（光学工程专业论文）基于labview的嵌入式光电信号处理仪器设计.pdf

福建师范大学工学硕士学位论文 发过程中过多关注系统人机交互界面设计的时间和精力，可以使得开发者更多关注 系统信号处理算法的设计和实现。 关键词：嵌入式，小波阂值去噪，l a b v i e wt o u c hp a n e l 模块，l a b v i e w 移植 技术 + i i 飞 ，沙 a b s t r a c t a b s t r a c t d a t aa c q u i s i t i o na n ds i g n a l p r o c e s s i n gt e c h n o l o g yi s a l li m p o r t a n tb r a n c ho f i n f o r m a t i o ns c i e n c e ，w h i c hs t u d i e st h es i g n a lp r o c e s s i n gs u c ha sd a t aa c q u i s i t i o n , s t o r a g e ， p r o c e s s i n ga n dc o n t r o lo p e r a t i o n s ，i sw i d e l yu s e di nr a d a r , c o m m u n i c a t i o n s ，a c o u s t i c s ， r e m o t es e n s i n g ，g e o l o g i c a le x p l o r a t i o n , v i b r a t i o ne n g i n e e r i n g ，n o n d e s t r u c t i v et e s t i n g ， v o i c ep r o c e s s i n g ，i n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t s ，i n d u s t r i a la u t o m a t i o na n do p t i c a le n g i n e e r i n g a n db i o m e d i c a le n g i n e e r i n g t h er e s e a r c hs t a t u so ft h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a ld a t aa c q u i s i t i o na n ds i g n a l p r o c e s s i n ge q u i p m e n tr & dt e c h n i c a lw e r es u m m m z e d ，a n dt h e n t h ec a ) m l n o n d e v e l o p e dm e t h o d s o fp o r t a b l et e r m i n a la p p a r a t u sa n ds i pp r o c e s s i n ga n dt h e a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fw a v e l e tt h r e s h o l dd e n o i s i n g a l g o r i t h mo fs i g n a l p r o c e s s i n gw e r ea n a l y z e d t h es i g n a lp r o c e s s i n gs y s t e m ，w h i c hp o s s e s s e st h ef u n c t i o no f s i pa c q u i s i t i o n ，f i l t e r i n gp r o c e s s i n g , s i g n a ls t o r a g e , d i s p l a y i n ga n ds oo n , w a s c o n s t r u c t e di nt h ev i r t u a li n s t r u m e n tl a b v i e wp l a t f o r m a tl a s t ，t h es i g n a lp r o c e s s i n g s y s t e mw a sa c h i e v e db a s e do nt h ea r m 9h a r d w a r ep l a t f o r m s ，w h i c hr e a l i z et h ed e s i g n a n da p p l i c a t i o n so fp o r t a b l ed a t aa c q u i s i t i o ni n s t r u m e n t t h es i g n