基于虛擬儀器的多通道數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、基于虛擬儀器的多通道數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)來(lái)源： 21IC中國(guó)電子網(wǎng)在以往的測(cè)試系統(tǒng)中，一般采用引線式測(cè)試法實(shí)現(xiàn)信號(hào)的同步采集、顯示與分析，但在武器系統(tǒng)參數(shù)測(cè)試裝置所工作的高溫、高沖擊、高壓的惡劣環(huán)境中，引線式測(cè)試法布線復(fù)雜，干擾大，采集系統(tǒng)與信號(hào)分析系統(tǒng)的實(shí)時(shí)連通極為困難，而且在測(cè)試結(jié)束回收過(guò)程中，一旦系統(tǒng)意外掉電，則測(cè)試數(shù)據(jù)丟失，導(dǎo)致測(cè)試失敗1。引線式測(cè)試法在解決此類(lèi)問(wèn)題時(shí)遇到了功能上的瓶頸。為解決此類(lèi)情況，存儲(chǔ)式測(cè)試法作為一種新的測(cè)試方法被提出，即把數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)分割為兩個(gè)相互獨(dú)立的子系統(tǒng)，測(cè)試時(shí)利用存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)，將傳感器與記錄電路做成一個(gè)整體，直接放到待測(cè)環(huán)境中對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試并存儲(chǔ)。

2、測(cè)試結(jié)束后由專(zhuān)用數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行后期分析與處理2。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使用虛擬儀器對(duì)數(shù)據(jù)分析處理不僅高效準(zhǔn)確，而且很大程度地降低了成本。虛擬儀器技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)。本文中設(shè)計(jì)了一種基于虛擬儀器的低成本、高精度、可擴(kuò)展的多通道數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案     多通道數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。1.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)    本系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)為基于Nandflash技術(shù)的存儲(chǔ)測(cè)試子系統(tǒng)。Nandflash是一種非易失性存儲(chǔ)器，具有體積小、功耗小、讀寫(xiě)速度快等優(yōu)點(diǎn)。本文采用三星公司的Nandf

3、lash芯片K9F4GOSUOA作為主要存儲(chǔ)器件，控制器件使用ATMEL公司的ATmegal62和Xi1inx公司CoolRunner-II系列XC2C256，結(jié)合對(duì)Nandflash的讀、寫(xiě)、擦除等操作進(jìn)行時(shí)序配置。A/D芯片使用Maxim公司的MAX1308。另外為實(shí)現(xiàn)通過(guò)USB總線將數(shù)據(jù)從采集設(shè)備傳送至PC，采用FTDI公司的FT245R芯片作為USB2.0接口控制器。     存儲(chǔ)測(cè)試子系統(tǒng)共分為兩個(gè)模塊：(1)數(shù)據(jù)采集模塊,將采集的高速數(shù)據(jù)流，通過(guò)AVR和CPLD的控制，實(shí)時(shí)地保存到Nandflash中;(2)數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)模塊,將己保存到Nandfla

4、sh中的數(shù)據(jù), 通過(guò)AVR、CPLD和USB專(zhuān)用芯片進(jìn)行控制，經(jīng)由USB總線傳送至PC，以便后續(xù)處理3。1.2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)    LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是一種圖形化的編程語(yǔ)言和開(kāi)發(fā)環(huán)境。系統(tǒng)的軟件部分是以LabVIEW為平臺(tái)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的多通道數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)，其功能主要是對(duì)存儲(chǔ)測(cè)試子系統(tǒng)中存儲(chǔ)的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行后期分析與處理。2 多通道數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)     系統(tǒng)軟件部分主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)讀取存儲(chǔ)的測(cè)試數(shù)據(jù)文件，將數(shù)據(jù)還原成波形，并對(duì)波形進(jìn)行

