（电机与电器专业论文）电工电子实验数据采集与处理系统.pdf

襄京交避文学舔士学位论文 连接线路，按照实验指导步骤进行数据测量，测爨结果将 显示在计算祝中稳应豹实验赛瑟下。魔羧信号分辑仅还可 以对波形进行时频域等方面的各种分析和处理。 诧外，系统还具有逶髂磅辘，可浚与其德诗冀撬进行 数据交换，实现远程面板。教师也可以对实验进行监测、 对实验数据进褥套谗以及对学生信息避行管理等。 在本次设计中选用的开发系统是w i n d o w sx p ，开发平 台是n 公司的l a b v i 礴。之掰班在这里选用l a b v i e | 进行 开发是由于它鼹有强大的数据采集和处理功能，编程效率 高。即使有无法完成的功能，也仍就能够通过外郝接口调 用其他语言来完成。近几年来，l a b v i e 挥广泛地被工业界、 学术界和研究实验室所接受，被公认为是标准的数据采集 帮仪器控裁软 牛。在此次设计中采用的是l a w l 群不支持 的普通数据采集卡，因此要在现有的情况下进行开发就必 须缓写毛曲￥i 嚣餮与采集卡之闻豹驱动糕滓徽为接鞠。 文中对以上设计过程中的每一个环节都进行了详细 戆论述，荠分擀穗解决了交际开发中会遇到豹阕鼷。 北京交通大学硕士学位论文 关键词：l a b v i e w ，驱动程序，动态链接库，数据采 集，数据处理 北京交通大学硕上学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ea d v a n c e m e n to fe d u c a t i o ni ns c i e n c ea n d e n g i n e e r i n ge d u c a t i o n ，h o wt oc u l t i v a l ep r o f e s s i o n a ls t u d e n t s ， w h i c hn o to n l yi nt h e o r yb u ta l s oi np r a c i c e ，b e c o m e san e w p r o b l e m t h a t m a n y u n i v e r s i t i e sf a c e e s p e c i a l l y i n e n g i n e e r i n g c u r r i c u l a1 i l 【ee l e c t r i c a la n d e l e c t r o n i c s ， e x p e f i m e n t sa r et h ep r a c i i c a lp i d c e s so ft e a c h i n g t h e yc 卸 c o n s o l i d a t eb a s i c t h e o 吼r e l a t e i tw i t h p r a c t i c e ，c u l t i v a t e s i u d e n t s a b i l i t i e so fp r a c t i c e ，d e s i g n ，a n a l y s ea n ds o l v ea c t u a l p r o b l e m s p r i m i t i v e e x p e r i m e n t a le q u i p m e n t i sd i s c o n n e c t e d i n s t m m e n t sa n dm e t e r s u b s e q u e n t l yc o m m o n e s p e r i m e n tr i g s a p p e a r e d t h e yi n t e g r a t ea l li n s t m m e n t st o g e i h e r n o w a d a y s i n t e l l i g e n t i z e de x p e r i m e n tr i g sh a v eb e e nu s e di nm 蛐y u n i v e r s i t i e s b u tm o s to ft h e mo n l ys a m p l es i g n a l s s i m p l y a n d m a n a g e s t i l d e n t s i n f o r m a t i o n s a m p l ea n dp r o c e s s s y s t e m f b fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c s e x p e r i m e n t s t h a t 北京交通大学硕十学位论文 d e s i g n e di nt h i st h e s i sn o to n l ys a m p l e ，b u ta l s oa n a l y z ea n d p r o c e s ss i g n a l sw h i l es t u d e n i s d oe x p e r i m e n t so nr i g s 1 1 l i s s y s t e mc a