基于LabVIEW的動力試驗數據分析系統功能設計與實現

高慧中， 孫 濤， 陳立杉， 劉培培

（中國船舶重工集團公司 第705研究所， 陜西 西安， 710077）

基于LabVIEW的動力試驗數據分析系統功能設計與實現

高慧中， 孫 濤， 陳立杉， 劉培培

（中國船舶重工集團公司 第705研究所， 陜西 西安， 710077）

魚雷動力試驗中， 由于被試對象結構復雜、關鍵參數多、試驗時間長， 所產生的試驗數據對分析環境提出了較高要求。為了有效消除通用分析軟件處理多通道數據的劣勢， 滿足魚雷動力試驗數據的分析研究需求， 同時兼顧開發成本與開發效率， 編譯了一套全新的處理系統。該系統從動力艙段試驗特點出發， 采用 LabVIEW 為開發平臺， 通過MATLAB混合編程技術， 創新性地實現了雙坐標與歸一化顯示功能， 顯著改善了多通道數據的讀取效果。最后以真實試驗數據為樣本測試系統性能， 結果表明， 該系統能夠滿足設計要求與工程需要， 驗證了系統的有效性和穩定性。

魚雷動力試驗； 數據分析系統； 混合編程； LabVIEW

0 引言

魚雷是目前各國最重要的水下主戰武器。作為魚雷的核心組成部分， 動力系統主要包括燃料貯艙、燃料供應系統、燃燒室和發動機四部分［1］，其工作性能的好壞對魚雷的航程、航速、航深、安靜性、可靠性起著關鍵性影響。動力艙段內部組件多、結構復雜， 設備在運轉狀態下的采集和產生的多通道試驗數據包含了豐富的特征信息，因而成為產品設計人員重點關注的反饋信息。在此基礎上的數據挖掘就成為工程師們進一步關注的重要方向。

通用數據分析軟件從常規需求出發， 以滿足主流需求為導向， 軟件源代碼不向用戶開放， 因而難以實現用戶需求的私人訂制［2］。而虛擬儀器作為一種以通用計算機為核心， 由用戶自主定義具有良好的用戶交互界面的編譯平臺， 測試功能由軟件實現的計算機儀器系統， 具備了眾多傳統測量儀器所不具備的顯著優勢［3］。

目前， 隨著計算機和儀器儀表技術的不斷發展， 虛擬儀器已經具有了非常強大的可開發性和可擴展性， 被廣泛應用于工業測控和實驗室研究中［4］。這其中， 由NI公司出品的圖形化編程軟件LabVIEW 是使用最廣泛的計算機虛擬儀器編程語言， 具有直觀、生動、界面友好、功能強大、兼容性好等眾多優點。在國內， 南昌航空大學的陳松林曾利用 LabVIEW系統開發了針對旋翼系統的試驗數據采集及處理軟件［5］。王傳英等人則在 LabVIEW環境下進行了電機噪聲測試系統研究［6］。以上都是結合系統需求開展的專項開發研究工作， 很好的推廣了虛擬儀器在工業領域中的應用。文中從實際工作需求出發， 以 LabVIEW 2013為軟件開發平臺， 介紹設計開發的多通道振動信號分析系統， 以實現試驗數據的時域、頻域信號顯示分析， 數據存儲、報表生成， 并通過實測數據加以驗證， 能夠滿足測試過程中特性參數信息準確讀取和分析的需求。

1 系統總體設計

在諸多國內的研究工作中， 也有許多如文獻［5］、［6］所描述的自主開發LabVIEW測試、分析系統， 這些研究成果較之于工作中最常用的origin系統均具有更有針對性的功能設計， 大大提高了系統的數據分析效果和處理效率。但是適合于以發動機為主要對象的動力系統分析測試軟件開發卻始終未得到更多的關注。這一方面是由于發動機作為核心設備在廣泛領域內都有使用，因而通用型分析軟件基本能夠滿足其使用需求，但是魚雷動力系統試驗所產生的大量數據在分析工作中卻也面臨很多困擾。試驗數據不僅包括壓力、溫度、流量、振動和沖擊等多種物理參量， 而且每種參量均含有多組數據通道， 各參量的數值變化表征著試驗的走向， 而通用化數據分析軟件大都以獨立的數據通道為操作對象， 割裂了彼此之間的邏輯聯系， 分析變得耗時耗力。不僅如此，由于魚雷發動機在工作環境、機械機構和性能特點等方面的要求與常規發動機不盡相同， 所以對應的分析側重點也有所差異， 導致了現有的分析軟件存在功能差距。

