基于labview软件的控制界面设计毕业设计论文

1、ABSTRACT 班 级 021151 学 号 02115004 本科毕业设计论文 题 目 基于 LabVIEW软件的控制界面 设计 学 院电子工程学院 专 业智能科学与技术 学生姓名李顺 导师姓名丁金闪 ABSTRACT 摘要 目前 LabVIEW 是一款领先的图形化系统设计软件，在测试技术领域有着很广泛的 应用。作为一种图形化开发平台， LabVIEW 也提供了相当丰富的信号分析处理模块。 本文设计的就是一款基于 LabVIEW 软件的数据分析控制界面软件，该软件实现数据读 取、信号生成、信号分析、信号处理等功能。 矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。 本文首先介绍了虚拟仪器的组成特点以及 LabVIE

2、W 的发展现状和应用，然后介绍 了数据分析控制界面的几个模块，包括数据操作模块、信号 FFT变换模块、信号滤波处 理模块以及具体的 Chirp 信号分析模块。本文各个模块的具体功能在 LabVIEW 环境里 都得到实际实现。 聞創沟燴鐺險爱氇谴净。 关键词： LabVIEW 虚拟仪器 信号分析 ABSTRACT ABSTRACT LabVIEW is an advanced graphical system design software at present. It has a very wide range of applications in testing technology. As

3、 a graphical development platform ，it also provides a wealth of signal analysis and processing module. This paper presents a data analysis control interface based on LabVIEW ，for data reading, signal generation, signal analysis, a few signal processing functions残. 骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。 This work first introduc

4、es the virtual instrument and the development status and application of LabVIEW. It introduces the data analysis control interface of several modules, including the data manipulation module, the FFT transform module, the filter processing module and the specific Chirp signal analysis module. In this

5、 work, the specific functions of each module have been run successfully in LabVIEW environmen酽t.锕极額閉镇桧猪訣锥。 Keywords: LabVIEW virtual instrumentsignal analysis彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。 目录 目录 第一章 绪论 0 謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。 1.1 虚拟仪器的概述 0 厦礴恳蹒骈時盡继價骚。 1.1.1虚拟仪器的概念 0 茕桢广鳓鯡选块网羈泪。 1.1.2虚拟仪器的组成 0 鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。 1.1.3虚拟仪器的特点 1 籟丛妈羥为贍偾蛏

6、练淨。 1.1.4虚拟仪器的发展趋势 3 預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。 1.2 LabVIEW 的概述 3 渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。 1.2.1 什么是 LabVIEW 3 铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。 1.2.2 LabVIEW 的特点及功能 4 擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。 1.2.3 LabVIEW 的优势 4 贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。 1.3 本章小结及论文内容小结 5 坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。 第二章 数据分析控制界面总体结构设计 7 蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。 2.1 界面设计原则 7 買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。 2.2 本文界面模块设计 7 綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。 第三章 数据操作模块的设计 9 驅踬髏彦浃绥譎

7、饴憂锦。 3.1 文件 I/O 简介 9 猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。 3.1.1 绝对路径与相对路径 9 锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔。 3.1.2 文件引用句柄 9 構氽頑黉碩饨荠龈话骛。 3.1.3 流盘 9 輒峄陽檉簖疖網儂號泶。 3.2 常用文本类型 10 尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。 3.3 基于 labview 的文本数据读取 12 识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒。 3.3.1 随机高斯序列的生成与保存 12 凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴。 3.3.2 labview 的数据读取 13 恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦。 第四章 FFT变换模块的设计 17 鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫。 4.1 DFT 的定义 17 硕癘鄴颃诌攆檸攜驤

8、蔹。 4.2 DFT 的应用 17 阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖。 4.2.1 用 DFT计算线性卷积 18 氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩。 4.2.2 用 DFT对连续信号进行谱分析 19 釷鹆資贏車贖孙滅獅赘。 目录 4.3 快速傅里叶（ FFT）运算 19 怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉。 4.3.1 FFT 定义 19 谚辞調担鈧谄动禪泻類。 4.3.2 FFT 的主要应用 20 嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩。 4.4 基于 labview 的 FFT 实现 21 熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库。 图 4.4.1 结构框图 22 鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。 4.4.1 前面板的设计 22 纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛。 4.4.2 程序框图

9、设计 23 颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷。 4.4.3 运行程序 24 濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。 第五章滤波处理模块的设计 25 銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼。 5.1 滤波与滤波器简介 25 挤貼綬电麥结鈺贖哓类。 5.2 滤波器分类 25 赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈。 5.3.1 数字滤波器的基本原理 26 塤礙籟馐决穩賽釙冊庫。 3）IIR 数字滤波器算法 27 裊樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺。 5.3.2 数字滤波器的优点 28 仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁。 5.3.3 数字滤波器技术要求 29 绽萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧。 5.3.4 巴特沃斯低通数字滤波器的特性 29 骁顾燁鶚巯瀆蕪領鲡赙。 5.4 基于 labview 的信

10、号滤波 30 瑣钋濺暧惲锟缟馭篩凉。 5.4.1 前面板设计 30 鎦诗涇艳损楼紲鯗餳類。 5.4.2 程序框图设计 31 栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬。 5.4.3 运行程序 32 辔烨棟剛殓攬瑤丽阄应。 第六章 线性调频信号分析 33 峴扬斕滾澗辐滠兴渙藺。 6.1 线性调频信号 33 詩叁撻訥烬忧毀厉鋨骜。 6.2 线性调频信号的 DFT分析 34 则鯤愜韋瘓賈晖园栋泷。 6.2.1产生信号 34 胀鏝彈奥秘孫戶孪钇賻。 6.3 chirp添加高斯噪声后频率分析 35 鳃躋峽祷紉诵帮废掃減。 6.4 chirp信号总体设计 37 稟虛嬪赈维哜妝扩踴粜。 6.4.1前面板设计 37 陽簍埡鲑罷規呜