a lp r o c e s s i n gs y s t e m r a p i d l yi m p l e m e n t e ds e v e r a le x i s t i n gw a v e l e tt h r e s h o l dd e n o i s i n ga l g o r i t h mb a s e do n l a b v i e wt e c h n o l o g y , a n dt h e nan e wi n s t r u m e md e s i g na n di m p l e m e n t i o nm e t h o d sw a s p r o p o s e d ，w h i c hc o m b i n et h ea d v a n t a g e so fl a b v i e wt e c h n o l o g ya n de m b e d d e dd e s i g n t e c h n o l o g y f i r s t l y , a c c o r d i n gt ot h et r a d i t i o n a lm e t h o do fw a v e l e th a r d - t h r e s h o l do rw a v e l e t s o f t - t h r e s h o l dd e n o i s i n gp r o p o s e db yd o n h oa n db a s e do nt h ef a c t ss u c ha sp e a ks t r e n g t h a n dp e a kl o c a t i o na r em o s tc o n e e m e di nt h ep r o c e s so fs p e c t r a ls i g n a la n a l y s i s ，an e w t h r e s h o l df u n c t i o nw a sg i v e n t h ed r a w b a c k so f u s i n gw a v e l e th a r d - t h r e s h o l dd e n o i s i n g a n ds o r - t h r e s h o l dd e n o i s i n gm e t h o d sw i l lb eo v e r c o m eb ya p p l i c a t i o no ft h en e w t h r e s h o l df u n c t i o n a n di tc a nw e l ls a v et h e c h a r a c t e r i s t i c so fp e a ks i g n a le i t h e r m o r e o v e r , i t sf l e x i b l ei na d j u s t i n gt h et h r e s h o l df u n c t i o nt r e n dt h r o u g hc h a n g i n gt h e p a r a m e t e r s aa n db t h i st h r e s h o l df u n c t i o nw a sr e a l i z e db yl a b v i e w , a n dt h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h ef e a s i b i l i t ya n ds u p e r i o r i t yo ft h en e wa l g o r i t h mw i t h h i g h e rs n r a n dl e s sm e a ns q u a r ee r r o r i i i 福建师范大学工学硕士学位论文 _ i l - - - - - _ l - i i - l i - - - _ _ - l _ - - _ _ i l _ - 一ii i _ _ i l - _ _ - - _ l _ _ - _ _ _ - i i _ _ l - _ _ - _ l _ _ - _ _ _ - _ _ - _ - _ l - _ s e c o n d l y , t h ei n t e r n a t i o n a ld e v e l o p m e n to fd a t aa c q u i s i t i o na n ds i g n a lp r o c e s s i n g i n s t r u m e n ti s i n t e g r a t i n g v i r t u a li n s t r u m e n t t e c h n o l o g y , e m b e d d e dt e c h n o l o g ya n d n e t w o r kt