【正文】 過程都生動有趣。所以無論在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、手工業(yè)等方面，虛擬儀器都極大的 代替了硬件設(shè)備，使得應(yīng)用成本大幅度降低。 國內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r 國內(nèi)虛擬儀器最早的研究也是從引進消化 NI的產(chǎn)品開始。國家自然科學(xué)基金委員會也曾將虛擬儀器研究作為現(xiàn)代機械工程科學(xué)前沿學(xué)科之一，列入為“十五” 期間優(yōu)先資助領(lǐng)域。目前有些研究已取得可喜成績虛，如 863項目“虛擬儀器關(guān)鍵技術(shù)的研究及其產(chǎn)業(yè)化”，所研制的“一體化虛擬儀器”就是一種不同于歐美虛擬儀器的技術(shù)。這項成果表明我國在虛擬一起方面走出一條自主創(chuàng)新的路子。 當(dāng)今虛擬儀器的系統(tǒng)開發(fā)采用的總線包括傳統(tǒng)的 RS232串行總線、 GPIB通用接口總線、 VXI總線，以及已經(jīng)被 PC機廣泛采用的 USB通用串行總線和 IEEE 1394 總線（ FireWire，也叫做火線）。時間各國的公司，特別是美國 NI公司，為使虛擬儀器能夠適應(yīng)上述各種總線的配置，開發(fā)了大量的軟件以及適應(yīng)要求的硬件（插件），可以靈活地組件不同復(fù)雜程度的虛擬儀器自動測試系統(tǒng)。虛擬儀器的繼續(xù)迅速發(fā)展，使得它可以取代測量技術(shù)傳統(tǒng)領(lǐng)域的各類儀器。虛擬儀器在組成和改變儀器的功能和技術(shù)性能方面具有靈活性與經(jīng)濟性，因而特別適應(yīng)于當(dāng)代科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展和科學(xué)研究不斷深化所提出的更高更新的測量課題和 測量需求?！皼]有測量就沒有鑒別，科學(xué)技術(shù)就不能前進”。虛擬儀器將會在科學(xué)技術(shù)的各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。 甘肅省計量研究院，李寶泉教授認(rèn)為：為了在保證工作質(zhì)量的前提下快速處理測量數(shù)據(jù)以及避免因人為差錯造成量值傳遞準(zhǔn)確性的不可靠，并且結(jié)合精測崗位的實際情況和工作流程，開發(fā)基于 LabVIEW的精密測量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)勢在必行！該系統(tǒng)應(yīng)具有開發(fā)周期短、成本低、人機界面友好、操作方便等特點；同時還具有很強的可擴展性和可重用性，方便系統(tǒng)修改和升級，具有很強的應(yīng)用價值。西安工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院賈培剛教授認(rèn)為：隨著工業(yè)生產(chǎn)中自動 化進程的不斷推進，對數(shù)據(jù)的實時采集分析觀察，以及對數(shù)據(jù)的自動存儲變的越來越重要。而基于計算機平臺的虛擬儀器 LabVIEW 憑借其簡單中北大學(xué) 2022 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 3 頁 共 28 頁 直觀的圖形化編程語言，豐富的功能模塊和函數(shù)節(jié)點，極大的降低了程序開發(fā)的時間和成本，從而廣泛的應(yīng)用在復(fù)雜多樣的編程任務(wù)中。 所以在當(dāng)今社會的大背景下，虛擬儀器技術(shù)已成為測試、工業(yè) I/O 和控制和產(chǎn)品設(shè)計的主流技術(shù)，隨著虛擬儀器技術(shù)的功能和性能已被不斷地提高，如今在許多應(yīng)用中它已成為傳統(tǒng)儀器的主要替代方式。隨著 PC、半導(dǎo)體和軟件功能的進一步更新，未來虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展將為測試系統(tǒng)的設(shè)計 提供一個極佳的模式，并且使工程師們在數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理方面得到強大功能和靈活性。 