11、旧岿錟。 6.4.2程序框图设计 38 沩氣嘮戇苌鑿鑿槠谔應。 致谢 . 39 钡嵐縣緱虜荣产涛團蔺。 目录 ii 参考文献 40 懨俠劑鈍触乐鹇烬觶騮。 基于 LabVIEW软件的控制界面设计 第一章 绪论 1.1 虚拟仪器的概述 随着电子、计算机技术和数字信号处理技术的飞速发展，这些技术已经深入到测 量领域中，仪器技术领域产生了巨大的变化。从最初的模拟仪器到现在的数字化仪器、 嵌入式系统仪器和智能仪器，新的测试理论、测试方法不断应用于实践，仪器技术领域 的各种创新积累使现代测量仪器的性能发生了质的飞跃，在此基础上，仪器的概念和形 式 慢 慢 发生 了 变 化 ， 出现 了一 种 全 新 的

12、 仪器 概 念 虚 拟 仪 器 ( Virtual Instrumentation,VI )。 謾饱兗争詣繚鮐癞别瀘。 1.1.1 虚拟仪器的概念 虚拟仪器的概念最早是由美国国家仪器公司( National Instruments，NI)在 1986 年 提出的。从 20 世纪 80 年代中期微软公司 Windows 操作系统的出现开始， 计算机操作系 统的图形支持功能得到了很大的提升。 1986 年， NI 公司推出了图形化的虚拟仪器编程 环境 LabVIEW ，标志着虚拟仪器设计软件平台基本成型。虚拟仪器是基于一种计算机 的数字化自动测试仪器系统，它通过软件将计算机硬件资源(如微处理器、内

13、存和显示 器等)与仪器硬件资源(如 A/D 、D/A 、I/O 和信号调理等)结合起来，使操作人员可以 通过友好的图形界面及图形化编程语言控制仪器进行，完成对被测试量的采集、分类、 判断、显示、存储及数据生成。 VI 通过把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测 量、控制能力结合起来，大大缩小了仪器硬件的体积和成本，而且它通过软件实现对数 据的显示、存储及分析处理，从而实现各种测量和测试 。 呙铉們欤谦鸪饺竞荡赚。 1.1.2 虚拟仪器的组成 虚拟仪器由通用仪器硬件平台和应用软件两大部分组成。构成虚拟仪器的硬件系统 一般分为计算机硬件平台和接口设备。硬件平台可以是台式机，笔记本电脑，工作站，

14、嵌入式计算机等。计算机管理着虚拟仪器的软，硬件资源，是虚拟仪器的硬件基础。计 算机在显示，存储，处理性能，网络，总线标准等方面的发展，促进了虚拟仪器系统的 快速发展 2 。莹谐龌蕲賞组靄绉嚴减。 绪论 I/O 接口设备是为计算机配置的电子测量仪器硬件模块，主要包括各种传感器、信 号调理、模拟 /数字转换器（ ADC ）、数字/模拟转换器（ DAC）、数据采集器（ DAQ） 等。麸肃鹏镟轿騍镣缚縟糶。 虚拟仪器的核心思想就是使本来需要硬件或电路实现的技术虚拟化和软件化， 尽可 能地降低系统成本。基于软件在虚拟仪器系统中的重要作用，虚拟仪器的软件框架包括 三个部分：接口软件，仪器驱动程序和应用软件

15、。 納畴鳗吶鄖禎銣腻鰲锬。 接口软件是为虚拟仪器驱动层提供信息传递的底层软件，是实现灵活、开放虚拟仪 器的基础。接口软件就是直接对仪器进行控制，完成对数据的读写操作。由于仪器硬件 的种类繁杂，为了确保硬件的实用性，接口软件需要提供独立于硬件的I/O 接口。 風撵鲔 貓铁频钙蓟纠庙。 仪器驱动程序是连接虚拟仪器应用软件与接口软件的桥梁， 它的作用是为虚拟仪器 应用软件层提供抽象的仪器操作集。对于虚拟仪器应用软件来说，对仪器的操作是通过 调用虚拟仪器驱动提供唯一的接口实现的； 而虚拟仪器驱动又是通过调用接口软件所提 供的单一接口来实现的。 灭嗳骇諗鋅猎輛觏馊藹。 应用软件建立在仪器驱动程序之上，直

16、接面对操作用户，提供了快捷，友好的操作 界面以及丰富的图形、图表等数据显示方式。虚拟仪器本身不进行任何数据处理，它只 对虚拟仪器驱动进行调用。 铹鸝饷飾镡閌赀诨癱骝。 1.1.3 虚拟仪器的特点 虚拟仪器集传统仪器与计算机之长， 拥有 PC技术的优点。虚拟仪器与传统仪器比较， 具有很多优势，表 1.1 比较了二者的区别： 攙閿频嵘陣澇諗谴隴泸。 2 基于 LabVIEW软件的控制界面设计 表 1.1 虚拟仪器与传统仪器的比较 项目 虚拟仪器 传统仪器 开发维护费用 软件使得其开发与维护费用 降至最低 开发与维护开销高 技术更新周期 技术更新周期短（ 12 年） 技术更新周期长（ 510 年）

17、系统升级 因为是软件，系统性能升级 方便，下载升级程序即可 因为是硬件，所以升级成本 高，而且升级必须上门服务 价格 价格低，仪器间资可重复配 置和重复利用 价格昂贵，仪器间一般无法 互相利用 仪器功能 用户能够根据自己的需要定 义仪器的功能，可以灵活多 变 只有厂商能定义仪器功能， 功能不能改变，过于单一 结构开放性 开放式的结构，灵活，可与 计算机技术保持同步，有很 多支持厂家 封闭、固定，兼容性差 互联性能 与网络及其他周边设备方便 互联的、面向应用的仪器系 统 功能单一、互联有限的独立 设备 操作界面 图形化界面，操作简单 显示功能单一，操作不便 通用性 方便构成分布式测试系统， 可远