e c h n o l o g y , a n dp r o p o s es o m er e q u e s t sa b o u tp r o c e s s i n gs y s t e mm i n i a t u r i z a t i o n a n dp o r t a b i l i t y h o w e v e r , t h ec u r r e n t d o m e s t i cr & dm e t h o d so ft h es i g n a lp r o c e s s i n g e q u i p m e n tw e r eb a s e do nl a b v i e wt e c h n o l o g yo fp co rb a s e do ne m b e d d e ds y s t e m t e c h n o l o g yi n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t a t i o n t h e p a p e ra n a l y z e s t h e a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e so ft h ec u r r e n td e s i g nm e t h o d su s e da n dp r o p o s e dc o m b i n i n gl a b v i e w g r a p h i c a ld e s i g nm e t h o da n dt h ea d v a n t a g e so fe m b e d d e ds y s t e m sr e s e a r c hb a s e do n w a v e l e tt h r e s h o l dd e n o i s i n ga l g o r i t h ms i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , a n db u i l da p o r t a b l e o p t i c a ls i g n a la c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n ge q u i p m e n t t h i r d l y , t h ep a p e ra n a l y s i st h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fs e v e r a lp r o d u c t s b a s e do nl a b v i e we m b e d d e dt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n tp r o g r a m ，a n dt h ef e a s i b i l i t yo f p r o g r a m a n da l s op r o p o s e dan e wm e t h o dt od e s i g nt h es i g n a lp r o c e s s i n gs y s t e mb a s e d o nl a b v i e wt o u c hp a n e la n dw i n d o w sc eo p e r a t i o n s y s t e m ，w h i c hc a nm a k e d e v e l o p e r sp a ym o r ea t t e n t i o nt ot h ed e s i g no fs i g n a lp r o c e s s i n ga l g o r i t h m sa n d i m p l e m e n t a t i o nr a t h e rt h a nh m id e s i g nb a s e do nt r a d i t i o n a ld e v e l o p m e n tm e t h o d k e y w o r d s ：e m b e d d e d ，w a v e l e tt h r e s h o l dd e n o i s i n g ，l a b v i e wt o u c hp a n e lm o d u l e ， t h ep o r t i n gt e c h n o l o g yo fl a b v i e w i v r ， 中 吣 、 膏 k 缔 “ 中文文摘 中文文摘 数据采集和信号处理技术是信息科学的一个重要分支，它研究信息数据的采集、 存储、处理以及控制等作业，广泛应用于雷达、通信、水声、遥感、地质勘探、震 动工程、无损检测、语声处理、智能仪器、工业自动控制以及光学工程和生物医学 工程等领域。 