【正文】 般Windows桌面上應用程序的設計，而且還可以提供VXI總線控制、GPIB設備控制、串行口設備控制以及存儲、顯示和數(shù)據(jù)的分析等應用程序模塊，它的專用函數(shù)庫非常強大，可以使其適合編寫用于測試、測量及工業(yè)控制等學科的應用程序。LABVIEW的程序由各種不同的模塊組成，根據(jù)模塊執(zhí)行的方式不同，我們把程序的結構分為三類：順序結構、并發(fā)結構和分布結構。其中包含主vi和各級的子vi，層次分明，簡單明了。 LabVIEW的編程環(huán)境 運行LabVIEW本設計采用LabVIEW2011的破解版，在安裝LabVIEW2011并破解之后，在開始菜單里就會自動生成LabVIEW2011的快捷方式，雙擊來啟動它。在此窗口里，我們可以創(chuàng)建新的vi文件，或打開現(xiàn)有的vi文件，以及查找附加的軟件和自帶程序、瀏覽社區(qū)等等。 啟動時的界面 啟動后界面 前面板打開新的vi或者現(xiàn)有的vi時，將顯示vi的前面板窗口。前面板以圖形化的方式出現(xiàn)，由輸入和顯示兩個控件構成，從而可以模仿真實的儀器表盤。 程序框圖在設計前面板之前，我們需要設計儀器的程序框圖，也就是我們說的程序框圖。程序框圖的代碼，使用了圖形化的模塊來控制整體程序的。連線是用來連接各程序模塊，從源端口向目的端口單向傳遞數(shù)據(jù)的通道，傳遞不同數(shù)據(jù)類型時，會有不同的顏色和線形與之相匹配。程序模塊是前面板控件在程序框圖上所對應的對象。 程序框圖 工具選板LabVIEW的工具選板，提供了VI程序設計時所需的基本工具。操作者可以在工具欄中的“查看”選項里找到工具選板，也可在前面版或者程序框圖的窗口空白區(qū)域下按“Shift+鼠標右鍵”，彈出臨時的工具選板?？丶x板包括了創(chuàng)建前面板所需的所有輸入控件和顯示控件。如過需要顯示控件選板，選擇“查看→控件選板”，或者在前面板活動窗口中單擊右鍵?？丶x板包括新式、經(jīng)典、系統(tǒng)、Express方式等控件，以及其他可選擇安裝的工具包和用戶自定義的工具包。子選板里，包括數(shù)值控件（比如可滑動桿和旋鈕）、布爾控件（如各類開關和按鈕）、字符串、簇、路徑、表格、列表框、樹型的控件、下拉列表控件、圖形、數(shù)組、枚舉控件和容器控件等。函數(shù)選板中包含了創(chuàng)建程序框圖時所需要的所有vi和函數(shù)。如過需要調用函數(shù)選板，可在程序框圖中選擇“查看→函數(shù)選板”，或在程序框圖的窗口單擊右鍵。 函數(shù)選板操作者使用控件選板和函數(shù)選板，都可以使用其中的搜索功能，只要操作者對將要用控件有所熟悉，便可以用過搜索功能的搜索到所用模塊。函數(shù)選板中包括了編程、視覺與運動、數(shù)學、信號處理、測量I/O、儀器I/O、Express、數(shù)據(jù)通信、互連接口以及用戶自定義的工具包（本畢業(yè)設計所涉及到的控制設計與仿真工具包）等。第3章基于LabVIEW的信號處理平臺設計 信號處理實驗平臺的主界面設計本次畢業(yè)設計是基于LabVIEW軟件制作一個信號處理實驗平臺，實驗平臺主要分三個部分：時域分析模塊、頻域分析模塊及信號處理模塊。本次設計的頻域分析模塊包括奈式圖、伯德圖、振幅譜和功率譜、倒譜、諧振、2D FFT、頻域平均、頻移、傅立葉級數(shù)等十個獨立的實驗平臺，這十個實驗項目都是信號頻域分析中的常見內容。 平臺系統(tǒng)結構圖 主界面設計及引用說明設計本實驗平臺的主界面包括以下幾個部分：首先是用了母校XXXX大學的風景照作為實驗平臺的主背景；然后是以“信號處理實驗室”、“XXXX大學”等字樣作為實驗平臺的標題，添加方法就是利用工具選板中的編輯文本；最后是添加了十一個文本按鈕控件，同時更改按鈕中的文字，把他們變成對應的實驗項目名稱。