nc o m m u n i c a t i o nw i t h o t h e f c o m p u t e r ， r e a l i z e r c m o t ep a l l e l t e a c h e f sc a ni n q u i f e 曲o u te x p e r i m e n t a ld a t a a n dm a n a g es t u d e n t s i n f b r m a t i o n 0 nt h e d e s i g np r o g r e s s ， t h e d e v e l o p m e n ts y s t e m i s w i n d o w sx et h ed e v e l o p m e n tn a ti sl a b v i e w p r o d u c e db y n ic o m p a n y w i t hp o w e r f l l lf i l n c t i o n s ，l a b v l e wi su s e di n i n d u s t r y ，r e s e a r c ha n do t h e rf i e l d s t h ed a t aa c q u i s i t i o nc a r d i sa c 6 0 1 0 ，w h i c hd on o ts u p p o r t e db yl a b v i e w 0 nt h i s c o n d i t i o n ad r i v e rm u s tb eu s e da sc o n n e c t i o nb e t w e e n i 且b v l e wa n dt h ec a r d b e s i d e s ， m a n yp r o b l e m so fe v e r y s e c t i o nt h a t m a y h a p p e ni np r a c t i c a lp r o c e s sh a v ea l s ob e e ne x p l a i n e dc l e a d y i nm i st h e s i s k e yw o r d s ：l a b e wd d v e r ，d l l ，d a q ，d a t a p f o c e s s v 靶豪变通大学硕士学筏论文 第一章橇述 1 电工实验系统的现状及发展趋势 随着科学技术的迅速发展，高等学校如何培养高索质的专业人 才和科技人才，这是广大院校和教师面临的新问题。尤其是在电工 这类工辩漂程巾，实验是与漾翟褶辘稳城豹实黢淫教学强节，褰麓 黧关重要的作用。它能够在巩固基础理论知识的基础上将理论联系 实际，培养学嫩的实践技能、动手能力、初步设计能力和分析解决 实舔滔蘧豹蓥零力，痘发镧薪塞识及毯凝愚维潜力，受今螽兹懿 一步工作打下簸础。 电工电子实验系统在最初只是单个的仪器仪表。随后出现了将 仪器纹表等浚器集藏在一怒鹣实验台，这耱集残是基予瑟体实验豹， 很有针对性。如上海松林科教仪器公司生产的s l 1 1 8 a 电工实验室 设备，江苏启券计算机总厂的d i c e d g 电工电子综台实验台等。近 麴年，又增热了网络遂信帮上往税秘警璨淤及寝掇铰器，形成了完 躲的实验室系统。如上海松林科教仪器公词的s l 1 1 8 b 电工实验室 设餐( 网络型) 、湖北众友z y l l i n e t e l 2 s b 钢能网络化呶工电子实验 念等。 目前，国内外绝大部分高校电工电予实验室采用的实验设备都 是铸生产厂鼹开发的实验台或实验箱，霄的还将单独盼实验台联嘲 潋便管理。茹兰锺交遥大学魏逛工综合试验台、中国瓣技大学静电 工实验台、浙江大学电工实验台以及福州大学的电工技术综合实验 台镶等，电工实验台的应用谯备大专院校中已经越来越蛰及。然碟 北京交通大学硕士学位论文 这些实验台大多都只是单纯的对实验数据进行采集，对学生信息进 行管理，而没有融入虚拟仪器技术。 虚拟仪器技术是将仪器仪表的虚拟化，即降低了成本又增加了 仪器可实现的功能。国内外的一些大学已在此基础上有了一定的发 展，如德国汉诺威大学已经建立了的虚拟自动化工作平台，意大利 帕瓦多大学有远程虚拟教育实验室，新加坡国立大学开发了的远程 示波器和压力容器实验，国内的清华大学和华中科技大学分别开发 了汽车发动机检测系统和华中科技大学的工程测试实验室等等。 本文论述的电工电子实验数据采集与处理系统就是对普通电 工电子实验台性能的进步拓展，实现仪器的虚拟化。该系统配合 普通实验台可以实现实验数据的实时采集、分析和处理，学生可以 在实验台上连接线路，按照实验指导步骤进行数据测量，测量结果 将显示在计算机中相应的实验界面下。虚拟信号分析仪还可以对波 形进行时频域等方面的各种分析和处理。此外，系统还具有通信功 能，可以与其他计算机进行数据交换，实现远程面板。教师也可以 对实验进行监测、对实验数据进行查询以及对学生信息进行管理等。 在本次设计中选用的开发系统是w i n d o w sx p ，开发平台是n i 公司的l a b v i e w 。之所以在这里选用l a b v i e w 进行开发是由于它具 有强大的数据采集和处理功能，编程效率高。