摘  要： 提出一種基于虛擬儀器LabVIEW的FFT頻譜分析儀的設(shè)計(jì)，分析了DSP技術(shù)在虛擬儀器中的應(yīng)用。在深入研究DSP處理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了基于DSP技術(shù)以及USB總線的虛擬式FFT 頻譜分析儀，具有設(shè)計(jì)新穎、實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)。

　　1 虛擬儀器概念和特點(diǎn)

　　虛擬儀器技術(shù)就是利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件來完成各種測(cè)試、測(cè)量和自動(dòng)化的應(yīng)用。自1986年問世以來，世界各國(guó)的工程師和科學(xué)家們都已將NI LabVIEW圖形化開發(fā)工具用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期的各個(gè)環(huán)節(jié)，從而改善了產(chǎn)品質(zhì)量、縮短了產(chǎn)品投放市場(chǎng)的時(shí)間，并提高了產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)效率。使用集成化的虛擬儀器環(huán)境與現(xiàn)實(shí)世界的信號(hào)相連，分析數(shù)據(jù)以獲取實(shí)用信息，共享信息成果，有助于在較大范圍內(nèi)提高生產(chǎn)效率。虛擬儀器提供的各種工具能滿足我們?nèi)魏雾?xiàng)目需要。

　　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)言開發(fā)環(huán)境，類似于C和BASIC開發(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，又稱為“G”語(yǔ)言。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，雖然其化功能和面板控件都是以軟件形式所表現(xiàn)出來，但其硬件采集仍需要硬件設(shè)備來完成。

　　DSP芯片，也稱數(shù)字信號(hào)處理器， 是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的微處理器。DSP芯片的內(nèi)部采用程序和數(shù)據(jù)分開的哈佛結(jié)構(gòu)，具有專門的硬件乘法器，廣泛采用流水線操作，提供特殊的DSP指令，可以用來快速的實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法。然而直接使用DSP來開發(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)用帶來一定的不便。但使用虛擬儀器能很好地解決這個(gè)問題，虛擬儀器能借助DSP處理系統(tǒng)，將采集來的數(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

　　頻譜分析儀是研究電信號(hào)頻譜結(jié)構(gòu)的儀器，用于信號(hào)失真度、調(diào)制度、譜純度、頻率穩(wěn)定度和交調(diào)失真等信號(hào)參數(shù)的測(cè)量，可用以測(cè)量放大器和濾波器等電路系統(tǒng)的某些參數(shù)，是一種多用途的電子測(cè)量?jī)x器。它又可稱為頻域示波器、跟蹤示波器、分析示波器、諧波分析器、頻率特性分析儀或傅里葉分析儀等?，F(xiàn)代頻譜分析儀能以模擬方式或數(shù)字方式顯示分析結(jié)果，能分析1赫以下的甚低頻到亞毫米波段的全部無線電頻段的電信號(hào)。儀器內(nèi)部若采用數(shù)字電路和微處理器，具有存儲(chǔ)和運(yùn)算功能；配置標(biāo)準(zhǔn)接口，就容易構(gòu)成自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。

　　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。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，這類頻譜分析儀以電子電路來實(shí)現(xiàn)傅里葉變換，從而實(shí)現(xiàn)頻譜分析。但是，這類頻譜分析儀仍然是以硬件電路來實(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法克服的缺點(diǎn)。

　　4 虛擬式FFT頻譜分析儀的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　4.1 基于DSP的USB數(shù)據(jù)采集器開發(fā)

　　快速傅里葉變換FFT（Fast Fourier Transform）分析要求首先對(duì)被分析的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字采樣，然后再進(jìn)行FFT運(yùn)算。在系統(tǒng)中，信號(hào)的采樣和FFT計(jì)算全部在USB數(shù)據(jù)采集器上實(shí)現(xiàn)。為了保證時(shí)域信號(hào)和FFT處理后的數(shù)據(jù)能實(shí)時(shí)傳遞給系統(tǒng)CPU，USB數(shù)據(jù)采集器與主機(jī)之間采用USB接口設(shè)計(jì)[2]。根據(jù)系統(tǒng)要求和實(shí)際條件，USB數(shù)據(jù)采集器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　?。?）信號(hào)調(diào)理模塊設(shè)計(jì)

　　信號(hào)調(diào)理模塊實(shí)現(xiàn)信號(hào)的輸入緩沖、放大和濾波。在系統(tǒng)中，信號(hào)的緩沖由集成運(yùn)放組成同相跟隨器來實(shí)現(xiàn)。放大器采用TI公司的可編程放大器PAG103U，放大倍數(shù)的改變由DSP和邏輯控制器共同實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)中可對(duì)輸入通道信號(hào)分別進(jìn)行放大倍數(shù)控制。調(diào)理模塊中的濾波器為低通濾波，主要用于對(duì)信號(hào)進(jìn)行抗混疊濾波，以確保信號(hào)的有效FFT分析。

　?。?）A/D轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)

　　A/D轉(zhuǎn)換的采樣率和分辨率是進(jìn)行數(shù)字采樣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要指標(biāo)。在設(shè)計(jì)中，A/D芯片采用AD7685，單通道采樣率可達(dá)250 kS/s，輸出為16位并行輸出，比較電壓為±5 V。

