虛擬儀器技術(shù)在測(cè)試領(lǐng)域中的應(yīng)用

虛擬儀器技術(shù)在測(cè)試領(lǐng)域中的應(yīng)用

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬儀器技術(shù)在測(cè)試領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。與傳統(tǒng)儀器不同，虛擬儀器(VirtualInstruments,VI)則是由用戶定義功能，它是一種由計(jì)算機(jī)操縱的模塊化儀器系統(tǒng)。虛擬儀器是應(yīng)用于通用計(jì)算機(jī)上的一種軟件與硬件的組合，它以通用計(jì)算機(jī)和配備標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字接口的測(cè)量?jī)x器(GPIB,RS-232,VXI等)為基礎(chǔ)，直接利用計(jì)算機(jī)豐富的硬件（如：微處理器，存儲(chǔ)器，顯示器）和軟件（如：軟面板，圖形界面，數(shù)據(jù)處理，信息交換等）資源，將計(jì)算機(jī)和測(cè)量組件等硬件資源與計(jì)算機(jī)軟件資源有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，用顯示及文件管理等智能化功能，把傳統(tǒng)儀器的專業(yè)化功能軟件化，使之與計(jì)算機(jī)融為一體，構(gòu)成一臺(tái)從外觀到功能都完全與傳統(tǒng)硬件儀器相同，同時(shí)又充分享用了計(jì)算機(jī)智能資源的全新的儀器系統(tǒng)。LabVIEW(LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench）是美國(guó)國(guó)家儀器公司（NI）的創(chuàng)新產(chǎn)品，是目前國(guó)際上進(jìn)行虛擬儀器開發(fā)的一個(gè)最佳平臺(tái)，是新一代測(cè)試系統(tǒng)的核心。相關(guān)函數(shù)可以用相關(guān)測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)量，但價(jià)格較高。所以，基于LabVIEW平臺(tái)提出新的軟件算法，將成熟的軟件算法的應(yīng)用到測(cè)試領(lǐng)域中就具有非常重要的意義。（一）移前后之間的相關(guān)關(guān)系在測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域，相關(guān)是個(gè)非常重要的概念。相關(guān)是指兩個(gè)變量之間的線性關(guān)系。相關(guān)分析是分析兩個(gè)信號(hào)或一個(gè)信號(hào)在一定時(shí)移前后之間關(guān)系的重要工具。兩個(gè)隨機(jī)變量x和y之間的相關(guān)程度常用相關(guān)系數(shù)ρxy來(lái)描述:式中σxy是隨機(jī)變量x、y的協(xié)方差,μx、μy是隨機(jī)變量x、y的均值,σx、σy是隨機(jī)變量x、y的標(biāo)準(zhǔn)差.當(dāng)ρ|xy|<1時(shí),兩變量x、y之間的相關(guān)程度取決于ρxy的大小;當(dāng)ρxy=±1時(shí),兩變量是理想的線性相關(guān);當(dāng)ρxy=0時(shí),兩變量完全無(wú)關(guān)。1.進(jìn)行自相關(guān)函數(shù)生成的問(wèn)題x(t)的自相關(guān)函數(shù)Rx(τ)定義為信號(hào)x(t)與做τ時(shí)移后的信號(hào)x(t+τ)乘積后再作積分平均運(yùn)算,即:E[x(t)x(t+τ)]為乘積的數(shù)學(xué)期望并且有：Rx(τ=)0=ψ2=σ2+m2=Rx(0)即τ=0時(shí)的自相關(guān)值為自相關(guān)函數(shù)的最大值，且等于均方值。設(shè)已知一個(gè)正弦函數(shù)信號(hào)x(t)=Asin(ωt+?)，該正弦波的周期為T=2πω，則運(yùn)用式（2）可得x(t)的自相關(guān)函數(shù)：式(5)表明，正弦函數(shù)波的自相關(guān)函數(shù)是與初相位無(wú)關(guān)的余弦函數(shù)。余弦函數(shù)的周期與正弦函數(shù)波的周期相同。