即使有无法完成的功 能，也仍就能够通过外部接口调用其他语言来完成。近几年来， l a b v i e w 广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，被公认为 是标准的数据采集和仪器控制软件。在此次设计中采用的是 l a b v i e w 不支持的普通数据采集卡，因此要在现有的情况下进行开 发就必须编写l a b v i e w 与采集卡之间的驱动程序做为接口。 文中对以上设计过程中的每一个环节都进行了详细的论述，并 载索变通大学碗上学位论文 鬻熏分柝和阐述了实际开发中会遇到的问题及解决方察。 1 2 系统的功能 本漾题凝要设计积实瑷豹是一个邀工实验鼗攥采集分摄稠处 懑系统，也就怒普通电工实验台到智能网络化实验台的升级部分。 这个系统配合普通电工实验台的仪器设备可以实现实验的智 g 恁、系统 乞秘实验室豹绕一管理。学生霹鼓在实验台上连接线跨， 按照实验指导步骤进行数据测量，测量结果将显示在计算机中相应 的实验界面下。虚拟信号发生器可以根据需要在内部产生各种虚拟 戆波形，痉攒暴波嚣霹戳懿多鼹逶遵送嚣采囊，虚拟臻号分撰纹簸 了可以实现以上功能外，述可以对波形避行时频域等方面的多种分 析和处理。此外，系统还具商通信功能，可以与其他计算机进行数 攥交换，实凌逡程瑟板。教瓣氇可殴谚癸验逶嚣夔溺、怼实验数摇 进行查询以及对学生信息进行管理等。 北京交通大学硕士学位论文 第二章系统的总体设计 本次设计是将计算机和仪器的密切结合，其数据采集和处理部 分都是基于虚拟仪器( v i r t u a lin s t r u m e n t ，v i ) 技术进行开发和 设计的。 2 1 虚拟仪器技术及其组成 任何仪器基本上都由3 部分组成：信号采集和调理、信号分析 和处理、信号显示和输出。传统仪器将所有这3 部分放在一个仪表 箱内，根据不同的功能要求采用不同结构的硬件，所以传统仪器的 功能是由其硬件本身决定的，很不灵活。这就需要在仪器的购买和 更新换代上花很大的精力和资金。但就是这样的仪器往往还有许多 其他的功能并不需要，或使用的次数特别少。而在测试任务略有变 化，或需要进一步的测试分析时，仪器却不具备这些的功能。这时 候，只能为了这项功能再重新购置一台类似的仪器。虽然原有的仪 器要是能稍微改变一下，就可以扩大使用范围，满足要求，但这对 于传统仪器来说是很难做到的，而且几乎是不可能的，而虚拟仪器 提供了这样的可能性。表2 1 是虚拟仪器与传统仪器在各方面的比 较 传统仪器虚拟仪器 功能由仪器厂商定义功能由用户自己定义 与其它仪器设备的连接十分可方便的与网络外设及多种仪器 有限连接 4 托系室通夫学硕士学彼论文 图形界面小，人工读取数擐，界面图形化，计算机壹接读取数据 僚患量枣并分辑楚瑷 数据无法编辑数据可编辑、存储、打印 磷，l 牛是关键部分软件是关键部分 徐格昂责徐捂低廉，便是传统仅瓣的五至十 分之一 系统封闭、功黥固定、可扩基于计算桃技术开放敬功能模块 瓣性差 可构成多种纹器 技术更新慢技术更新快 开发和维护费周商基于软 孛钵系的结构可大大节省 开发费用 表2 1 虚拟仪器与传统仪器的比较 赝谓虚攘仪器，就是在戥诗算极为援心的硬俘乎螽上，由用户 设计定义的，典有虚拟面板鼠其测试功能由测试软件实现的一种计 算机仪器系统。虚拟仪器的实质是利用计算机显示模拟传统仪器的 掇测疆扳，以多耪形式竣爨梭溅绩票；刭怒诗葵槐较传实褒售号数 销韵运算、分轿和处理；刹蠲i o 接口设备完成信号的采集、测蠢 与调理，从而完成各种测试功能的一种计算机仪器系统。 瘦羧仪器怒一秘珐糍意义上艴搜器，葵孩心是在焱少爨懿硬俘 模块支持下，粥软件实现传统仪器数据采集、存储、分析、显示的 功能。它不强调仪器物理上的实现形式，打破了生产厂家定义仪器 掇耱戆终素，弱鬟忝在诗雾糖搽幕上熬软瓣羧代替爨寒瓣莰嚣嚣叛， 用键盘、鼠标辩测量的参数及进程进行控制。用户可以根据实际髓 要进彳亍设计，丽所需要的只媳一些必要的硬件加上通用计算机，利 北京交通人学硕士学位论文 用丰富的软硬件资源。这些特点使虚拟仪器在很大程度上突破了传 统仪器诸多限制，达到传统仪器无法比拟的效果。 虚拟仪器的主要特点有： ( 1 ) 尽可能通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件； ( 2 ) 可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以 创造出功能强大的仪器； ( 3 ) 用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。 目前的虚拟仪器产品有：各种软件、g p i b 产品、数据采集产品、 信号调理产品、v x i 和p x i 控制产品等，为构造虚拟仪器系统提供 了完善的解决方案。 2 2 系统结构 本次设计中系统包含以下几个部分：信号转换、信号调理电路、 数据采集卡、与l a b v i e w 的接口驱动程序、硬件配置管理软件、应 用软件和计算机等。 数据采集卡只能对电压量进行转换，在采集非电压信号时就需 要先将其转换为电压信号。