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)重要應用。它是日益發(fā)展的計算機硬件、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，與測試技術(shù)、儀器儀表技術(shù)密切結合孕育出的一項新的成果。20世紀80年代，NI公司首先提出了虛擬儀器的概念，認為虛擬儀器是由計算機硬件資源、模塊化儀器硬件和用于數據分析、過(guò)程通信及圖形用戶(hù)界面的軟件組成的測控系統，是一種由計算機操縱的模塊化儀器系統。虛擬儀器是以計算機作為儀器統一的硬件平臺，充分利用計算機獨具的運算、存儲、回放、調用、顯示以及與文件管理等基本智能化功能，同時(shí)把傳統儀器的專(zhuān)業(yè)化功能和面板控件軟件化，使其與計算機融為一體，構成了從外觀(guān)到功能都完全與傳統硬件儀器一致，同時(shí)又充分享用計算機智能資源的全新的儀器系統。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，使用較為廣泛的計算機語(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)是用具有框圖結構的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，因而廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗室所接受。LabVIEW逐漸成為一種標準的數據采集和儀器控制軟件，在進(jìn)行研究、設計、測試并實(shí)現儀器系統時(shí)，可大大提高工作效率。
　　
　　2 DSP在虛擬儀器中的應用
　　
　　在PC虛擬儀器領(lǐng)域，采用高速DSP和局部總線(xiàn)的結構將成為PC虛擬儀器的主流結構。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出來(lái)，但其硬件采集仍需要硬件設備來(lái)完成。
　　
　　DSP芯片是專(zhuān)門(mén)用于數字信號處理的芯片，它能獨立于CPU單獨運行，同時(shí)又有豐富的接口處理功能。更為重要的是，DSP芯片對數字信號的處理由其裝載的程序控制，開(kāi)發(fā)人員可根據實(shí)際的需求自行開(kāi)發(fā)程序，再將程序裝載入芯片，從而達到數字信號處理的目的。然而直接使用DSP來(lái)開(kāi)發(fā)頻譜分析儀有諸多不便，這主要是因為當系統運行在WINDOWS等多任務(wù)操作系統時(shí)，特別在處理如FFT等大容量、高精度運算時(shí)，CPU資源會(huì )造成嚴重不足，這給底層硬件系統的設計應用帶來(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，將采集來(lái)的數據在DSP中進(jìn)行預處理，然后再將數據傳遞給軟件部分，這樣不但沒(méi)有增加系統的負擔，相反，可以讓系統資源用更多的時(shí)間來(lái)處理其他事情。數據的處理是由軟件控制計算機系統來(lái)完成,虛擬儀器主要處理由USB數據采集器所采集到的數字信號，對其進(jìn)行分析、運算和顯示。
　　
　　3 頻譜分析儀的應用和發(fā)展
　　
　　頻譜分析是信號分析處理中常用的分析方法，主要是在頻域上對信號進(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用。例如，在聲納系統中，為了尋找海洋水面艦艇或潛艇，需要對噪聲信號進(jìn)行頻譜分析，以提取有用信息，從而判斷艦艇運動(dòng)速度、方向、位置、大??；對飛機、汽車(chē)、電機、機床等主體或部件進(jìn)行實(shí)際運行的頻譜分析，可以提供設計數據、檢驗設計效果，或者尋找振源和診斷故障，以便及時(shí)排除潛在故障因素，保證安全運行。
　　
　　早期的頻譜分析儀實(shí)質(zhì)上是一臺掃頻接收機，輸入信號與本地振蕩信號在混頻器變頻后，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、有源元件構成，頻譜分析儀顯得很笨重，且頻率分辨率不高。隨著(zhù)電子電路技術(shù)的發(fā)展，出現了以傅里葉變換為基礎的現代頻譜分析儀，這類(lèi)頻譜分析儀以電子電路來(lái)實(shí)現傅里葉變換，從而實(shí)現頻譜分析。但是，這類(lèi)頻譜分析儀仍然是以硬件電路來(lái)實(shí)現的傳統意義上的頻譜分析儀，存在復雜性、封閉性等自身無(wú)法克服的缺點(diǎn)。隨著(zhù)計算機技術(shù)的發(fā)展和普及，虛擬儀器技術(shù)應用到頻譜分析儀中，克服了傳統硬件化的頻譜分析儀自身無(wú)法克服的缺點(diǎn)。