基于LabVIEW與Matlab混合編程的快速波形顯示

宋連珺，柏正堯

（云南大學(xué) 信息學(xué)院，昆明 650500）

在工作和實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，對(duì)大量信號(hào)的采集、處理和分析需要專(zhuān)業(yè)的應(yīng)用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。LabVIEW的開(kāi)發(fā)環(huán)境類(lèi)似于C和BASIC，但是LabVIEW與其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言有明顯的區(qū)別，其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言都是以一種文本性的語(yǔ)言來(lái)產(chǎn)生代碼，而LabVIEW是一種G語(yǔ)言，是以框圖的形式產(chǎn)生程序。LabVIEW的優(yōu)點(diǎn)是能夠進(jìn)行自動(dòng)化分析和處理所采集的信號(hào)，但其分析信號(hào)的能力還存在著一些局限和缺陷。

Matlab是一種功能強(qiáng)大的計(jì)算語(yǔ)言，它將計(jì)算、可視化和編程等功能集于一個(gè)易于使用的環(huán)境，得到了廣泛的應(yīng)用。Matlab分析計(jì)算能力很強(qiáng)，數(shù)據(jù)庫(kù)也十分強(qiáng)大，但與外部設(shè)備交換信息能力卻很差[1]。所以，有很多人將LabVIEW和Matlab混合編程，取長(zhǎng)補(bǔ)短，讓各自的優(yōu)點(diǎn)能發(fā)揮到最大，以設(shè)計(jì)出功能比較完善的信號(hào)處理系統(tǒng)[2]。例如，使用二者來(lái)進(jìn)行小波去噪、濾波等，解決了單用一個(gè)帶來(lái)的問(wèn)題，降低了程序的復(fù)雜程度，并能得到很好的實(shí)驗(yàn)效果。本文將二者結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)波形的顯示，首先在Matlab中運(yùn)行程序，然后把程序?qū)隠ab-VIEW中的Matlab script節(jié)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)二者的結(jié)合，把問(wèn)題簡(jiǎn)單化，同時(shí)仿真的結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性。

本文先單獨(dú)使用Matlab來(lái)進(jìn)行波形的顯示，得到的結(jié)果不是很好。然后改進(jìn)了方法，讓Matlab和LabVIEW混合編程實(shí)現(xiàn)理想的結(jié)果。所以在第二節(jié)里闡述了Matlab在LabVIEW 中調(diào)用的實(shí)現(xiàn)方法和實(shí)現(xiàn)原理。最后在第三節(jié)里闡述了LabVIEW中的Matlab Script來(lái)實(shí)現(xiàn)波形顯示的仿真過(guò)程，并得到仿真結(jié)果。

1 Matlab實(shí)現(xiàn)波形顯示

首先我們用Matlab來(lái)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，使用NI FlexRIO設(shè)備設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于PXI架構(gòu)的高速數(shù)據(jù)采集，并把采集的數(shù)據(jù)以十六進(jìn)制形式保存在TXT文檔里，但是TXT格式不能顯示十六進(jìn)制數(shù)據(jù)，用記事本打開(kāi)都是亂碼，用UltraEdit可以看到數(shù)據(jù)，但用UltraEdit打開(kāi)的數(shù)據(jù)并不能直接導(dǎo)入LabVIEW、Matlab程序中，因?yàn)椴杉臄?shù)據(jù)都很大，也不能用直接復(fù)制的方法。考慮用Matlab中的fopen，fscanf函數(shù)，但因?yàn)門(mén)XT中數(shù)據(jù)如亂碼一樣并不能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換，所以我們用fi函數(shù)和hex函數(shù)把它轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制，再把轉(zhuǎn)換的文件讀入程序。因?yàn)椴杉臄?shù)據(jù)很大，不能都顯示出來(lái)，所以顯示其中的一小部分。本文采樣點(diǎn)數(shù)選擇為1024點(diǎn)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示，我們可以看到波形的生成，雖然有些誤差但不影響整體波形。采集中會(huì)有噪聲，所以誤差也不能避免。