課題的主要研究內(nèi)容 LabVIEW是美國 Nl公司在 20世紀(jì) 80年代推出的一種基于“ G”語言的虛擬儀器軟件開發(fā)環(huán)境，是目前應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強的、具有革命性的圖形化軟件開發(fā)集成環(huán)境，具有強大的信號處理和數(shù)學(xué)運算能力，是一種可以適用于任何編程任務(wù)的軟件，在多方面得到了很大的應(yīng)用。 本課題主要研究目標(biāo)是完成基于 LabVIEW 數(shù)據(jù)處理軟件的設(shè)計，該軟件能夠?qū)ξ募?shù)據(jù)進行導(dǎo)入、多種分析處理和保存等。 中北大學(xué) 2022 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 4 頁 共 28 頁 2 虛擬儀器及 數(shù)據(jù)處理 簡介 虛擬儀器簡介 所謂虛擬儀器，是一種以計算機和測試模塊的硬件為基礎(chǔ)、以計算機軟件為核心所構(gòu)成的，并且在計算機顯示屏幕上虛擬的儀器面板，以及由計算機所完成的儀器功能，都可由用戶軟件來定義的計算機機器。 虛擬儀器系統(tǒng)由硬件和和軟件兩大部分構(gòu)成，硬件構(gòu)成虛擬儀器的基礎(chǔ)，軟件構(gòu)成虛擬儀器的核心。虛擬儀器硬件平臺通常由基礎(chǔ)硬件平臺和外圍測試硬件設(shè)備組成，一般基于各種類型的通用計算機。外圍測試硬件設(shè)備基于 GPIB系統(tǒng)、 VXI系統(tǒng)、 PXI系統(tǒng)、DAQ系統(tǒng)、串口系統(tǒng)等構(gòu)成的單系 統(tǒng)或混合系統(tǒng)。虛擬儀器軟件分為操作系統(tǒng)、儀器驅(qū)動和應(yīng)用軟件三個層次，三個層次分別構(gòu)成軟件系統(tǒng)的基礎(chǔ)平臺、接口橋梁和界面程序。目前較流行的集成開發(fā)環(huán)境有 LabVIEW、 LabWindows/CVI、 AgilentVEE等。 虛擬儀器充分利用計算機快速運算、方便存儲、形象顯示及靈活多樣的特點，把計算機作為儀器的基本硬件平臺，把傳統(tǒng)儀器的專用功能和硬件功能軟件化，使傳感器與計算機結(jié)合起來，形成新型儀器。在硬件環(huán)境確定后，虛擬儀器的功能就由軟件決定，由于硬件上的低冗余度和功能上的靈活性，近年來虛擬儀器在測控儀器領(lǐng)域 有了廣泛的應(yīng)用。 與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器無論在開發(fā)網(wǎng)維護還是功能靈活性上都有更高的優(yōu)勢。在表 中列出了虛擬儀器相對傳統(tǒng)儀器的優(yōu)點。 表 （ VI）與傳統(tǒng)儀器比較 虛擬儀器（ VI） 傳統(tǒng)儀器 軟件形式使得開發(fā)與維護費用大大降低 開發(fā)與維護費用較高 技術(shù)更新周期較短，僅 12年 技術(shù)更新周期較長 關(guān)鍵是軟件 關(guān)鍵是硬件 價格較低、并可重復(fù)應(yīng)用且可配置性強 價格比較昂貴 用戶定義儀器功能 生產(chǎn)廠商定義儀器功能 開放、靈活，可與計算技術(shù)保持同步發(fā)展，便于升級 封閉、固定，較落后 通過網(wǎng) 絡(luò)與周邊設(shè)備進行互聯(lián)，儀器系統(tǒng)面向應(yīng)用 功能單一、互聯(lián)有限、設(shè)備獨立 中北大學(xué) 2022 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 5 頁 共 28 頁 LabVIEW 開發(fā)平臺及主要功能特點 LabVIEW是美國 NI公司推出的一個軟件化的圖形開發(fā)環(huán)境，也是替代常規(guī)的文本編程語言的圖形化程序語言，又稱 G語言。它采用了面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法，將系統(tǒng)的各部分按照人們的認(rèn)識方式分解成互相聯(lián)系的對象，通過端口傳送消息來實現(xiàn)聯(lián)系。 G語言既可以實現(xiàn)嵌套也可以實現(xiàn)派生，從而實現(xiàn)了軟件重用資源共享，使系統(tǒng)更加易于修改和擴充。 LabVIEW語言具有極好的模塊化功能，可以大大提高編程工作效率，是一款具有突出優(yōu)點的商品化虛擬儀器開發(fā)平臺。 