【正文】 [21] 孟盈盈 .基于 LabVIEW的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)教學(xué)儀器的設(shè)計(jì) [D].碩士學(xué)位論文 .廣西 :廣西大學(xué) ,2021. 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 28 頁 共 28 頁 致 謝 本人能夠順利完成學(xué)業(yè)和按期完成畢業(yè)論文與導(dǎo)師和同學(xué)的幫助是密不可分的。在 數(shù)據(jù)處理 中更多的融入計(jì)算機(jī)技術(shù)將是必然的趨勢(shì)，不僅會(huì)降低各類系統(tǒng)的開發(fā)成本，而且會(huì)實(shí)現(xiàn)更高的工作效率，減輕 數(shù)據(jù)處理 工作者的工作負(fù)擔(dān)， 使未來的研究工 作更加簡(jiǎn)單 有保障。 課題展望 本文利用 LabVIEW 進(jìn)行出具處理 軟件的設(shè)計(jì)，更好地適應(yīng)了當(dāng)今科技發(fā)展中計(jì)算機(jī)普及應(yīng)用，發(fā)揮了虛擬儀器在測(cè)試測(cè)量中的巨大優(yōu)勢(shì)，保證了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和對(duì)技術(shù)更新不斷加快的適應(yīng)性。在軟件的功能設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過程中，首先通過分析功能要求實(shí)現(xiàn)過程來對(duì)軟件功能模塊的劃分，然后利用 LabVIEW 語言中的程序結(jié)構(gòu)，功能強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理函數(shù)庫(kù)對(duì)數(shù)據(jù) 處理與保存 ，大大簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)的 處理 難題。 圖 為自相關(guān) VI，圖 為自相關(guān)程序框圖： 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 23 頁 共 28 頁 圖 自相關(guān) VI 圖 自相關(guān)程序框圖 數(shù)據(jù)保存部分的設(shè)計(jì) 通過使用“高級(jí)文件函數(shù)”中的“文件對(duì)話框 VI”可對(duì)文件進(jìn)行路徑、名稱及格式的設(shè)置，之后與“寫入電子表格文件 VI”連接，即可保存 .txt 及 .xls 格式的文件，如下圖所示： 圖 數(shù)據(jù)保存部分程序框圖 軟件退出部分的設(shè)計(jì) 軟件的退出部分主要是進(jìn)行初始化的處理，即清除波形圖的波形，清除數(shù)據(jù)緩存，中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 24 頁 共 28 頁 所有按鍵回彈 至”不按下“的狀態(tài)。 圖 為功率譜 VI，圖 為功率譜程序框圖： 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 22 頁 共 28 頁 圖 功率譜 VI 圖 功率譜程序框圖 自相關(guān)簡(jiǎn)介及設(shè)計(jì)方案 函數(shù) x(t)的自相關(guān) Rxx(t)定義如下： ??? dtxxtxtxtR x x )()()()()( ????? ???? ? 代表相關(guān)。假如此極限存在，則其平均功率亦可以在頻域表示 [21]，即 定義 為 的功率密度函數(shù)，或者簡(jiǎn)稱為功率譜，其表達(dá)式如下。當(dāng) 增加時(shí)， 以及 的能量增加。它表示了信號(hào)中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 21 頁 共 28 頁 功率隨著頻率的變化情況，即信號(hào)功率在頻域的分布狀況。這樣確定下來的 P(x)就是我們希望的插值函數(shù)，此即為插值法。用 P(x)近似 f(X)。 圖 為 FFT VI，圖 為 FFT 程序框圖： 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 20 頁 共 28 頁 圖 FFT VI 圖 FFT 程序框圖 線性插值簡(jiǎn)介及設(shè)計(jì)方案 為了研究函數(shù)的變化規(guī)律，往往需要求出不在表上的函數(shù)值。一維 DFT 定義如下： NknjNn nk exY/210?????? n = 0, 1, 2, ? , N– 1， x 是輸入序列， N 是 x 中元素的數(shù)量， Y是變換的結(jié)果。 圖 Bisquare 多項(xiàng)式擬合 圖 為廣義多項(xiàng)式線性擬合 VI，圖 為多項(xiàng)式線性擬合程序框圖： 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 19 頁 共 28 頁 圖 廣義多項(xiàng)式線性 擬合 VI 圖 廣義多項(xiàng)式線性擬合程序框圖 FFT 簡(jiǎn)介及設(shè)計(jì)方案 FFT（ Fast Fourier Transformation） ，即為快速傅氏變換，是離散傅氏變換的快速算法，它是根據(jù)離散傅氏變換的奇、偶、虛、實(shí)等特性，對(duì)離散傅立葉變換的算法進(jìn)行改進(jìn) 獲得的。 圖 最小絕對(duì)殘差的多項(xiàng)式擬合 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 18 頁 共 28 頁 如選擇最小絕對(duì)殘差法，該 VI 可依據(jù)下列等式最小化 殘差 ，查找多項(xiàng)式模型的 多項(xiàng)式系數(shù) ： ??? ?101 Ni iii vfwN 如擬合方法為 Bisquare 方法，該 VI 可采用迭代過程得到 多項(xiàng)式系數(shù) ，然后使用最小二乘法中的公式計(jì)算 殘差 。