探讨基于虚拟仪器技术的信号测试与分析系统设计

探讨基于虚拟仪器技术的信号测试与分析系统设计摘要：在我国的社会经济和科学技术的发展过程中，仪器仪表设备凭借自身测试、分析以及处理信号的能力而发展成为一种不可缺少的关键技术。在仪器仪表设备的形式中，虚拟仪器可以说是一种非常重要的形式，其具有非常强大的信号处理集成功能，其能够实现传统专用仪器甚至是更为先进、强大的所有功能。本文将对基于虚拟仪器技术的信号测试与分析系统进行详细的分析，并对其具体的设计进行了仔细的研究与探讨，希望能够为该技术的发展提供一些帮助。关键词：虚拟仪器技术；信号测试与分析；系统设计仪器仪表作为一种技术方法与设备，能够测试、分析以及处理各种信息或是信号，其在我国的社会经济与科学技术的发展进程已经成为一种关键技术，其在我国的经济、国防以及科研等各个方面所起到的作用都是非常重要的。随着科技和信息技术的不断进步，以往所使用的传统仪器受其自身局限性的影响而无法与现代化社会发展需求相适应，为此，我们提出并应用了虚拟仪器技术。该技术不仅包含传统仪器的所有功能，而且还具有传统仪器所没有的更加先进和强大的功能。基于虚拟仪器技术的信号测试与分析系统在能够扩大自身的功能范围的同时，还能够满足现代化社会的发展需求，其为仪器仪表的推广和应用提供了非常有利的条件，促进了社会生产力的提高。一、有关信号测试和电路采集的设计分析测试和分析信号是以信号输入通道的建立为基础的，这样可以为输入信号的范围与带宽等方面提供可靠的保障。以整体的建立方案为基础，对测试与采集双路信号的输入电路设计进行分析，主要从信号输入、信号调理以及高速A/D转换与缓存等几方面的电路设计着手。对信号的测试和分析系统进行研究需要对两个方面进行重点研究，一方面是测试采集信号与虚拟仪器的接口电路，另一方面是位于计算机端位置的虚拟仪器软件，其具体的设计如下：在USB接口的基础上进行电路的信号测试，以及利用通用计算机来进行通信；运用C++.net等软件来对虚拟仪器软件进行设计；信号输入采用双通道方式；设置8bit为采样分辨率；采用自动方式来对采样速率进行调整，其最高上限为100MHz；实现测试、分析和处理模拟带宽为20MHz信号的功能；将通道存储深度控制在256kB范围内；将±20V作为输入信号的范围区间；采用有谱以及相关分析方法来对信号进行分析。（一）设计输入信号电路的相关分析对电路进行测量需要具有向匹配的阻抗，以便对干扰、振铃以及信号畸变等不必要现象的发生进行预防，所以，对电路进行设计的一个关键环节就是设计其输入阻抗。通常情况下，进行测试信号的测量仪器的电阻都是具有高输入特点的1M，以确保信号测试的正确性和可靠性。测试模拟带宽为20MHz的信号，且还要符合±20V的输入信号电压要求，这就需要对大电压信号进行衰减处理后才能够对电路进行测试。测量信号所需要的阻抗匹配通常是以组成部分为运算放大器的跟随器，以及具有补偿无失真特点的传输网络为依靠的。在对电压的输入信号进行衰减处理并与跟随器的同端电压相连接之后，其电压数值会比跟随器的工作电压范围要大，这种情况下所进行从信号测试，不仅会影响其结果的正确性，而且严重的甚至会出现电路烧毁的现象。对输入保护电路进行良好的设计能够对由于输入信号大于工作范围而导致的电路破坏现象进行有效的预防。（二）设计调理信号电路的相关分析调理信号电路可以通过输入信号的调理过程，使其向能够匹配高速A/D转换器电压的信号进行转换，通常情况下可以利用线性放大或是衰减的方式来进行，也就是利用程控增益的控制功能。如果输入信号较小，则可以利用对电路的放大调理来进行其自身的分辨率以及敏感性能技能型增加处理，放大输入信号使其向匹配A/D转换器电压的范围进行转换，从而实现测试信号垂直精确度的提高。一般情况想，对信号电路进行放大是由运算或程控放大器来完成的。运用运算放大器可以在与数控开放相配合的基础上对程控增益的控制功能进行实现，不过其难以确保带宽的稳定性，并且还具有较为复杂的电路，同时其所受到的限制条件也比较多，例如工艺、体积等多个方面，因此，本文调理信号所采用的是AD603的运算放大器来进行的。