本次设计中采集卡的可接收电压范围为 0 5 v 、一5 5 v 、0 1 0 v 三种，信号不在范围之内或有干扰时就需 要通过调理电路进行放大、衰减、滤波、隔离等使其适合采集卡的 需求。在信号本身就符合要求的情况下，调理环节也可以省去。计 算机通过数据采集卡等获得测量数据。软件则控制着测量系统，告 诉采集设备什么时候从那个通道获取数据，同时还对原始数据作分 析处理，并将最后结果表示成容易理解的方式，如图表、曲线或文 件等等。 6 北京交通大学硕士学位论文 设计中采用的开发平台是n i ( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ) 公司的 虚拟仪器软件l a b v i e w ( 1 a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n t e n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ) 7 1 版本。由于l a b v i e w 只支持n i 公司自 己生产的数据采集卡，因此若要用其它数据采集卡进行开发，就需 要编写该采集卡的l a b v i e w 接口驱动程序。在应用软件的开发上， 则利用l a b v i e w 为模块化虚拟仪器编程软件的优势，方便快捷的开 发数据采集和处理系统。系统结构框图如图2 1 所示： 北京交通人学硕二l 学位论文 l 用户应用软件l 应用层具有交互 0 友好的界面 旧软件劁黼懒l 曲 上j 动态链接库( 起接口的作用) 底层软件 u i 设备驱动i ll jl 数据采集卡 硬件部分 n 调理电路 u 被测对象 图2 1 系统结构框图 f i g 2 1f r e0 fs y s t e m 2 3 系统的优点 电工实验中的仪器设备数量大、种类多，在此情况下应用虚拟 仪器技术进行开发有以下优点： 8 北京黛避大学硕：学位论文 ( 1 ) 实验仪器的各种数据姥够实时的鼹示在一台p c 机上，并隧 隧对数据逶嚣分辑、处瑾、存储等。 ( 2 ) 可根据需要设计虚拟仪器，仪器功能从厂商定义转变为用户 融定义，可以充分发挥能动性，而不拘溅于已有的实验，使功能更 辩近实际需要，阚薅 亟簿 撬了对铑统佼嚣豹依赖往。 ( 3 ) 由软件组成的仪器甥修改更新，功能扩充性强，可不断升级， 且可在软件设计中采用适当方法降低仪器设备带来的噪声或其他影 滴。 ( 4 ) 利用l a b v i e w 的网络通信功能，不仅可实现仪器的远程控 制，实验室系绕的管理，还为今后实现实验室虚拟化和网络教学奠 迩了基磴。 北京交通人学硕上学位论文 第三章开发工具的选择及其特点 3 1 开发工具的选择 构造一个虚拟仪器系统，可选择的开发语言有很多，常用的有 c 、c + + 、以及n i 公司的l a b v i e w 、l a b w i n d o w s 等。在这里选用 l a b v i e w 是因为它不仅提供了与遵从g p i b ，v x i ，r s 一2 3 2 和r s 4 8 5 协议的硬件及数据采集卡通信的全部功能，还内置了支持t c p i p ， a c t i v e x 等软件标准的库函数。其图形化的编程界面使编程过程变 得非常生动的同时，大大提高了编程的效率。虽然与c 语言相比， 目前仍有一些无法达到的功能，但可以通过外部接口调用其他语言 来完成。因此近几年倍受青睐，广泛地被工业界、学术界和研究实 验室所接受，被公认为是标准的数据采集和仪器控制软件。 l a b v i e w 是直观的前面板( 人机对话界面) 与流程图( 类似于 源代码) 式的编程方法的结合，保持了传统仪器直观的视觉和感觉 效果。在前面板中，控件模拟了仪器的输入装置并把数据提供给程 序。指示器则类似仪器的输出装置显示由程序产生的数据或波形。 程序框图的设计与工程人员较为熟悉的数据流和方块图是一致的， 而且由于流程图与传统程序设计语言的语法细节无关，构建和测试 程序就可以节省时间。与传统的编程方式相比，使用l a b v i e w 设计 虚拟仪器，可以提高效率4 l o 倍。同时，利用其模块化和递归方 式，用户可以在很短短时间内构建、设计和更改自己的虚拟仪器系 统。 综上，l a b v i e w 的特点可以概括为以下几个方面： 1 0 北京交遴大学硕士学位论文 ( 1 )图形化的仪器编稷环境，使用“所见即所襁”的可视优 技术建立久税赛瑟，针对测试、测量良及过程控割等领域。 ( 2 )内簧的程序编译器，l a b v i e w 采用编译方式运行3 2 应用 攫序，解决了其他按解释方式工作的图形缡程平台速发慢的问题， 冀速度大钵稳当于编译c 静速瘦。 ( 3 ) 灵活的程序调试平段，用户可以在源代码中设置断点， 单步执行，或谯数据流上设鬻探针，在程序运行中嬲察数据流的交 纯。 ( 4 ) 功熊强大的函数库，l a b v i e w 提供了大量现有函数供用 户赢接调用，从底层v x i 、g p l b 、串口及数据采集卡黪控制子程序 列大量仪器驱馥程序，拭基本的功能函数鬻| 高级分析露，涵盖了仪 器设计中许多函数。 ( 5 ) 支持多种系统平螽，l a b v i 科支持多萃申系绫平台，在 w i n d o w sn t 2 0 、p o w e r 鼢c i n t o s h 、辨、s u ns p a r e 簿系统平台 上，n i 公司都捉供了相应的版本的软件，并且平台之间开发的应用 糕序可直接进行移檀。