18、程监控及故障诊断 设备之间通用性差，连接复 杂 通过比较我们可以发现，虚拟仪器在处理能力、智能化程序、性价比和可操作性等多 个方面具有明显的优势，具体体现在以下三个方面： 趕輾雏纨颗锊讨跃满賺。 1 ）更加智能化，处理能力优秀。虚拟仪器的智能化程度和处理能力主要由仪器软件 水平决定。我们可以根据现实中的实际需求，将先进的信号处理算法、专家系统、人工 智能技术应用于仪器设计与集成，从而把智能仪器水平提高。 夹覡闾辁駁档驀迁锬減。 2 ）复用性强，系统费用低。根据虚拟仪器思想，我们可以用相同的基本硬件来构造 不同功能的测试分析仪器，设计出数字滤波器、计数器等多种仪器。这些测试仪器系统 绪论 功能更

19、灵活、系统费用更低。而且它通过与计算机网络连接，还可以实现分布式共享， 从而更好的发挥仪器的使用价值。 视絀镘鸸鲚鐘脑钧欖粝。 3 ）可操作性强。用户可以定义虚拟仪器面板，针对不同的应用设计不一样的操作显 示接口。计算机的多媒体处理能力的更多利用使仪器操作更加直观、简便，而且测量结 果可以直接进入数据库系统或者通过网络发送。 偽澀锟攢鴛擋緬铹鈞錠。 1.1.4 虚拟仪器的发展趋势 随着计算机技术、仪器技术和网络通信技术的不断完善，虚拟仪器技术也在向网络 化方向发展，基于网络的虚拟仪器正在兴起，这都得益于网络技术与虚拟仪器技术的结 合。 VI 服务器实际上就是运行了网络服务器和 VI 应用的计算

20、机，服务器收到请求运行 相应的 VI ，并将结果返回到客户机。 使用网络化虚拟仪器， 可以随时随地获取测试数据。 緦徑铫膾龋轿级镗挢廟。 虚拟仪器的崛起标志着测试仪器技术的革命性飞跃，是仪器领域崭新的里程碑。有 了虚拟仪器，现代测控系统更灵活、更经济、功能更强。虚拟仪器在我国的研究开发有 着非常重大的意义，广泛采用虚拟仪器技术有助于提升我国仪器的整体水平，节省人力 物力。随着电子技术、计算机技术和网络技术的发展，虚拟仪器将会逐渐取代传统测试 仪器而成为测试仪器的主流。 騅憑钶銘侥张礫阵轸蔼。 1.2 LabVIEW 的概述 1.2.1 什么是 LabVIEW LabVIEW 是 Laborat

21、ory Virtual Instrument Engineering Workbench 的缩写，是一款 使用图形符号来编写程序的编程环境。 在这方面，它不同于传统的编程语言， 如 C、C+ 或 Java，这些语言使用文本方式编程。 LabVIEW 它不仅是一款编程语言，还是科学家 和工程师等设计的一种编程开发环境和运行系统，编程只占据这些人员工作的一部分 。 LabVIEW 开发环境可以运行在 Windows、Linux 或 Mac 系统的计算机上。 疠骐錾农剎貯狱颢 幗騮。 基于 LabVIEW软件的控制界面设计 使用 LabVIEW 功能强大的图形编程语言能够提高编程效率， 这种语言叫做

22、 G 语言， 即图形编程语言。使用传统的编程语言需要花费几周甚至几个月才能编写好的程序，用 LabVIEW 仅仅需要几个小时就能完成。 因为 LabVIEW 是专为测量、 数据分析并提交结 果而设计的，且 LabVIEW 拥有如此功能众多的图形用户界面又易于编程，使得它对于 仿真、结果显示、通用编程，甚至学习基本编程概念也同样是很理想的语言。 镞锊过润启婭 澗骆讕瀘。 LabVIEW 提供了很多外观类似传统仪器的控件，这些可以用来方便的创造用户界 面。用户界面在 LabVIEW 里面称为前面板。 前面板设计完成后就可以使用 VI 或图形化 函数节点在程序框图添加源代码来对前面板上的控件加以控制

23、。 榿贰轲誊壟该槛鲻垲赛。 1.2.2 LabVIEW 的特点及功能 LabVIEW 是一种图形化编程语言，它已经被广泛的应用于工业界、学术界，称为 一个标准的数据采集和仪器控制软件。 LabVIEW 集成了与满足 GPIB、RS-232、VXI 和 RS-485 协议的硬件及数据采集卡通信的所有功能。而且它还拥有便与应用TCP/IP、 ActiveX 等软件标准的库函数， LabVIEW功能强大且灵活。利用它可以方便的建立自己 的虚拟仪器。 邁茑赚陉宾呗擷鹪讼凑。 G 语言也就是图形化的程序语言， 使用 G 语言编程时，流程图基本取代了程序代码。 它很大程度利用了人们所熟悉的术语、图标和概念

24、，所以说， LabVIEW 是一个面向最 终用户的工具软件。它可以增强用户构建自己系统的能力，提供实现仪器编程和数据采 集系统的快捷途径。 嵝硖贪塒廩袞悯倉華糲。 LabVIEW 的出现提高了虚拟仪器的开发效率，降低了对开发工作人员的要求。 LabVIEW 提供的交互式的图形化开发环境是开发者可以用简单的操作获得复杂的功能。 作为基于图形化编程语言的开发环境， LabVIEW 自然、简洁、直观的程序开发方式大 大的降低了学习难度。开发者可以通过各种交互式的控件、对话框、函数模块、菜单进 行编程。 该栎谖碼戆沖巋鳧薩锭。 1.2.3 LabVIEW 的优势 LabVIEW 作为一种可视化工具更易

