基于LabVlEW和MyDAQ的虚拟信号处理仪器设计

伍 杰，周辰笛

（江苏科技大学电子信息学院，江苏镇江，212000）

基于LabVlEW和MyDAQ的虚拟信号处理仪器设计

伍 杰，周辰笛

（江苏科技大学电子信息学院，江苏镇江，212000）

随着计算机软、硬件的不断更新，计算机与外界的信息交流日趋频繁。在这些信息交换广泛运用和发展的基础上，美国国家仪器公司提出了虚拟仪器的概念，强调软件即仪器的观点。本文基于LabVIEW平台，利用myDAQ完成函数发生器、示波器等虚拟仪器的设计。仿真结果表明，本文设计的虚拟仪器具有较好的信号产生、信号仿真及采集功能。

LabVIEW；数据采集；虚拟仪器；MyDAQ

0 引言

传统电子仪器利用相关电子器件和物理电路为用户提供有限的界面和功能。这种方式也决定了传统仪器功能固定，维修困难，更新周期慢等特征。随着控制、通信和人机交换等互联电子信息技术的更新和发展，各类仪器已成为实验室和应用领域不可缺少的一环。但传统仪器功能单一、费用昂贵等使其在运用领域受到了很大的限制[1]。

20世纪70年代，美国国家仪器公司（National Instruments Corporation）提出虚拟仪器的概念，其实质就是利用我们已拥有的计算机，加上经过设计人员精心设计的硬件和软件，形成了实验仪器基本功能和普通仪器缺失的特殊功能兼备的高性价比高实用性的全新类型仪器[2]。虚拟仪器充分使用了个人计算机图像处理能力和对话框窗口，建立起了虚拟仪器仪表盘前面板，以便更好地控制一切。当前虚拟仪器的构成主要有7种类型：数据采集系统、GPIB系统、VXI系统、PXI系统、串行接口系统、现场总线系统、LXI系统[3]。

1 LabVIEW软件开发平台

LabVIEW是一种程序开发环境，是由美国国家仪器（NI）公司研发，使用图形化编辑语言编写程序，产生的程序以框图形式呈现[4]。

LabVIEW设计的初衷是提供一个大众化的，方便的，快捷的开发工具。这个软件极大的发展了虚拟仪器科学和数据采集系统，使得人们可以在很多情况下的测量处理分析数据变得更加方便，当我们利用这个平台进行数据采集，分析，处理，显示，规划的时候，极大的节省了使用者的时间，避免耗费巨大的人力和物力[5]。

总体来说，LabVIEW具有以下几个特点。

（1）图形化的编程语言，使编程更接近人的思维，具有极强的直观性和可读性[6]。

（2）连接功能和仪器控制，大量控制和测量领域的子vi程序，用于连接和控制下位机。

（3）开放式编程环境，完美的兼容大量第三方提供的代码和其他自定义vi。

（4）硬件受限性小，可与其他仪器或设备等完美衔接。

（5）成本低，基于软件的开发体系，大大节省了开发和维护的硬件成本。

诸多优点使得LabVIEW软件得到和快发展和应用，在航空、通信、汽车、生物医学等众多领域得到快速和广泛应用[7]。

2 NI MyDAQ简介

2.1 NI MyDAQ设备

MyDAQ 是一种体积小巧，低成本的数据采集卡，通过 USB 与个人计算机进行连接，使用LabVIEW编程[8]，可以用来测量和分析实际的信号。MyDAQ 与计算机上的 LabVIEW 软件互相配合，能够分析并处理获取到的数据，而且能够很方便地控制其进程。

DAQ旁侧分布有音频插头和20位螺栓端子，顶端分布3位DMM测量通道。表1为端口的详细说明。

2.2 软件配置

在软件方面首先要安装支持NI myDAQ的驱动软件NI ELVISmx。该驱动软件使基于LabVIEW的软件控制NImyDAQ设备及提供一些常用的集成模块[9]。

NI公司除了为NI myDAQ提供驱动程序以外，还提供了一款功能丰富的配置工具软件MAX（Measurement&AutomationExplorer），用于[10]：

（1）快速检测及配置硬件和软件，分配设备编号；

（2）诊断硬件所处状态；

（3）建立新的通道、任务及接口等。

MAX会根据硬件设备类型的不同显示不同的配置与测试窗口[11]。

2.3 分辨率

分辨率，即采样数据最低位所代表的模拟量值[12]，才表示为：分辨率=满量程输入值/2n

其中，n为 A/D 转换器的位数，位数越多，分辨率越高。

表1 螺栓端子信号说明

3 虚拟仪器设计

3.1 虚拟信号发生器

在现代电子测量中，信号发生器作为一个基础的电子测验仪器，在教学、科研和生产上得到广泛应用[13]。信号发生器可以通过调节产生：正弦波、方波、三角波、锯齿波等，同时函数发生器也应具有调制的功能，可以进行幅度调节、频率调节、相位调节等。其设计主要包括了函数信号发生模块的设计，信号调节模块的设计和物理通道的设计。

