基于Matlab和Excel數(shù)字信號的傳送與分析

任 杉，趙 欣，韓 青

（1.紅河學院工學院，云南 蒙自 661100；2.紅河學院生命科學與技術(shù)學院，云南 蒙自 661100）

基于Matlab和Excel數(shù)字信號的傳送與分析

任 杉1，趙 欣2，韓 青1

（1.紅河學院工學院，云南 蒙自 661100；2.紅河學院生命科學與技術(shù)學院，云南 蒙自 661100）

本文以實驗中采集的液壓系統(tǒng)的一組數(shù)據(jù)為例，首先介紹了采樣數(shù)據(jù)的截取和向Excel傳輸?shù)姆椒ǎ黄浯谓榻B了Excel中的數(shù)據(jù)向Matlab傳送的方法；最終在Matlab中通過編制M文件繪制出了信號的頻譜圖，為后續(xù)分析及設計提供了可靠的依據(jù).

Matlab；Excel；信號；傳送與分析

引言

在進行龐大數(shù)據(jù)分析時，不能用手動方式輸入采集的信號數(shù)據(jù)，一定要借助相應的數(shù)據(jù)處理和分析軟件，Excel和Matlab的結(jié)合為我們提供了這樣的平臺.Excel Link函數(shù)允許在Matlab和Excel之間進行數(shù)據(jù)交換.因此，將Excel中的數(shù)據(jù)導入Matlab并進行分析是容易實現(xiàn)的.

但是，數(shù)據(jù)的采集、存儲、顯示方式調(diào)整、傳送等，這些問題是傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集軟件和方法所不能完全實現(xiàn)的.本文針對以往數(shù)據(jù)采集中遇到的諸多問題，研發(fā)了一種DncsAnalyze軟件，該軟件以.NET Framework進行調(diào)試和開發(fā)，可以實現(xiàn)采樣數(shù)據(jù)圖像繪制、根據(jù)用戶需求調(diào)整顯示方式(包括信號顏色調(diào)整、信號平移、信號隱藏等)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?這為信號的查看與分析提供了極大的方便.

實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送及分析的過程如圖1所示.

圖1 數(shù)據(jù)傳送流程圖

1 采樣數(shù)據(jù)向Excel的傳送

現(xiàn)在以在實驗中采集的負載下行工位的一組信號為例，首先介紹采樣數(shù)據(jù)向Excel的傳送.下圖2為使用DncsAnalyze軟件采樣的某液壓系統(tǒng)的輸入輸出信號曲線，紅色曲線表示負載向下的行程，白色曲線為輸入的電流信號，黃色曲線為負載向下運動的指令信號.

從圖2中可以看出，在給向下運動的指令之前，也有電流信號，負載處于最高位置，這部分信號對整個液壓系統(tǒng)的研究沒有意義.因此，可以將該部分信號的數(shù)據(jù)截除，只傳送下行工位的數(shù)據(jù)到Excel中即可.

此時，數(shù)據(jù)的截取就需要一定的技巧.在軟件的“顯示設定”中可以調(diào)整不同的采樣時間進行圖像顯示，此處選擇200ms，以保證所有的工位能在一個窗口中顯示.在“視圖”菜單下可以查看采樣數(shù)據(jù)，該選項下有兩種查看和顯示方式，默認的是按采樣周期顯示即“時間顯示”，另一種是按采樣序列來顯示，即“序列顯示”.按采樣時間顯示觀察數(shù)據(jù)會發(fā)現(xiàn)，在同一個采樣時間點上會有幾個或幾十個采樣點，例如從400ms～401ms，顯示400ms共有5個點，這是由于采樣時間精度設定造成的，忽略了小數(shù)點后的第三四位數(shù)值.此時，可以選擇“序列顯示”的方式，序列顯示時，每一個采樣點都有不同的序號.這種方式可以對顯示為同一時間的采樣點進行區(qū)分.

圖2 信號采樣圖

另外，從圖2中發(fā)現(xiàn)，在給了下行指令后，電流信號和負載位移信號，在數(shù)值上都發(fā)生了突變.在向Excel傳輸數(shù)據(jù)時，可以借助“序列顯示”方式下的數(shù)值突變點處和圖2中水平方向上顯示的采樣時間來截取采樣點，并確定有效采樣點的開始和結(jié)束位置.可以將此部分數(shù)據(jù)直接復制到Excel中.

2 Excel中的數(shù)據(jù)向Matlab傳送

數(shù)據(jù)從Excel向Matlab傳送前，首先應該在Excel環(huán)境下安裝Excel Link，安裝完成后，Excel Link宏處于可用狀態(tài)，即Excel 和Matlab之間建立了連接.在Excel 的工具欄中將有7個Matlab Command Window按扭出現(xiàn)，這時的Excel界面如下圖3所示[1-2].Excel和Matlab之間安裝Excel Link的具體步驟和方法，在許多Matlab相關(guān)書籍中都有詳細介紹，此處不再說明.

值得說明的是，如果事先沒有打開Matlab，那么在每次建立Excel 和MATLAB連接并進行數(shù)據(jù)傳送之前，必須先點擊圖3中的“startmatlab”按鈕.