二、有关虚拟仪器USB2.0接口的设计分析（一）数据流的USB模型设计对USB系统进行应用需要根据层面的不同来进行具体的实际操作，因此，层面不同的工程师所关注的协议也是不同的。数据流的USB接口模型的设计主要表现在以下几个方面，USB主机通常是由控制器驱动、软件接口以及客户应用软件组成的，USB的应用设备通常是由用于连接主机和设备的USB总线连接接口、USB端点以及USB管道层，其可以对具有特殊用途的USB功能层进行良好的实现。设计主机软件的过程中，需要客户软件层来利用USB系统的软件层来进行对应USBD以及HCD的应用设备进行提供。HCD是一种接口API，其主要位于主机的控制器中，可以对主机控制器中的各种细节进行屏蔽。USB客户软件的数据传输过程是由USBD来进行的。通过系统软件数据能够在USB的带宽分配的基础上进行数据分帧后的主机控制器传输。主机与设备之间的通过过程是由各个设备上的端点来进行的。从硬件角度来看，可以将每一个端点看作是FIFO堆栈，其所具有的特点是先进先出，然后将其作为一个USB进行通信操作时对数据进行接收或发送的缓冲区域。除了EP0之外，其余所有的端点都是由设备自行设定的，端点的决定因素包括设备的地址、通信方向以及端点号三个方面。（二）设计USB2.0高速接口处理器的相关分析本文所研究的是EZ-USBFX2LPTM处理器，其是Cypress公司所生产的，属于2.0协议USB接口的微处理器系列，可以对1.1协议的USB进行兼容，但是在1.5M的1.0低速协议的USB方面却无法做到兼容。在该处理器中，CY7C68013A是一种较为典型的EZ-USBFX2LPTM产品，其以供具有物种形式的封装，主要包括VFBGA56、QFN56、SSOP56以及TQFP100和128。本文采用的封装形式是SSOP56，以此来对信号进行测试与分析。三、有关虚拟仪器技术的设计分析虚拟仪器软件的设计方式是从上到下的逐层设计方式，在具体的注册工作中是从顶层开始的，然后逐层向下来进行，这种方式可以在不同的功能界面中对同一个USB设备进行有效使用，而且还相互之间不会产生干扰。在设计基于虚拟仪器的信号测试和分析软件的过程中，需要通过3个端点来连接虚拟仪器及其位于下位机的采集数据电路中的USB管道，在虚拟仪器软件中具有输出控制、状态输入以及数据输入3个端点。连接USB管道的具体情况如图1。利用EP0虚拟仪器软件可以进行到CY7C68013A芯片的控制命令发送操作，在芯片接收并处理命令完成之后再利用EP1进行硬件状态的虚拟仪器软件的返回操作。在EP2中则需要以同步传输为基础对测试信号进行高速的上传。图1USB驱动一览图结语：综上所述，在基于虚拟仪器技术的信号测试和分析系统中主要有信号的测试和分析两个功能组成。对此进行详细的分析，可以实现信号处理的灵活性和准确性，以便对传统仪器的缺点和不足给予有效的弥补，以便为我国的经济发展和科技进行提供相应的保证。参考文献：[1]崔巍.发动机振动与燃烧分析虚拟仪器的设计开发与应用研究[D].2011.[2]常广,赵婷,罗礼全等.基于虚拟仪器技术的汽轮发电机组扭振测试系统[J].电力自动化设备,2012,32(5).[3]王国新,顾启民,杨云飞等.基于LabVIEW的非正弦信号测试分析系统的实现[J].盐城工学院学报（自然科学版）,2013,26(3).[4]许子娟,尤传富.基于虚拟仪器技术的三维微振动测试系统[J].中国测试,2011,37(5).[5]马万里.基于虚拟仪器的振动测试与分析系统的研究[D].2012.[6]全晓莉,周南权,佘丽.基于虚拟仪器技术的音频信号采集与处理[J].仪表技术与传感器,2012,(7).[7]袁锐知,吴志刚,杨超.基于虚拟仪器的气动弹性振动测试与分析系统[J].测控技术,2010,29(6).[8]刘海成.基于虚拟仪器技术的信号测试与分析系统设计[D].2012.