【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 CIN 節(jié)點(diǎn)、 ActiveX、 .NET 或 MATLAB 腳本節(jié)點(diǎn)等技術(shù)，能夠輕松實(shí)現(xiàn) LabVIEW 與其他編程語 言的混合編程。 5）內(nèi)建了 600 多個(gè)分析函數(shù)用于數(shù)據(jù)分析和信號(hào)處理。 6）通過應(yīng)用程序生成器可以輕松地發(fā)布可執(zhí)行程序、動(dòng)態(tài)鏈接庫或安裝包。 7）提供了大量的驅(qū)動(dòng)和專用工具，幾乎能夠與任何接口的硬件輕松連接。 8） NI 同時(shí)提供了豐富的附加模塊，用于擴(kuò)展 LabVIEW 在不同領(lǐng)域的應(yīng)用，如實(shí)時(shí)模塊、 PDA 模塊、數(shù)據(jù)記錄與監(jiān)控（ DSC）模塊、機(jī)器視覺模塊與觸摸屏模塊。 本章小結(jié)及論文內(nèi)容小結(jié) 本章首先介紹了虛擬儀器的概念、構(gòu)成、特點(diǎn)、發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)比了它與傳統(tǒng)儀器，得出它的相對(duì)優(yōu)勢(shì)。然后介 紹了 LabVIEW 基本概念、特點(diǎn)、功能、應(yīng)用和它的優(yōu)勢(shì)所在。論文其它章節(jié)的內(nèi)容如下： 第二章為數(shù)據(jù)分析控制界面總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，介紹了界面的設(shè)計(jì)原則、界面的美化、界面的模塊設(shè)計(jì)；第三章為數(shù)據(jù)讀取及簡(jiǎn)單分析模塊，介紹了文本文件的讀取轉(zhuǎn)換，然后將波形轉(zhuǎn)換成柱狀圖進(jìn)行觀察；第四章為 FFT 模塊，對(duì)生成的信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，第五章為濾波處理模塊，對(duì)含有噪聲信號(hào)進(jìn)行濾波處理，提取波形；第六章為 chirp 信號(hào)分析模塊，對(duì) chirp 信號(hào)進(jìn)行 DFT 分析、添加噪聲然后頻率分析以及信號(hào)疊加然后頻率分析。 第二章分析控制界面總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 7 第二章 數(shù)據(jù)分析控制界面總 體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 界面設(shè)計(jì)原則 界面設(shè)計(jì)不像數(shù)學(xué)運(yùn)算那樣有明確的公式可循，界面設(shè)計(jì)本身就是一個(gè)關(guān)于藝術(shù)設(shè)計(jì)的美感問題。在具體的設(shè)計(jì)過程中，不但要掌握用戶的口味，還要注意應(yīng)用的場(chǎng)合。一般在界面設(shè)計(jì)時(shí)遵循如下原則： [4] 1） 界面設(shè)計(jì)要符合人們的習(xí)慣 設(shè)計(jì)界面符合人們的習(xí)慣，這樣當(dāng)軟件交到用戶手里，用戶可以根據(jù)本身已有的經(jīng)驗(yàn)與知識(shí)對(duì)新軟件進(jìn)行快速的掌握。 2） 界面設(shè)計(jì)要簡(jiǎn)單明了 推薦對(duì)控件進(jìn)行分類，功能類似的放在界面的同一區(qū)域，比如將命令和控制按鈕放在一起，狀態(tài)顯示放在一起； 布局合理，主次要分明。重要和常用的控件放 在界面顯眼的位置。不常用的控件可以使用模塊化，在平常時(shí)隱藏，需要用到時(shí)再調(diào)用。 按閱讀習(xí)慣布局控件。人們的閱讀習(xí)慣一般是從左往右，從上到下。 3） 界面配色要適當(dāng) 適當(dāng)?shù)慕缑媾渖梢越o人賞心悅目的感覺，但要注意界面的顏色不宜過多，一般在三種顏色左右比較合適。功能相近的元素使用同一色系的顏色，需要重點(diǎn)突出的內(nèi)容用特別的顏色。 本文界面模塊設(shè)計(jì) 本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)分析控制界面包含一共包含四個(gè)個(gè)模塊，分別是數(shù)據(jù)操作、 FFT 變換、濾波處理、 chirp 信號(hào)分析。