LabVIEW提供眾多的設(shè)備驅(qū)動程序和可供用戶直接調(diào)用且功能強大的函數(shù)庫和Windows 動態(tài)鏈接庫函數(shù)，實現(xiàn)多線程編程等高級功能。并提供靈活的程序調(diào)試手段，既可以設(shè)置斷點又可以設(shè)置探針，在程序運行中觀察數(shù)據(jù)流的變化。根據(jù) LabVIEW語言開發(fā)的應(yīng)用程序稱為虛擬儀器程序，簡稱 VI。一個基本 VI包括前面板（ front panel）、框圖程序（ block diagram）以及圖標(biāo) /連接（ icon/connector）三部分。圖 LabVIEW的新 VI界面： 圖 LabVIEW的新 VI界面 數(shù)據(jù)處理簡介 數(shù)據(jù)處理是利用相應(yīng)的技術(shù)和設(shè)備進行各種數(shù)據(jù)加工的過程。 數(shù)據(jù) 處理是對數(shù)據(jù)的采集、存儲、 檢索 、 加工 、 變換 和傳輸。數(shù)據(jù)是對事實、概念或指令的一種表達形式，可由人工或自動化裝置進 行處理。數(shù)據(jù)的形式可以是數(shù)字、文字、圖形或聲音等。數(shù)據(jù)中北大學(xué) 2022 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 6 頁 共 28 頁 經(jīng)過解釋并賦予一定的意義之后，便成為信息。數(shù)據(jù)處理的基本目的是從大量的、可能是雜亂無章的、難以理解的數(shù)據(jù)中抽取并推導(dǎo)出對于某些特定的人們來說是有價值、有意義的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理是系統(tǒng)工程和自動控制的基本環(huán)節(jié)。 目前，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)廣泛的應(yīng)用于各行各業(yè)，它們在系統(tǒng)設(shè)計方法和原則、系統(tǒng)框架、需要解決的關(guān)鍵問題、實施過程等方面具有很強的共同性。在航空領(lǐng)域中，國外的運載火箭地面測控系統(tǒng)通常將遙測測試數(shù)據(jù)作為重要的信息來源之一，如大力神火箭、阿聯(lián)火箭等。各種型號運載火箭 在進行各種綜合匹配實驗時，遙測測試數(shù)據(jù)是各系統(tǒng)進行實驗結(jié)果分析的判讀的重要依據(jù)，而且在某些特定的實驗或特殊階段測試中，這些數(shù)據(jù)對實驗或發(fā)射起到?jīng)Q定性作用。因此，如何進行數(shù)據(jù)處理以提高其效率，怎樣使用這些數(shù)據(jù)可以被靈活應(yīng)用于各方面便成為數(shù)據(jù)處理研究的方向。 中北大學(xué) 2022 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 7 頁 共 28 頁 3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計 軟件總體概況 如圖 所示為數(shù)據(jù)處理軟件前面板，中間部分為圖形顯示區(qū)，能夠顯示文件的波形和處理后的波形，左下角有退出和保存按鈕，可對文件進行打開和保存，右邊為數(shù)據(jù)處理區(qū)，有各種不同的數(shù) 據(jù)處理算法，例如 Butterworth 濾波器簡， Chebyshev 濾波器，自相關(guān)等。中下部分是對波形進行參數(shù)設(shè)置。 該軟件可打開 .txt .xls .dat 格式文件，并進行數(shù)據(jù)處理，處理后可完成對數(shù)據(jù)的保存。 圖 數(shù)據(jù)處理軟件前面板 數(shù)據(jù)讀取部分軟件的設(shè)計 二進制文件的讀取 通過選取“字符串與路徑” “路徑輸入控件”可輸入波形數(shù)據(jù)的路徑，然后通過“高級文件函數(shù)” “獲取文件擴展名 VI”可將文件的擴展名傳送到條件結(jié)構(gòu)中進行判斷，如圖 所示： 圖 路 徑輸入部分 中北大學(xué) 2022 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 8 頁 共 28 頁 將文件路徑輸入到“文件 I/O” ” 打開 /創(chuàng)建 /替換文件 ” 函數(shù)將指定文件打開，利用“獲取文件大小”函數(shù)節(jié)點計算文件長度，并根據(jù)所使用數(shù)據(jù)類型的長度計算出數(shù)據(jù)量，默認(rèn)“ 1”為全部讀取，讀取完畢后使用“關(guān)閉文件”函數(shù)節(jié)點關(guān)閉文件數(shù)據(jù)。 