周期信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)仍然是同頻率的周期信號(hào)，但不保留原信號(hào)的相位信息。2.個(gè)不同時(shí)段的相關(guān)程度兩個(gè)信號(hào)x(t)和y(t)的互相關(guān)函數(shù)定義式為它描述了兩個(gè)不同的隨機(jī)信號(hào)在間隔τ的兩個(gè)不同時(shí)刻的相關(guān)程度。時(shí)移為τ的兩信號(hào)x(t)和y(t)的互相關(guān)系數(shù)為：由式(6)可得x(t)和y(t)的互相關(guān)函數(shù)，式中T為信號(hào)周期。τ=0時(shí)，由三角函數(shù)的正交性可知，式(8)表明，兩周期信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)仍然是同頻率的周期信號(hào)，且保留原了信號(hào)的相位信息。（二）信號(hào)分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)根據(jù)自相關(guān)、互相關(guān)函數(shù)的特性的分析,它們不僅可以用于信號(hào)分析處理，而且可以作為基于虛擬儀器的軟件算法在相位差測(cè)量等方面取得很好的應(yīng)用。為進(jìn)行信號(hào)的相關(guān)分析，需要產(chǎn)生被檢測(cè)信號(hào)。本系統(tǒng)利用虛擬儀器本身提供的仿真信號(hào)進(jìn)行分析。相關(guān)分析的功能由LabVIEW中的時(shí)域分析模板提供。時(shí)域分析模板位于Functions>Analyze>SignalProcessing>TimeDomain>中，分別調(diào)用AutoCorrelation和CrossCorrelation函數(shù)進(jìn)行離散序列的自相關(guān)和互相關(guān)函數(shù)計(jì)算。1.電子線路連接在實(shí)際測(cè)量中，只能得到信號(hào)x(t)的N個(gè)采樣值，所以將連續(xù)時(shí)間信號(hào)x(t)用等時(shí)間間隔△t采樣取值，則時(shí)間t=n△t，時(shí)延τ=m△t(m=0,1,2,…N-1)，得信號(hào)x(t)的離散時(shí)間序列x(n△t)。當(dāng)τ=0時(shí)，有自相關(guān)函數(shù)估計(jì)值的離散時(shí)間表達(dá)式如下：通過(guò)調(diào)用LabVIEW中Functions>SignalProcessing>TimeDomain>AutoCorrelation.vi子模板來(lái)實(shí)現(xiàn)式(9)的算法。正弦信號(hào)自相關(guān)分析框圖程序如圖1所示。由于信號(hào)分析要求循環(huán)進(jìn)行,而整個(gè)過(guò)程都希望是人機(jī)交互的,因此,在后面板的程序設(shè)計(jì)中采用While循環(huán)結(jié)構(gòu)。主程序框圖里采用一個(gè)正弦信號(hào)源(functions>allfunctions>analyze>signalgeneration>sinewaveform.vi)來(lái)產(chǎn)生正弦電壓,用到了Cluster子模板上的Bundle圖標(biāo),目的是把圖形橫軸的起點(diǎn)、橫軸分度值以及自相關(guān)函數(shù)值組合成一個(gè)整體?！癇undle”>C>C>C>C`EC`EC`EC`ECà<C>C`CCCCCECECECEC5Cà<C4C`ECà<C4C>CCECECECECCCàNCEC@WC@WC5C4C4CàNCàNCECECEC>CàNCEC>C>CCECEC>C>C>C>CECECECC`ECEC`EC`ECECEC圖標(biāo)有三個(gè)輸入量:其一是橫軸起點(diǎn);其二是橫軸的分度值,它由采樣頻率的倒數(shù),即采樣間隔來(lái)決定;其三是要顯示的自相關(guān)函數(shù)值,即縱坐標(biāo)值。經(jīng)過(guò)這樣的設(shè)置之后,Graph圖標(biāo)的屬性就由Bundle圖標(biāo)的輸入?yún)?shù)來(lái)設(shè)定,并且橫坐標(biāo)單位由原來(lái)的采樣點(diǎn)數(shù)變?yōu)闀r(shí)間。正弦信號(hào)自相關(guān)分析前面板如圖2所示。