下圖為對(duì)最小二乘法、最小絕對(duì)殘差和 Bisquare 擬合方法的比較結(jié)果。 最小絕對(duì)殘差和 Bisquare 擬合方法是健壯的擬合方法。下圖為使用該方法的廣義多項(xiàng)式擬合。VI 可查找最佳擬合觀測(cè) (X, Y)的 a 的值。如下圖所示。在大 多數(shù)情況下， Bisquare 方法對(duì)于超出區(qū)間的數(shù)不如最小絕對(duì)殘差方法敏感。如存在超出區(qū)間的數(shù)，可使用上述方法。 圖 最小二乘法線性擬合 如使用最小二乘法，該 VI可依據(jù)下列等式最小化 殘差 ，得到對(duì)線性模型的 斜率 和 截距 ： ??? ?10 2)(1 Ni iii vfwN N 是 Y 的長(zhǎng)度， wi是 權(quán)重 的第 i 個(gè)元素， fi是 最佳線性擬合 的第 i 個(gè)元素， yi是 Y 的第i 個(gè)元素。 下列等式用于描述由線性擬合算法得到的線性曲線： y[i] = ax[i] + b 如 Y 的噪聲為高斯分布，可使用最小二乘法。 圖 為中值 濾波器 VI， 圖 為中值程序框圖： 圖 中值濾波器 VI 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 14 頁 共 28 頁 圖 中值濾波器程序框圖 線性擬合簡(jiǎn)介及設(shè)計(jì)方案 線性擬合 VI通過循環(huán)調(diào)用廣義最小二乘方法和 LevenbergMarquardt 方法使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合為通用形式由下列等式描述的直線： f = ax + b x 是輸入序列 X， a 是 斜率 ， b 是 截距 。 中值濾波 是圖像處理中的一個(gè)常用步驟，它對(duì)于斑點(diǎn)噪聲和 椒鹽噪聲 來說尤其有用。然后，丟棄最早的值，取得新的采樣，重復(fù)上面的計(jì)算過程 。這個(gè)設(shè)計(jì)思想就是檢查輸入信號(hào)中的采樣并判斷它是否代表了信號(hào)，使用奇數(shù)個(gè)采樣組成的觀察窗實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)功能。 設(shè) FIR 濾波器的單位沖激響應(yīng) h (n)為一個(gè) N點(diǎn)序列， 0 ≤ n ≤ N — 1，則濾波器的系統(tǒng)函數(shù)為 H(z)=∑ h(n)*z^n 就是說，它有（ N— 1）階極點(diǎn)在 z = 0 處，有（ N— 1）個(gè)零點(diǎn)位于有限 z平面的任何位置。因此， FIR 濾波器在通信、圖 像處理、 模式識(shí)別 等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。 巴特沃斯低通濾波器可用如下振幅的平方對(duì)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(shí)的頻率 ， = 通頻帶邊緣頻率 ， 在通頻帶邊緣的數(shù)值 。只不過濾波器階數(shù)越高，在阻頻帶振幅衰減速度越快。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。 在振幅的對(duì)數(shù)對(duì)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(fù)無窮大。巴特沃斯（ Stephen Butterworth）在 1930 年發(fā)表在英國(guó)《無線電工程》期刊的一篇論文中提出的。 切比雪夫?yàn)V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) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 11 頁 共 28 頁 Butterworth 濾波器 簡(jiǎn)介及設(shè)計(jì)方案 巴特沃斯濾波器的特點(diǎn)是通頻帶的頻率響應(yīng)曲線最平滑。 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(diǎn)，采用切比 雪夫多項(xiàng)式來逼近所希望的 2)( ?jH 。列波維其切比雪夫?yàn)V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(dòng)。在通帶波動(dòng)的為“ I 型切比雪夫?yàn)V波器”，在阻帶波動(dòng)的為“ II型切比雪夫?yàn)V波器”。將這些數(shù)據(jù)打包成數(shù)組送入波形圖顯示。 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(jì) 二進(jìn)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(jí)文件函數(shù)” “獲取文件擴(kuò)展名 VI”可將文件的擴(kuò)展名傳送到條件結(jié)構(gòu)中進(jìn)行判斷，如圖 所示： 圖 路徑輸入部分 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)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(diǎn)計(jì)算文件長(zhǎng)度，并根據(jù)所使用數(shù)據(jù)類型的長(zhǎng)度計(jì)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(diǎn)關(guān)閉文件數(shù)據(jù)。中下部分是對(duì)波形進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。因此，如何進(jìn)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。