25、被大众接受， LabVIEW 的优势表现在： 绪论 1）提供了丰富多彩的图形控件， 采用了图形化的编程方法， 这样我们就可以从复杂 枯涩的文件编程工作中解放出来。 劇妆诨貰攖苹埘呂仑庙。 2）采用数据流模型， 实现了自动的多线程，从而能充分利用处理器（尤其是多处理 器）的处理能力。 3）内建有编译器， 能在用户编写程序的同时自动完成编译， 因此如果用户在编写程 序的过程中有语法错误，就能立即在显示器上显示出来。 臠龍讹驄桠业變墊罗蘄。 4）通过 DLL 、 CIN 节点、 ActiveX 、.NET 或 MATLAB 脚本节点等技术，能够轻松 实现 LabVIEW 与其他编程语言的混合编程。

26、鰻順褛悦漚縫冁屜鸭骞。 5）内建了 600 多个分析函数用于数据分析和信号处理。 6 ）通过应用程序生成器可以轻松地发布可执行程序、动态链接库或安装包。 7 ）提供了大量的驱动和专用工具，几乎能够与任何接口的硬件轻松连接。 8 ）NI 同时提供了丰富的附加模块，用于扩展 LabVIEW 在不同领域的应用，如实时 模块、 PDA 模块、数据记录与监控（ DSC）模块、机器视觉模块与触摸屏模块。 穑釓虚绺 滟鳗絲懷紓泺。 1.3 本章小结及论文内容小结 本章首先介绍了虚拟仪器的概念、构成、特点、发展趋势，对比了它与传统仪器， 得出它的相对优势。然后介绍了 LabVIEW 基本概念、特点、功能、应用

27、和它的优势所 在。论文其它章节的内容如下： 隶誆荧鉴獫纲鴣攣駘賽。 第二章为数据分析控制界面总体结构设计，介绍了界面的设计原则、界面的美化、 界面的模块设计；第三章为数据读取及简单分析模块，介绍了文本文件的读取转换，然 后将波形转换成柱状图进行观察；第四章为 FFT 模块，对生成的信号进行傅里叶变换， 第五章为滤波处理模块，对含有噪声信号进行滤波处理，提取波形；第六章为 chirp 信 6基于 LabVIEW软件的控制界面设计 号分析模块，对 chirp 信号进行 DFT 分析、添加噪声然后频率分析以及信号叠加然后频 率分析。 浹繢腻叢着駕骠構砀湊。 第二章分析控制界面总体结构设计 第二章 数

28、据分析控制界面总体结构设计 2.1 界面设计原则 界面设计不像数学运算那样有明确的公式可循，界面设计本身就是一个关于艺术设 计的美感问题。在具体的设计过程中，不但要掌握用户的口味，还要注意应用的场合。 一般在界面设计时遵循如下原则： 4 鈀燭罚櫝箋礱颼畢韫粝。 1）界面设计要符合人们的习惯 设计界面符合人们的习惯，这样当软件交到用户手里，用户可以根据本身已有的经 验与知识对新软件进行快速的掌握。 惬執缉蘿绅颀阳灣熗鍵。 2）界面设计要简单明了 推荐对控件进行分类，功能类似的放在界面的同一区域，比如将命令和控制按钮放 在一起，状态显示放在一起； 布局合理，主次要分明。重要和常用的控件放在界面显眼

29、的位置。不常用的控件可 以使用模块化，在平常时隐藏，需要用到时再调用。 贞廈给鏌綞牵鎮獵鎦龐。 按阅读习惯布局控件。人们的阅读习惯一般是从左往右，从上到下。 3）界面配色要适当 适当的界面配色可以给人赏心悦目的感觉，但要注意界面的颜色不宜过多，一般在 三种颜色左右比较合适。功能相近的元素使用同一色系的颜色，需要重点突出的内 容用特别的颜色。 嚌鲭级厨胀鑲铟礦毁蕲。 2.2 本文界面模块设计 本文设计的数据分析控制界面包含一共包含四个个模块，分别是数据操作、FFT 变 换、滤波处理、 chirp 信号分析。主界面采用 Tab 控件控制界面，利用属性节点与 基于 LabVIEW软件的控制界面设计

30、Tab控件控制界面的显示实现通过属性节点来控制 Tab 控件标签页的目的。我们需 要创建四个事件结构，每个事件结构对应一个按钮的单击事件。当单击按钮时，选 择相应的标签页。主界面如图 2.2.1 所示： 薊镔竖牍熒浹醬籬铃騫。 图 2.2.1 数据分析控制界面 第三章数据操作模块的设计 第三章 数据操作模块的设计 3.1 文件 I/O 简介 运用 LabVIEW 编写程序的过程中， 我们经常需要存储数据或读取数据， 这就需 要有文件的 I/O 过程。 LabVIEW 中提供了对多种文件类型格式的数据进行读 / 写操 作的函数，用来实现数据的存储与读取 4 。齡践砚语蜗铸转絹攤濼。 3.1.1

31、绝对路径与相对路径 文件路径分为绝对路径和相对路径。 绝对路径指文件在磁盘中的位置， LabVIEW 可以通过绝对路径访问在磁盘中的文件；相对路径指相对于一个参照位置的路径， 相对路径必须最终形成绝对路径才能访问磁盘中的文件。 LabVIEW 中，路径可以是 有效的路径名、空值或非路径。非路径 LabVIEW 提供的一种特殊路径，是路径操 作失败时的返回值。 绅薮疮颧訝标販繯轅赛。 3.1.2 文件引用句柄 句柄是一种标识符，文件引用句柄是 LabVIEW 区分文件的一种标识符，用于对 文件进行操作。打开一个文件时， LabVIEW 会生成一个指向该文件的引用句柄， 以 后对文件的操作都通过引