VI 前面板及運行結(jié)果如圖 所示， VI 的程序框圖如圖 所示： 圖 程序前面板 圖 二進制文件讀取 VI 程序框圖 中北大學(xué) 2022 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 9 頁 共 28 頁 電子表格文件的讀取 使用“讀取電子表格文件 VI”將保存在文件中的數(shù)據(jù)逐個讀出。將這些數(shù)據(jù)打包成數(shù)組送入波形圖 顯示。 VI的程序框圖如圖 所示： 圖 電子表格文件讀取 VI 程序框圖 數(shù)據(jù)處理部分的設(shè)計 Chebyshev 濾波器 簡介及設(shè)計方案 切比雪夫濾波器（又譯車比雪夫濾波器）是在通帶或阻帶上頻率響應(yīng)幅度等波紋波動的濾波器。在通帶波動的為“ I型切比雪夫濾波器”，在阻帶波動的為“ II型切比雪夫濾波器”。切比雪夫濾波器在過渡帶比巴特沃斯濾波器的衰減快，但頻率響應(yīng)的幅頻特性不如后者平坦。切比雪夫濾波器和理想濾波器的頻率響應(yīng)曲線之間的誤差最小，但是在通頻帶內(nèi)存在幅度波動。 這種濾波器來自切比雪夫多項式，因此得名，用以紀(jì)念俄羅斯數(shù)學(xué)家巴夫尼提列波維其切比雪夫。 巴特沃茲濾波器在通帶內(nèi)幅度特性是單調(diào)下降的，如果階次一定，則在靠近截止處，幅度下降很多，或者說，為了使通帶內(nèi)的衰減足夠小，需要的階次 N 很高，為了克服這一缺點，采用切比雪夫多項式來逼近所希望的 2)( ?jH 。切比雪夫濾波器 2)( ?jH 的在中北大學(xué) 2022 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 10 頁 共 28 頁 通帶范圍內(nèi)是等幅起伏的，所以在同樣的通常內(nèi)衰減要求下，其階數(shù)較巴特沃茲濾波器要小。 切比雪夫濾波器的振幅平 方函數(shù)為： )(11)()(2222cNVjHA ??????? ?? 式中， c? 為有效帶通截止頻率， ? 為通帶波紋有關(guān)的參量， ? 大，波紋大， 0? 1， ??? ?? 11)c os hc os h( )a rc c osc os ()( xxxNar xNxVN 圖 為 Chebyshev 濾波器 VI， 圖 為 Chebyshev 程序框圖： 圖 Chebyshev 濾波器 VI 圖 Chebyshev 濾波器程序框圖 中北大學(xué) 2022 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 11 頁 共 28 頁 Butterworth 濾波器 簡介及設(shè)計方案 巴特沃斯濾波器的特點是通頻帶的頻率響應(yīng)曲線最平滑。這種濾波器最先由英國工程師斯替芬巴特沃斯（ Stephen Butterworth）在 1930 年發(fā)表在英國《無線電工程》期刊的一篇論文中提出的。 巴特沃斯濾波器的特點是通頻帶內(nèi)的頻率響應(yīng)曲線最大限度平坦，沒有起伏，而在阻頻帶則逐漸下降為零。 在振幅的對數(shù)對角頻率的波特圖上 ,從某一邊界角頻率開始 ,振幅隨著角頻率的增加而逐步減少 ,趨向負無窮大 。一階巴特沃斯濾波器的衰減率為每倍頻 6分貝，每十倍頻 20分貝。二階巴特沃斯濾波器的衰減率為每倍頻 12分貝、三階巴特沃斯濾波器的衰減率為每倍頻 18 分貝、如此類推。巴特沃斯濾波器的振幅對角頻率單調(diào)下降，并且也是唯一的無論階數(shù)，振幅對角頻率曲線都保持同樣的形狀的濾波器。只不過濾波器階數(shù)越高，在阻頻帶振幅衰減速度越快。其他濾波器高階的振幅對角頻率圖和低級數(shù)的振幅對角頻率有不同的形狀。 巴特沃斯低通濾波器可用如下振幅的平方對頻率的公式表示： 其中 ,n=濾波器的階數(shù) ， = 截止頻率 = 振幅下降為 3分貝時的頻率 ， = 通頻帶邊緣頻率 ， 在通頻帶邊緣的數(shù)值 。 圖 為 Butterworth 濾波器 VI， 圖 為 Butterworth 程序框圖： 圖 Butterworth 濾波器 VI 中北大學(xué) 2022 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 12 頁 共 28 頁 圖 Butterworth 程序框圖