主界面采用 Tab 控件控制界面，利用屬性節(jié)點(diǎn)與基于 LabVIEW軟件的控制界面設(shè)計(jì) 8 Tab 控件控制界 面的顯示實(shí)現(xiàn)通過屬性節(jié)點(diǎn)來控制 Tab 控件標(biāo)簽頁的目的。我們需要?jiǎng)?chuàng)建四個(gè)事件結(jié)構(gòu)，每個(gè)事件結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)一個(gè)按鈕的單擊事件。當(dāng)單擊按鈕時(shí)，選擇相應(yīng)的標(biāo)簽頁。主界面如圖 所示： 圖 第三章數(shù)據(jù)操作模塊的設(shè)計(jì) 9 第三章 數(shù)據(jù)操作模塊的設(shè)計(jì) 文件 I/O 簡(jiǎn)介 運(yùn)用 LabVIEW 編寫程序的過程中，我們經(jīng)常需要存儲(chǔ)數(shù)據(jù)或讀取數(shù)據(jù)，這就需要有文件的 I/O 過程。 LabVIEW 中提供了對(duì)多種文件類型格式的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀 /寫操作的函數(shù)，用來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與讀取 [4]。 絕對(duì)路徑與相對(duì)路徑 文件路 徑分為絕對(duì)路徑和相對(duì)路徑。絕對(duì)路徑指文件在磁盤中的位置， LabVIEW可以通過絕對(duì)路徑訪問在磁盤中的文件；相對(duì)路徑指相對(duì)于一個(gè)參照位置的路徑，相對(duì)路徑必須最終形成絕對(duì)路徑才能訪問磁盤中的文件。 LabVIEW 中，路徑可以是有效的路徑名、空值或非路徑。非路徑 LabVIEW 提供的一種特殊路徑，是路徑操作失敗時(shí)的返回值。 文件引用句柄 句柄是一種標(biāo)識(shí)符，文件引用句柄是 LabVIEW 區(qū)分文件的一種標(biāo)識(shí)符，用于對(duì)文件進(jìn)行操作。打開一個(gè)文件時(shí)， LabVIEW 會(huì)生成一個(gè)指向該文件的引用句柄，以后對(duì)文件的操作都 通過引用句柄來實(shí)現(xiàn)。文件引用句柄包含文件的位置、大小和讀寫權(quán)限等信息。 流盤 流盤是一項(xiàng)進(jìn)行多次寫操作時(shí)保持文件打開的技術(shù)，可以循環(huán)使用。流盤操作可以減少函數(shù)因打開和關(guān)閉文件而產(chǎn)生的與操作系統(tǒng)交互的次數(shù)，從而節(jié)省內(nèi)存資源。流盤操作還可避免頻繁地打開和關(guān)閉同一文件，可提高 VI 效率。 如果將路徑控件或常量連接至寫入文本文件函數(shù)，寫入二進(jìn)制文件函數(shù)或?qū)懭腚娮颖砀裎募瘮?shù)，則函數(shù)將在每次運(yùn)行 VI 時(shí)打開、關(guān)閉文件，增加了系統(tǒng)占用?；?LabVIEW軟件的控制界面設(shè)計(jì) 10 對(duì)于速度要求高，時(shí)間持續(xù)長(zhǎng)的數(shù)據(jù)采集，流盤是一種理想的方案，因其可以在數(shù)據(jù)采集 的同時(shí)將數(shù)據(jù)連續(xù)寫入文件中。 為獲取更好的效果，在采集結(jié)束前應(yīng)避免運(yùn)行其他 VI 和函數(shù)（如顯示 VI 和函數(shù)等）。在循環(huán)之前放置打開 /創(chuàng)建 /替換文件函數(shù)，在循環(huán)內(nèi)部放置讀或?qū)懞瘮?shù)，在循環(huán)之后放置關(guān)閉文件函數(shù)，即可創(chuàng)建一個(gè)典型的流盤操作。此時(shí)，只有讀寫操作在循環(huán)內(nèi)部進(jìn)行，從而避免產(chǎn)生重復(fù)打開、關(guān)閉文件的系統(tǒng)占用。 常用文本類型 LabVIEW 用于測(cè)控領(lǐng)域時(shí)，通常需要對(duì)不同類型的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，以供日后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理、波形回放和生成各種類型的報(bào)表。 