信號處理實驗的主界面的前面板，通過點擊不同按鈕，便可以彈出相應的實驗項目。實驗者可以點擊“說明”按鈕，從而進入下一層VI，然后了解實驗內容的相關知識。其中將屬性節(jié)點設置成“在前面板打開（）”，將調用節(jié)點設置成“運行vi”，在打開vi的“vi路徑”端創(chuàng)建常數(shù)，并將所引用的vi文件的地址輸入。條件結構位于函數(shù)選板中的結構子選板中，從結構選板中可以選取條件結構。 引用說明的框圖設計 FFT實驗 傅立葉變換（DFT）和快速傅立葉變換(FFT)離散傅立葉變換（DFT），是連續(xù)的傅立葉變換，在頻域和時域上都離散的形式，然后讓時域信號的采樣轉變?yōu)樵陔x散時間傅立葉變換（DTFT）后頻域的采樣。即便對有限長的離散信號作傅立葉變換，也應該把它看作為經(jīng)過了周期延拓后而成為的周期信號，再對其作變換。FFT（Fast Fourier Transformation），就是快速傅立葉變換，同時也是離散傅立葉變換（DFT）的快速算法，它通過根據(jù)離散傅立葉變換的奇、偶、虛、實等特性，對離散傅立葉變換的算法進行了改進從而獲取的。設x(n)是一個長度為M的有限長序列，那么我們定義x(n)的N點離散傅立葉的變換為：Xk=DFTxn=n=0N1xnWNkn 0≤k≤N1 =x0WN0+x1WNk+x2WN2k?+xN1WNN1k (31)上述公式31我們把他稱之為DFT的直接計算方法。所以我們把兩個復數(shù)的一次加法運算和乘法運算的計算量視為相同。對于N個k值：復數(shù)乘法N2次加上復數(shù)加法N(N1)次，小計為N(2N1)次的復數(shù)運算。在一般情況下，當N≥10000，DFT計算量則最少達到了2108次復數(shù)運算。N個點的DFT計算量是2N2，N2點的DFT計算量是N22，因此，我們可以減少DFT計算的點數(shù)來減少DFT的計算量。這也就是FFT的優(yōu)勢。（FFT）的算法,把N點DFT的計算量由N2次復數(shù)乘法降為N2log2N次復數(shù)乘法，大大減少了運算量。基本信號發(fā)生器在FFT實驗臺、功率譜amp。其基本功能是可以產(chǎn)生4種基本波形（正弦波、三角波、方波、鋸齒波），并且能夠調節(jié)他們的幅值、頻率、相位、方波占空比、采樣、偏移量等?；拘盘柊l(fā)生器的后面板是由波形生成VI下的基本函數(shù)發(fā)生器模塊制作的，連接一個波形圖便可以顯示生成的信號。其功能是：通過基本信號發(fā)生器生成的可選四種波形（正弦波、三角波、方波、鋸齒波）并看到他們的原始信號波形圖，通過FFT變換之后，可以觀察它們的幅值圖和相位圖。將信號輸入到FFT頻譜（幅度相位）VI的時間信號輸入端，對基本信號的頻率及相位進行分析。其中還設置有重新平均按鈕，可以重新開始平均過程。amp。功率譜的概念是針對功率有限的信號（能量譜分析可分析能量有限的信號），所表現(xiàn)的則是單位頻帶中信號的功率隨頻率的變化情況。功率譜是數(shù)字信號處理學科中的主要內容，它對信號在頻域中的各種特征進行了主要的研究，目的是根據(jù)有限的數(shù)據(jù)，從頻域中提取出被淹沒在噪聲中的有用信號，通過信號的相關性，估計出接受到信號的功率隨頻率的變化關系，實際的用途有濾波，信號識別、信號分離、系統(tǒng)辨識等。通過研究功率譜密度，可以幫助了解信號的功率的分布情況，確定信號的頻帶等。它與相位譜一起構成了在傅立葉變換中計算的頻譜基礎。功率譜實際上是振幅譜的平方。