　　信號(hào)數(shù)字化是對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行數(shù)字近似，它需要用一個(gè)時(shí)鐘和一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)。所謂數(shù)字近似是指以N-bit的數(shù)字信號(hào)代碼來量化表示原始信號(hào)，這種量化以bit位單位，可以精細(xì)到1/2^N。時(shí)鐘決定信號(hào)波形的采樣速度和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的變換速率。轉(zhuǎn)換可以做到24bit，而采樣頻率也有可能高達(dá)1GHZ，但兩者不可能同時(shí)做到。通常數(shù)字位數(shù)越多，裝置的速度就越慢。

　?。?）DSP芯片選用

　　DSP是該系統(tǒng)進(jìn)行FFT運(yùn)算的處理器，其、速度在很大程度上決定了FFT分析儀的性能?？紤]到FFT運(yùn)算中實(shí)時(shí)性和方面的要求，設(shè)計(jì)時(shí)選用TMS320VC33浮點(diǎn)型DSP芯片。

　　（4）存儲(chǔ)器選用

　　存儲(chǔ)器可用于存放大量的表格數(shù)據(jù)和一些臨時(shí)數(shù)據(jù)。因?yàn)镈SP在作FFT運(yùn)算時(shí)要用到大量正弦及其他數(shù)據(jù)表格，而通常固化DSP程序的閃存和DSP的數(shù)據(jù)交換較慢，為保證FFT的運(yùn)算速度，可在FFT運(yùn)算前，將表格數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于DSP外的高速存儲(chǔ)器內(nèi)。

　　（5）USB接口芯片選用

　　USB接口芯片是連接PC機(jī)和底層硬件的通信紐帶，USB總線有著嚴(yán)格的電氣規(guī)范和時(shí)序要求，采用接口芯片可以減少電路設(shè)計(jì)的工作量，特別對(duì)于在實(shí)現(xiàn)5 V與3.3 V DSP的數(shù)據(jù)傳遞時(shí)，采用可同時(shí)兼容這兩種電壓的接口芯片，還省去轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)中選用Philips的高速USB2.0芯片ISP1362。數(shù)據(jù)采集器工作時(shí)，各主要模塊通過控制器后的基本流程如圖2所示。

　　4.2 虛擬式FFT頻譜分析儀軟件設(shè)計(jì)

　　該系統(tǒng)軟件包括DSP軟件的設(shè)計(jì)和應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)。

　　4.2.1 DSP軟件的設(shè)計(jì)

　　DSP軟件由DSP主程序和中斷服務(wù)程序組成[4]。

　　DSP主程序主要完成以下任務(wù)：（1）初始化USB芯片，讀入用戶設(shè)置的采樣頻率參數(shù)，并根據(jù)這個(gè)參數(shù)初始化時(shí)鐘，以產(chǎn)生正確的采樣時(shí)間信號(hào)；（2）讀入采樣通道參數(shù)并初始化AD7685；（3）讀入用戶放大倍數(shù)，設(shè)置可編程放大器。這些參數(shù)讀入完畢后，將采樣通道采集的數(shù)據(jù)通過USB口發(fā)送給PC側(cè)的LabVIEW軟件分析處理。

　　中斷服務(wù)程序主要用來響應(yīng)A/D所產(chǎn)生的中斷，在設(shè)計(jì)中，中斷服務(wù)的任務(wù)主要是讀取A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，并判斷其是否達(dá)到FFT點(diǎn)數(shù)，如沒達(dá)到則返回，反之，進(jìn)行FFT運(yùn)算，并將數(shù)據(jù)傳遞給接口芯片。

　　4.2.2 應(yīng)用程序的實(shí)現(xiàn)

　　應(yīng)用程序是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交換的控制軟件[5]，數(shù)據(jù)結(jié)果的顯示以及輸入?yún)?shù)的改變都在此完成。要求應(yīng)用程序既要有很好的穩(wěn)定性，又要易于操作。系統(tǒng)的應(yīng)用程序以及USB數(shù)據(jù)采集器的驅(qū)動(dòng)程序都是在LabVIEW的基礎(chǔ)上編寫出來的，具有很好的穩(wěn)定性和可移植性。圖3所示為基于DSP技術(shù)的虛擬式FFT頻譜分析儀面板圖，檢測(cè)輸入信號(hào)為200 Hz，交流正弦波為400 Hz，可以看到在FFT上的頻譜圖（幅度譜和相位譜）。

　　虛擬式FFT頻譜分析儀系統(tǒng)可在Windows環(huán)境下很好地運(yùn)行和操作，符合項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求。DSP技術(shù)引入到虛擬儀器系統(tǒng)中，使得虛擬儀器的性能突破了通用計(jì)算機(jī)的限制，并在實(shí)時(shí)性和性上為虛擬儀器廣泛代替?zhèn)鹘y(tǒng)硬件平臺(tái)儀器提供了保證。利用計(jì)算機(jī)提供的USB、PCI等高速數(shù)據(jù)接口，進(jìn)一步拓寬了基于DSP的USB數(shù)據(jù)采集器的數(shù)據(jù)傳輸帶寬。隨著DSP技術(shù)的發(fā)展和其在虛擬儀器中的應(yīng)用，虛擬儀器必將在儀器行業(yè)中大放異彩。

參考文獻(xiàn):

[1]. AD7685 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/AD7685_1131505.html.
[2]. TMS320VC33 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/TMS320VC33_688528.html.
[3]. ISP1362 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/ISP1362_761369.html.
[4]. PCI datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/PCI_1201469.html.