32、用句柄来实现。文件引用句柄包含文件的位置、大小和读 写权限等信息。 饪箩狞屬诺釙诬苧径凛。 3.1.3 流盘 流盘是一项进行多次写操作时保持文件打开的技术，可以循环使用。流盘操作 可以减少函数因打开和关闭文件而产生的与操作系统交互的次数，从而节省内存资 源。流盘操作还可避免频繁地打开和关闭同一文件，可提高 VI 效率。 烴毙潜籬賢擔視蠶 贲粵。 10 基于 LabVIEW软件的控制界面设计 如果将路径控件或常量连接至写入文本文件函数，写入二进制文件函数或写入 电子表格文件函数，则函数将在每次运行 VI 时打开、关闭文件，增加了系统占用。 对于速度要求高，时间持续长的数据采集，流盘是一种理想的方

33、案，因其可以在数 据采集的同时将数据连续写入文件中。 鋝岂涛軌跃轮莳講嫗键。 为获取更好的效果，在采集结束前应避免运行其他 VI 和函数（如显示 VI 和函 数等）。在循环之前放置打开 / 创建 / 替换文件函数，在循环内部放置读或写函数， 在循环之后放置关闭文件函数，即可创建一个典型的流盘操作。此时，只有读写操 作在循环内部进行，从而避免产生重复打开、关闭文件的系统占用。 撷伪氢鱧轍幂聹諛詼 庞。 3.2 常用文本类型 LabVIEW 用于测控领域时，通常需要对不同类型的测试数据进行实时存储，以 供日后进行数据分析处理、波形回放和生成各种类型的报表。 LabVIEW 提供了丰富的 文件类型用

34、于满足用户对存储格式的需求，常用的文件类型有以下几种。 踪飯梦掺钓貞绫賁发 蘄。 1）文本文件 文本文件是最常用的文件类型， LabVIEW 提供两种方式创建文本文件：一种方式就 是使用打开 /创建/替换文件函数， 另一种方式更简便的方法是使用文本文件写入函数和 读取文本文件函数，如图 3.2.1 和 3.2.2 所示： 婭鑠机职銦夾簣軒蚀骞。 图 3.2.1 写入文本文件函数 11 第三章数据操作模块的设计 图 3.2.2 读取文本文件函数 2）电子表格文件 电子表格文件是一种特殊的文本文件，它将文本信息格式化，并在格式中添加了空 格、换行等特殊标记，以便于被 Excel 等电子表格软件读取

35、。使用 LabVIEW 提供的电 子表格函数可以方便地实现表格的生成和读写操作。电子表格函数的简要说明如图 3.2.3 和 3.2.4 所示： 譽諶掺铒锭试监鄺儕泻。 图 3.2.3 写入电子表格文件 图 3.2.4 读取电子表格文件 3）二进制文件 在众多的文件类型中二进制文件是存取速度最快、格式最紧凑、冗余数据最少的文件 存储格式，在高速数据采集时常用二进制格式存储文件，以防止文件生成速度大于存储 12 基于 LabVIEW软件的控制界面设计 速度的情况发生。二进制文件函数的简要说明如图 3.2.5 和 3.2.6 所示： 俦聹执償閏号燴鈿膽 賾。 图 3.2.5 写入二进制文件 图 3.

36、2.6 读取二进制文件 3.3 基于 labview 的文本数据读取 本模块实现的功能是 LabVIEW 读取已保存的文本文件数据，生成波形和柱状图， 然后对波形进行分析，得到信号的基本参数。文本数据是由 Matlab 软件生成的高斯分 布序列。 缜電怅淺靓蠐浅錒鵬凜。 3.3.1 随机高斯序列的生成与保存 程序代码如下 y=randn(1,2500); y=y/std(y); y=y-mean(y); 13 第三章数据操作模块的设计 a=0.0128; b=sqrt(0.9596); y=a+b*y; 就得到了 N(0.0128,0.9596) 的高斯序列，然后保存成文本文件如图 3.3.1

37、 所示： 骥擯帜褸 饜兗椏長绛粤。 图 3.3.1 高斯序列文件数据 3.3.2 LabVIEW 的数据读取 1) 前面板设计 放置数值控件、布尔控件、数组控件及图形控件。执行“控件新式数组、矩阵 和簇数组”添加一个簇，命名为信号参数，和“控件新式数值数值显示控件” 操作，添加三个控件，分别命名为“算术平均”、“方差”、“采样点数”； 癱噴导閽骋艳 捣靨骢鍵。 执行“控件新式图形波形图”操作，添加两个波形图控件并分别命名为“原 始信号”和“柱状图”。 前面板设计图 3.3.2 所示： 14 基于 LabVIEW软件的控制界面设计 图 3.3.2 数据操作界面 2）程序框图设计 程序框图如图 3

38、.3.3 所示： 图 3.3.3 数据操作程序框图 其中的子 VI 为数据读取操作，子 VI 的程序框图如图 3.3.4 所示： 15 第三章数据操作模块的设计 图 3.3.4 读取文本文件 3）运行程序 运行程序，观察到生成的高斯序列波形和其柱状图，观察到波形算术平均值、方差、 采样点数以及不同幅值的点数分布情况。运行结果如图 3.3.5 所示： 鑣鸽夺圆鯢齙慫餞離龐。 图 3.3.5 数据操作运行界面 16 基于 LabVIEW软件的控制界面设计 17 式中， 2 WN e N ,N 称为 DFT变换区间长度， NM。 5 第四章 FFT 变换模块的设计 第四章 FFT 变换模块的设计 4