為了有效改善這一局面， 從動力試驗自身特點出發， 尋找高效處理多通道數據， 能快速顯示對比通道間的關系成為了該系統的設計初衷。基于 LabVIEW 的數據分析系統， 從魚雷動力系統的試驗數據采集特點出發， 采用模塊化和層次化的編程思想［7］， 自上而下的編譯系統。根據功能需求劃分為多個模塊， 其邏輯流可大致分為數據格式轉化、通道選擇、時域分析、頻域分析和報告生成， 其中的時域模塊和報告生成模塊作為該系統的重點研究內容， 創新性的功能設計大大加強了系統的可用性， 將以往所不具備的優異性能融入系統當中， 其整體結構框圖如圖1所示。

圖1 數據分析系統結構圖Fig. 1 Structure of data analysis system

該系統的模塊化設計為今后的軟件擴展提供了便利條件， 可大大避免重復性編程工作。

1.1 文件轉換模塊

在日常的試驗測試與數據采集工作中， 大多數采集軟件以文本文件作為數據儲存格式， 正是基于這樣的考慮， 該系統為今后適應廣泛性需求，便于與采集系統實現升級擴充， 同樣以 txt格式作為默認讀取文件格式。因此， 系統分析的首要任務就是將 txt數據文件， 轉化為便于數據操作的 LabVIEW 系統獨有的高速數據流文件（technical document management system， TDMS），作為后續的數據流傳遞格式［8］。但是txt中存儲的數據信息在讀入系統時是字符格式， 且只有行信息沒有列信息， 無法直接參與后續運算， 為將通過批處理手段轉化為數組格式， 使用了 LabVIEW中的公式節點功能， 通過調用 MATLAB聯合編程技術快速有效的轉換數據格式。

值得注意的是， LabVIEW中調用MATLAB 有2種常用的方法: MATLAB script節點調用和ActiveX函數模板調用［9-10］。MATLAB Script 節點對輸入、輸出數據的類型有明確要求， 要求LabVIEW中的數據類型與MATLAB中的數據類型相匹配， 才能進行數據傳輸。

這種方式實質是將 MATLAB當作一個ActiveX服務器， 在LabVIEW中通過refnum來調用 MATLAB。ActiveX提供的接口函數與MATLAB進行交互， 建立ActiveX通道， 然后將函數或命令通過ActiveX通道發給MATLAB， 由MATLAB在后臺執行。

由于該功能模塊只需實現字符串向數字量的轉換， 使用MATLAB函數庫中的自帶命令， 因而選擇 script節點方式便可較為簡便的實現跨平臺計算。

1.2 文件讀取與通道選擇

目前試驗過程中所產生的數據文件大都保存為某一格式文件， 其中包含所有通道在整個試驗過程中的全部信息， 是試驗內容的完整體現。可以說， 將試驗信息導入分析系統并充分提取其中的所有信息是一切數據分析的基礎。文件讀取模塊根據文件轉換結束后的存儲路徑， 自動拾取并導入TDMS數據文件， 獲取文件信息。

數據文件中的通道較多時， 不可能對所有數據都進行數據處理， 這不僅不利于數據的針對性研究同時也會降低分析效率。為此而設計的通道選擇功能界面就能夠根據實際需要利用多列列表框顯示各通道編號、通道名、數據長度， 通過勾選的方式選擇對應通道以進行后續分析。默認條件下， 第 1路通道數據為時間信息， 為此通過后臺代碼編譯使第 1路信號始終保持勾選無法取消。在此基礎上用戶可根據實際需求， 在該界面下最多選取10路信號數據。當選擇通道數已達上限時， 若繼續勾選將會彈出對話框提示， 并自動取消最后一路通道數據， 維持勾選狀態不變。

1.3 頻域分析

通過頻譜分析可以了解構成信號的各頻率分量及結構， 從而由頻率信息揭示系統運行狀態。為此， 作為軟件程序的重要構成部分， 頻域分析模塊具有數據信息的單邊幅值譜、功率譜等分析功能。模塊前面板具有明確的功能指示， 子面板的應用便于實現不同功能下顯示面板的無延遲切換， 具備流暢的操作性能。而波形顯示圖框內，不僅可以根據指定閾值統計極大值個數并顯示響應極值， 還可以設定旋鈕按鍵指定諧波階數， 便于利用游標分析倍頻信息。

