng)中，通常使用數(shù)字頻率，它是模擬頻率和采樣頻率的比值，表達(dá)式如下： 數(shù)字頻率＝模擬頻率 /采樣頻率 這種數(shù)字頻率被稱為標(biāo)準(zhǔn)頻率，單位是周期數(shù) /采樣點(diǎn)。 有些信號發(fā)生 VI使用輸入頻率控制量 f，它的單位和標(biāo)準(zhǔn)頻率的單位相同：周期數(shù) /每個(gè)采樣點(diǎn)，范圍從 0到 1，對應(yīng)實(shí)際頻率中的 0到采樣頻率 fs的全部頻率。它還以 為周期，從而令標(biāo)準(zhǔn)頻率中的 與 相等。例如某個(gè)信號的采樣頻率是奈奎斯特頻率（ fs/2），就表示每半個(gè)周期采樣一次（也就是每個(gè)周期采樣兩次）。與之對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)頻率是 1/2 周期數(shù) /采樣點(diǎn)，也就是 周期數(shù) /采樣點(diǎn)。標(biāo)準(zhǔn)頻率的倒數(shù) 1/f 表示一個(gè)周期內(nèi)采樣的次數(shù)。 如果你所使用的 VI 需要以標(biāo)準(zhǔn)頻率作為輸入，就必須把頻率單位轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)單位：周期數(shù) /采樣點(diǎn)。 5． 4 數(shù)字信號處理 FFT變換 信號的時(shí)域顯示（采樣點(diǎn)的幅值）可以通過離散傅立葉變換（ DFT）的方法轉(zhuǎn)換為頻域顯示。 為了快速計(jì)算 DFT，通常采用一種快速傅立葉變換 (FFT)的方法。當(dāng)信號的采樣點(diǎn)數(shù)是 2 的冪時(shí)，就可以采用這種方法。 FFT 的輸出都是雙邊的，它同時(shí)顯示了正負(fù)頻率的信息。通過只使用一半 FFT輸出采樣點(diǎn)轉(zhuǎn)換成單邊 FFT。 FFT 的采樣點(diǎn)之間的頻率間隔是 fs/N，這里 fs 是采樣頻率。 Analyze庫中有兩個(gè)可以進(jìn)行 FFT的 VI，分別是 Real FFT VI 和