39、.1 DFT 的定义 傅里叶变换是数学信号处理中常用的重要数学变换， 离散傅里叶变换(简称 DFT) 是针对有限长序列的， DFT 的实质是有限长序列傅里叶变换的有限点离散采样，这 样开辟了频域离散化的道路，使得数字信号处理可以在频域采用数字运算的方法来 进行，数字信号处理变得更加灵活。另一方面， DFT 的多种快速算法使信号的实时 处理的设备的简化得以实现，因此，时域离散系统的研究与应用代替了传统的连续 时间系统。所以说， DFT 在理论和各种信号处理中都有很重的意义。 榄阈团皱鹏緦寿驏頦 蕴。 设x n 是长度为的有限长序列，其点离散傅里叶变换 X k 定义为： N1 X k DFT x

40、nx n WNkn ， k=0 ，1,2 ，. ，N-1 n0 X k 的离散傅里叶逆变换 IDFT(Inverse Discrete Fourier Transform，简称IDFT)为 逊输吴贝义鲽國鳩犹騸。 1N1 n=0,1,2 ， . ， N-1 x n IDFT X k 1X k WN kn ， N k 0 N 4.2 DFT 的应用 DFT 在数字通信、仿真、图像处理、语音信号处理、雷达理论、功率谱分析、光 学、地震、系统分析以及医学等各个领域都有着广泛地应用。此处主要介绍DFT计 算卷积和相关系数的基本原理以及 DFT 对连续信号和序列进行谱分析等基本的应 用。 幘觇匮骇儺红卤

41、齡镰瀉。 18 基于 LabVIEW软件的控制界面设计 4.2.1 用 DFT 计算线性卷积 循环卷积可在时域内直接计算，也可以在频域计算，如框图所示： 1 nx2 n 在实际应用中，为了分析时域离散线性非移变系统或者对系列进行滤波处理等，需要计 算两个序列的线性卷积。 假设 h n 和x n 都是有限长序列，长度分别是 N和 M。它们的线性卷积和循环卷积分别 表示如下： N1 yi n h n x n h m x n m m0 L1 yc n h n x n h m x n m L RL n m0 其中， L max N,M ，x n L x n qL ，所以得出 q yc nyi n qL

42、 RL n q 由此说明 yc n 等于 yl n 以L为周期的周期延拓序列的主值序列。 yl n 的长度为 N+M-1， 所以只有当循环卷积长度 L N M 1时，yl n 以 L 为周期进行周期延拓才没有混叠现 象。此时满足 yc n yl n 。誦终决懷区馱倆侧澩赜。 由此证明了循环卷积等于线性卷积的条件是 L N M 1 。 19 第四章 FFT 变换模块的设计 4.2.2 用 DFT 对连续信号进行谱分析 信号进行频谱分析就是计算信号的傅里叶变换。 计算机不方便对连续信号与系统的 傅里叶分析进行计算，而 DFT是一种时域和频域均离散化的变换，非常适合计算机进行 数值运算，因此 DFT

43、在分析离散信号和系统中有着广泛应用。 医涤侣綃噲睞齒办銩凛。 用 DFT作频谱分析， 只能处理有限时宽的信号。 实际经常遇到的连续信号 xa t 如图 像、声音、电压、电流等，其频谱函数 Xa j 也是连续函数。数字计算机难于处理， 对模拟信号进行处理，必须对 xa t 作时域采样以及 x(n)作DFT，得到 X(k)。X(k)是x(n) 的傅里叶变换 X (ejw )在频率区间 0，2 上的 N点等间隔采样，其中的数字域频域采样间 隔为 2 N ，对应的模拟频域采样间隔为 F fS N,F 也定义为频率分辨率。上述分析表 明，对连续频谱进行数字处理时，即会遇到时域采样，也要处理频域采样，如图

44、 4.2.1 所示： 舻当为遙头韪鳍哕晕糞。 xa(t)时域采样 DFT (频域采样) X (k) 图 4.2.1 用 DFT 做频谱分析 4.3 快速傅里叶( FFT)运算 4.3.1 FFT 定义 快速傅里叶变换( FFT)是计算 DFT的一种快速高效的算法，通过 FFT 可以将信号 从时域转换到时域。采样就是模拟信号经过 A/D 转换变为数字信号的过程，根据采样定 理，采样频率必须大于 2 倍信号中最高频率成分才能保证采样以后信号频谱形状不失真。 我们假设采样频率为 f ，采样点数 M，那么 FFT结果显示就是一个 M点的复数，每一个 点就对应着相应的那个频率点，某个点 m点表示的频率为

45、： fm (m 1) f M 。鸪凑鸛齏嶇 烛罵奖选锯。 20 基于 LabVIEW软件的控制界面设计 4.3.2 FFT 的主要应用 作为一种分析信号的方法，它不仅可以分析信号成分，同时也可以利用这些成分合 成信号，信号的成分可以是各种各样的波形，例如方波、正弦波等，由此傅里叶变换的 应用主要有以下几个方面： 筧驪鴨栌怀鏇颐嵘悅废。 1）语音信号处理 我们对对语音信号进行 FFT变换，将其从时域变换到频域，这样可以更加直观地观 察到它的频谱分布、宽度等信息，同时也有利于接下来设计各种滤波器、编码及识别方 式、调制模式。我们生活中可以看到很多 FFT 在语音信号处理方面的应用，例如语音识 别（