虚拟仪器技术( v i r t u a li n s t r u m e n t i o n ，简称v 1 ) 是仪器技术与计算机、电子 技术结合的产物，它是全新概念的仪器，是对传统仪器概念的重大突破。它的出现 使测量仪器与计算机之间的界限消失，开始了测量仪器的新时代，是仪器领域的一 次革命，是目前仪器发展的一个重要方向。它们结合方式有两种，一种是将计算机 装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。随着计算机功能的日益强大 以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式 系统的仪器。另一种方式是将仪器装入计算机。以通用的计算机硬件及操作系 统为依托，实现各种仪器功能。从某种意义上来说，“软件就是仪器”。 l a b v ie w ( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ) 是一 种图形化的编程语言的开发环境，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所 接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。使用这种语言编程时，基本 上不写程序代码，取而代之的是流程图或框图。它尽可能利用了技术人员、科 学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念，因此，l a b v i e w 是个面向最终 用户的工具。它可以增强开发者构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实 现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。使用它进行原理研究、设计、测试并 实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。 因此，如何采用虚拟仪器技术开发嵌入式信号处理终端是本论文主要研究 的内容。 绪论阐述信号采集和信号处理技术在工业控制、光学工程、生物医学工 程等领域中的重要作用。通过举例说明国内外信号采集和信号处理仪器研究动 态、研究方向，并提出本文的主要研究工作及成果特色与创新。 第一章重点分析了虚拟仪器技术的特点和发展，并详细介绍了虚拟仪器 设计平台中最常用的一种图形化编程技术l a b v i e w 的组成及其特点。 v 福建师范大学工学硕士学位论文 第二章详细讨论了本系统总体架构，从硬件和软件角度分析其组成部分， 选择合适的硬件平台和设计合理的软件界面和功能分区。 第三章详细阐述小波阈值去噪算法，分析其优缺点，并针对本系统提出 一种基于a ，b 可变阈值去噪算法。同时，对w i n d o w sc e 环境下u s b 设备 驱动开发原理进行了详细的介绍，大大简化驱动程序开发的过程。 第四章详细阐述了嵌入式信号采集与处理系统软件的设计过程。主要内 容包括： ( 1 ) 采集信号读取实现根据w i n d o w sc e 环境下u s b 设备设计原理， 利用w i n d o w sc e 环境下的开发工具p l a t f o r mb u i l d e r ( 简称p b ) 开发u s b 设备驱动，使得微型光谱仪采集信号能够在信号处理系统中读取，进一步做处 理。 ( 2 ) 小波阈值去噪算法实现根据小波阈值去噪算法的特点，结合 l a b v i e w 技术实现硬阈值函数、软阈值函数和本项目中使用到的基于a 、b 可 变阈值函数的程序框图。 ( 3 ) 信号存储功能实现使用l a b v l e w 技术可以根据需要将加噪信号和 未加噪信号进行存储处理。 第五章详细介绍l a b v i e w 嵌入式开发将技术，及其环境配置和开发流 程。选择a r m 9 ( s a m s u n g $ 3 c 2 4 4 0 ) 平台和w i n d o w sc e 操作系统，分析 几种可行的设计方案优缺点，并详细描述采用l a b v l e wt o u c hp a n e l 做为开 发核心工具的开发过程，最后对其编译、移植过程可能遇到的问题进一步阐述。 第六章对本文进行概括性总结，不但介绍了所取得的成果，而且还给出 了今后需要进一步努力的方向。 v i t 膏 0 、 q 急 目录 中文摘要 a b s t r a c t 目录 i 中文文摘。v 目录。 绪论。 第一节 第二节 第三节 第一章 第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第二章 第一节 第二节 第三节 第四节 第三章 第一节 第二节 第三节 第四章 第一节 第二节 第三节 课题背景。1 课题来源、意义及可行性。6 论文内容与创新点一6 - 虚拟仪器技术。- 9 - 虚拟仪器的概念及发展一9 一 虚拟仪器的组成及特点。一1 0 - l a b v i e w 简介。