摘  要： 提出一種基于虛擬儀器LabVIEW的FFT頻譜分析儀的設計，分析了DSP技術在虛擬儀器中的應用。在深入研究DSP處理系統的基礎上，開發了基于DSP技術以及USB總線的虛擬式FFT 頻譜分析儀，具有設計新穎、實用性強的特點。
關鍵詞： 虛擬儀器；LabVIEW；DSP；USB總線；FFT；頻譜分析儀

1 虛擬儀器概念和特點
    虛擬儀器是虛擬技術在儀器儀表領域中的一個重要應用。它是日益發展的計算機硬件、軟件和總線技術在向其他技術領域密集滲透的過程中，與測試技術、儀器儀表技術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、過程通信及圖形用戶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，同時把傳統儀器的專業化功能和面板控件軟件化，使其與計算機融為一體，構成了從外觀到功能都完全與傳統硬件儀器一致，同時又充分享用計算機智能資源的全新的儀器系統。由于儀器的專業化功能和面板控件都由軟件形成，因此國際上把這類新型的儀器稱為“虛擬儀器”[1]。
    目前在虛擬儀器技術領域，使用較為廣泛的計算機語言是NI公司推出的LabVIEW。LabVIEW是一種圖形化的編程語言開發環境，類似于C和BASIC開發環境，但較之不同的是，LabVIEW使用的是圖形化的編輯語言，又稱為“G”語言。這種編程語言的特點是用具有框圖結構的VI代替繁瑣的程序代碼，產生的程序是框圖的形式，同時它盡可能利用了技術人員、工程師、專家所熟悉的術語、概念和圖標，因而廣泛地被工業界、學術界和研究實驗室所接受。LabVIEW逐漸成為一種標準的數據采集和儀器控制軟件，在進行研究、設計、測試并實現儀器系統時，可大大提高工作效率。
2 DSP在虛擬儀器中的應用
    在PC虛擬儀器領域，采用高速DSP和局部總線的結構將成為PC虛擬儀器的主流結構。虛擬儀器作為儀器發展的新階段，雖然其專業化功能和面板控件都是以軟件形式所表現出來，但其硬件采集仍需要硬件設備來完成。
    DSP芯片是專門用于數字信號處理的芯片，它能獨立于CPU單獨運行，同時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，開發人員可根據實際的需求自行開發程序，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來開發頻譜分析儀有諸多不便，這主要是因為當系統運行在WINDOWS等多任務操作系統時，特別在處理如FFT等大容量、高精度運算時，CPU資源會造成嚴重不足，這給底層硬件系統的設計應用帶來一定的不便。但使用虛擬儀器能很好地解決這個問題，虛擬儀器能借助DSP處理系統，將采集來的數據在DSP中進行預處理，然后再將數據傳遞給軟件部分，這樣不但沒有增加系統的負擔，相反，可以讓系統資源用更多的時間來處理其他事情。數據的處理是由軟件控制計算機系統來完成,虛擬儀器主要處理由USB數據采集器所采集到的數字信號，對其進行分析、運算和顯示。
3 頻譜分析儀的應用和發展
    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行處理、分析及顯示。目前，頻譜分析在生產實踐與科學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，需要對噪聲信號進行頻譜分析，以提取有用信息，從而判斷艦艇運動速度、方向、位置、大小；對飛機、汽車、電機、機床等主體或部件進行實際運行的頻譜分析，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，以便及時排除潛在故障因素，保證安全運行。
    早期的頻譜分析儀實質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，經過一組并聯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。隨著電子電路技術的發展，出現了以傅里葉變換為基礎的現代頻譜分析儀，這類頻譜分析儀以電子電路來實現傅里葉變換，從而實現頻譜分析。但是，這類頻譜分析儀仍然是以硬件電路來實現的傳統意義上的頻譜分析儀，存在復雜性、封閉性等自身無法克服的缺點。隨著計算機技術的發展和普及，虛擬儀器技術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法克服的缺點。
4 虛擬式FFT頻譜分析儀的系統設計
4.1 基于DSP的USB數據采集器開發
