基于虚拟仪器的数据处理软件平台设计

时间：2024-08-31

王文玺

（中北大学光电厂，中国太原 030051）

0 引言

在军工生产、飞行器研制过程中都离不开先进的测试技术。各项动态参数是这些武器测试过程中的重要指标。随着测试精度越来越高、测试环境越来越复杂，这就对综合测试技术及保障系统提出了更高的要求。作为一种有效的测试手段—存储测试技术应运而生[1]。存储测试是指在对被测对象无影响或影响在容许范围的条件下，在被测体内置入微型数据采集与存储测试仪，现场实时完成信息的快速采集与记忆，事后回收记录仪，由计算机处理和再现测试信息的一种动态测试技术[2]。本文即是针对此种存储测试技术中的数据处理平台的设计。

1 系统总体流程

系统整体方案工作流程图如图1所示。其工作流程为：启动程序后进入程序设计主界面，完成数据的采集、存储后进入本设计要完成的数据分析处理系统。本文主要完成系统数据滤波、频谱分析、以及峰峰值、均方根、正峰值等各种参数的测试和测量。

图1 系统整体方案工作流程图

2 数据滤波模块的设计

2.1 数字滤波器的选用

滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定的频率成分通过，而极大地衰减其他频率成分。在测试装置中，利用滤波器的这种选项作用，可以滤除干扰噪声或进行频谱分析。同样，在测试VI中，也可以利用L提供的滤波器VI对信号进行去噪或提取特定频率信号。

按处理信号的性质来分，有模拟滤波器和数字滤波器两大类，在虚拟仪器软件中使用数字滤波器。其中，数字滤波器又分为有限冲击响应滤波器（FIR）和无限冲击响应滤波器（IIR），前者有较平坦的辐频特性，而后者可以实现相位不失真。工程上常用的有巴特沃兹（Butterworth）、切比雪夫(Chebyshev)、贝塞尔(Bessel)等数字滤波器[4]。数字滤波器以数值计算的方法来实现对离散化信号的处理，与模拟滤波器相比，具有精度高稳定性好灵活处理功能强的特点[5]。

2.2 具体设计

(1)框图程序

本设计利用G语言编程设计产生的数字滤波器对信号进行滤波，将无用的噪声干扰滤除。实验中，选用了信号采样频率，选用无限冲击响应滤波器的Butterworth滤波器滤波类型为低通滤波，设置其阶数为2，低截止频率。数据滤波模块的框图程序如图2前半部分,程序中主要用到基本函数发生器函数Basic Function Generator.vi以及Butterworth滤波器函数 Butterworth filter.vi.

（2）前面板及实验结果

前面板如图3所示,主要由原始三角波信号（带噪声干扰）时域图,滤波信号时域图以及相关参数

图2 数据滤波和频谱分析模块的框图程序

图3 数据滤波模块的前面板图

构成，从实验结果可以看出：

①滤波信号与原始三角波信号相比，达到了滤除噪声干扰的目的。

②从显示界面可以看出选用的六赫兹三角波信号对应的出现了6个周期的三角波形。

③我们选用的6Hz三角波信号满足内奎斯特定理：最高信号稳定频率小于等于采样频率的一半。即 :6Hz＜500kHz。

④我们使用的Butterworth滤波器的低截至频率Fl满足不等式：0≤Fl＜0.5Fs,即0＜30kHz＜500kHz。

3 频谱模块的设计

3.1 傅里叶变换的引入

尽管采集到的信号是一个时域波形，但是由于时域分析工具较少，所以往往需要将其转换到频域来进行分析处理。两者分别从不同侧面对同一个信号的物理特性进行探知，两者之间必有密切的内在关系。

傅里叶变换是信号处理和数据处理中的一个重要的分析工具，其意义在于将时域与频域信号联系起来。频域分析将复杂的信号分解为各个单一频率成分，因此一些在时域中难以分析的信号，在频域中它的特征可以看得一目了然[7]。所以频域分析对那些微弱但又有重要作用的信号提供了相应的分析工具。计算机只能对离散序列进行处理，在数字系统中，将采样信号由时域变化到频域的算法是著名的离散傅里叶变换（DFT），DFT建立了时域中的信号采样与其频域表示法之间的关系。但是由于DFT运算工作量太大，费时，在许多应用场合，普遍应用快速傅里叶变换（FFT）。FFT是DFT的一种简化快速算法[8]。

3.2 具体设计

（1）框图程序

框图程序如图3中的后半部分，框图程序中的主要函数作用如下：Real FFT.vi（实数快速傅里叶变换）：用于计算输入数据的FFT，将时域信号转换为频域信号。输入为实数数组，输出为复数数组。Array Size函数：用于根据采样点数N对FFT输出的结果进行处理。将FFT输出除以N，可获得正确的频率幅度信息。Complex to Polar.vi:将输入数据从复数坐标系转换到极坐标系。此例将FFT输出分解为实部和虚部（幅值和相位）相位的单位是弧度，这里只需显示FFT的幅值。

（2）前面板及实验结果

前面板如图4所示,图4中左侧周期平均、周期均方根、峰峰值等参数为分析周期信号幅值特征值，本设计中利用了Labview库中的自带函数amplitude and level measurements.vi.求得。

图4.1 频谱分析模块的前面板图

频谱分析模块实验结果分析和说明如下：①从该前面板中可以看出，原始频谱为有噪声干扰的三角波频谱，滤波频谱为无噪声干扰的三角波频谱。②从时域三角波信号得到频域信号，需要经过傅里叶变换；由频域信号得到时域信号，则经过反傅里叶变换。③此例中，三角波信号是满足一般周期信号频谱的共同点，即频谱具有离散性。