在藏使薅的系统平螽海骅i n d 侧8x p 系统。 ( 6 ) 舞放式的开发平螽，l a b v i 毯w 提供了d l l 接掰和e i n 接 口，使用户在l a b v i e w 平台上能够调用其他软件平台编译的模块， 撼供对o l e 的支捺。 ( 7 ) 蹲络功能，l a b v i e w 所提供的通信方式包括t e p i p 、测 慌器、r d a 和d a t a s o c k e t 。 3 。2l 确v l 掰鲸最赣版本 目前l a b v i e w 的最新版本是l a b v i e w 8 ，它可以省效提高测试、 北京交通大学硕士学位论文 控制和设计领域工程师的效率，带来了全新的分布式智能同时还提 供了一个崭新的基于项目的环境来开发和管理大范围的应用，以及 最新的e x p r e s s 技术来简化仪器控制。这一版本的发布也包括对 l a b v i e w 实时模块、l a b v i e wf p g a 模块、l a b v i e wp d a 模块，以及 l a b v i e w 数据记录和监控模块的升级。 1 设计、分布以及同步智能化设备 随着系统功能越来越复杂，在一个应用系统中，经常会用到2 个或2 个以上的处理器，这样的系统被称为分布式系统。分布式系 统的出现满足了很多应用的需求，但它却给设计、控制和测试带来 很大难度。分布式系统可以存在于单个电路板、机箱和机架上，或 分布于同一网络中不同的设备和系统里。分布式应用开发面临着编 程多个处理器、集成多种i 0 和数据服务、需要如同在单一系统中 一样协调所有的节点、高效地在多个处理器间分享数据等挑战。 l a b v i e w8 的出现解决了以上问题，它可以在同一个环境中编程多 个分布式处理器，并且能够简化通讯、节点同步，以及进行完整的 系统显示。 2 使用l a b v i e w 项目( l a b v i e wp r o j e c t ) 简化应用程序和设 备管理 l a b v i e w 项目是l a b v i e w8 中一个非常重要的新特性，它将项 目的概念引入了l a b v i 脚。现在的很多设计通常具有项目复杂、团 队大等特点，面临着管理和重复使用大量代码、以团队为主导的应 用开发等挑战，使用l a b v i e w 项目，可以实现多目标管理、集成的 代码区分和源代码控制、椰u l t i _ b u i l d 管理等功能，同时可以将应 用程序配置到台式机、笔记本电脑、工业和嵌入式等目标。利用这 些特性，工程师可以更加轻松地将l a b v i e w8 集成至高级的软件工 北京交通大学硕上学位论文 程过程中即需要管理大型的程序员团队或需要符合工业和政府 定义的开发过程认证标准。 3 利用最新的e x p r e s s 技术快速完成测量 l a b v i e w8 在l a b v i e w7 的基础上增加了更多的e x p r e s s 技术， 用于简化仪器控制和数据采集。通过n i 的l a b v i e we x p r e s s 技术， 系统可以自动识别所连接的仪器，并从n i 的驱动器网络( n i i n s t r u m e n td r i v e rn e t w o r k ) 上提供的4 0 0 0 余种驱动中寻找、下 载和安装合适的驱动。完全自动的过程免去了单调乏味的手工配置 和设置时间，缩短了开始首次测量的时间。同时，利用改进的d a q 助手( d a qa s s i s t a n t ) 以及支持对n i 数据采集设备进行仿真的 n i d a q m x8 软件，工程师无需硬件就可以对他们的l a b v i e w8 进行 编程。 3 3l a b v i e w 的数据结构和多线程 一、l a b v i e w 的数据结构 l 曲v i e w 由于采用图形化的编程方式，在数据存储与数据结构 方面具有自身的特点。 l a b v i e w 中的基本数据结构包括：数组( a r r a y ) 、簇( c l u s t e r ) 、 字符串( s t r i n g ) 。比较典型的高级数据结构有：堆栈( s t a c k ) 、队 列( q u e u e ) 、链表( 1 i n k e dl i s t ) 、树( t r e e ) 和图( g r a p h ) 。 堆栈，是限定在表尾端进行插入或删除操作的线性表，是一种 后进先出( l i f o ) 的数据结构。其基本操作除了在栈顶进行插入和 删除外，还有栈的初始化、判空及取栈顶元素等。 队列，与栈相反是一种先进先出( f i f o ) 线性表，允许在表的 北京交通大学硕上学位论文 一端进行插入，而在另一端删除元素。 链表，是线性表的链式存储结构，是一种基本的线性数据结构， 其特点是用一组任意的存储单元存储线性表的数据元素，数据元素 可以是连续的也可以是不连续的。 树，经常用来描述数据层次结构。 图，是一种对结点的前驱和后继个数不加限制的数据结构，一 种网络或相互关联的元素的集合。 