一1 5 一 l a b v i e w 的组成及特点。一1 5 - 本章小结。- 1 7 一 仪器的总体设计- 1 9 - 仪器的基本构成一2 0 - 仪器硬件系统的基本构成。一2 l - 仪器软件系统的基本构成。- 2 4 - 本章小结：- 2 6 - 信号采集与处理模块设计原理2 7 - 小波去噪技术的基本原理。- 2 7 - 微型光谱仪u s b 接口驱动设计的基本原理- 3 0 一 本章小结- 3 4 - 系统软件设计。- 3 5 - 采集信号读取实现- 3 5 - 小波阈值去噪算法实现。一3 6 - 信号存储功能实现。一3 8 - v 福建师范大学工学硕士学位论文 轰 第四节本章小结3 9 第五章l a b v i e w 嵌入式开发与移植4 1 第一节基于l a b v i e w 的嵌入式开发环境配置。4 1 第二节信号处理系统的移植4 8 第三节本章小结。5 0 第六章结论5 3 第一节全文总结5 3 第二节工作展望5 3 附录1 5 5 参考文献。 攻读学位期间承担的科研任务与主要成果。6 l - 致 索弓i - 6 5 一 个人简历。 v i 下 z r 绪论 绪论 第一节课题背景 信号在人类生活和生产活动中起着重要的作用。在实际工程应用系统中，信号 通常携带着信息或者能量的。例如，在雷达设备中，信号可以是高能量的微波脉冲； 在工程设备中，携带能量的信号使设备按照一定方式工作；电话信号和无线信号为 我们传送各种各样的信息。这里所说的信息通常是指消息的总称，信号是各种消息 的表现形式，而消息则是信号的具体内容。随着信号的出现，可以引起一个事件或 引起一系列活动l l 】。 数据采集和信号处理技术是现代信息科学的一个重要分支。该领域得益于它的 理论、应用与实现信号处理系统的技术之间的紧密结合。日渐增长的应用范围和对 快速发展的高级算法的需求总是与实现信号处理系统的器件技术的快速发展齐头并 进。有人预测，在下一个1 0 年内，信号处理的微处理器的处理能力可能要增加2 0 0 倍或者更多。在许多方面似乎都清楚地表明，信号处理的重要性和地位都在迅速提 高和扩大【2 】。该技术广泛应用于雷达、通信、水声处理、遥感控制、地质勘探、震 动工程、无损检测、语音处理、智能仪器设计、工业自动控制以及光学工程和生物 医学工程等广泛科学研究和应用领域。 在实际应用中，往往有大量分布在现场的数据都是带有噪声的，在分析信号之 前，必须对实际采集的现场信号进行滤波和频谱分析等各种信号调理，提取有效的 信号，才能从实际信号中获取有用价值，为科学研究、工业制造等各行各业服务。 如生物医学中的心电、脑电、血压、脉搏信号等各种生理信号，以及其它在传输过 程中经过干扰的信号，甚至都已经面目全非，从而失去原有价值，给后面的处理带 来了许多困难【3 】。因此，信号去噪就成了信号处理的一个重要研究课题，在各行各 业中都有着重要的影响。这种影响也推动各种信号处理科学仪器的发展，使得用于 信号检测和处理的科学仪器应运而生，而且其设计方法也不尽相同。 在现代化的国民经济活动中，科学仪器涉及到人类活动的方方面面，对社会生 产生活起到非常重要的作用。钱伟长曾经说过：“飞机要上天，离开了航空仪表就飞 不起来，我们的国家正处在起飞的时候，不抓紧发展仪器仪表也飞不起来。科学 仪器是前沿的高新技术，是获取信息的主要手段，是信息技术的关键和基础，是信 福建师 欧学工学硕士学位论文 息产业的源头和重要组成部分。我们国家在科学仪器研究上还处于比较低层阶段， 在核心技术、主要产品市场、研究经费投入上，与世界先进的国家相比，差距还比 较大，形式不容乐观。面对如此被动的局面，国家已经下定决心大力发展我国拥有 自主知识产权的仪器仪表技术，在近几年来的科技攻关项目、国家扶持项目中，很 大一部分投入都在支持仪器仪表技术的创新上。随着社会的发展，经济实力的增强， 社会生产生活对先进的科学仪器的需求将日新月异，为发展现代科学仪器创造了十 分有利的环境【4 - 6 。 目前，国内外大部分信号处理科学仪器都是基于p c 机的，可以依托计算机硬 件平台设计出具有强大功能的，能进行复杂信号检测和处理的系统，但是由于离不 开计算机的后台硬件支持，所以在一些复杂环境下的现场信号检测和处理就无法进 行，不利于野外测量和便携式的要求；或者基于嵌入式的智能仪器，如目前国内很 多医疗信息检测设备，大部分设计方案都是采用d s p 硬件作为信号处理系统的核心 进行设计的【7 。9 1 。由于d s p 具有强大数据处理能力和高运行速度，是一种特别适合 于进行数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号 处理算法。鉴于d s p 在算法方面有着先天的优势，因此在信号处理系统中应用非常 广泛。但在一些便携式信号检测和处理仪器中，合适的、直观的可操作界面是必不 可少的，而基于d s p 硬件设计的系统，在人机交互界面开发上，对于开发者来说， 代码编写难度比较大。同时，这种设计方案需要开发者深入了解硬件的底层信息， 在此基础上才能进行合理地开发，开发复杂高，功能扩展难度大。