用1中的方法截取出下行工位的信號，共采集了5568個離散點.現(xiàn)在進行數(shù)據(jù)傳送.

圖3 Excel Link功能

點擊E x c e l中的插入→函數(shù)→用戶定義→MLPutMatrix，出現(xiàn)對話框，在SMLVarName中輸入Matlab中建立的電流變量名Ix，在ATheRange中輸入Excel中所要使用的數(shù)據(jù)區(qū)域B1:B5568，單擊“確定”按鈕即完成了MLPutMatrix函數(shù)的輸入.然后按F2鍵執(zhí)行，此時Excel將執(zhí)行MLPutMatrix函數(shù)，實現(xiàn)了Excel到Matlab的數(shù)據(jù)傳送.打開Matlab中的Workspace菜單，可以看到變量名為Ix的變量已經(jīng)送入了Matlab中.單擊File→New→M-file，此時可以在頁面中輸入Matlab的M文件，并使用編制的M文件調(diào)用程序進行信號分析.

3 Matlab中的信號分析

Matlab擁有強大的信號分析功能，將Excel中信號的數(shù)據(jù)傳送到Matlab中，其目的就是對信號進行分析.對信號的分析包括時域分析、頻域分析等方面.為了認識信號的具體特性，都需要對信號進行頻域分析.此時，信號的頻譜圖就顯得尤為重要了.

在繪制頻譜圖之前首先應該將時域的離散點信號變換為頻域信號，這種變換可以通過塊速傅里葉變換(FFT)來實現(xiàn)，其調(diào)用格式為[d]=fft(x，N).其中x為進行fft變換的離散信號；N為設定對多少個點進行FFT；應該選擇2的乘方的數(shù)(如16，128，1024等)，因為這樣就可以使用優(yōu)化的蝶形算法；d為頻域的輸出[3-4].此處選擇1024點進行FFT變換，繪制原采樣電流的信號和其頻譜圖的M文件如下：

>> N=1024; n=0:N-1; fs=5000; X=fft(Ix,N);Y=fftshift(X); f=linspace(-fs/2,fs/2,N);

>> subplot(211); plot(Ix); xlabel('n'); ylabel('x(n)');title('電流'); grid on;

>> subplot(212); plot(f,abs(Y)); xlim([0,fs/50]);xlabel('f/Hz'); ylabel('X(k)'); title('電流頻譜'); grid on;

執(zhí)行上面的M文件后得到如下圖4所示的電流信號和電流的頻譜圖.

在得到信號的頻譜圖后，可以直觀的觀察到信號的頻域特性.由頻譜圖可以看出，電流信號在60Hz以后的幅值基本上都為零，也就是說電流信號的頻率在小于60Hz的頻率區(qū).這為信號的后續(xù)分析及相關(guān)設計提供了非常有用的信息.例如，可以根據(jù)頻域特性來設計濾波器的通帶截止頻率、阻帶截止頻率等性能指標，也可以確定濾波器類型是高通、低通、帶通還是帶阻.由于篇幅限制，此處對濾波器的設計不作介紹.

結(jié)語

利用Excel Link插件將Matlab和Excel結(jié)合成一體，為數(shù)字信號的處理和分析提供了一個無縫鏈接的平臺；DncsAnalyze軟件又使信號的采集、存儲、顯示和向Excel的傳輸優(yōu)于以往的數(shù)據(jù)采集方法.這些軟件和方法的結(jié)合使用使數(shù)據(jù)處理和信號分析簡單易行，也為信號的后續(xù)分析及相關(guān)設計提供了很好的依據(jù)，對工程實際應用有一定的參考價值.

[1] 郭仕劍,王寶順,賀志國,楊可心.MATLAB7.x 數(shù)字信號處理[M].北京:人民郵電出版社,2006.

[2] 寇金寶,洪林,李德勝.實現(xiàn)MATLAB與Excel數(shù)據(jù)交換的一種可行性方法[J].高等職業(yè)教育——天津職業(yè)大學學報,2010,19(2):93-95.

[3] 梁坤峰,何勇靈,宗永平,等.Excel Link宏在數(shù)據(jù)分析中的應用[J].洛陽工學院學報, 2002, 23 (2) : 74-76.

[4] 求是科技.MATLAB7.0 從入門到精通[M].北京:人民郵電出版社,2006.

Digital Signal Transfer and Analysis Based on Matlab and Excel

REN Shan1,ZHAO Xin2, HAN Qing1
(1.Engineering College, Honghe University, Mengzi 661100, China,2.College of Life Science and Technology, Honghe University, Mengzi 661100, China)

In this article, first of all, introduced a method of data transfer to Excel.Secondly, introduced a method of data transfer from Excel to Matlab what based on a set of sample data for a hydraulic system.Finally, drew a spectrum of the signal, which provides a reliable basis for subsequent analysis and design.

Matlab;Excel;signal;transfer and analysis

TP317

A

1008-9128（2012）04-0026-03

2011-12-07

任杉(1985—)，男，甘肅張掖人，碩士.研究方向：機電一體化與機電控制技術(shù).

[責任編輯 張燦邦]