图1 虚拟信号发生器程序框图

3.1.1 软件编程实现

虚拟函数发生器应具有选择发生器的物理通道。信号类型有正弦波、三角波、方波、锯齿波可供选择，频率、幅值可调。相较于一般的函数发生器，程序多了一个物理通道，可以将发生的信号传输至 myDAQ 采集卡。

3.1.2 程序运行结果

图2 虚拟信号发生器实测

函数发生器产生的信号被送入MyDAQ经由MyDAQ送至计算机上的虚拟示波器，显示结果如图2所示。函数发生器经过运行，仿真结果表明其可以产生标准的正弦波、方波、三角波和锯齿波，频率0到5KHz可调（采样频率Fs必须大于等于模拟信号频谱中最高频率Fx的2倍），幅值0到10V可调（电压过高可能会损坏MyDAQ 的内部结构）。

3.2 示波器及滤波器

在进行电子测量时，我们总是期望于能够直接看到信号实时变化的波形，也希望能直接记录信号的幅值、频率、周期等基本参数[14]。虚拟示波技术能够完成这一目标，将电信号随着时间的变化直接显示在电脑屏幕上。但其所能达到的性能指标和系统能力与采集模块数字化能力密不可分[15]。

3.2.1 软件编程实现

信号处理的关键问题是从接收到的信号中消除或衰减噪声，即抑制噪声[16]。滤波器，其实就是让我们需要的信号频率能够顺利地通过而被保留下来，衰减不需要的信号。按工作频率范围来划分：有低通、高通、带通及带阻滤波器。

图3 虚拟示波器及滤波器前面板

图4 虚拟示波器及滤波器程序框图

3.2.2 程序运行结果

设计中示波器能够对波形进行显示，横轴和纵轴可以调节，对采样率等采样信息也能进行自定义，滤波器同样能够正常进行工作，滤波的模式可以进行调节，滤波器的上下截止频率等参数同样能够进行调节。示波器和滤波器功能完善，能够代替实验室中存在的那些陈旧的实体仪器。

图5 示波器实测

图6 滤波器实测

4 结论

以目前比较流行的图形化编程软件LabVIEW作为开发平台，完成常用虚拟仪器设计和开发。仿真结果表明，本文设计的虚拟仪器具有较好的性能。

[1]蔡国英，张宏群，基于LabVIEW的信号产生与分析系统[J]．国外电子测量技术.2007.

[2]邢丽娟，杨世忠.虚拟仪器的原理及发展[J]. 山西电子技术. 2006（1）： P90-P91

[3]陈尚松,郭庆，雷加.电子测量与仪器［M］.电子工业出版社，2009.

[4]沈欢,王云秀,沈钻杨,肖俊.基于LabVIEW的电子虚拟实验室构建[J].科技经济导刊,2016,(31)：25+24.

[5]唐赣.基于NImyDAQ的传感器实验原型卡设计与实现[J].2011年12月，P23-24.

[6]陈川. 基于LabVIEW的轮轨模拟试验机高速数据采集系统的设计与研究[D].西南交通大学,2015.

[7]孙倩. 基于Labview的虚拟频谱分析仪设计[D].杭州电子科技大学,2015

[8]沈冰夏,王宏伟. 基于myDAQ的电子鼓设计与实现[J].电子测试,2016,(17)：34+18.

[9]杨君宝. myDAQ远程多对象测控系统研究与实现[D].大连理工大学,2014.

[10]黄松岭，王珅，赵伟.虚拟仪器设计教程.清华大学出版社.2015年7月.

[11]杨文裕. 基于LabVIEW的手机硬件测试工具的设计与实现[D].中国科学院大学(工程管理与信息技术学院),2015.

[12]黄嘉智. 基于LabVIEW的高速数据采集及管理系统设计[D].北京理工大学,2016.

[13]钱超. 基于LabVIEW和DSP的信号发生器软件设计与研究[D].武汉理工大学,2012.

[14]徐玓.基于LabVIEW的虚拟应用物理实验室的设计与实现[D].硕士学位论文.合肥工业大学. 2007

[15]姜碧琼. 基于LabVIEW的虚拟示波器的设计[D].西北农林科技大学,2008.

[16]安丽霞. 基于SOPC技术及HPSO算法的FIR数字滤波器研究[D].兰州交通大学,2015.

Virtual Signal Processing Instrument Design based on LabVIEW and MyDAQ

Wu Jie,Zhou Chendi
（College of electronic information Jiangsu universityof science andtechnology,Zhenjiang Jiangsu,212000）

；With the update of computer hardware and software, computer communication with the outside world has become increasingly frequent. Because of the information exchange and development, National Instruments puts forward the concept of virtual instrument, emphasized”The soft is the instrument”.Based on the LabVIEW platform,we use the MyDAQ to complete the design of virtual function generator and oscilloscope, etc. The simulation results show that the design of virtual instrument has good signal and the signal and acquisition function.

LabVIEW;Data Collection;Virtual Instrument;MyDAQ