|
|
| <!--插入廣告JS代碼--> |
摘 要：介紹了一種新型的計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)LabWindows/CVI。利用其C編譯環(huán)境及事件
驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)，提出了一種基于LabWindows/CVI的數(shù)字處理實(shí)驗(yàn)的輔助教學(xué)方法，并用實(shí)例說(shuō)明方法的可行性。
關(guān)鍵詞：數(shù)字信號(hào)處理；LabWindows/CVI;輔助教學(xué)
0 前 言 在過(guò)去的幾十年中，數(shù)字信號(hào)處理(DSP)領(lǐng)域無(wú)論在理論上還是在技術(shù)上都有了非常重要的發(fā)展。由于開(kāi)發(fā)和利用了廉價(jià)的硬件和軟件，DSP技術(shù)在工業(yè)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用；在工科教育中，過(guò)去只作為研究生課程的數(shù)字信號(hào)處理，其基本部分已納入電氣工程專業(yè)的大學(xué)本科教學(xué)計(jì)劃。
本文通過(guò)介紹一種為計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境Labwindows/CVI，結(jié)合專業(yè)教學(xué)安排，提出了在C語(yǔ)言編程環(huán)境下做數(shù)字信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)的輔助教學(xué)方法。
1 數(shù)字信號(hào)處理的教學(xué)難點(diǎn)
數(shù)字信號(hào)處理是一門以算法為核心的理論性很強(qiáng)的學(xué)科�，F(xiàn)有關(guān)于DSP方面的書籍大多數(shù)都是講解算法、推導(dǎo)和證明算法的教科書。由于數(shù)字信號(hào)處理的概念比較抽象，本科學(xué)生學(xué)習(xí)這門課程具有一定的困難。其數(shù)值計(jì)算又比較繁瑣，教師不太好布置作業(yè)，使學(xué)生的課后實(shí)踐受到相當(dāng)?shù)南拗�，在很大程度上影響本課的教學(xué)效果。
2 問(wèn)題的解決
國(guó)外在若干年前，就開(kāi)始把交互式軟件MATLAB 用于數(shù)字信號(hào)處理的教學(xué)過(guò)程中，其成功之處，便是采用了易學(xué)易用、功能強(qiáng)大的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)作為計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)軟件。鑒于我國(guó)工科教學(xué)安排的實(shí)際情況，本科生在DSP課程之前已經(jīng)學(xué)了兩門計(jì)算機(jī)課程，即計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)和C語(yǔ)言，若再加學(xué)一門MATLAB，在普遍要求壓縮教學(xué)課時(shí)的今天，是不太好安排的。借鑒國(guó)外計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)的經(jīng)驗(yàn)，考慮到學(xué)生已有了C語(yǔ)言編程基礎(chǔ)，如果將構(gòu)筑于C語(yǔ)言平臺(tái)的易學(xué)易用的LabWindows/CVI開(kāi)發(fā)系統(tǒng)用于DSP的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，不僅可以增強(qiáng)學(xué)生對(duì)概念與算法的理解，還可以培養(yǎng)學(xué)生的C語(yǔ)言編程設(shè)計(jì)能力。
3 LabVIEW/CVI簡(jiǎn)介
LabVIEW/CVI是美國(guó)國(guó)家儀器公司提供的一套虛擬儀器系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)。它以ANSI C為核心，將功能強(qiáng)大、使用靈活的C語(yǔ)言平臺(tái)與用于數(shù)據(jù)采集、分析和表達(dá)的測(cè)控專業(yè)工具有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，為熟悉C語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)人員建立檢測(cè)系統(tǒng)，自動(dòng)測(cè)量環(huán)境，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)等提供了一個(gè)理想的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境。
CVI作為開(kāi)發(fā)環(huán)境具有以下優(yōu)點(diǎn)：
①CVI的編程技術(shù)主要采用事件驅(qū)動(dòng)方式與回調(diào)函數(shù)方式，編程方法簡(jiǎn)單易學(xué)。
②CVI運(yùn)用“所見(jiàn)即所得”的可視化交互技術(shù)，使人機(jī)界面的實(shí)現(xiàn)直觀簡(jiǎn)捷。
③CVI對(duì)每一個(gè)函數(shù)都提供一個(gè)函數(shù)面板，用戶可以在函數(shù)面板上交互式輸入函數(shù)的各個(gè)參數(shù)，提高了工程設(shè)計(jì)的效率與可靠性。
4 應(yīng)用實(shí)例
下面用幾個(gè)示例說(shuō)明用CVI做數(shù)字信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)的可行性與便捷性。
4.1 用于頻譜分析
