基于基于DSP技术和技术和LabVIEW虚拟仪器的虚拟仪器的FFT频谱分析仪频谱分析仪
提出一种基于虚拟仪器LabVIEW的FFT频谱分析仪的设计，分析了DSP技术在虚拟仪器中的应用。在深入研究
DSP处理系统的基础上，开发了基于DSP技术以及USB总线的虚拟式FFT 频谱分析仪，具有设计新颖、实用性
强的特点。
摘摘 要：要： 提出一种基于
关键词：关键词： 虚拟仪器；
1 虚拟仪器概念和特点虚拟仪器概念和特点
目前在虚拟仪器技术领域，使用较为广泛的计算机语言是NI公司推出的LabVIEW。LabVIEW是一种图形化的编程语言开发
环境，类似于C和BASIC开发环境，但较之不同的是，LabVIEW使用的是图形化的编辑语言，又称为“G”语言。这种编程语言
的特点是用具有框图结构的VI代替繁琐的程序代码，产生的程序是框图的形式，同时它尽可能利用了技术人员、工程师、专家
所熟悉的术语、概念和图标，因而广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受。LabVIEW逐渐成为一种标准的数据采集和
仪器控制软件，在进行研究、设计、测试并实现仪器系统时，可大大提高工作效率。
2 DSP在虚拟仪器中的应用在虚拟仪器中的应用
在PC虚拟仪器领域，采用高速
DSP芯片是专门用于数字信号处理的芯片，它能独立于CPU单独运行，同时又有丰富的接口处理功能。更为重要的
是，DSP芯片对数字信号的处理由其装载的程序控制，开发人员可根据实际的需求自行开发程序，再将程序装载入芯片，从
而达到数字信号处理的目的。然而直接使用DSP来开发频谱分析仪有诸多不便，这主要是因为当系统运行在WINDOWS等多
任务操作系统时，特别在处理如FFT等大容量、高精度运算时，CPU资源会造成严重不足，这给底层硬件系统的设计应用带来
一定的不便。但使用虚拟仪器能很好地解决这个问题，虚拟仪器能借助DSP处理系统，将采集来的数据在DSP中进行预处
理，然后再将数据传递给软件部分，这样不但没有增加系统的负担，相反，可以让系统资源用更多的时间来处理其他事情。数
据的处理是由软件控制计算机系统来完成,虚拟仪器主要处理由USB数据采集器所采集到的数字信号，对其进行分析、运算和
显示。
3 频谱分析仪的应用和发展频谱分析仪的应用和发展
频谱分析是信号分析处理中常用的分析方法，主要是在频域上对信号进行处理、分析及显示。目前，频谱分析在生产实践
与科学研究中获得了日益广泛的应用。例如，在声纳系统中，为了寻找海洋水面舰艇或潜艇，需要对噪声信号进行频谱分析，
以提取有用信息，从而判断舰艇运动速度、方向、位置、大小；对飞机、汽车、电机、机床等主体或部件进行实际运行的频谱
分析，可以提供设计数据、检验设计效果，或者寻找振源和诊断故障，以便及时排除潜在故障因素，保证安全运行。
早期的
4 虚拟式虚拟式FFT频谱分析仪的系统设计频谱分析仪的系统设计
4.1 基于基于DSP的的USB数据采集器开发数据采集器开发
快速傅里叶变换FFT(Fast Fourier Transform)分析要求首先对被分析的信号进行数字采样，然后再进行FFT运算。在系统
中，信号的采样和
(1)信号调理模块设计
信号调理模块实现信号的输入缓冲、放大和滤波。在系统中，信号的缓冲由集成运放组成同相跟随器来实现。放大器采用TI
公司的可编程放大器PAG103U，放大倍数的改变由DSP和逻辑控制器共同实现，设计中可对输入通道信号分别进行放大倍数
控制。调理模块中的滤波器为低通滤波，主要用于对信号进行抗混叠滤波，以确保信号的有效FFT分析。
(2)A/D转换设计
A/D转换的采样率和分辨率是进行数字采样系统设计的主要指标。在设计中，A/D芯片采用AD7685，单通道最高采样率可
达250 kS/s，输出为16位并行输出，比较电压为±5 V。
(3)DSP芯片选用
DSP是该系统进行FFT运算的处理器，其精度、速度在很大程度上决定了FFT分析仪的性能。考虑到FFT运算中实时性和精
度方面的要求，设计时选用TMS320VC33浮点型DSP芯片[6]。
(4)存储器选用
存储器可用于存放大量的表格数据和一些临时数据。因为DSP在作FFT运算时要用到大量正弦及其他数据表格，而通常固化
DSP程序的闪存和DSP的数据交换较慢，为保证FFT的运算速度，可在FFT运算前，将表格数据存储于DSP外的高速存储器
内。
(5)USB接口芯片选用
USB接口芯片是连接PC机和底层硬件的通信纽带，USB总线有着严格的电气规范和时序要求，采用接口芯片可以减少电路
设计的工作量，特别对于在实现5 V与3.3 V DSP的数据传递时，采用可同时兼容这两种电压的接口芯片，还省去转换电路的
设计。设计中选用Philips的高速USB2.0芯片ISP1362。数据采集器工作时，各主要模块通过控制器后的基本流程如图2所示。
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