因此，无论是采 用哪种方案进行开发，都会存在着许多问题。 目前，在国外，已经有一些公司将信号处理系统与嵌入式微控制器相结合的， 制造出了一些便携式的分析仪器，如世界历史上第一台具有便携式意义的信号分析 仪器，德国斯派克分析仪器设计的s p e c t r o s o r tc c d 手持式光谱仪【1 0 1 。如图o 一1 所示，该手持式光谱分析仪器将激发光源，光学处理系统和数据处理系统集成于一 体，便携，易于现场数据采集和处理。仪器外部尺寸为3 1 0 m m x 2 7 0 m m x 9 0 m m ，总 重量仅为1 公斤左右，是目前国际上体积最小，功能最强大的便携式光谱分析仪之 一。 美国v a r i t r o n i c ss y s t e m s 研制的“大黄蜂”光谱分析仪器【1 1 1 ，如图0 - 2 所示。它 能够准确的测量并分析三个波段，即9 0 2 9 2 8 m h z 、2 4 2 5 g h z 和5 1 5 5 9 g i - i z , 并 且可以使用三种方式来显示分析结果，如光谱图、柱状图和波形图。去掉光谱分析 绪论 仪之后，“大黄蜂 是一台标准的u m p c ，它配置了具有强大运算能力的硬件，采用 i g h z 主频的奔腾m 处理器，7 英寸的w v g a 触摸屏，i g 的内存，4 0 g 的硬盘等， 以及采用w i n d o w sx pt a b l e tp ce d i t i o n 作为操作系统，并配备具有无线和蓝牙功能 的模块，使得分析仪可以适时的与外界设备进行数据交换，同时支持v 0 球网络电话 功能。 图0 - 1s p e c t r o s o r tc c d 手持式光谱仪 f i g 0 - i s p e c t r o s o r tc c dm i c r o - s p e c t r o m e t e rh a n d - h e l d 图0 - 2 “大黄蜂”手持光谱仪 f i g 0 - 2 b u m b l e b e e h a n d - h e l dm i c r o s p e c t r o m e t e r 但是研究分析表明，当现场采集信号过于复杂时，最终还得借助p c 机来完成 信号处理，并且用户操作界面设计单调，算法设计可扩展性差，开发成本高是目前 采用信号处理系统与嵌入式微控制器技术相结合的方法的最大不足之处。但随着信 ， 福建师范大学工学硕士学位论文 息技术的发展，物联网概念的推出，数字化产品空前繁荣以及人们对产品的数字化、 微型化产品的需求不断增加，便携式的系统应用越来越广泛。如随着医疗改革进一 步深化以及健康观念的改变，可以随身携带的血压计、血糖仪，可以在家庭或小型 社康医院中使用的呼吸机、心电监护仪等医疗仪器设备已经凸现越来越大的市场需 求。因此，针对特定实际用途的科学仪器具有非常广泛的应用前景。 实验表明，科学仪器的进步和飞跃都是以计算机科学技术的快速发展为依托的。 到目前为止，科学仪器经历了由模拟电子仪器、微处理器的智能仪器到全部可编程 的虚拟仪器的发展历程，每一次发展正好印证了计算机科学技术的作用。目前，随 着信息技术和计算机科学技术的快速发展，嵌入式系统逐渐成为科学仪器设计的通 用理念【1 2 - 1 3 。 嵌入式系统是以软件设计的应用系统为中心，用于执行独立功能的专用微型计 算机系统。一般来说，目前大部分嵌入式系统都是由微处理器、定时器、微控制器、 存储器、传感器等一系列微电子芯片及外围器件，和嵌入在存储器中的微型操作系 统及控制软件组成，共同实现诸如实时控制、监视、管理、移动计算、数据处理等 各种自动化控制和信息处理任务。嵌入式系统的硬件必须根据具体的应用任务，以 功耗、成本、体积、可靠性和运算能力等为指标来选择。嵌入式系统的核心是系统 软件和应用软件。随着信息技术的发展和数字化、微型化产品的普及，嵌入式系统 应用越来越广泛：手持通讯设备、图像处理仪器、国防军事、医疗设备和自动化控 制等各个领域。 随着人们对便携式嵌入式产品的要求变得越来越多，设计难度也就越来越高， 设计者面临着挑战越来越大：开发门槛高，开发效率低，代码的重复利用性差。然 而，随着基于3 2 位微控制器的嵌入式系统的成本向1 6 位系统逐步接近，在许多高级 应用中，开发者更加倾向于选择性能更好、扩展性更佳的3 2 位片上系统( s o c ) 以 取代8 位和1 6 位微控制器。此外，由于单纯依赖于c p u 的性能提升来增加整个系统的 性能已经不是一种持久的发展趋势，所以主要的芯片处理器制造商已经将目标重点 转向了多核心架构的设计【1 4 。6 1 。但是，从一个嵌入式系统开发者的角度去分析，由 于这种多核心架构的发展趋势，嵌入式的设计将变得更加复杂和多样化，对系统运 行平台要求更加严格，对开发者的知识结构和技能技术要求更加复杂，必须在多处 理器环境下开发和分割相关的功能应用。因此，基于文本编程的嵌入式应用开发模 式已经出现了与实际应用脱节的趋势，加大了开发的复杂度，对系统设计者来说开 绪论 发难度更大，所以急切的需要一个能够减少与低层硬件、操作系统的联系，重点可 放在主要的程序开发设计上的软件开发工具，图形化系统设计的理念便由此而生【1 7 1 。 