衡量数据结构的好坏在于其四个重要的特征： 封装性，防止用户获取受保护的数据； 信息隐藏性，防止程序员查看数据结构的内部数据； 独立执行性，允许程序员使用不通的内部执行过程而同时保持 相同的外部接口形式； 抽象性，让程序员把经历集中在应用，而不是陷入数据结构的 内部运作细节中。 二、l a b v i e w 的多线程 多线程技术是高级程序设计的核心之一，也是提高应用程序效 率和性能的主要技术途径。应用多线程技术，使得操作系统可以同 时处理多个任务。 l a b v i e w 有六个子系统来处理l a b v i e w 的各种行为，包括：用 户界面子系统、标准子系统、i 0 子系统、d a q 子系统、0 t h e rl 子 系统和0 t h e r2 子系统，每一个子系统都有一个线程池和一个与之 相关联的任务队列，l a b v i 明的主运行队列中存储了线程的任务优 先权列表。 1 用户界面子系统，是唯一一个需要l a b v i e w 运行的子系统， 包括用户界面、v i 编译以及保持l a b v i e w 运行的首要线程。 北京交通大学硕士学位论文 2 标准予系统，是l a b v i e w 的默认子系统。为v i 制定这个子系 统可以保证用户界面子系统线程具有充足的事件保持显示更新。 3 i o 子系统，完成与外部设备的通信。 4 d a q 子系统，最初被设计为运行数据采集任务，但现在可以 用于应用。 5 o t h e r1 子系统和o t h e r2 子系统，用作用户制定子系统。 子系统的线程在一个循环列表中运行，并由操作系统来调度。 当把线程放到一个子系统的列表中运行时，只有那些被分配给该子 系统的线程才会运行。只有操作系统才能够决定运行哪一个线程， l a b v i e w 不能直接调度线程运行。如果为线程指定了不恰当的优先 级，则可能会引起优先级倒置或饥饿现象。 l a b v i e w 运行子系统的线程数目由i n i 文件指定，默认的配置 在大多数的应用程序中会很好地工作。多线程平台默认配置是运行 n 0 瑚a l 优先级的线程。更改配置可以在n a t i o n a l i n s t r u m e n t s l a b v i e w 7 1 v i 1 i b u t i l t y s y s i n f o 1 l b t h r e a d c o n f i g v i 中进行，会弹出如图3 1 的对话框 北京交通大学坝十学位论文 图3 1 线程配置 f i g 3 1s e t t i n go ft h r e a d s 1 6 e 京交通人学硕士学位论立 第四章硬件平台设计 4 1 数据采集卡的原理及性能 设计中所采用的数据采集卡为双诺公司的a c 6 叭o 采集卡。这是 种通用a d 板卡，采用p c i 总线支持即插即用，无需地址跳线， 具有3 2 路模拟输入、3 2 路开关量一1 6 路输入及1 6 路输出。模拟电 压输入范围有o 5 v 、o l o v 和一5 v + 5 vi 种。该卡采用p l x 9 0 5 2 p c i 接口芯片及门阵列作为主控芯片。门阵列控制模拟输入、采样 及开关量。3 2 路模拟量经电子开_ 芙及缓冲放大器进入a d 转换，模 拟转换由门阵列提供控制信号、同时转换结果存放在门阵列中。3 2 路开关量的1 6 路输入、输出也由门阵列摔制。网4 一l 为其原理图。 路开关量的1 6 路输入、输出也由门阵列控制。图41 为其原理图。 北京交通人学硕士学位论文 3 2 路模拟输入量程选择 p c i 总线 图4 1a c 6 0 l0 采集卡原理 f i g 4 1p r i n c i p l e0 fa c 6 0 l o a c 6 0 1 0 采集卡的主要性能及特点有如下几个方面： 1 a d 转换器：1 2 0 k h z ，1 2 位a d ，a d s 7 8 1 6 ，a d 内置采样保 持器。工作方式：软件查询。 2 3 2 路单端输入，输入阻抗 1 0 0 mq ，最大输入电压 + 1 2 v 一5 5 v ，瞬时输入耐压：一2 5 v + 3 0 v ，d b 3 7 孔式输入连接器。 3 输入为双极性输入幅度：5 v ，单极性输入幅度：5 v 、1 0 v 。 输入程控放大器，对应输入幅度及精度如下： i 输入范围精度分辨率 o 1 0 v0 1 1 l s b 北京蹙递大学硕l 学位论文 o 5 vo 1 1 5 l s b 一5 ￥+ 5 vo 1 毽l l s b 4 a d 最大通过率：6 0 k h z ，输入通邋简历时间 ，x ( t + t ) 其毒矮溺静均篷纛标漆蓑，翔 删。畦坐警塑鲨 ：壁赵：竺竺：竺二堡 北京变通大学硕士学位论文 r p ) 一店 ( 7 3 ) 所以 墨秘) m 凡簪域+ ( 7 4 ) 鱼相关函数可以用来检验信号审是否鸯周期成分。羞x ( t ) 失隧 机信号，当时移t 很大或f 一* 时，x ( t ) 与x ( t + t ) 之间就不存 在蠹在联系了，缓藏无关，褥反转一* ) 一o ，冀z o 。) 一龙。 如果信号中肖周期成分，贝q 其自相涵数关在t 很大时都不衰减，势 具有明显的周期性。不含周期成分的随机信号在t 鞘大时自相函数 关就趋近为零。