【正文】 ].碩士學位論文 .武漢 :武 漢理工大學 ,2022. [21] 孟盈盈 .基于 LabVIEW的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)教學儀器的設計 [D].碩士學位論文 .廣西 :廣西大學 ,2022. 中北大學 2022 屆畢業(yè)設計說明書 第 28 頁 共 28 頁 致 謝 本人能夠順利完成學業(yè)和按期完成畢業(yè)論文與導師和同學的幫助是密不可分的。在 數(shù)據(jù)處理 中更多的融入計算機技術(shù)將是必然的趨勢，不僅會降低各類系統(tǒng)的開發(fā)成本，而且會實現(xiàn)更高的工作效率，減輕 數(shù)據(jù)處理 工作者的工作負擔， 使未來的研究工作更加簡單 有保障。 課題展望 本文利用 LabVIEW 進行出具處理 軟件的設計，更好地適應了當今科技發(fā)展中計算機普及應用，發(fā)揮了虛擬儀器在測試測量中的巨大優(yōu)勢，保證了系統(tǒng)的經(jīng)濟性和對技術(shù)更新不斷加快的適應性。在軟件的功能設計實現(xiàn)過程中，首先通過分析功能要求實現(xiàn)過程來對軟件功能模塊的劃分，然后利用 LabVIEW 語言中的程序結(jié)構(gòu)，功能強大的數(shù)據(jù)處理函數(shù)庫對數(shù)據(jù) 處理與保存 ，大大簡化了數(shù)據(jù)的 處理 難題。 圖 VI，圖 為自相關(guān)程序框圖： 中北大學 2022 屆畢業(yè)設計說明書 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)保存部分的設計 通過使用“高級文件函數(shù)”中的“文件對話框 VI”可對文件進行路徑、名稱及格式的設置，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 軟件退出部分的設計 軟件的退出部分主要是進行初始化的處理，即清除波形圖的波形，清除數(shù)據(jù)緩存，中北大學 2022 屆畢業(yè)設計說明書 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 2022 屆畢業(yè)設計說明書 第 22 頁 共 28 頁 圖 功率譜 VI 圖 功率譜程序框圖 自相關(guān)簡介及設計方案 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)，或者簡稱為功率譜，其表達式如下。當 增加時， 以及 的能量增加。它表示了信號中北大學 2022 屆畢業(yè)設計說明書 第 21 頁 共 28 頁 功率隨著頻率的變化情況，即信號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 FFT VI，圖 為 FFT 程序框圖： 中北大學 2022 屆畢業(yè)設計說明書 第 20 頁 共 28 頁 圖 FFT VI 圖 FFT 程序框圖 線性插值簡介及設計方案 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 多項式擬合 圖 為廣義多項式線性擬合 VI，圖 為多項式線性擬合程序框圖： 中北大學 2022 屆畢業(yè)設計說明書 第 19 頁 共 28 頁 圖 廣義多項式線性擬合 VI 圖 廣義多項式線性擬合程序框圖 FFT 簡介及設計方案 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、實等特性，對離散傅立葉變換的算法進行改進 獲得的。 圖 最小絕對 殘差的多項式擬合 中北大學 2022 屆畢業(yè)設計說明書 第 18 頁 共 28 頁 如選擇最小絕對殘差法，該 VI 可依據(jù)下列等式最小化 殘差 ，查找多項式模型的 多項式系數(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 多項式系數(shù) ，然后使用最小二乘法中的公式計算 殘差 。下圖為對最小二乘法、最小絕對殘差和 Bisquare 擬合方法的比較結(jié)果。 最小絕對殘差和 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式擬合。VI 可查找最佳擬合觀測 (X, Y)的 a 的值。如下圖所示。在大多數(shù)情況下， Bisquare 方法對于超出區(qū)間的數(shù)不如最小絕對殘差方法敏感。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 ，得到對線性模型的 斜率 和 截距 ： ??? ?10 2)(1 Ni iii vfwN N 是 Y 的長度， wi是 權(quán)重 的第 i 個元素， fi是 最佳線性擬合 的第 i 個元素， yi 是 Y 的第i 個元素。 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 2022 屆畢業(yè)設計說明書 第 14 頁 共 28 頁 圖 中值濾波器程序框圖 線性擬合簡介及設計方案 線性擬合 VI通過循環(huán)調(diào)用廣義最小二乘方法和 LevenbergMarquardt 方法使實驗數(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常用步驟，它對于斑點噪聲和 椒鹽噪聲 來說尤其有用。然后，丟棄最早的值，取得新的采樣，重復上面的計算過程 。這個設計思想就是檢查輸入信號中的采樣并判斷它是否代表了信號，使用奇數(shù)個采樣組成的觀察窗實現(xiàn)這項功能。 設 FIR 濾波器的單位沖激響應 h (n)為一個 N 點序列， 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）階極點在 z = 0 處，有（ N— 1）個零 點位于有限 z平面的任何位置。因此， FIR 濾波器在通信、圖像處理、 模式識別 等領(lǐng)域都有著廣泛的應用。 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 。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 。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。 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 2022 屆畢業(yè)設計說明書 第 11 頁 共 28 頁 Butterworth 濾波器 簡介及設計方案 巴特沃斯濾波器的特點是通頻帶的頻率響應曲線最平滑。 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，采用切比雪夫多項式來逼近所希望的 2)( ?jH 。列波維其切比雪夫濾波器和理想濾波器的頻率響應曲線之間的誤差最小，但是在通頻帶內(nèi)存在幅度波動。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”。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 2022 屆畢業(yè)設計說明書 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“ 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)。中下部分是對波形進行參數(shù)設置。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。數(shù)據(jù)處理是系統(tǒng)工程和自動控制的基本環(huán)節(jié)。數(shù)據(jù)中北大學 2022 屆畢業(yè)設計說明書 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)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。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)處理是利用相應的技術(shù)和設備進行各種數(shù)據(jù)加工的過程。根據(jù) LabVIEW語言開發(fā)的應用程序稱為虛擬儀器程序，簡稱 VI。 LabVIEW提供眾多的設備驅(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。 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。 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、并可重復應用且可配置性強 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) 絡與周邊設備進行互聯(lián)，儀器系統(tǒng)面向應用 功能單一、互聯(lián)有限、設備獨立 中北大學 2022 屆畢業(yè)設計說明書 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。 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。 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。虛擬儀器軟件分為操作系統(tǒng)、儀器驅(qū)動和應用軟件三個層次，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。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備組成，一般基于各種類型的通用計算機。 中北大學 2022 屆畢業(yè)設計說明書 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。 課題的主要研究內(nèi)容 LabVIEW是美國 Nl公司在 20世紀 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)學運算能力，是一種可以適用于任何編程任務的軟件，在多方面得到了很大的應用。 所以在當今社會的大背景下，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)大學機電工程學院賈培剛教授認為：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。虛擬儀器將會在科學技術(shù)的各個領(lǐng)域得到廣泛應用。虛擬儀器在