自2 0 世纪8 0 年代末诞生以来，l a b v i e w 图形化编程语言已经开始简化了系统 的复杂性，并在同一个平台上提供数据采集、分析和现实等功能，同时也可以在使 用计算机对过程自动化控制时，允许开发者在研发原型，制造和测试过程中对软硬 件的重用，弥补了早前嵌入式系统设计因为在原型、制造和测试三个步骤间因工具 不同而造成设计上的鸿沟”1 8 1 。目前，公司正在开发和完善将l a b v i e w 移植到 嵌入式运行环境中运行的技术，通过这种技术和图形化程序设计的理念，可以大大 缩短开发嵌入式设备的周期和降低开发门槛。图形化设计理念改变了传统嵌入式系 统的设计方法，得到大部分开发者的支持，并努力将其应用到各种嵌入式仪器的设 计中。 “工欲善其事，必先利其器 ，为了更加准确地、实时地获得现场信号的分析结 果，研究如何获取和处理现场光电信号的通用平台将是一个十分重要有意义的课题。 例如，目前，由于国民生活水平不断提高，人们越来越关注自己的健康，其中各种 食品安全、家庭护理越来越得到大家的重视，因此，迫切需要一种更为有效、方便、 快捷的检测手段。为此，国内国外众多科研院校、研究机构、生产厂商都积极地研 究和开发相关产品，并取得了丰富的成果。因此，该领域的研究将是一个具有远大 前景的课题。 目前，在国际上，结合虚拟仪器技术、嵌入式技术和网络技术于一体的方向发 展是数据采集与信号处理的科学仪器研发的重要方向，同时对处理仪器的微型化和 便携性也提出了更高的要求。然而，当前国内在该领域的研究主要采用的方法有两 种，一种是基于p c 和l a b v i e w 的虚拟仪器技术，一种就是基于嵌入式系统的智能 仪器技术。经大量实验研究表明，第一种方法的优点是可以集合p c 机丰富的资源 和强大的运算功能，以及l a b v i e w 的快速开发和灵活多变的自定功能，并可以充 分使用l a b v i e w 提供的大量分析工具和成熟算法进行各种功能的开发，缺点是对 仪器的操作需要较高的技术门槛，只有经过特殊训练的专业人员才能发挥系统的最 大功能；第二种方法的优点是功能相对单一，操作简单，能够满足基本的功能需求， 对使用者的要求不高，但是开发量大，开发门槛高，系统扩展性差。本课题试图通 过结合l a b v i e w 技术和嵌入式系统的优点，研究基于小波阈值去噪算法的信号处 理技术的实现，并建立一个用于信号采集和处理的通用平台。 福建师范大学工学硕士学位论文 第二节课题来源、意义及可行性 本论文依托于福建省自然科学基金计划项目“具有无线网自适应接入能力的基 于l a b v i e w 的嵌入式光电信号处理系统的研究( 2 0 0 8 j 0 0 1 5 ) ”，也是科技厅k 类项目 “鼻咽癌定位光谱信号处理系统( k 0 4 0 2 0 ) 的延伸项目，根据项目的需求，同时紧 随当前科学技术的发展步伐，对相关内容进行了研究。 目前，针对国内绝大数信号处理仪器均是基于p c 机上的软件实现，整个系统 缺乏灵活性和便携性，而且成本高。为了提高系统的灵活性和便携性，同时最大限 度的降低成本，在充分调研了国内外信号处理仪器研究现状的基础上，本论文主要 结合虚拟仪器技术与嵌入式系统的优点，充分发挥l a b v i e w 图形化开发方式的特 点，利用现有的小波阂值去噪算法建立一套通用的信号处理平台，并将此平台移植 到a r m 硬件平台中，采用w i n d o w sc e 操作系统，实现一套具有无线网自适应接入 能力的基于l a b v i e w 的嵌入式光电信号处理便携式科学仪器。通过该项目的成功 测试和应用，可为后续相关的信号处理科学仪器的研发提供一种全新的设计理念， 这正是本论文选题依据和研究意义的关键所在。 本论文在研究虚拟仪器技术与嵌入式技术的特点后，提出三种针对该光电信号 处理便携式科学仪器的设计方案，并根据各自方案提出的方法和思路，分析其优缺 点。最后对选定的方案给出充分的理由和可行性分析。 第三节论文内容与创新点 本论文在借鉴前人研究成果的基础上，研究如何应用虚拟仪器技术进行嵌入式 信号处理科学仪器的设计和开发，从而改变传统的嵌入式系统开发方式，满足在各 种领域对科学仪器日益增长的需求。本论文主要工作内容包括： ( 1 ) 分析信号采集和处理系统的各个组成部分，搭建具有无线网自适应接入能 力的基于l a b v i e w 的嵌入式光电信号处理硬件平台，为嵌入式光电信号处理软件 提供测试平台。 ( 2 ) 应用虚拟仪器技术l a b v i e w ，编制基于l a b v i e w 的嵌入式光电信号处理 软件，实现对采集信号读取、分析和实时显示；选择不同的滤波方法对采集信号进 行滤波处理，并显示滤波后的波形及相关滤波参数，如噪声信噪比、消噪信噪比、 均方误差等：去噪信号与加噪信号之间对比显示；数据无线传输处理；数据异常情 况保存处理等。 ( 3 ) 运用编制完成的基于l a b v i e w 的嵌入式光电信号处理软件，结合硬件平 绪论 台，进行预期性能分析和测试。 