頻譜分析是反映復(fù)雜信號(hào)中各頻率所占能量的大小。為簡(jiǎn)化過(guò)程，只考慮兩路正弦信號(hào)疊加的情況。這樣，只需要兩對(duì)輸入(振幅和頻率)就可以決定兩路正弦信號(hào)，輸出則包括一個(gè)時(shí)域波形顯示和一個(gè)頻域波形顯示。
在CVI 中建立一個(gè)工程(PRJ)文件后，先建立用戶接口資源(UIR)文件，在我們這個(gè)示例中主要是設(shè)定兩組輸入控件(對(duì)應(yīng)兩路正弦信號(hào))和兩組圖形輸出控件 (分別對(duì)應(yīng)復(fù)雜信號(hào)的時(shí)域波形和頻域波形)。這一過(guò)程是在軟面板編輯窗口中完成的，所見(jiàn)即所得，很方便。按設(shè)計(jì)思路決定各屬性后，開(kāi)發(fā)系統(tǒng)即可幫助生成程序的主體結(jié)構(gòu)，接下來(lái)即可編寫相應(yīng)的C源程序。由于此實(shí)驗(yàn)的目的是演示時(shí)域和頻域的關(guān)系，因此直接調(diào)用了高級(jí)數(shù)據(jù)分析庫(kù)函數(shù)中的能譜函數(shù) AutoPowerSpectrum ()，不用為算法費(fèi)神。程序也簡(jiǎn)化到了只用完成讀入面板狀態(tài)，形成波形數(shù)組，能譜變換及顯示這幾步，每一步都可調(diào)用庫(kù)函數(shù)來(lái)完成。下面是幾段主要程序。
／* 產(chǎn)生正弦信號(hào) ／*
SineWave (NUMPOINTS,wave1Amp,wave1freq/500,&zero,waveTime［0］)；
SineWave (NUMPOINTS,wave2Amp,wave2freq/500,&zero,waveTime［1］)；
／* 疊加形成復(fù)雜信號(hào)并顯示時(shí)域波形 *／
Add1D (waveTime［0］,waveTime［1］,NUMPOINTS,tempArray);
PlotY (pane1Handle,PANEL_TIMEGRAPH,tempArray,(NUMPOINTS/100)*20+1,
VAL_DOUBLE,VALTHIN_LINE,VAL_NO_POINT,VAL_SOLID,1,
VAL_BLACK)
／* 對(duì)時(shí)域信號(hào)做頻域變換 *／
AutoPowerSpectrum (tempArray,NUMPOINTS,1/1000.0,spectrum,&freqSpace);
程序完成后即可運(yùn)行，編譯成可執(zhí)行文件后還可脫離開(kāi)發(fā)平臺(tái)單獨(dú)運(yùn)行。運(yùn)行結(jié)果可參照?qǐng)D1和圖2，顯示的是一路正弦波在混入了不同頻率、不同振幅的另一路正弦波后其時(shí)域波形和頻譜的變化情況。學(xué)生通過(guò)實(shí)際操作后應(yīng)該能理解并掌握頻譜分析的作用。
圖1 正弦波形及頻譜 圖2 混入了低頻信號(hào)
4.2 用于IIR濾波器設(shè)計(jì)
|
|  |
巴特沃思低通濾波器的特征是其通帶和阻帶都有平的幅度響應(yīng)。N階的平方幅度響應(yīng)為：設(shè)計(jì)巴特沃思低通濾波器的基本思想就是根據(jù)濾波器的通帶和阻帶的指標(biāo)得到階數(shù)N和截止頻率Ωc。CVI提供了BwCascadeCoef ()函數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)巴特沃思濾波器。與上例類似，先設(shè)計(jì)顯示面板，再編寫C程序。主要程序如下：
／* 設(shè)計(jì)cascade 低通 Butterworth IIR 濾波器 *／
double fs,fl,fh,x［256］,y［256］:
int type,order,n;
IIRFilterPtr filtrerInfo;
n=256;
fs=1000.0;
fl=200.0;
order=5;
type=0; /* 低通 */
Uniform (n,17,x);
filterInfo=AllocIIRFilterPtr (type,order);
if(filterInfo!=0)
Bw[CD#2]CascadeCoef(fs,fl,fh,filterInfo);
IIRCascadeFiltering(x,n,filterInfo,y);
FreeIIRFilterPtr(filterInfo):
運(yùn)行結(jié)果可參照?qǐng)D3和圖4，顯示的是不同階數(shù)時(shí)濾波器的截止特性與相位特性的變化情況。學(xué)生通過(guò)操作可了解巴特沃思低通濾波器的特性。
圖3 4階濾波 圖4 27階濾波
5 結(jié)束語(yǔ)
CVI作為一種測(cè)控領(lǐng)域的C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)平臺(tái)，在儀表測(cè)控行業(yè)將有廣泛的應(yīng)用。它對(duì)于提高編程效率，縮短程序開(kāi)發(fā)周期是極其有效的。將之作為已有一定C語(yǔ)言基礎(chǔ)的儀表測(cè)控專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)字信號(hào)處理的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是可行的，既可以解決教學(xué)上的實(shí)踐問(wèn)題，又能鞏固學(xué)生的程序設(shè)計(jì)知識(shí)。
參考文獻(xiàn)：
［1］ A V 奧海姆數(shù)字信號(hào)處理［M］北京：科學(xué)出版社，1980.
［2］黃新VXIbus 寄存器基模件-32路驅(qū)動(dòng)器的開(kāi)發(fā)［J］計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)量與控制，1998，20(1)：18-22.
［3］ NI公司虛擬儀器系統(tǒng)產(chǎn)品介紹［Z］北京：中科泛華測(cè)控技術(shù)有限公司，1998.
66821730(技術(shù)支持)