5、一系列的分析與處理。在功能上由數(shù)據(jù)定點(diǎn)定長(zhǎng)讀取、數(shù)據(jù)波形還原與顯示、波形參數(shù)測(cè)量、濾波處理、頻譜分析與打印組成。2.1 軟件前面板的設(shè)計(jì)    前面板是軟件與用戶間進(jìn)行交流的窗口，通過(guò)這個(gè)友好的界面，用戶根據(jù)規(guī)定的操作規(guī)程，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)軟件的控制，進(jìn)而獲取理想的數(shù)據(jù)結(jié)果。根據(jù)功能需要，前面板上共設(shè)置了數(shù)據(jù)讀取、波形顯示、波形控制、濾波處理、頻譜分析、參數(shù)測(cè)量、打印等窗口或旋鈕。2.2 軟件各模塊的實(shí)現(xiàn)方法 測(cè)量數(shù)據(jù)定點(diǎn)、定長(zhǎng)讀取     測(cè)量數(shù)據(jù)定點(diǎn)、定長(zhǎng)讀取可有效解決單次讀取海量數(shù)據(jù)造成的時(shí)耗過(guò)長(zhǎng)問(wèn)題，還可以在海量數(shù)據(jù)中對(duì)自己感興趣的

6、區(qū)域進(jìn)行快速定位，有選擇地讀取，從而方便了對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)中敏感區(qū)域的分析與處理。該模塊通過(guò)“起始位置”與“讀取點(diǎn)數(shù)”的組合控制操作，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的定點(diǎn)定長(zhǎng)讀取，其程序圖如圖2所示。 測(cè)量數(shù)據(jù)波形還原與顯示     該模塊主要用于還原測(cè)量數(shù)據(jù)的波形，并實(shí)現(xiàn)對(duì)波形的控制。該部分通過(guò)一個(gè)5幀數(shù)字CASE結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了通道A、通道B、通道C、通道D、全選通等5種多通道工作模式。    波形顯示窗口在設(shè)計(jì)過(guò)程中將5個(gè)“波形圖”控件透明化處理后與20×10的背景方格疊加，分別完成游標(biāo)和四通道波形的顯示功能。該設(shè)計(jì)方案解決了以往類(lèi)似軟件中存在的當(dāng)多

7、通道波形同時(shí)顯示時(shí)，不能獨(dú)立控制單通道波形的難題。各通道分別由一組“沿Y軸平移”與“幅基控制”旋鈕控制；而所有通道的“沿X軸平移”與“時(shí)基控制”則由同一組旋鈕控制4。其程序圖如圖3、圖4所示。 波形參數(shù)測(cè)量    該模塊主要用來(lái)測(cè)量波形的基本時(shí)域參數(shù)，主要分為宏觀參數(shù)測(cè)量和游標(biāo)測(cè)量?jī)刹糠?。宏觀測(cè)量是對(duì)讀取的定長(zhǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，獲取其信號(hào)時(shí)域參數(shù)。游標(biāo)測(cè)量可以用來(lái)對(duì)波形中感興趣的點(diǎn)或區(qū)域進(jìn)行測(cè)量，獲得該區(qū)域信號(hào)的時(shí)域參數(shù)5。2.2.4 濾波處理    濾波處理主要用來(lái)對(duì)讀取的定長(zhǎng)數(shù)據(jù)波形進(jìn)行濾波操作。該部分調(diào)用了LabVIEW中的Butt

8、erworth濾波器、Chebshev濾波器、反Chebshev濾波器、橢圓濾波器、貝塞爾濾波器等函數(shù)單元，實(shí)現(xiàn)了低通濾波、高通濾波、帶通濾波、帶阻濾波等4種濾波功能，通過(guò)設(shè)置高截止頻率、低截止頻率、階數(shù)和衰減等參數(shù)達(dá)到濾波目的。2.2.5 頻譜分析    根據(jù)“海森堡原理”，對(duì)數(shù)據(jù)中某一段敏感區(qū)域進(jìn)行頻譜分析可有效解決對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析時(shí)有效信息不能準(zhǔn)確獲取的問(wèn)題。該模塊主要用到函數(shù)庫(kù)中的FFT變換，獲取信號(hào)的單邊幅度譜，并把結(jié)果顯示在指定顯示窗口6。2.2.6 打印    打印是一種非常重要的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式。該部分通過(guò)調(diào)用“添加

