基于LabVIEW和DSP技術(shù)的FFT頻譜分析儀

　　1 虛擬儀器概念和特點(diǎn)
　　
　　虛擬儀器是虛擬技術(shù)在儀器儀表領(lǐng)域中的一個(gè)重要應(yīng)用。它是日益發(fā)展的計(jì)算機(jī)硬件、軟件和總線(xiàn)技術(shù)在向其他技術(shù)領(lǐng)域密集滲透的過(guò)程中，與測(cè)試技術(shù)、儀器儀表技術(shù)密切結(jié)合孕育出的一項(xiàng)新的成果。20世紀(jì)80年代，NI公司首先提出了虛擬儀器的概念，認(rèn)為虛擬儀器是由計(jì)算機(jī)硬件資源、模塊化儀器硬件和用于數(shù)據(jù)分析、過(guò)程通信及圖形用戶(hù)界面的軟件組成的測(cè)控系統(tǒng)，是一種由計(jì)算機(jī)操縱的模塊化儀器系統(tǒng)。虛擬儀器是以計(jì)算機(jī)作為儀器統(tǒng)一的硬件平臺(tái)，充分利用計(jì)算機(jī)獨(dú)具的運(yùn)算、存儲(chǔ)、回放、調(diào)用、顯示以及與文件管理等基本智能化功能，同時(shí)把傳統(tǒng)儀器的專(zhuān)業(yè)化功能和面板控件軟件化，使其與計(jì)算機(jī)融為一體，構(gòu)成了從外觀(guān)到功能都完全與傳統(tǒng)硬件儀器一致，同時(shí)又充分享用計(jì)算機(jī)智能資源的全新的儀器系統(tǒng)。由于儀器的專(zhuān)業(yè)化功能和面板控件都由軟件形成，因此國(guó)際上把這類(lèi)新型的儀器稱(chēng)為“虛擬儀器”[1]。
　　
　　目前在虛擬儀器技術(shù)領(lǐng)域，使用較為廣泛的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言是NI公司推出的LabVIEW。LabVIEW是一種圖形化的編程語(yǔ)言開(kāi)發(fā)環(huán)境，類(lèi)似于C和BASIC開(kāi)發(fā)環(huán)境，但較之不同的是，LabVIEW使用的是圖形化的編輯語(yǔ)言，又稱(chēng)為“G”語(yǔ)言。這種編程語(yǔ)言的特點(diǎn)是用具有框圖結(jié)構(gòu)的VI代替繁瑣的程序代碼，產(chǎn)生的程序是框圖的形式，同時(shí)它盡可能利用了技術(shù)人員、工程師、專(zhuān)家所熟悉的術(shù)語(yǔ)、概念和圖標(biāo)，因而廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接受。LabVIEW逐漸成為一種標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件，在進(jìn)行研究、設(shè)計(jì)、測(cè)試并實(shí)現(xiàn)儀器系統(tǒng)時(shí)，可大大提高工作效率。
　　
　　2 DSP在虛擬儀器中的應(yīng)用
　　
　　在PC虛擬儀器領(lǐng)域，采用高速DSP和局部總線(xiàn)的結(jié)構(gòu)將成為PC虛擬儀器的主流結(jié)構(gòu)。虛擬儀器作為儀器發(fā)展的新階段，雖然其專(zhuān)業(yè)化功能和面板控件都是以軟件形式所表現(xiàn)出來(lái)，但其硬件采集仍需要硬件設(shè)備來(lái)完成。
　　
　　DSP芯片是專(zhuān)門(mén)用于數(shù)字信號(hào)處理的芯片，它能獨(dú)立于CPU單獨(dú)運(yùn)行，同時(shí)又有豐富的接口處理功能。更為重要的是，DSP芯片對(duì)數(shù)字信號(hào)的處理由其裝載的程序控制，開(kāi)發(fā)人員可根據(jù)實(shí)際的需求自行開(kāi)發(fā)程序，再將程序裝載入芯片，從而達(dá)到數(shù)字信號(hào)處理的目的。然而直接使用DSP來(lái)開(kāi)發(fā)頻譜分析儀有諸多不便，這主要是因?yàn)楫?dāng)系統(tǒng)運(yùn)行在WINDOWS等多任務(wù)操作系統(tǒng)時(shí)，特別在處理如FFT等大容量、高精度運(yùn)算時(shí)，CPU資源會(huì)造成嚴(yán)重不足，這給底層硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用帶來(lái)一定的不便。但使用虛擬儀器能很好地解決這個(gè)問(wèn)題，虛擬儀器能借助DSP處理系統(tǒng)，將采集來(lái)的數(shù)據(jù)在DSP中進(jìn)行預(yù)處理，然后再將數(shù)據(jù)傳遞給軟件部分，這樣不但沒(méi)有增加系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，相反，可以讓系統(tǒng)資源用更多的時(shí)間來(lái)處理其他事情。數(shù)據(jù)的處理是由軟件控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來(lái)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(hào)，對(duì)其進(jìn)行分析、運(yùn)算和顯示。
　　
　　3 頻譜分析儀的應(yīng)用和發(fā)展
　　
　　頻譜分析是信號(hào)分析處理中常用的分析方法，主要是在頻域上對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理、分析及顯示。目前，頻譜分析在生產(chǎn)實(shí)踐與科學(xué)研究中獲得了日益廣泛的應(yīng)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(duì)噪聲信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，以提取有用信息，從而判斷艦艇運(yùn)動(dòng)速度、方向、位置、大小；對(duì)飛機(jī)、汽車(chē)、電機(jī)、機(jī)床等主體或部件進(jìn)行實(shí)際運(yùn)行的頻譜分析，可以提供設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、檢驗(yàn)設(shè)計(jì)效果，或者尋找振源和診斷故障，以便及時(shí)排除潛在故障因素，保證安全運(yùn)行。
　　
　　早期的頻譜分析儀實(shí)質(zhì)上是一臺(tái)掃頻接收機(jī)，輸入信號(hào)與本地振蕩信號(hào)在混頻器變頻后，經(jīng)過(guò)一組并聯(lián)的不同中心頻率的帶通濾波器，使輸入信號(hào)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(wú)源、有源元件構(gòu)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(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了以傅里葉變換為基礎(chǔ)的現(xiàn)代頻譜分析儀，這類(lèi)頻譜分析儀以電子電路來(lái)實(shí)現(xiàn)傅里葉變換，從而實(shí)現(xiàn)頻譜分析。但是，這類(lèi)頻譜分析儀仍然是以硬件電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的傳統(tǒng)意義上的頻譜分析儀，存在復(fù)雜性、封閉性等自身無(wú)法克服的缺點(diǎn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和普及，虛擬儀器技術(shù)應(yīng)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(wú)法克服的缺點(diǎn)。