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基于虚拟仪器的数据处理软件平台设计


2011 年 2 月 第2期

电 子 测 试
ELECTRONIC TEST

Feb.2011 No.2

基于虚拟仪器的数据处理软件平台设计
王文玺 (中北大学 光电厂,中国 太原 030051)

摘要 : 本论文使用虚拟仪器 LabVIEW 开发编写存储测试系统中的数据处理软件平台,对系统的整体功能 提出总体设计方案,并对其中的数据滤波,频谱分析模块进行详细设计。在设计滤波模块时,主要利用了 LabVIEW 库中的 Butterworth 滤波器函数,对有噪声干扰的信号进行滤波处理,在设计频谱分析模块时,主 要利用 LabVIEW 中的傅里叶变换函数将时域信号转化为频域信号,得到信号的频域分析图。设计完成后,采 用有噪声干扰的三角波信号,对以上两个模块进行了测试,从而验证了其功能及运行情况。结果表明,本设 计各项功能运行情况良好,能够有效地应用于各种通用的测试系统中。 关键词 : 虚拟仪器 ; 数据滤波 ; 频谱分析 ; 傅里叶变换 中图分类号 : TP317 文献标识码 : A

Design of data processing software platform base on LabVIEW
Wang Wenxi (Xinyuan High-Tech Center Of North University Of China,Taiyuan,030051,China) Abstract: In this thesis,we use LabVIEW langnage to develop data processing software platform that is applied in the memory measurement system.The overall designing scheme of the system is put forward of, and of which data filtering and spectrum analysis module are designed detailedly . In designing the data filtering module, Butterworth filter .vi of Labview is used to filter the signal with noise ;in designing the spectrum analysis module ,FFT.vi of LabVIEW is used to convert singal from time domain to frequency domain, and the spectrum diagram is obtained. By using the triangle wave signal with noise,functions and performance of the modules are verified through testing the modules. The results show that each function of the design performs well and can be effectively applied to a variety of common test systems. Keywords: LabVIEW; data filtering; spectrum analysis ; FFT

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虚拟仪器技术
0 引言
在军工生产、飞行器研制过程中都离不开先进 的测试技术。各项动态参数是这些武器测试过程中 的重要指标。随着测试精度越来越高、测试环境越 来越复杂,这就对综合测试技术及保障系统提出了 更高的要求。作为一种有效的测试手段—存储测试 技术应运而生 [1]。存储测试是指在对被测对象无影 响或影响在容许范围的条件下,在被测体内置入微 型数据采集与存储测试仪,现场实时完成信息的快 速采集与记忆,事后回收记录仪,由计算机处理和 再现测试信息的一种动态测试技术 [2]。本文即是针 对此种存储测试技术中的数据处理平台的设计。

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2 数据滤波模块的设计
2.1 数字滤波器的选用
滤波器是一种选频装置,可以使信号中特定 的频率成分通过,而极大地衰减其他频率成分。在 测试装置中,利用滤波器的这种选项作用,可以滤 除干扰噪声或进行频谱分析。同样,在测试 VI 中, 也可以利用 L 提供的滤波器 VI 对信号进行去噪或 提取特定频率信号。 按处理信号的性质来分,有模拟滤波器和数字 滤波器两大类,在虚拟仪器软件中使用数字滤波器。 其中, 数字滤波器又分为有限冲击响应滤波器(FIR) 和无限冲击响应滤波器(IIR) ,前者有较平坦的辐 频特性,而后者可以实现相位不失真。工程上常用 的有巴特沃兹(Butterworth) 切比雪夫 (Chebyshev)、 、 贝塞尔 (Bessel) 等数字滤波器 [4]。数字滤波器以数 值计算的方法来实现对离散化信号的处理,与模拟 滤波器相比,具有精度高稳定性好灵活处理功能强

1 系统总体流程
系统整体方案工作流程图如图 1 所示。其工 作流程为 : 启动程序后进入程序设计主界面,完成 数据的采集、存储后进入本设计要完成的数据分析

处理系统。本文主要完成系统数据滤波、频谱分析、 的特点 [5]。 以及峰峰值、均方根、正峰值等各种参数的测试和 测量。
数据滤波 频谱分析

2.2 具体设计
(1) 框图程序
启动

本设计利用 G 语言编程设计产生的数字滤波器 对信号进行滤波,将无用的噪声干扰滤除。实验中, 选用了信号采样频率 ,选用无限冲击响应滤波器的 Butterworth 滤波器滤波类型为低通滤波,设置其阶

启动主界面
周期平均值测试

数据采集

周期均方根测试 正峰值测试 峰峰值测试

数为 2,低截止频率 。数据滤波模块的框图程序如 图 2 前半部分 , 程序中主要用到基本函数发生器函 数 Basic Function Generator.vi 以及 Butterworth 滤波 器函数 Butterworth filter.vi.