LabVIEW 提供了豐富的文件類型用于滿 足用戶對(duì)存儲(chǔ)格式的需求，常用的文件類型有以下幾種。 1） 文本文件 文本文件是最常用的文件類型， LabVIEW 提供兩種方式創(chuàng)建文本文件：一種方式就是使用打開 /創(chuàng)建 /替換文件函數(shù)，另一種方式更簡(jiǎn)便的方法是使用文本文件寫入函數(shù)和讀取文本文件函數(shù)，如圖 和 所示： 圖 圖 2）電子表格文件 第三章數(shù)據(jù)操作模塊的設(shè)計(jì) 11 電子表格文件是一種特殊的文本文件，它將文本信息格式化，并在格式中添加了空格、換行等特殊標(biāo)記，以便于被 Excel 等電子表格軟件讀取。使用 LabVIEW 提供的電子表格函數(shù)可以方便地實(shí)現(xiàn)表格的生成和讀寫操作。電子表格函數(shù)的簡(jiǎn)要說明如圖 和 所示： 圖 圖 3）二進(jìn)制文件 在眾多的文件類型中二進(jìn)制文件是存取速度最快、格式最緊湊、冗余數(shù)據(jù)最少的文件存儲(chǔ)格式，在高速數(shù)據(jù)采集時(shí)常用二進(jìn)制格式存儲(chǔ)文件，以防止文件生成速度大于存儲(chǔ)速度的情況發(fā)生。二進(jìn)制文件函數(shù)的簡(jiǎn)要說明如圖 和 所示： 圖 基于 LabVIEW軟件的控制界面設(shè)計(jì) 12 圖 基于 labview 的文本數(shù)據(jù)讀取 本模塊實(shí)現(xiàn)的功能是 LabVIEW 讀取已保存的文本文件數(shù)據(jù)，生成波形和柱狀圖，然后對(duì)波形進(jìn)行分析，得到信號(hào)的基本參數(shù)。文本數(shù)據(jù)是由 Matlab 軟件生成的高斯分布序列。 隨機(jī)高斯序列的生成與保存 程序代碼如下 y=randn(1,2500)。 y=y/std(y)。 y=ymean(y)。 a=。 b=sqrt()。 y=a+b*y。 就得到了 N(,)的高斯序列，然后保存成文本文件如圖 所示： 第三章數(shù)據(jù)操作模塊的設(shè)計(jì) 13 圖 LabVIEW 的數(shù)據(jù)讀取 1） 前面板設(shè)計(jì) 放置數(shù)值控件、布爾控件、數(shù)組控件及圖形控件。執(zhí)行 “ 控件→新式→數(shù)組、矩陣和簇→數(shù)組”添加一個(gè)簇，命名為信號(hào)參數(shù)，和“控件→新式→數(shù)值→數(shù)值顯示控件”操作，添加三個(gè)控件，分別命名為“算術(shù)平均”、“方差”、“采樣點(diǎn)數(shù)”； 執(zhí)行“控件→新式→圖形→波形圖”操作，添加兩個(gè)波形圖控件并分別命名為“原始信號(hào)”和“柱狀圖”。 前面板設(shè)計(jì)圖 所示： 圖 2） 程序框圖設(shè)計(jì) 程序框圖如圖 所示： 基于 LabVIEW軟件的控制界面設(shè)計(jì) 14 圖 其中的子 VI 為數(shù)據(jù)讀取操作，子 VI 的程序框圖如圖 ： 圖 3） 運(yùn)行程序 運(yùn)行程序，觀察到生成的高斯序列波形和其柱狀圖，觀察到波形算術(shù)平均值、方差、采樣點(diǎn)數(shù)以及不同幅值的點(diǎn)數(shù)分布情況。運(yùn)行結(jié)果如圖 所示： 第三章數(shù)據(jù)操作模塊的設(shè)計(jì) 15 圖 數(shù)據(jù)操作運(yùn)行界面 基于 LabVIEW軟件的控制界面設(shè)計(jì) 16 第四章 FFT變換模塊的設(shè)計(jì) 17 第四章 FFT 變換模塊的設(shè)計(jì) DFT 的定義 傅里葉變換是數(shù)學(xué)信號(hào)處理中常用的重要數(shù)學(xué)變換，離散傅里葉變換（簡(jiǎn)稱 DFT）是針對(duì)有限長(zhǎng)序列的， DFT 的實(shí) 質(zhì)是有限長(zhǎng)序列傅里葉變換的有限點(diǎn)離散采樣，這樣開辟了頻域離散化的道路，使得數(shù)字信號(hào)處理可以在頻域采用數(shù)字運(yùn)算的方法來進(jìn)行，數(shù)字信號(hào)處理變得更加靈活。另一方面， DFT 的多種快速算法使信號(hào)的實(shí)時(shí)處理的設(shè)備的簡(jiǎn)化得以實(shí)現(xiàn)，因此，時(shí)域離散系統(tǒng)的研究與應(yīng)用代替了傳統(tǒng)的連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)。