用戶可以通過(guò)前面板很方便地進(jìn)行參數(shù)設(shè)置：被測(cè)正弦信號(hào)的幅度、頻率以及采樣點(diǎn)數(shù)和采樣頻率。系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下：幅度設(shè)為1,頻率為5Hz采樣頻率設(shè)定為40Hz，采樣點(diǎn)數(shù)設(shè)定為400。由于在LabVIEW中用自相關(guān)函數(shù)子模板在求自相關(guān)函數(shù)時(shí)，將其所截取的那一段信號(hào)之外的部分認(rèn)為是零值，因此，用AutoCorrelation.vi子模版求得的自相關(guān)函數(shù)曲線是一條等周期振幅衰減的曲線。由圖2可以很明顯觀察到正弦函數(shù)的自相關(guān)函數(shù)是與初相位無(wú)關(guān)的余弦函數(shù)。余弦函數(shù)的周期與正弦函數(shù)波的周期相同。周期信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)仍然是同頻率的周期信號(hào)，但不保留原信號(hào)的相位信息，并且在τ=0時(shí)的自相關(guān)值為自相關(guān)函數(shù)的最大值。2.信號(hào)分析框圖程序?qū)⑦B續(xù)時(shí)間信號(hào)x(t)和y(t)用等時(shí)間間隔采樣，得到離散時(shí)間序列x(i△t)和y(i△t)，簡(jiǎn)寫為x(i)和y(i)，其中i=0,1,2,…N-1;k=0,1,2,…n-1；τ=k△t;當(dāng)n<<N時(shí)，有互相關(guān)函數(shù)的離散時(shí)間表達(dá)式：通過(guò)調(diào)用LabVIEW中Functions>SignalProcessing>TimeDomain>CrossCorrelation.vi子模板來(lái)實(shí)現(xiàn)式（10）的算法。兩個(gè)正弦信號(hào)互相關(guān)分析框圖程序如圖3所示。由于信號(hào)分析要求循環(huán)進(jìn)行，所以在后面板的程序設(shè)計(jì)中采用While循環(huán)結(jié)構(gòu)。主程序框圖里采用兩個(gè)正弦信號(hào)源（functions>allfunctions>analyze>signalgeneration>sinewaveform.vi），由于sinewaveform.vi使用的是數(shù)字頻率，因此必須將模擬信號(hào)頻率轉(zhuǎn)化為數(shù)字頻率，轉(zhuǎn)化過(guò)程遵循奈奎斯特頻率即可。波形數(shù)據(jù)以簇的形式給出，包括起始時(shí)間t0、采樣時(shí)間間隔dt和一個(gè)由采樣數(shù)據(jù)構(gòu)成的數(shù)組。兩個(gè)正弦信號(hào)互相關(guān)分析框圖程序如圖4所示。用戶可以通過(guò)前面板很方便地進(jìn)行參數(shù)設(shè)置：被測(cè)正弦信號(hào)1的幅度、頻率10Hz和初始相位為45，正弦信號(hào)2頻率10Hz和初始相位為0，兩正弦信號(hào)的幅度均設(shè)為常數(shù)1，以及采樣點(diǎn)數(shù)100和采樣頻率200。通過(guò)時(shí)標(biāo)控件可以方便調(diào)整原信號(hào)的橫軸范圍。由圖4可以明顯看出，兩周期信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)仍然是同頻率的周期信號(hào)，且保留原了信號(hào)的相位信息。如果改變兩個(gè)正弦信號(hào)的頻率為不同頻率，會(huì)觀測(cè)到兩個(gè)非同頻率的周期信號(hào)互不相關(guān)。（三）周期信號(hào)檢測(cè)由式（2）可知，如果信號(hào)中有周期成分，則其自相關(guān)函數(shù)在τ很大時(shí)都不衰減，并具有明顯的周期性。而不含周期成分的隨機(jī)信號(hào)在τ稍大時(shí)自相關(guān)函數(shù)就趨近為零。設(shè)信號(hào)由一個(gè)正弦波和均勻白噪聲疊加而成,幅度均為1，正弦波頻率為2Hz。周期信號(hào)檢測(cè)后面板框圖程序如框圖5所示。根據(jù)運(yùn)行周期信號(hào)檢測(cè)前面板（如框圖6所示）的所示結(jié)果，可以明顯地看出，自相關(guān)函數(shù)在τ很大時(shí)都