数据存储

数据分析处理
均方根测试

(2)前面板及实验结果 前面板如图 3 所示 , 主要由原始三角波信号 (带 噪声干扰)时域图 , 滤波信号时域图以及相关参数 57

结束

图1 系统整体方案工作流程图

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Virtual Instrument Technology

图2 数据滤波和频谱分析模块的框图程序

③我们选用的 6Hz 三角波信号满足内奎斯特 定理 : 最高信号稳定频率小于等于采样频率的一半。 即 :6Hz<500kHz。 ④ 我 们 使 用 的 Butterworth 滤 波 器 的 低 截 至 频 率 Fl 满 足 不 等 式 : ≤ Fl < 0.5Fs, 即 0 0<30kHz<500kHz。

图3 数据滤波模块的前面板图 构成,从实验结果可以看出 : ①滤波信号与原始三角波信号相比,达到了滤 除噪声干扰的目的。 ②从显示界面可以看出选用的六赫兹三角波信 号对应的出现了 6 个周期的三角波形。 58

3 频谱模块的设计
3.1 傅里叶变换的引入
尽管采集到的信号是一个时域波形,但是由于时 域分析工具较少,所以往往需要将其转换到频域来进 行分析处理。两者分别从不同侧面对同一个信号的物 理特性进行探知,两者之间必有密切的内在关系。

虚拟仪器技术
傅里叶变换是信号处理和数据处理中的一个 重要的分析工具,其意义在于将时域与频域信号联 系起来。频域分析将复杂的信号分解为各个单一频 率成分,因此一些在时域中难以分析的信号,在频 域中它的特征可以看得一目了然 [7]。所以频域分析 对那些微弱但又有重要作用的信号提供了相应的分 析工具。计算机只能对离散序列进行处理,在数字 系统中,将采样信号由时域变化到频域的算法是著 名的离散傅里叶变换(DFT) ,DFT 建立了时域中 的信号采样与其频域表示法之间的关系。但是由于 DFT 运算工作量太大,费时,在许多应用场合,普 遍应用快速傅里叶变换(FFT) 。FFT 是 DFT 的一 种简化快速算法 [8]。 图4.1频谱分析模块的前面板图

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三角波频谱,滤波频谱为无噪声干扰的三角波频谱。 ②从时域三角波信号得到频域信号,需要经过傅里 叶变换 ; 由频域信号得到时域信号,则经过反傅里 叶变换。③此例中,三角波信号是满足一般周期信 号频谱的共同点,即频谱具有离散性。

3.2 具体设计
(1)框图程序 框图程序如图 3 中的后半部分,框图程序中的 主要函数作用如下 : Real FFT.vi(实数快速傅里叶 变换) :用于计算输入数据的 FFT,将时域信号转

4 结束语
本文通过对 LabVIEW 在数据存储技术的数据

换为频域信号。输入为实数数组,输出为复数数组。 处理方面的相关应用研究,运用虚拟仪器 LabVIEW Array Size 函数 : 用于根据采样点数 N 对 FFT 输出 的结果进行处理。将 FFT 输出除以 N,可获得正确 的频率幅度信息。Complex to Polar.vi: 将输入数据 从复数坐标系转换到极坐标系。此例将 FFT 输出分 解为实部和虚部(幅值和相位)相位的单位是弧度, 这里只需显示 FFT 的幅值。 (2)前面板及实验结果 前面板如图 4 所示 , 图 4 中左侧周期平均、周 期均方根、峰峰值等参数为分析周期信号幅值特 征值,本设计中利用了 Labview 库中的自带函数 amplitude and level measurements.vi. 求得。 频谱分析模块实验结果分析和说明如下 :① 从该前面板中可以看出,原始频谱为有噪声干扰的
[3] [1] 尚凤晗 . 基于可编程器件的存储测试系统设计 [D]. 太原 : 中北大学,2009. [2] 罗志增 . 测试技术与传感器 [M]. 西安 : 西安电子科技 大学出版社 ,2008. 王玉伟 . 基于 LabVIEW 的测试软件设计 [D]. 太原 : 中北大学 ,2009.

完成了系统平台中数据滤波和频谱分析的实现以及 相关测试的研究和开发,使得本数据处理系统具有 强大的数字信号处理能力,可以实时的接收和处理 多种信号,为多种通信平台的验证和研究所通用。

参考文献

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Virtual Instrument Technology
[8] 童刚 . 虚拟仪器实用编程设计 [M]. 北京 : 机械工业出 版社 ,2008. 作者简介 : 王文玺, 助工,硕士,主要研究方向为 自动化与控制工程。 E-mail: gavinwwx@yahoo.com.cn

[4] 王友功 . 数字滤波器与信号处理 [M]. 北京 : 科学出版 社 ,2008. [5] 詹 惠 琴 . 虚 拟 仪 器 设 计 [M]. 北 京 : 高 等 教 育 出 版 社 ,2008. [6] 宋寿鹏 . 数字滤波器设计及工程应用 [M]. 镇江 : 江苏 大学出版社 ,2009. [7] 冷建华 . 傅里叶变换 [M]. 北京 : 清华大学出版社 ,2008.

(上接 51 页) 态测量和动态补偿问题。

参考文献
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图11 第一行第二列曲线放大图 在一定的范围内是可行的,因为传感器对同一 压力值的响应特性是一致的,仅是存在较小的起伏 误差。

3 结论
本文就压力测试系统给出了基于动态补偿数字 滤波器和基于神经网络的测试系统非线性补偿两种 补偿修正方法,进行仿真实验,拓宽了传感器或测 试系统的通频带 , 减小了动态测量误差 , 提高数据 的准确性。这为设计瞬态检测传感器和检测系统提 供了很好的方向,本文所采用的补偿修正方法也可 应用于其他传感器和测量系统的研究,用于解决动

作者简介: 张衍芳,硕士研究生,主要研究方向为动态测试。 E-mail: yanfang326@163.com

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