圖1 Matlab波形顯示Fig.1 Matlab waveform display

2 Matlab在LabVIEW中調(diào)用的實(shí)現(xiàn)

2.1 調(diào)用Matlab script節(jié)點(diǎn)方法

LabVIEW中可通過(guò)Matlab script節(jié)點(diǎn)調(diào)用Matlab的腳本程序。調(diào)用Matlab scrip節(jié)點(diǎn)過(guò)程為在程序框圖界面單擊右鍵出現(xiàn)函數(shù)選板，然后點(diǎn)擊數(shù)學(xué)，在數(shù)學(xué)的選板里找到腳本與公式，在腳本與公式里找到腳本節(jié)點(diǎn)就可以看到Matlab script節(jié)點(diǎn)。最后把節(jié)點(diǎn)拖曳出來(lái)，放在程序框圖面板中合適的位置，用工具選版按需要調(diào)節(jié)大小。

2.2 LabVIEW和Matlab混合編程進(jìn)行信號(hào)處理的實(shí)現(xiàn)

本文采集信號(hào)使用的是時(shí)間交替采樣[3]，采集的信號(hào)進(jìn)行信號(hào)分析處理，數(shù)據(jù)采集的工作主要是由LabVIEW完成，用戶(hù)圖形界面的設(shè)計(jì)也是由其完成，設(shè)計(jì)的界面清晰明了；后臺(tái)進(jìn)行的大型計(jì)算、數(shù)據(jù)分析、細(xì)節(jié)處理是由Matlab完成，然后把結(jié)果提供給LabVIEW調(diào)用，其工作過(guò)程如圖2所示[4]。

圖2 原理框圖Fig.2 Principle diagram

3 用LabVIEW中的Matlab Script來(lái)實(shí)現(xiàn)波形顯示的仿真過(guò)程

3.1 FI函數(shù)

在進(jìn)行一些大的算法編程時(shí)，經(jīng)常會(huì)遇到大量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的格式各不相同的情況，例如DSP和FPGA中用到的是十六進(jìn)制，而Matlab中運(yùn)算得到的是十進(jìn)制，但是執(zhí)行要用各自允許的格式在不同的軟件中，有時(shí)轉(zhuǎn)換起來(lái)非常麻煩。但單用hex函數(shù)也不能解決問(wèn)題。所以我們加入fi函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換。fi是默認(rèn)構(gòu)造函數(shù)和返回一個(gè)有符號(hào)沒(méi)有值的定點(diǎn)對(duì)象，16位字長(zhǎng)，15位小數(shù)長(zhǎng)度[5]。

A=fread（fid，1024，'integer*4'，0，'b'）；

B=fi（A，1，32，0）；表示返回一個(gè)定點(diǎn)對(duì)象值 A，為正數(shù)，字長(zhǎng)為32 bit，小數(shù)部分長(zhǎng)度為0。

3.2 Matlab算法實(shí)現(xiàn)步驟

本文采樣點(diǎn)數(shù)設(shè)置為1024，這樣可以使結(jié)果比較清晰一些。因?yàn)椴杉奶煳臄?shù)據(jù)十分龐大，也只能選擇其中的一部分，而且采樣點(diǎn)數(shù)過(guò)多會(huì)使波形緊密，看不清楚整體波形。算法實(shí)現(xiàn)步驟可分為4步：

步驟1用fopen打開(kāi)文件，再用fread把文件讀入，讀入后關(guān)閉文件；

步驟2用fi函數(shù)和hex函數(shù)實(shí)現(xiàn)十六進(jìn)制的轉(zhuǎn)換， 程序如下：A=fread（fid，1024，'integer*4'，0，'b'）；B=fi（A，1，32，0）；C=upper（hex（B））；并把轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)寫(xiě)入另一個(gè)TXT，文件命名為test.2；