在航空領(lǐng)域中，國(guó)外的運(yùn)載火箭地面測(cè)控系統(tǒng)通常將遙測(cè)測(cè)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。數(shù)據(jù)處理是系統(tǒng)工程和自動(dòng)控制的基本環(huán)節(jié)。數(shù)據(jù)中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)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)是對(duì)事實(shí)、概念或指令的一種表達(dá)形式，可由人工或自動(dòng)化裝置進(jìn)行處理。圖 LabVIEW的新 VI界面： 圖 LabVIEW的新 VI界面 數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)介 數(shù)據(jù)處理是利用相應(yīng)的技術(shù)和設(shè)備進(jìn)行各種數(shù)據(jù)加工的過程。 根據(jù) LabVIEW語言開發(fā)的應(yīng)用程序稱為虛擬儀器程序，簡(jiǎn)稱 VI。 LabVIEW提供眾多的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和可供用戶直接調(diào)用且功能強(qiáng)大的函數(shù)庫(kù)和Windows 動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)多線程編程等高級(jí)功能。 G語言既可以實(shí)現(xiàn)嵌套也可以實(shí)現(xiàn)派生，從而實(shí)現(xiàn)了軟件重用資源共享，使系統(tǒng)更加易于修改和擴(kuò)充。 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(hù)費(fèi)用大大降低 開發(fā)與維護(hù)費(fèi)用 較高 技術(shù)更新周期較短，僅 12年 技術(shù)更新周期較長(zhǎng) 關(guān)鍵是軟件 關(guān)鍵是硬件 價(jià)格較低、并可重復(fù)應(yīng)用且可配置性強(qiáng) 價(jià)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(jì)算技術(shù)保持同步發(fā)展，便于升級(jí) 封閉、固定，較落后 通過網(wǎng)絡(luò)與周邊設(shè)備進(jìn)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(dú)立 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 5 頁 共 28 頁 LabVIEW 開發(fā)平臺(tái)及主要功能特點(diǎn) LabVIEW是美國(guó) NI公司推出的一個(gè)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。 與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器無論在開發(fā)網(wǎng)維護(hù)還是功能靈活性上都有更高的優(yōu)勢(shì)。 虛擬儀器充分利用計(jì)算機(jī)快速運(yùn)算、方便 存儲(chǔ)、形象顯示及靈活多樣的特點(diǎn)，把計(jì)算機(jī)作為儀器的基本硬件平臺(tái)，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(jì)算機(jī)結(jié)合起來，形成新型儀器。虛擬儀器軟件分為操作系統(tǒng)、儀器驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用軟件三個(gè)層次，三個(gè)層次分別構(gòu)成軟件系統(tǒng)的基礎(chǔ)平臺(tái)、接口橋梁和界面程序。虛擬儀器硬件平臺(tái)通常由基礎(chǔ)硬件平臺(tái)和外圍測(cè)試硬件設(shè)備組成，一般基于各種類型的通用計(jì)算機(jī)。 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 4 頁 共 28 頁 2 虛擬儀器及 數(shù)據(jù)處理 簡(jiǎn)介 虛擬儀器簡(jiǎn)介 所謂虛擬儀器，是一種以計(jì)算機(jī)和測(cè)試模塊的硬件為基礎(chǔ)、以計(jì)算機(jī)軟件為核心所構(gòu)成的，并且在計(jì)算機(jī)顯示屏幕上虛擬的儀器面板，以及由計(jì)算機(jī)所完成的儀器功能，都可由用戶軟件來定義的計(jì)算機(jī)機(jī)器。 課題的主要研究?jī)?nèi)容 LabVIEW 是美國(guó) 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(qiáng)的、具有革命性的圖 形化軟件開發(fā)集成環(huán)境，具有強(qiáng)大的信號(hào)處理和數(shù)學(xué)運(yùn)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。 所以在 當(dāng)今社會(huì)的大背景下，虛擬儀器技術(shù)已成為測(cè)試、工業(yè) I/O 和控制和產(chǎn)品設(shè)計(jì)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。西安工業(yè)大學(xué)機(jī)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(dòng)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集分析觀察，以及對(duì)數(shù)據(jù)的自動(dòng)存儲(chǔ)變的越來越重要。虛擬儀器將會(huì)在科學(xué)技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。虛擬儀器在組成和改變儀器的功能和技術(shù)性能