在物理學中，信號通常是以波的形式存在，例如電磁波、聲波或者隨機振動。隨機信號是時域無限信號，不具備可積分條件，因此不可直接進行傅立葉變換。功率譜密度，從名字分解來看就是，觀察的對象是功率，觀察的域是頻域，密度則是指觀察對象在觀察域上的分布情況。amp。振幅譜實驗平臺是探究信號的功率譜和振幅譜的實驗。在實驗臺的前面板，我們可以調節(jié)原始信號的頻率及幅值，并且可以看到信號的原始波形和變換之后的功率譜和振幅譜波形。振幅譜實驗平臺的主界面如下圖所示。振幅譜實驗平臺界面我們可以看到每種基本波形的功率譜和振幅譜做何種變化。 正弦波形 三角波形 方波 鋸齒波實驗臺的后面板是由基本信號發(fā)生器、功率譜VI、FFT（幅值相位）VI組成的。amp。它是信號經(jīng)過傅立葉變換之后的譜，經(jīng)過對數(shù)運算后，再進行的傅立葉反變換而得到的，我們又把它稱之為功率倒頻譜。倒頻譜函數(shù)CF(q)（Power Cepstrum）的數(shù)學表達式為： CFq=FlogSxf2 (32)CF(q)叫做功率倒頻譜，也可以稱之為對數(shù)功率譜的功率譜。為了使它的定義更加明確，我們還可以把它定義為: Cy(q)=F1logSy(f) (34)這就是倒譜定義：信號的功率譜的對數(shù)加權，再取其傅立葉反變換。為了反映出基本的相位信息，分離后可以恢復出原始信號，因此又提出一種復倒譜的運算方法。倒譜與自相關函數(shù)不同之處是它們只差了一個對數(shù)加權，它目的是使變換以后的信號能夠能量集中，同時增加了頻譜翻譯以用于動態(tài)分析，提高了再變換的精度。 倒譜實驗臺的設計前面的小節(jié)，我們已經(jīng)介紹過功率譜的制作方法，由倒譜的定義可知，倒譜是功率譜的對數(shù)的反傅立葉變換。其中，信號經(jīng)過對數(shù)變換和反傅立葉變換之后，是一個復數(shù)，所以需要在波形圖前添加“復數(shù)至極坐標轉換模塊”來給出圖形。它們給出了信號從原始信號轉變至倒譜過程的各個波形態(tài)。 while循環(huán)LabVIEW之中有兩種類型的循環(huán)結構，F(xiàn)or循環(huán)和While循環(huán)。之后介紹下While循環(huán)，在本次設計之中，所有的實驗臺包括說明文件，都用了While循環(huán)，因而While循環(huán)在LabVIEW設計中是個非常重要的環(huán)節(jié)。While循環(huán)同樣需要自行拖動鼠標來調整大小和定位適當?shù)奈恢?。While循環(huán)重復執(zhí)行代碼片段一直到條件接線端接收到某一個特定的布爾值為止。從條件接線端可以創(chuàng)建停止按鈕，以退出當前的循環(huán)。在只有電阻R、電感L和電容C元件的交流電路中，電路兩端的電壓與其中電流相位一般是不同的。電路達到這種狀態(tài)稱之為諧振。研究諧振的目的就是要認識這種客觀的現(xiàn)象，并在科學和應用技術上充分利用諧振的特征，同時又要預防它所產(chǎn)生的危害。因為在某些場合下，可以利用諧振效應對微弱信號進行放大，而在某些場合下，諧振所產(chǎn)生的放大效應會系統(tǒng)的正常工作。按照電路連接的不同，有串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振兩種，在這里，我們討論串聯(lián)諧振的特性。這部分能量在電場和磁場之間振蕩，全電路電磁場能量總和不變，激勵供給電路的能量全轉化為電阻發(fā)熱。 