步驟3打開(kāi)轉(zhuǎn)換好的文件test.2，用reshape函數(shù)重新調(diào)整矩陣的行數(shù)、列數(shù)、維數(shù)。把調(diào)整好的數(shù)據(jù)保存在newdata.txt文件中。

步驟4用fscanf函數(shù)一個(gè)個(gè)讀入數(shù)據(jù)，并用plot函數(shù)畫(huà)出波形。

3.3 LabVIEW中調(diào)用Matlab script節(jié)點(diǎn)

在操作中我們發(fā)現(xiàn)不用Matlab script節(jié)點(diǎn)直接顯示波形圖只能用波形圖表，不能用波形圖。但是波形圖表逐點(diǎn)地接收數(shù)據(jù)，并逐點(diǎn)地顯示在前面板窗口中[6]，所以讀入數(shù)據(jù)是一個(gè)個(gè)的讀，并且只能觀察部分波形的變化。雖然可以直接觀察，但不能完整地觀察波形。波形圖可一次接收規(guī)定的采樣點(diǎn)數(shù)，并顯示完整的波形。所以使用波形圖就需要Matlab script節(jié)點(diǎn)來(lái)轉(zhuǎn)換采集信號(hào)的數(shù)據(jù)格式。

首先我們把運(yùn)行正確的Matlab程序?qū)牍?jié)點(diǎn)，根據(jù)自己所編Matlab程序中輸入輸出的要求在腳本節(jié)點(diǎn)外框上點(diǎn)擊右鍵選擇添加輸入變量和輸出變量，同時(shí)數(shù)據(jù)類(lèi)型也需要修改，使二者匹配，不匹配會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。處理過(guò)程中許多需要設(shè)定的參數(shù)都可以在前面板以按鈕方式設(shè)置，可任意改變數(shù)據(jù)，就像實(shí)際儀器一樣，也可做一些驗(yàn)證試驗(yàn)，操作方法簡(jiǎn)單，還可根據(jù)需要增加功能，數(shù)據(jù)可靠性很高。在輸出變量連接波形圖時(shí)，整個(gè)界面清晰明了，比單用LabVIEW編程或Matlab編程簡(jiǎn)單，如圖3所示[7]。

圖3 程序框圖Fig.3 Program chart

在前面板點(diǎn)擊運(yùn)行就可以得到波形，結(jié)果如圖4所示，與圖1相比可以清晰地看出波形，我們可以根據(jù)波形圖推算它的周期。如果要改變采樣點(diǎn)數(shù)，應(yīng)該在Matlab里修改采樣點(diǎn)數(shù)運(yùn)行正確后再導(dǎo)入節(jié)點(diǎn)，直接在節(jié)點(diǎn)里修改是無(wú)效的，最后運(yùn)行的還是原來(lái)的采樣點(diǎn)數(shù)。

圖4 采樣點(diǎn)數(shù)為1024時(shí)的波形Fig.4 Waveform diagram of the sampling points to 1024

從圖中可以看出在轉(zhuǎn)換過(guò)程中出現(xiàn)了一些誤差，但能夠看出整體波形，波形比單用Matlab顯示的更清晰、方便。

4 結(jié)語(yǔ)

本文將LabVIEW和Matlab相結(jié)合，用于采集數(shù)據(jù)的快速顯示。從仿真結(jié)果可知，采用這個(gè)方法可以使仿真過(guò)程更加簡(jiǎn)潔，可以直接應(yīng)用于復(fù)雜的工程問(wèn)題，不需要繁瑣的轉(zhuǎn)換，解決了LabVIEW和Matlab單獨(dú)使用的局限性。LabVIEW與Matlab混合編程的方法，能充分利用Matlab功能強(qiáng)大的算法庫(kù)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，實(shí)現(xiàn)快速開(kāi)發(fā)，兩者結(jié)合能夠給實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)方便。

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