1.4 時域分析

時域分析作為數據分析中最基本的功能模塊，能夠將對應的幅值與時間結合， 顯示數據趨勢與走向。也正是這一原因， 現有的大多分析軟件并沒有對其中的各處細節精雕細琢。面對這一現實情況， 該系統著重打造面向動力試驗數據的時域分析模塊， 充分考慮動力系統試驗數據通道多、幅值差異大、波動范圍廣、試驗時間長等特點， 使用了單通道、多通道的復合式分析框架， 根據使用需求完成通道或通道間的數據分析。

在單通道分析中， 設置的下拉列表將可用通道的編號與數據名稱逐一分行列舉。使用中， 通過點擊對應的通道條目， 即可實現數據通道的選取， 并將波形快速顯示在時域分析圖表中便于觀察。

選取具體的數據通道后， 便可對此通道數據實施各項操作， 如放大、縮小、拖動等。在此基礎上， 充分考慮實際需求， 加入了最大值最小值、統計參量計算、時域濾波等功能。試驗中的數據曲線走向復雜， 采樣點數較多， 往往難以快速搜索到觀察范圍內的極限值及其位置， 從而增大了分析難度。所設計的“最大值最小值”功能則可以很好的解決此類問題， 一鍵式操作即可自動完成2條不同顏色的游標定位， 并將對應的位置和數據反映在列表框中以供查詢。

統計參量作為描述曲線特性的重要工具， 均值、方差、峭度、裕度等參數是定性分析數據的關鍵信息。然而目前的分析軟件未對這一功能采取足夠的重視， 操作過程繁瑣且需逐一獲取， 對操作的流暢性產生了影響。“時域統計”模塊通過后臺自動計算， 簡單高效完成了數據信息的批處理， 所產生的數據不僅能夠直接顯示在前面板實時讀取， 而且能夠通過信息流的方式傳遞至報告生成模塊， 保存至報告文檔。

在實際的采樣信號中， 除了主體的目標信號外， 還有大量環境噪聲污染， 若直接對其實施最大值最小值、時域統計操作， 勢必引起信息偏離獲得錯誤結論。針對這種常見問題， 系統中設置的濾波處理模塊可以根據需求快速設置濾波器特性。即只需按下“濾波”按鈕自動彈出濾波器設置窗口， 在其中設置濾波器類型（低通、高通、帶通）以及對應的頻率參數， 待設置結束點擊確定返回主窗口便可實現對原始信號的處理。該操作完成后的其他功能均以濾波后的數據為分析對象，避免了干擾信息的引入。

在多通道分析功能區下， 該系統突破了傳統系統中所有曲線使用單縱軸或每條曲線對應1個縱軸的顯示方法， 開創了新的顯示讀取方式。即1條曲線時以單縱軸顯示， 2條曲線時雙縱軸分別顯示， 當波形繼續增加時將所有數據歸一化顯示利于趨勢對比分析， 并在游標圖框中顯示各通道名稱和真實數值。這對于同時分析數十個通道數據具有極大優勢， 歸一化的顯示方式能夠更好的比較通道間的波動趨勢， 同時列表框中的真實幅值又能客觀反映數據的物理事實。

此外需要注意的是， 由于試驗中某些物理量是無法直接測量獲取的， 因而由某些數據通過一定的數學運算間接獲取就顯得很有必要了。該模塊正是從這一考慮出發， 增加了通道間的逐點運算功能， 支持波形數據之間簡單的常用計算， 其中“換向”功能用于調整“減”、“除”運算中的通道計算順序， 根據客觀需求計算結果。

時域分析作為最常使用的分析途徑， 在所有同類軟件中占據著不可替代的地位， 可以說時域分析性能的好壞直接影響著整個分析系統的優異性。作為該系統重點關注方向， 多項人性化功能設計將時域分析相關操作引領至一個全新的領域，大大降低了動力試驗海量數據的處理難度。

1.5 報告生成

從某種意義上講， 只有分析而沒有完整報告的數據處理是不完整的。市場上目前的測量分析軟件僅提供單純的采集與分析功能， 分析結果的總結歸納仍需人為操作， 耗時耗力且格式無法統一。因此， 如何簡潔快速產生完整詳實的分析報告也應是此類分析軟件所必須具備的一項功能。

文中所介紹軟件具有報告生成功能模塊， 其在各個功能模塊下均能得到調用。將所選通道信號相關波形、譜線自動保存至文檔中， 并存儲例如最大值、最小值、均值、采樣頻率、極值閾值等相關數據。整個保存過程只需要指定文件存儲名稱、存儲路徑， 一鍵式自動生成標題、實現排版，大大節約操作成本， 同時統一格式的報告文檔能夠提高查詢效率， 便于實現歷史信息的快速篩選。