RLC串聯(lián)諧振電路，其電路的阻抗為：Zω=R+jωL1ωC(37)阻抗的幅角和模分別為：Z(ω)=R2+(ωL1ωL)2(38), φω=arctanωL1ωCR(39)從而容易寫出它的電流頻率特性是：Iω=UZ(ω)=UR2+(ωL1ωC)2(310)當ω=ω0=1LC時，電流達到了極大值，這個時候整個電路中的阻抗和純電阻的阻抗相等，電壓和電流同相，這就是串聯(lián)諧振現(xiàn)象。 諧振電路實驗臺的設計按照前文中推導的公式Iω=UZ(ω)=UR2+(ωL1ωC)2我們來編寫程序。將計算到的Iωω曲線送至XY圖上繪制。 RLC串聯(lián)諧振電路程序框圖我們取L=250μH,C=150pF，Us=10V,通過改變R的值來觀察XY圖中電路的頻率特性曲線。本畢業(yè)設計中也采用了這一方法。（2）新建一個自定義控制文件并打開控件編輯器，放入一個浮點型控件，將其便簽改為“R”，表示電阻，單位標簽設為可見，并改為“Ohm”，表示電阻的單位歐姆。（3）切換到自定義模式下，在所添加裝飾上的右鍵菜單中選擇“從文件導入…”，在彈出的對話框中選擇橫方向的電阻圖片導入。此時電阻控件便制作好了，其他控件按照剛才的方法一一做出便可。 搭建好的電路圖 2DFFT實驗 二維傅立葉變換的概念對于二維信號，二維傅立葉變換的定義為：Fu,v=∞∞∞∞f(x,y)ej2π(ux+vy)dxdy(311)逆變換為：fu,v=∞∞∞∞f(u,v)ej2π(ux+vy)dudv(312)二維的離散傅立葉變換為：Fm,n=1Ni=0N1k=0N1f(i,k)ej2π(miN*nkN)(313)逆變換為：fi,k=m=0N1n=0N1F(m,n)ej2π(miN*nkN)(314)二維信號是可以用圖像的形式來表達的，一維的信號傅立葉變換以及圖像的傅立葉變換原理是同樣的，同樣也有快速的算法，在這里不進行討論。計算二維信號的傅立葉變換過程相對很簡單，首先來說我們需要對每一個行做出一維的FFT，然后再對每一個列做出一維的FFT。這樣進行計算之后，圖像的虛部和實部里面包含的就是中間數(shù)據(jù)了。最終計算得出的頻譜圖，我們可以這樣進行分析：在傅立葉頻譜圖上面我們看到的明暗不一樣的亮格，實際上這是圖像上的某一點與相鄰點之間差異的強弱，也就是指梯度的大小，同時也是這個點的頻率大?。▓D像中的高頻部分指的是高梯度的點，低頻部分則相反）。這樣以來，通過傅立葉變換后得出的頻譜圖，也稱為功率圖。那么對于頻譜移頻到原點之后，我們可以看得出二維信號的頻率分布是以原點為中心而對稱分布的。從帶有正弦干擾的信號移頻到原點的頻譜圖上，我們可以看得出，除了中心以外存在以某一點為中心，還有對稱分布的亮點，而這些集合就是噪音干擾產(chǎn)生的，這時候就可以非常直接的通過在該位置放置濾波器來消除干擾。首先調用FFT的模塊，右鍵單擊它可以選擇FFT的模式為二維實數(shù)，因此，此FFT模塊變成了二維性質，與其相連接的模塊也需要是二維的。在主界面中，我們可以通過調節(jié)二維脈沖的寬度和高度，還有橫向和縱向的位移來顯示經(jīng)過2DFFT變換的圖像。我將二維脈沖信號單獨做成一個vi，然后在實驗臺的程序框圖中將其調用。，將vi的前面板或程序框圖中右上角的顯示連線版打開。然后在上面的工具選版中，將鼠標變?yōu)檫B線的工具狀態(tài)，從而對每個控件和右上角的接線端依次連線。在程序框圖中點擊“右鍵→選擇vi→”。 選擇接線端的模式 頻移實驗信號的頻移就是信號在頻域內頻率的增減。本次頻移實驗的原理，是給一個初始信號疊加一個新的信號，從而使信號的頻率增加，頻譜發(fā)生變化，頻譜移動的規(guī)律更加清晰可觀。同時界面上可以顯示初始信號的頻譜和初始信號改變之后的頻譜。當兩個信號的頻率增大時，頻譜的峰值間距越遠，反之越近。 頻移實驗臺界面 頻移實驗臺的程序框圖 頻域平均實驗頻域平均，就是指在進行分析信號的時候，對信號的頻率進行平均的過程。但是信號往往不