这一点可以巍图6 _ 1 8 中溥曦琏菱到。 图7 1 9 ( a ) 为信号分析仪的用户界面。左面为用户操作面板， 袁迭鼹三审波形显示密日孛上覆失遴遒l 绩母魏自穰关波形，控箨 在窗口的上方，分别选择信母分析的种类和通道。下面的两个窗口 分掰为遥遵l 帮2 静信号波形。英串遥遂l 为2 渊z ，幅值为2 v 豹 正弦波，通道2 为白噪声，懈值为2 v 。( b ) 为通道2 的自相关波形。 ( e ) 为两通道信号叠加后的自相关波形。程序选用 a u t o e o r r e l a t i o n v i 。 5 6 北京交通大学硕十学位论文 ( a ) ( b ) 5 7 北京交通大学硕士学位论文 图7 1 9 信号自相关分析 f i g 7 一1 9a u t o c o r r e l a t i o na i l a l y s i s 由图可以看出，周期信号经过自相关处理后仍然呈现周期特 征，而自噪声被大幅衰减，因此在它们叠加后形成的波形总可以很 明显地发现周期成分。 在实际测量中，只能得到信号x ( t ) 的n 个采样值x ( n ) ，所以 必须通过这n 点采样值来估计信号的自相函数关r ( m ) 。计算，( m ) 的直接估计算法为 ，( 卅) 一嘉墓x ( 栉) 并( 厅+ 胁) ( ，一s ) 由于x ( n ) 只有n 个值，因此对于每一个固定的延迟m ，可以利用的 数据只有一1 一阳1 个，所以实际计算值中使用的算法为 1 一1 _ i m f 9 ( m ) 。专乏z ( 肛) z ( n + 卅) 7 嘞 北京交通大学硕j 二学位论文 l a b v i e w 使用的自相关函数计算公式与上式略有不同，为： 一1 一m i 7 ( m ) 。荟x ( 七) z ( 七+ ) 7 7 ) 二、互相关函数 对于各态历经过程，两个随机信号x ( t ) 和y ( t ) 的互相关函数 r ，( t ) 定义为 ( r ) = 舰寺z ( r ) y ( ) 出 ( 7 _ 8 ) 由于 足，( f ) ；塑赶塑生坐：塑竺 o pv 。墨壶曼堡! 坐：! ! 二竺竺 o p 9 二丝些 ( 7 9 ) o pv 因为l 岛i 1 ，故知 心以一q q 月o ) 暑段玛+ q q ( 7 1 0 ) 对于多数随机过程，若x ( t ) 和y ( t ) 之间没有同频率的周期成 分，那么当时移t 很大时就彼此无关，即如( f m ) 一o ， 扛一* ) 一心以。互相关函数在工程中有重要的应用，它是在噪 声背景下提取有用信息的一个非常有效的手段。如果对某个线性系 统激振，那么所得到的震动信号中常常含有大量的噪声干扰。根据 北京交通大学碗上学位论文 线性系统的频率保持特性，只有和激振频率相同的成分才可能是由 激振而引起的响应，其他成分均是干扰。因此只要将激振信号和响 应信号进行互相关处理，就可以得到由激振引起的响应幅值和相位 差。这样，就可以得到所研究的对象在该激振频率下从激振点到测 量点间的幅相传输特性。如果改变激振频率，就可以得到相应的频 率响应函数。 设信号的n 点采样序列为x ( n ) ，y ( n ) ，l a b v i e w 中使用的互 相关函数算法为 一l | 棚l 勺( ，行) 。乏z ( 七) z ( 七+ 肼) ( 7 1 1 ) 图7 2 0 为通道l ( 2 0 h z ，幅值为2 v 的正弦波) 与通道2 ( 同 幅值的白噪声) 的互相关波形。 图7 2 0 互相关波形 6 0 北京交通大学硕上学位论文 7 3 2 频域分析 一、傅立叶变换 傅立叶变换是数字信号处理中最重要的变换之一，其意义在于 将时域信号与频域信号联系了起来。一些在时域中难以分析的信号， 在频域中特征一目了然。连续时间信号x ( t ) 如果满足条件 工。) i 出c 。 7 1 2 ) 则其傅立叶变换存在，为 x ( 甜) z j 二x ( f 弘一胁出 ( 7 1 3 ) 且有 粥= 去正x 1 珊 ( 7 _ 1 4 ) x ( t ) ，x ( u ) 是一个傅立叶变换对，x ( ) 为x ( t ) 的傅立叶变换，而 x ( t ) 为x ( ) 的傅立叶反变换。如果x ( 。) 是确定的，则为x ( t ) 的 频谱。其幅度 i x ( ) | _ 【r e x ( ) 】2 + 【i m x ( ) 】2 ) ： ( 7 1 5 ) 为幅度谱，相位 x ( 珊) 正t 柚_ 1 【i m x ( ) r e j r ( 珊) 】 ( 7 1 6 ) 为相位谱。 由于计算机只能处理离散且有限长度的数据，要用计算机完成 频谱分析和其他方面的工作，通常的处理方法是通过对模拟信号x ( t ) 采样得到离散序列x ( n ) 。实际信号可能是有限长的，也可能是无限 长的。若x ( n ) 为有限长序列，则令其长度为n ；若x ( n ) 是无限长序 6 l 北康交通大学礤1 攀健论文 列，可用矩形窗将熟截成n 点，然届将遮n 电序列视为周期序列髫m ) 的一个周期，即膏0 ) 是由x ( n ) 作周期延拓而得的。离散傅立变换的 定义为 茁( 霉) ；薹z ( 捍) e 一，警“ k = 。，l ，n 一1 ( 7 一1 7 ) 反变换为 x 轵) 一言萎篡转弦等“ ( ? 