2 系統驗證與演示

根據技術要求設計完成各功能子模塊后， 在彼此間依照數據流、邏輯流關系建立起子vi調用網絡， 形成了完整統一的數據分析系統。從軟件系統穩定性角度出發， 根據分析對象特點， 使用一組含有43組通道， 每組數據長度超過4 000點數據文件對軟件系統加以測試。

2.1 數據驗證

所選測試對象是日常工作中最常出現的 txt格式文件， 由于此類文件數據格式不包含列信息，往往為數據分析增加了難度。因而軟件首先進入文件轉換界面， 如圖 2所示， 根據所指定的文件路徑獲取文件并自動轉換為 LabVIEW 獨有的TDMS， 待“轉換結束”LED指示燈被點亮表明數據轉換完成， 點擊“下一步”進入文件讀取與通道選擇功能界面， 如圖3所示。在通道選擇界面下， 43路通道名稱和數據長度逐一列出并自動編號后顯示在多列列表框中。操作中， 除“運行時間”通道之外隨機勾選了兩路通道P3和P4做進一步分析。確定待分析通道后， 分別單擊界面右側的“頻域分析”和“時域分析”完成對應功能模塊的調用及數據的自動傳輸。

圖2 文件轉換Fig. 2 Format transformation of files

圖3 文件讀取和通道選擇Fig. 3 File read and channel selection

在時域分析模塊中， 如圖 4所示， 點擊右上角的下拉菜單選擇上級界面所選的通道將對應數據繪制在時域分析圖表中， 并單擊“最大值最小值”和“指標計算”功能鍵分別實現最大值最小值在曲線上的游標定位， 以及常規時域統計量的顯示。“濾波”與“通道間計算”在時域分析界面如圖 5所示， 同樣得到了驗證， 測試表明， 功能設計達到了預期的設計目標。界面下側的“多曲線顯示”圖框按照雙坐標顯示P3和P4的趨勢， 而在其左側的列表框中顯示游標所在位置的真實數值。分析工作結束后點擊“返回”回到上級界面。

與之類似， 頻域分析界面如圖 6所示， 圖中（a）為頻域分析主界面， （b）為FFT界面， （c）為功率譜子界面在運行中根據功能鍵指示交替出現在頻域分析主界面的子面板中。首先在上側圖表中顯示所選曲線的P3或P4的時域波形， 在寫入“采樣頻率”為1 000 Hz后， “FFT”和“功率譜”按鍵轉化為可用狀態。分別點擊2個按鍵， 將功能界面再如主界面下的子界面， 其中在“FFT”界面下重點測試了游標旋鈕、極大值顯示兩項功能。此外，對各分析界面所設置“報告生成”加以驗證， 測試表明， 用戶只需給定文件保存路徑和文件名稱，便可實現主要分析結果的一鍵式自動保存。

圖4 時域分析Fig. 4 Interface of analysis in time domain

圖5 時域處理界面Fig. 5 Interface of processing in time domain

執行操作囊括了軟件中所設計的各項功能，將計算或分析的結果與成熟商業軟件進行對比后，得到的結果值得信服， 令人滿意。

2.2 效果評價

隨著動力艙段整體性能的不斷提高， 各分部件在檢測中的表現也變得越來越重要， 能否利用試驗數據有針對性的完成處理， 盡可能多的挖掘深層信息， 已成為評價分析系統的重要依據。

圖6 頻域分析界面Fig. 6 Interface of analysis in frequency domain

基于 LabVIEW 系統開發的數據分析系統， 摒棄了傳統商業分析軟件封閉的底層代碼， 通過圖形化編程工具完成分析系統的自主搭建， 將測試數據和測試需求緊密聯系在一起， 實現了靈活的、可擴展的功能構造。特別是針對動力試驗特點開發的多軸顯示、歸一化、報告生成等功能在一定程度上優化了分析過程， 簡化了操作流程， 提高了數據處理效率。直觀的系統操作界面更是在吸取大量成熟商業軟件的基礎上進一步優化， 使得功能指示明晰， 布局結構合理， 大大便捷了初次操作人員使用。

3 結束語

文中從魚雷動力系統試驗特點出發， 以LabVIEW 2013為開發平臺， 使用MATLAB混合編程技術建立了試驗數據分析系統， 實現了數據日常的分析處理需求， 尤其在時域分析部分結合魚雷動力試驗使用特點， 從多個角度創新系統功能， 更好地滿足了設計目標和工程使用需要。此后又以真實數據為校驗對象， 逐一檢驗系統模塊功能， 證實該系統具備良好的穩定性， 能夠兼顧操作性和分析性能。但與成熟的軟件系統相比，文中所介紹的系統功能仍較為單一， 今后將充分發揮 LabVIEW 系統的可擴展性， 根據需求對該系統進行升級與融合， 進一步提高其可用度。

［1］ 查志武， 史小峰， 錢志博. 魚雷熱動力技術［M］. 北京:國防工業出版社， 2006.