46、刑侦、防盗门系统）、声音模拟（候鸟、鱼群的迁徙引导等）、话音伪装（模仿游 戏等）。 韋鋯鯖荣擬滄閡悬贖蘊。 2）图像处理 FFT 在图像处理中的应用主要包括图像保存、 图像滤波、 图像增强和图像复原四个方 面。 图像保存：图像保存就是通过 FFT 我们可以将将图像分解为一组逐渐减小的正交归 一图像，图像具有很高的压缩比能够在不引入任何失真的情况下将原始数据完全恢复。 因此我们可以利用 FFT将一幅图像以一种更紧凑的数据格式进行编码， 同时保持数据的 不丢失。 涛貶騸锬晋铩锩揿宪骟。 图像滤波：在进行 FFT 变换后，若在进行反变换之前对变换域进行选择，图像就可 以进行滤波处理。 图像增强： F

47、FT正变换将一幅图像分解为位置、 大小和方向都不同的分量， 在逆变换 之前我们改变域中某些系数的大小，选择需要提升的分量，而忽略不需要的分量从而达 到图像增强。 钿蘇饌華檻杩鐵样说泻。 图像复原：图像复原的目标是对退化的图像进行一系列处理，使它复原成没有退化 之前的理想图像。例如图像上的不清晰部分，我们可以通过傅里叶卷积来达到恢复数据 的目的。 戧礱風熗浇鄖适泞嚀贗。 第四章 FFT 变换模块的设计 21 3）雷达信号处理 雷达信号处理时经常采用 FFT方法测量频率，增加 FFT点数可以提高测频精度，增 加 FFT点数的实质是在整个单位圆 （ 即整个距离谱 ） 上均匀增加频域采样点数， 从而造

48、成 运算量的成倍增加。 Chirp-z 变换可以实现对回波频谱中的某段进行局部细化，这样使 得在运算量、采样点数增加不多的情况下，极大的提高雷达的测量精度。 購櫛頁詩燦戶踐澜 襯鳳。 匹配傅里叶变换 ,检测反辐射导弹 , 改进地面运动目标检测， 机载雷达的目标跟踪性 能, 特别是在实际 3米 SAR数据中,应用匹配傅里叶变换检测出了慢速运动目标。 （匹配 傅里叶变换的基本原理是其变换基的相位随时间变化规律必须与信号相位随时间变化 规律相同。） 嗫奐闃頜瑷踯谫瓒兽粪。 4）功率谱估计 通常采用基于自相关函数的方法来进行信号的功率谱估计，而离散傅里叶变换与基 于自相关函数的功率谱估计的结构非常类似

49、。 我们将其频谱分量所对应的参数加以修改 和限制，使其与 DFT变换输出完全一致，然后利用 FFT算法来计算功率谱，这样就可以 实现功率谱的快速估计。 虚龉鐮宠確嵝誄祷舻鋸。 4.4 基于 LabVIEW 的 FFT 实现 在数字系统中使用数字频率来测量信号频率，数字频率 =模拟频率采样频率，其 单位为周期数采样数。 基于 LabView 虚拟平台，利用“波形生成”和“变换” 子选板， 分别使用其中的“正弦波”和“ FFT函数”，生成一个正弦信号，将此正弦信号输入到 x 端进行快速傅里叶变换处理，使时域信号转换为频域信号，然后经过复数到极坐标的 转换后将其显示出来。结构框图如图 4.4.1 所

50、示： 與顶鍔笋类謾蝾纪黾廢。 22 基于 LabVIEW软件的控制界面设计 图 4.4.1 结构框图 4.4.1 前面板的设计 放置数值控件、布尔控件、数组控件及图形控件。 1）执行“控件新式数值数值输入控件”操作，添加五个数值输入控 件并分别命名为“频率”、“幅值”、“采样频率”、“采样点数”、“ FFT 点数”。 結释鏈跄絞塒繭绽綹蕴。 2）执行“控件新式数值数值显示控件”操作，添加数值显示控件并将 其 标签更名为“最大幅值”；控件新式数组、矩阵和簇数组”和“控件新式数 值数值显示控件”操作，并将数组显示控件命名为“频谱索引”。 餑诎鉈鲻缥评缯肃鮮驃。 3）执行“控件新式布尔开关按钮”操作

51、，添加开关按钮并将其命名为“移位”。 4）执行“控件新式图形波形图”操作，添加两个波形图控件并分别命名为“信 号波形”和“ FFT 变换”。 爷缆鉅摯騰厕綁荩笺潑。 设计完毕后的前面板如图 4.4.2 所示： 23 图 4.4.2 FFT 变换前面板 第四章 FFT 变换模块的设计 4.4.2 程序框图设计 （1）打开程序框图编辑窗口，找到相应控件。 （2）放置 while 循环、正弦波、 FFT、捆绑簇、数组大小、数组子集、数组最大值和 最小值、搜索一维数组、单位转换及倒数等节点图标。 锞炽邐繒萨蝦窦补飙赝。 1 ）执行“函数编程结构 while 循环”操作，将其所有节点拖入 while 循

52、环中。 2 ）执行“函数信号处理信号生成正弦波”操作，添加一个“正弦波”函数节 点；执行“函数信号处理变换 FFT”操作，添加一个“ FFT”函数节点；将“正弦 波”函数节点和“ FFT”函数的端子与参数输入和数组变换部分连接起来。 曠戗輔鑽襉倆瘋诌 琿凤。 程序框图设计完毕后如图 4.4.3 所示： 24 基于 LabVIEW软件的控制界面设计 图 4.4.3 FFT 变换程序框图 4.4.3 运行程序 运行程序，如图 4.4.3 所示，在单边 FFT 变换频谱图中可以观察到，频率为 10HZ的 正弦波经过傅里叶变换后，完成了从时域到频谱的映射，频谱上的最大幅值处正好对应 10HZ，改变幅值