本论文共分六章，第一章主要介绍虚拟仪器的组成和特点，以及l a b v i e w 图形 化编程语言的特点；第二章主要介绍仪器的总体设计思路，并详细分析仪器的基本 构成；第三章主要介绍信号采集与处理模块的设计，详细分析了w i n d o w sc e 环境下 u s b 设备的开发原理和设计方法，并结合已有的小波去噪算法介绍如何使用虚拟仪 器技术l a b v i e w 图形化开发语言实现信号的处理；第四章从软件设计的角度完成信 号处理平台的程序框图设计，并分析其结构和实现流程；第五章将上述已完成的基 于l a b v i e w 嵌入式技术开发的信号处理程序移植到删9 硬件平台中，并分析该技 术优缺点；最后对所做的研究课题作总结和展望。 本论文主要创新点有5 点： ( 1 ) 完成了基于小波阈值去噪算法信号处理平台的软件设计，实现了基本信 号处理功能； ( 2 ) 设计者可以根据不同的小波去噪算法快速完成信号处理平台的软件设 计，实现不同需求环境下的信号处理功能，是一个很有效的算法测试工具。 ( 3 ) 结合嵌入式技术和l a b v i e w 虚拟仪器技术的优点，提出一种全新的嵌入 式信号处理平台设计方法，提高开发效率。 ( 4 ) 该便携式信号处理终端，可以适应不同的环境，采集不同的光电信号，并 进行处理。 ( 5 ) 虚拟实验室( v i r t u a l ，v 1 a b ) 是近几年在i n t e m e t 上迅速发展起来的一个 概念，人们希望借助虚拟现实技术( v i r t u a lr e a l i t y ，v r ) 来取代高昂的实验室内的 科学仪器，科学家、研究者都可以通过虚拟实验室来共享资源有限的实验室，实现 自己的梦想。本论文的研究响应虚拟实验室概念的发展趋势，为后续的研究提供了 一种全新设计理念。 福建师范大学工学硕士学位论文 8 一 第一章虚拟仪器技术 第一章虚拟仪器技术 第一节虚拟仪器的概念及发展 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，简称v i ) 是基于计算机的仪器。简单地说，虚 拟仪器就是在通用个人计算机上加上软件和( 或) 硬件，使得使用者在操作该计算 机时，就像是在操作一台他自己设计的专用的电子仪器。在整个虚拟仪器系统组成 中，硬件仅仅是为了解决信号的输入输出，软件才是整个仪器系统的关键，任何一 个用户都可以通过改写软件的办法，方便快捷地改变和增减仪器系统的功能，这就 是所谓的“软件即仪器 的概念。虚拟仪器技术的“软件即仪器”的概念出现，打 破了传统仪器由厂家定义功能，用户无法改变固有功能的模式，虚拟仪器技术给用 户一个充分发挥自己的才能、想象力的空间。根据实际功能的需求，用户可以设计 自己的仪器系统，满足多种多样的应用需求【1 8 】。 虚拟仪器系统概念是对传统仪器概念的重大突破，是计算机系统与仪器系统技 术相结合的产物，是对科学仪器设计理念的一种革命和创新。它利用计算机系统的 强大运算功能，结合相应的硬件支持和灵活的软件设计，节约仪器的硬件成本和缩 小仪器的体积，同时也大大突破传统仪器在数据处理、数据显示、数据传送、数据 保存等方面的限制，使用户通过软件的修改，可以方便地对其进行维护、扩展和升 级等操作。随着网络技术的快速发展和应用，使用软件设计相关的网络功能成为仪 器与其他网络设备连接的必需，因此，用户通过友好的图形界面来操作虚拟仪器的 面板就如同操作真实电子仪器一样直观、方便、真实。 虚拟仪器从概念的提出到目前技术的逐渐成熟，体现了计算机技术对传统工业 的革命，以及仪器设计观念的改变。到目前为止，虚拟仪器的发展可分成三个阶段， 并且这三个阶段可以看成是同步进行的，而且每个阶段都有各自的鲜明特征【1 7 - 1 8 】。 第一阶段，结合计算机强大技术，改变传统仪器设计理念。 随着计算机技术和通信技术的快速发展，对使用g p i b 总线标准建立设备之间 通信连接具有非常重要的意义。传统仪器只要通过g p i b 总线或者r s 一2 3 2 总线同计 算机连接起来，就可以实现用户通过计算机来控制传统仪器，为传统仪器的数控化 奠定了发展的基础。同时，由于计算机技术的发展，开发者完全可以通过软件升级， 为仪器提供更完善的数据分析和处理的后台服务，以及更丰富的接1 3 资源来增强仪 福建师范大学妊学硕士学位论文 器系统的功能。因此随着计算机技术的成熟和普及，使用计算机控制测控仪器，形 成一种全新的计算机测控仪器系统，已经成为新的发展趋势。这一阶段虚拟仪器的 发展得到了大量用户和厂商的支持，也改变传统的仪器设计方法和理念。 第二阶段，开发式的虚拟仪器构成，减少开发和维护的成本。 仪器厂商和用户都期望设计的科学仪器更多以计算机为公用平台，减少厂商在 设计过程中过多的仪器定义，减少对仪器软硬件设计，转向以充分利用计算机上的 标准件来提高仪器的工作效率、降低设计成本。利用计算机的公用平台以及联网功 能，在计算机上安装各种仪器的后台数据分析和控制服务程序，使得使用者可以将