9、報(bào)表文本”等控件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)圖表及參數(shù)等信息的打印。3 運(yùn)行結(jié)果與分析     系統(tǒng)構(gòu)建完成以后，為驗(yàn)證系統(tǒng)能夠正常工作以及性能的優(yōu)劣，組織實(shí)驗(yàn)，并通過(guò)存儲(chǔ)測(cè)試子系統(tǒng)采集了一組正弦波信號(hào)數(shù)據(jù)，其參數(shù)如表1所示。3.1 波形顯示    打開(kāi)程序后，將正弦波的測(cè)試數(shù)據(jù)文件存儲(chǔ)地址輸入四個(gè)通道的地址欄中，分別調(diào)整各控制旋鈕，得到各通道同時(shí)顯示（即全選通）時(shí)圖形,如圖5所示。經(jīng)比對(duì)發(fā)現(xiàn)，軟件能夠?qū)y(cè)量數(shù)據(jù)無(wú)失真還原，并實(shí)現(xiàn)了四通道波形同時(shí)顯示、分別控制的功能。與以往類(lèi)似軟件相比，該模塊能更方便、更直觀地完成波形的比較。3.2 波形參數(shù)測(cè)量

10、60;    經(jīng)多次對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分段讀取測(cè)量，將測(cè)量結(jié)果與信號(hào)本身參數(shù)進(jìn)行比對(duì)如表2所示。     由表2可知，無(wú)論是游標(biāo)測(cè)量還是宏觀測(cè)量所得的結(jié)果與原信號(hào)參數(shù)相比誤差都比較小，該模塊能夠正確測(cè)量波形參數(shù)。3.3 濾波處理    為驗(yàn)證系統(tǒng)的濾波功能，事先將頻率為50 kHz，幅值為1 V的鋸齒波疊加到正弦波信號(hào)中，其混合后波形如圖6所示。設(shè)置濾波器參數(shù)為：拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為Butterworth濾波器，濾波器類(lèi)型為低通濾波器，截止頻率為0.1(歸一化頻率,為20 kHz)，階數(shù)為2。運(yùn)行濾波處理功能模塊，得到濾波后波形如圖

11、7所示。鋸齒波頻率為50 kHz，正弦波頻率為10 kHz，當(dāng)濾波器類(lèi)型為低通、截止頻率為20 kHz時(shí)，濾波器成功將鋸齒波濾除獲取到正弦波圖形。3.4 頻譜分析     在測(cè)量數(shù)據(jù)中從第1 000點(diǎn)開(kāi)始讀取1 024個(gè)點(diǎn)進(jìn)行頻譜分析，得到的頻譜圖形如圖8所示。從信號(hào)的單邊幅度譜可以看出，信號(hào)的功率大部分集中在10 kHz的頻率點(diǎn)上，與事實(shí)相符，而且泄漏與旁瓣較少，信噪比也符合工程需求。     本文設(shè)計(jì)了基于虛擬儀器的多通道數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，配合存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)，能夠方便、可靠地實(shí)現(xiàn)對(duì)武器系統(tǒng)參數(shù)的測(cè)試，充分發(fā)揮存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)所具有的無(wú)需引線、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，是解決高溫、高沖擊、高壓環(huán)境下參數(shù)測(cè)試的先進(jìn)手段，有很好的推廣應(yīng)用前景。參考文獻(xiàn)1 張立.信息存儲(chǔ)技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展J.信息記錄材料, 2006,5(7):47-54.2 馬鐵華,祖靜.沖擊波超壓存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)研究J.儀器儀表學(xué)報(bào)，2004，25(4):134-135.3 杜建海.基于Nandflash陣列的高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)D.太原：中北大學(xué), 2010:4-26.