所以說， DFT在理論和各種信號(hào)處理中都有很重的意義。 設(shè) ??nx 是長(zhǎng)度為 Ｍ 的有限長(zhǎng)序列，其Ｎ點(diǎn)離散傅里葉變換 ??kX 定義為： ? ? ? ?? ? ? ? knNNn WnxnxD F TkX ?????10， k=0， 1,2， ...， N1 ??kX 的離散傅里葉逆變換 IDFT（ Inverse Discrete Fourier Transform，簡(jiǎn)稱 IDFT）為 ? ? ? ?? ? ? ??????? 101 NkknNWkXNkXI D F Tnx ， n=0,1,2， ...， N1 式中， NjN eW π2?? ,N稱為 DFT 變換區(qū)間長(zhǎng)度， N≧ M。 [5] DFT 的應(yīng)用 DFT 在數(shù)字通信、仿真、圖像處理、語音信號(hào)處理、雷達(dá)理論、功率譜分析、光學(xué)、地震、系統(tǒng)分析以及醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域都有著廣泛地應(yīng)用。此處主要介紹 DFT 計(jì)算卷積和相關(guān)系數(shù)的基本原理以及 DFT 對(duì)連續(xù)信號(hào)和序列進(jìn)行譜分析等基本的應(yīng)用。 基于 LabVIEW軟件的控制界面設(shè)計(jì) 18 用 DFT 計(jì)算線性卷積 循環(huán)卷積可在時(shí)域內(nèi)直接計(jì)算，也可以在頻域計(jì)算，如框圖所示： ??nx1 ??nx2 在實(shí)際應(yīng)用中，為了分析時(shí)域離散線性 非移變系統(tǒng)或者對(duì)系列進(jìn)行濾波處理等，需要計(jì)算兩個(gè)序列的線性卷積。 假設(shè) ??nh 和 ??nx 都是有限長(zhǎng)序列，長(zhǎng)度分別是 N 和 M。它們的線性卷積和循環(huán)卷積分別表示如下： ? ? ? ? ? ? ? ? ? ???? ???? 10Nmi mnxmhnxnhny ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ???? ???? 10 LLm Lc nRmnxmhnxnhny 其中， ?? MNL ,max? ， ? ?? ? ? ????? ?? qL qLnxnx，所以得出 ? ? ? ? ? ????? ?? q Lic nRqLnyny 由此說明 ??nyc 等于 ??nyl 以 L為周期的周期延拓序列的主值序列。 ??nyl 的長(zhǎng)度為 N+M1，所以只有當(dāng)循環(huán)卷積長(zhǎng)度 1??? MNL 時(shí)， ??nyl 以 L為周期進(jìn)行周期延拓才沒有混疊現(xiàn)象。此時(shí)滿足 ? ? ? ?nyny lc ? 。 由此證明了循環(huán)卷積等于線性卷積的條件是 1??? MNL 。 DFT DFT IDFT ? ? ? ?nxnx 21 ? 第四章 FFT變換模塊的設(shè)計(jì) 19 用 DFT 對(duì)連續(xù)信號(hào)進(jìn)行譜分析 信號(hào)進(jìn)行頻譜分析就是計(jì)算信號(hào)的傅里葉變換。計(jì)算機(jī)不方便對(duì)連續(xù)信號(hào)與系統(tǒng)的傅里葉分析進(jìn)行計(jì)算，而 DFT 是一種時(shí)域和頻域均離散化的變換，非常適合計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值運(yùn)算，因此 DFT 在分析離散信號(hào)和系統(tǒng)中有著廣泛應(yīng)用。 用 DFT 作頻譜分析，只能處理有限時(shí)寬的信號(hào)。實(shí)際經(jīng)常遇到的連續(xù)信號(hào) ??txa 如圖像、聲音、電壓、電流等，其頻譜函數(shù) ? ??jXa 也是連續(xù)函數(shù)。數(shù)字計(jì)算機(jī)難于處理，對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行處理，必須對(duì) ??txa 作時(shí)域采樣以及 )(nx 作 DFT，得到 )(kX 。 )(kX 是 )(nx的傅里葉變換 )( jweX 在