一t 8 ) 对于离散傅立叶变换，求出n 点x ( k ) 需要n 2 次复数乘法， n ( n 1 ) 次复数加法。每次复数乘法需要做四次实数加法。因此计算 n 点x ( k ) 总共需要做4 舻次实数乘法和4 n ( n o 5 ) 次实数加法。其实， d 鼹运算中包含大爨蘸复运算。充分零l 孀这一牲痰可以麓鬣d f 霉戆 运算。使用快速德立时算法，计算n 煮挣孵的诗算量将囱舻次复数 乘法降为婺l 。g ：次复数乘法。 图7 2 l 为3 s i n ( 2 0 0 半2 露t ) + s i n ( 5 0 女2 石t ) 的时域和频域信号。 逶过频谱可默方蠖魏歉分拆信号的缀成。程穿选题黪f 霖v i ，筵将跌 虢舨本的羟e a lp n v i 帮e o m p l e xf 科v i 的结合，宅胃强校据输入 数据的类型自动选用v i 。如果输入数组长度为2 的整数次幂，则调 用f f u r 算法，否则将调用一个高效的d f _ i 算法。 北京交通大学硕上学位论文 羽7 2 l 双边傅立叶变换 f 培7 2 lb i l a t e r a lf f ts p e c t r u m 程序如图7 2 2 所示。 图7 2 2 双边傅立叶变换程序 f i g7 2 2p r o g r a i no fb i l a t e r a lf f ts p e c t r u i n 程序左边有两个信号输入，上边为时域信号输入，下边为信号 采样频率的输入。由于信号的采样频率都是和样本数打包在一起作 6 3 北京交通火举颂。t 学位论文 为簇输入豹，因此要调用采样频率的数据必须将采样信息用 u 曲u 穗l e 。v i 簿包。f 孵。v i 董筝为褥立时囊换￥ 褥输入豹信号进行变 换，毽其羧壅夔波形是在复数蹙耘下豹，显灸一维鼗缝，裁蘧 e o 糯p l e xl op o l 牡。v i 游复数囊檬下豹波形转换为辍坐标下豹。 a r r a ys i z e v i 贝l j 返回频域渡澎羽数维长度。两个除法都是为了设 置坐标轴的坐标，显示出正确的储号频率和幅值。最后，由于这些 信号打包成簇从右边输出。 圈7 2 3 苹遗傅赢叶变换 g 。7 2 3 强i l a t e r 嵇lf 瓣s p e e t r 勰 这祥显示壅寒豹薅立跨变羧怒戳边频谱，单透频谱霹教在魏基 础上傲进一步改进。频谱中绝辩傻确阐的正负频率对应的信号频率 是相同的，负频率只是由于数学变换才出现的。所以，将负频率对 应的频谱加到相应的正频率上，即畿掉负频率对应的频谱，然后将 北京交通大学碗一i j 学位论文 正频率对应的幅值加倍，零频率对应的频谱不变。图7 2 3 为2 0 0 h z 、 幅值为2 v 正弦波的单边傅立叶变换，其程序如图7 2 4 所示。 图7 2 4 单边傅立叶变换程序 f i g7 2 4p r o g r 鲫o fu n i l a t e r a lf f ts p e c tn l m 该v i 的输入波形为数组形式。a r r a ys i z e v i 检测输入的波形， 返回数组每维的元素个数。q u o t i e n t r e m a i n d e r v i 将波形的元 素个数除以2 ，即将双边转换为单边。a r r a ys u b s e t v i 返回从其 i n d e x 端口制定位置开始长度为l e n g t h 的数组子集，i n d e x 默认为 0 ，这样在s u b s a r r a y 输出的即为从x 轴0 点开始的子数组。再将该 数组乘以2 ，输出即为单边傅立叶变换。 二、幅频相频谱 程序选用f f ts p e c t r u m ( m a g p h a s e ) v i ，它的功能是求时间 信号的平均f f t 谱，其结果表示为幅度谱和相位谱，在连续测量时， 可以得到被平均后的解雇。图7 2 5 所示为 3 s i n ( 2 0 0 木2 玎t ) + s i n ( 5 0 2 万t ) 信号的幅频相频谱，窗口左边为其参 数设置，如表7 1 。 裁索交避大学矮士学位论文 图7 2 5 幅额相蟥谱 可选择窗函数，包括h a n n i n g 、h a i i 1 1 i n g 、 w i n d o w b l a c k m a n h a r r i s 、e 盖a c t 转l a k m a n 冬擎岁乞争 r e s t a r t 设置是否重新开始平均计算，默认值为否 a v e r a 9 1 n g 定义结果表达形式 招o n ：周分贝表示，默认值为否 v l e w u n w r a pp h a s e ；对相位解潜绕，默认值为否 e o 珏v e r tt od e g r e e ：褥撩使单谴转换楚焦度， 默认值为否 a v e r a g e s平均计算定义参数 j e 豪燮通_ 又学硕士学位论文 c o f l i p l d t e da v e r a g i n gm o d e 平均模式： 瓣oa v e r 8 9 主n g ( d e f a “l t ) v e c t o ra v e r a g i n g r m s8 v e r 8 9 i n g p e a kh o l d w e