《電子技術(shù)應(yīng)用》
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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:電子技術(shù)應(yīng)用2011年第4期
張敬帥1, 張丕狀1,, 白雪萍2
1. 中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,,山西 太原 030051; 2. 中北大學(xué) 電子與計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)學(xué)院,山西 太原 030051
摘要: 針對(duì)采用引線式測(cè)試法進(jìn)行武器系統(tǒng)參數(shù)測(cè)試時(shí)存在的布線困難,、干擾大的問(wèn)題,,提出了基于NandFlash技術(shù)的存儲(chǔ)式測(cè)試法,并以LabVIEW為平臺(tái)設(shè)計(jì)開發(fā)了用于數(shù)據(jù)后期分析處理的多通道數(shù)據(jù)分析系統(tǒng),,該系統(tǒng)由多通道波形顯示,、波形參數(shù)測(cè)量、濾波處理和頻譜分析,、波形打印等模塊組成,。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該系統(tǒng)能夠高效,、低誤差地完成測(cè)試數(shù)據(jù)的分析與處理,,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)高溫、高沖擊,、高壓惡劣環(huán)境的存儲(chǔ)式測(cè)試,。
中圖分類號(hào): TP274.2
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào): 0258-7998(2011)04-0074-03
Design of multi-channel data process system based on virtual instrument technology
Zhang Jingshuai1, Zhang Pizhuang1, Bai Xueping2
1. Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement Ministry of Education, North University of China, Taiyuan 030051, China; 2. School of Electronics and Computer Science and Technology, North University of China, Taiyuan 030051, China
Abstract: When using the wired testing method to get the parameter of weapon system, there existing such problems like hard for routing, large disturbance. So presenting the storage testing method based on NandFlash, and designed the multi-channel data process system for data’s posted processing base on LabVIEW. The system consisted multi-channel waves’ display, wave parameter testing, filtering processing and spectrum analysis, wave printing and so on. The system has a series of advantages like flexible functions and reliable performances. The result of the test indicated that the system accomplished the data’s analysis and processing by low-error and efficiently, and then it can also accomplish the storage test for the unfavorable conditions of high-temperature, high impact and high pressure.
Key words : storage testing; multi-channel; data analysis; virtual instruments


    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)試法在解決此類問(wèn)題時(shí)遇到了功能上的瓶頸,。為解決此類情況,,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),。測(cè)試結(jié)束后由專用數(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,、讀寫速度快等優(yōu)點(diǎn)。本文采用三星公司的Nandflash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,、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Nandflash中的數(shù)據(jù), 通過(guò)AVR,、CPLD和USB專用芯片進(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)言和開發(fā)環(huán)境,。系統(tǒng)的軟件部分是以LabVIEW為平臺(tái)開發(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
2.2.1 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,。

2.2.2 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)方案解決了以往類似軟件中存在的當(dāng)多通道波形同時(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,。

2.2.3 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)刹糠帧:暧^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Butterworth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
    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,。
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