基于虛擬儀器的數據處理軟件平臺設計

王文璽

（中北大學 光電廠，中國 太原 030051）

0 引言

在軍工生產、飛行器研制過程中都離不開先進的測試技術。各項動態參數是這些武器測試過程中的重要指標。隨著測試精度越來越高、測試環境越來越復雜，這就對綜合測試技術及保障系統提出了更高的要求。作為一種有效的測試手段—存儲測試技術應運而生[1]。存儲測試是指在對被測對象無影響或影響在容許范圍的條件下，在被測體內置入微型數據采集與存儲測試儀，現場實時完成信息的快速采集與記憶，事后回收記錄儀，由計算機處理和再現測試信息的一種動態測試技術[2]。本文即是針對此種存儲測試技術中的數據處理平臺的設計。

1 系統總體流程

系統整體方案工作流程圖如圖1所示。其工作流程為：啟動程序后進入程序設計主界面，完成數據的采集、存儲后進入本設計要完成的數據分析處理系統。本文主要完成系統數據濾波、頻譜分析、以及峰峰值、均方根、正峰值等各種參數的測試和測量。

圖1 系統整體方案工作流程圖

2 數據濾波模塊的設計

2.1 數字濾波器的選用

濾波器是一種選頻裝置，可以使信號中特定的頻率成分通過，而極大地衰減其他頻率成分。在測試裝置中，利用濾波器的這種選項作用，可以濾除干擾噪聲或進行頻譜分析。同樣，在測試VI中，也可以利用L提供的濾波器VI對信號進行去噪或提取特定頻率信號。

按處理信號的性質來分，有模擬濾波器和數字濾波器兩大類，在虛擬儀器軟件中使用數字濾波器。其中，數字濾波器又分為有限沖擊響應濾波器（FIR）和無限沖擊響應濾波器（IIR），前者有較平坦的輻頻特性，而后者可以實現相位不失真。工程上常用的有巴特沃茲（Butterworth）、切比雪夫(Chebyshev)、貝塞爾(Bessel)等數字濾波器[4]。數字濾波器以數值計算的方法來實現對離散化信號的處理，與模擬濾波器相比，具有精度高穩定性好靈活處理功能強的特點[5]。

2.2 具體設計

(1)框圖程序

本設計利用G語言編程設計產生的數字濾波器對信號進行濾波，將無用的噪聲干擾濾除。實驗中，選用了信號采樣頻率 ，選用無限沖擊響應濾波器的Butterworth濾波器濾波類型為低通濾波，設置其階數為2，低截止頻率 。數據濾波模塊的框圖程序如圖2前半部分,程序中主要用到基本函數發生器函數Basic Function Generator.vi以及Butterworth濾波器函數 Butterworth filter.vi.

（2）前面板及實驗結果

前面板如圖3所示,主要由原始三角波信號（帶噪聲干擾）時域圖,濾波信號時域圖以及相關參數

圖2 數據濾波和頻譜分析模塊的框圖程序

圖3 數據濾波模塊的前面板圖

構成，從實驗結果可以看出：

①濾波信號與原始三角波信號相比，達到了濾除噪聲干擾的目的。

②從顯示界面可以看出選用的六赫茲三角波信號對應的出現了6個周期的三角波形。

③我們選用的6Hz三角波信號滿足內奎斯特定理：最高信號穩定頻率小于等于采樣頻率的一半。即 :6Hz＜500kHz。

④我們使用的Butterworth濾波器的低截至頻率Fl滿足不等式：0≤Fl＜0.5Fs,即0＜30kHz＜500kHz。

3 頻譜模塊的設計

3.1 傅里葉變換的引入

盡管采集到的信號是一個時域波形，但是由于時域分析工具較少，所以往往需要將其轉換到頻域來進行分析處理。兩者分別從不同側面對同一個信號的物理特性進行探知，兩者之間必有密切的內在關系。

傅里葉變換是信號處理和數據處理中的一個重要的分析工具，其意義在于將時域與頻域信號聯系起來。頻域分析將復雜的信號分解為各個單一頻率成分，因此一些在時域中難以分析的信號，在頻域中它的特征可以看得一目了然[7]。所以頻域分析對那些微弱但又有重要作用的信號提供了相應的分析工具。計算機只能對離散序列進行處理，在數字系統中，將采樣信號由時域變化到頻域的算法是著名的離散傅里葉變換（DFT），DFT建立了時域中的信號采樣與其頻域表示法之間的關系。但是由于DFT運算工作量太大，費時，在許多應用場合，普遍應用快速傅里葉變換（FFT）。FFT是DFT的一種簡化快速算法[8]。

3.2 具體設計

（1）框圖程序

框圖程序如圖3中的后半部分，框圖程序中的主要函數作用如下：Real FFT.vi（實數快速傅里葉變換）：用于計算輸入數據的FFT，將時域信號轉換為頻域信號。輸入為實數數組，輸出為復數數組。Array Size函數：用于根據采樣點數N對FFT輸出的結果進行處理。將FFT輸出除以N，可獲得正確的頻率幅度信息。Complex to Polar.vi:將輸入數據從復數坐標系轉換到極坐標系。此例將FFT輸出分解為實部和虛部（幅值和相位）相位的單位是弧度，這里只需顯示FFT的幅值。

（2）前面板及實驗結果

前面板如圖4所示,圖4中左側周期平均、周期均方根、峰峰值等參數為分析周期信號幅值特征值，本設計中利用了Labview庫中的自帶函數amplitude and level measurements.vi.求得。

圖4.1 頻譜分析模塊的前面板圖

頻譜分析模塊實驗結果分析和說明如下：①從該前面板中可以看出，原始頻譜為有噪聲干擾的三角波頻譜，濾波頻譜為無噪聲干擾的三角波頻譜。②從時域三角波信號得到頻域信號，需要經過傅里葉變換；由頻域信號得到時域信號，則經過反傅里葉變換。③此例中，三角波信號是滿足一般周期信號頻譜的共同點，即頻譜具有離散性。

4 結束語

本文通過對LabVIEW在數據存儲技術的數據處理方面的相關應用研究，運用虛擬儀器LabVIEW完成了系統平臺中數據濾波和頻譜分析的實現以及相關測試的研究和開發，使得本數據處理系統具有強大的數字信號處理能力，可以實時的接收和處理多種信號，為多種通信平臺的驗證和研究所通用。

[1]尚鳳晗.基于可編程器件的存儲測試系統設計[D].太原:中北大學，2009.

[2]羅志增.測試技術與傳感器[M].西安: 西安電子科技大學出版社,2008.

[3]王玉偉.基于LabVIEW的測試軟件設計[D].太原:中北大學,2009.

[4]王友功.數字濾波器與信號處理[M].北京:科學出版社,2008.

[5]詹惠琴.虛擬儀器設計[M].北京:高等教育出版社,2008.

[6]宋壽鵬.數字濾波器設計及工程應用[M].鎮江:江蘇大學出版社,2009.

[7]冷建華.傅里葉變換[M].北京:清華大學出版社,2008.

[8]童剛.虛擬儀器實用編程設計[M].北京:機械工業出版社,2008.