    快速傅里葉變換FFT(Fast Fourier Transform)分析要求首先對被分析的信號進行數字采樣，然后再進行FFT運算。在系統中，信號的采樣和FFT計算全部在USB數據采集器上實現。為了保證時域信號和FFT處理后的數據能實時傳遞給系統CPU，USB數據采集器與主機之間采用USB接口設計[2]。根據系統要求和實際條件，USB數據采集器的結構如圖1所示。

    (1)信號調理模塊設計
    信號調理模塊實現信號的輸入緩沖、放大和濾波。在系統中，信號的緩沖由集成運放組成同相跟隨器來實現。放大器采用TI公司的可編程放大器PAG103U，放大倍數的改變由DSP和邏輯控制器共同實現，設計中可對輸入通道信號分別進行放大倍數控制。調理模塊中的濾波器為低通濾波，主要用于對信號進行抗混疊濾波，以確保信號的有效FFT分析。
    (2)A/D轉換設計
    A/D轉換的采樣率和分辨率是進行數字采樣系統設計的主要指標。在設計中，A/D芯片采用AD7685，單通道最高采樣率可達250 kS/s，輸出為16位并行輸出，比較電壓為±5 V。
    (3)DSP芯片選用
    DSP是該系統進行FFT運算的處理器，其精度、速度在很大程度上決定了FFT分析儀的性能。考慮到FFT運算中實時性和精度方面的要求，設計時選用TMS320VC33浮點型DSP芯片[6]。
    (4)存儲器選用
    存儲器可用于存放大量的表格數據和一些臨時數據。因為DSP在作FFT運算時要用到大量正弦及其他數據表格，而通常固化DSP程序的閃存和DSP的數據交換較慢，為保證FFT的運算速度，可在FFT運算前，將表格數據存儲于DSP外的高速存儲器內。
    (5)USB接口芯片選用
    USB接口芯片是連接PC機和底層硬件的通信紐帶，USB總線有著嚴格的電氣規范和時序要求，采用接口芯片可以減少電路設計的工作量，特別對于在實現5 V與3.3 V DSP的數據傳遞時，采用可同時兼容這兩種電壓的接口芯片，還省去轉換電路的設計。設計中選用Philips的高速USB2.0芯片ISP1362。數據采集器工作時，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頻譜分析儀軟件設計
    該系統軟件包括DSP軟件的設計和應用程序的設計。
4.2.1 DSP軟件的設計
    DSP軟件由DSP主程序和中斷服務程序組成[4]。
    DSP主程序主要完成以下任務：(1)初始化USB芯片，讀入用戶設置的采樣頻率參數，并根據這個參數初始化時鐘，以產生正確的采樣時間信號；(2)讀入采樣通道參數并初始化AD7685；(3)讀入用戶放大倍數，設置可編程放大器。這些參數讀入完畢后，將采樣通道采集的數據通過USB口發送給PC側的LabVIEW軟件分析處理。
    中斷服務程序主要用來響應A/D所產生的中斷，在設計中，中斷服務的任務主要是讀取A/D轉換后的數據，并判斷其是否達到FFT點數，如沒達到則返回，反之，進行FFT運算，并將數據傳遞給接口芯片。
4.2.2 應用程序的實現
    應用程序是實現人機交換的控制軟件[5]，數據結果的顯示以及輸入參數的改變都在此完成。要求應用程序既要有很好的穩定性，又要易于操作。系統的應用程序以及USB數據采集器的驅動程序都是在LabVIEW的基礎上編寫出來的，具有很好的穩定性和可移植性。圖3所示為基于DSP技術的虛擬式FFT頻譜分析儀面板圖，檢測輸入信號為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頻譜分析儀系統可在Windows環境下很好地運行和操作，符合項目設計要求。DSP技術引入到虛擬儀器系統中，使得虛擬儀器的性能突破了通用計算機的限制，并在實時性和精確性上為虛擬儀器廣泛代替傳統硬件平臺儀器提供了保證。利用計算機提供的USB、PCI等高速數據接口，進一步拓寬了基于DSP的USB數據采集器的數據傳輸帶寬。隨著DSP技術的發展和其在虛擬儀器中的應用，虛擬儀器必將在儀器行業中大放異彩。
參考文獻
[1] 秦樹人，張思復，湯寶平，等.集成測試技術與虛擬儀器[J].中國機械工程，1999，10(1):77-80.
[2] 劉陽，郭修煌.基于PC總線虛擬儀器的關鍵技術及發展前景[J].電子技術應用，1996，16(3):93-95.
[3] 王念旭.DSP基礎與應用系統設計[M].北京:北京航空航天大學出版社，2000.
[4] 盧文祥，杜潤生.機械工程測試·信息·信號分析[M].(第二版).武漢:華中科技大學出版社，1999.
[5] 萬相奎，秦樹人，尹愛軍.虛擬式多通道溫度測試儀[J].重慶大學學報(自然科學版)，2002，25(4):11-13.
[6] 吳宏鋼，秦樹人，王婭仙.利用高速數據卡開發通信測試儀[J].重慶大學學報(自然科學版)，2003，26(8):8-9.