［2］ 王立新 ， 李榮廷 . 基于虛擬儀器LabVIEW的發動機臺架試驗數據采集系統設計［J］. 河北科技大學學報， 2014，35（2）: 109-117. Wang Li-xin， Li Rong-ting. Design of Engine Test-bed Experiment Data Acquisition System Based on Virtual Instrument LabVIEW［J］. Journal of Hebei University of Science and Technology， 2014， 35（2）: 109-117.

［3］ 范鳳英， 李欽蕾， 黎閆， 等. 基于LabVIEW平臺的激光吸收光譜測量系統［J］. 清華大學學報（自然科學版），2014， 54（11）: 1417-1421. Fan Feng-ying， Li Qin-lei， Li Yan， et al. Laser Absorption Spectroscopy Monitoring System Based on LabVIEW［J］. Journal of Tsinghua University（Science and Technology），2014， 54（11） : 1417-1421.

［4］ 李文， 丁娟. 基于 LabVIEW 的電機振動數據分析平臺［J］. 大連交通大學學報， 2010， 31（5）: 75-78. Li Wen， Ding Juan. An Analysis Platform of Motor Vibration Data Based on LabVIEW［J］. Journal of Dalian Jiaotong University， 2010， 31（5）: 75-78.

［5］ 陳松林. 基于LabVIEW的旋翼試驗數據采集及處理系統［D］. 南昌: 南昌航空大學， 2010.

［6］ 王傳英 ， 王杰 ， 崔峰 ， 等．基于LabVIEW的電機噪聲測試系統研究［J］. 大慶師范學院學報， 2013， 33（6）: 38-40.

［7］ 陳濤. 虛擬振動測試分析系統的研究［D］. 天津: 河北工業大學， 2002.

［8］ 儲健 ， 鄒楊． 基于虛擬儀器的數據采集及遠程測控系統研究與設計［J］. 現代科學儀器， 2008（4）: 82-86. Chu Jian， Zou Yang. Study on Data Acquisition System and Long-range Surveillance Base on Virtual Instrument［J］. Modern Scientific Instruments， 2008（4）: 82-86.

［9］ 程琴. 基于LabVIEW的風機性能遠程測試系統的研究［D］. 楊凌: 西北農林科技大學， 2008.

［10］ 張暉， 鄭煒． LabVIEW與MATLAB混合編程的實現［J］.電腦知識與技術， 2015， 15（6）: 4322-4323. Zhang Hui， Zheng Wei. Method of Hybird Programming with LabVIEW and MATLAB［J］. Computer Knowledge and Technology， 2015， 15（6）: 4322-4323.

（責任編輯: 許 妍）

Function Design and Implementation of Power Test Data Analysis
System Based on LabVIEW

GAO Hui-zhong， SUN Tao， CHEN Li-shan， LIU Pei-pei

（The 705 Research Institute， China Shipbuilding Industry Corporation， Xi′an 710077， China）

For torpedo power test， because of complex structure， multiple key parameters and long testing time of the tested object， the analysis of test data demands stricter environment condition. In order to effectively eliminate the disadvantages of general analysis software in dealing with the multi-channel data， a torpedo power test data processing system is compiled， which takes the balance between development cost and efficiency into account. Considering the characteristics of power section test， MATLAB hybrid programming technology is adopted to develop double coordinates and normalized display function in LabVIEW， thus the read effect of multi-channel data is significantly improved. Finally， the system performance is tested by actual test data， and the result shows that the system meets the design and engineering requirements with effectiveness and stability.

torpedo power test； data analysis system； hybrid programming； LabVIEW

TJ630.32；TP311.521

A

1673-1948（2016）04-0283-06

10.11993/j.issn.1673-1948.2016.04.008

2016-05-17；

2016-07-05.

陜西省科技廳工業攻關項目（YFPT-53）、 中國船舶重工集團公司第七 〇五研究所總工程師基金（CX-1507）.

高慧中（1989-）， 男， 主要研究噪聲測試與分析、特征提取方法.