53、、频率等输入控件的值，可观察单边 FFT变换频谱图上最大幅值的位置 变化情况。单击“停止”按钮，程序停止运行。 轉厍蹺佥诎脚濒谘閥糞。 图 4.4.3 运行结果 25 第五章滤波处理模块的设计 第五章 滤波处理模块的设计 5.1 滤波与滤波器简介 滤波在信号处理领域占有很大比重。在有用信号的传输过程中，通常会受到噪声以 及干扰的污染。利用滤波处理技术可以从复杂的信号中提取出我们所需要的信号，同时 去除噪声或干扰信号，从而更有效地利用原始信号。滤波器事实上就是一种选频系统， 它能微弱衰减某些频率的信号，让该部分信号顺利通过，同时对其它不需要的频率信号 则予以大幅度的衰减，尽可能阻止这些信号通过。

54、 嬷鯀賊沣謁麩溝赉涞锯。 现在计算机和大规模集成电路技术的飞速发展，精度高、可靠性强、灵活性高、容 易大规模集成数字滤波器正在代替传统的模拟滤波器，因而在通信、卫星导航、雷达、 音响技术、仪器生物、医学、声纳、遥感遥测、电视、计算机应用与控制等领域得到广 泛的应用。 7 讯鎬謾蝈贺綜枢辄锁廪。 数字滤波在数字信号处理中占据重要位置。 数字信号处理主要是研究如何用符号或 数字的序列来表示信号波形，同时用数字的方式去处理这些序列，把它们转变成在某种 意义上我们更希望的形式，以便估计出信号的特征参量，或减弱信号中的多余分量和增 强信号中的有用分量。一般来说，用数字方式对信号进行滤波、调制、变换、解调

55、、压 缩、均衡、增强、估值、识别、产生等一系列加工处理，都可称为数字信号处理。 兒躉讀 闶軒鲧擬钇標藪。 5.2 滤波器分类 滤波器一般有如下几种分类： （1）根据滤波器所处理的信号不同主要分为数字滤波器和模拟滤波器。 模拟滤波器是 指它所处理的输入信号，输出信号都为模拟信号，而其本身是一种线性时不变的模拟系 统。数字滤波器是指输入信号，输出信号都是数字信号，通过某种运算关系改变输入信 号所含频率成分的相对比重或者滤除某些频率成分的器件。 从数字滤波器的用途上分分 为经典滤波器和现代滤波器 , 经典滤波器的特点是输入信号中可用的频率成分和希望滤 26 基于 LabVIEW软件的控制界面设计 除

56、的频率成分各自占有不同的频带 , 我们通过一个合适的选频滤波器即可对其进行滤 波。现代滤波器例如维纳滤波器和自适应滤波器也有着广泛应用。 繅藺詞嗇适篮异铜鑑骠。 (2) 按选择物理量滤波器可分为频率选择、时间选择、幅度选择和信息选择等四类 滤波器。 (3) 按实现的功能或频率通带范围分类，滤波器可分为低通、高通、带通、带阻、 全通五种滤波，每一种滤波器对信号的作用也是不同的。 5.3 数字滤波器 鮒簡觸癘鈄餒嬋锵户泼。 5.3.1 数字滤波器的基本原理 1 )快速傅立叶变换 离散傅立叶变换 (DFF)及其快速算法 - 快速傅里叶变换( FFT)是数字信号处理领域 的重要组成部分。通过傅里叶变换

57、将时域和频率域联系起来，使在时域隐藏的现象和特 征在频率域内显示出来。对于 N 点的序列 x(n) 。离散傅立叶变换满足以下关系： 眯毆蠐謝 银癩唠阁跷贗。 N1 kn x(k)x( n)WNkn ， k=0,1,2,.N-1 (5-3) k0 1N1 x(n) 1 X(k)WNkN ，n=0,1,2,.N-1 Nk0 WN e j2 N 在通常情况下， x(n) 序列和它的离散傅立叶变换 x(k) 都是复数，因此直接计算 DFT 及离散傅立叶逆变换需要 N2 次复数乘法和 N(N 1)次复数加法。做一次离散傅立叶变 换总共需要做 4N 2次实数乘法和 2N(N 1)次实数加法。随着序列长度的

58、增大，运算量 将剧烈的增加。 在DFT(5-3)的公式包含了大量的重复运算： 由于WN的周期性，式 5-3 中只有 N个独立的值，即 WN0，WN1 ,WN2 ,WN3 等。闵屢螢馳鑷隽劍颂崗鳳。 这 N个独立的值本身具有一些对称性。 FFT实现的关键是巧妙的利用 WNnk 的周期性 和对称性，通过一些快速的蝶形算法，简化了 DFT公式中的系数矩阵。与 DFT的运算量 第五章滤波处理模块的设计 27 相比。FFT的运算量下降为 N log 2 次，它巧妙的解决了离散傅立叶变换运算量巨大的问 2 题，从而成为信号处理中最方便的运算。 檁傷葦开阈灯伞馑諧粮。 2 )数字滤波器的基本原理 数字滤波器

59、滤波时，模拟信号量化后，利用数字系统进行数字运算实现滤波，如图 鄭饩腸绊頎鎦鹧鲕嘤錳。 图 5.3.1 数字滤波器原理框图 5.3.1 所示： 图中 x(n) ， y(n) 是数字滤波器输入和输出的数字量化信号， H (z) 是系统的响应函 数。 3 )IIR 数字滤波器算法 IIR 滤波器可以用常系数微分方程表示为： MN y(n) akx(n k)bk y(n k) k1 k 1 x(n) 和有 y(n)分别表示输入和输出信号序列， ak和bk是滤波器系数。 IIR 数字滤波 器的系统函数为 z 1 的有理分式： N bkz 1 H(z) k0 N 1ak z 1 k1 对照模拟滤波器的传

60、递函数： H(s) bmsm bm 1sm 1b0 n n 1 ans an 10sa0 不难看出，数字滤波器与模拟滤波器的设计思路相仿，其设计实质也是寻找一组系 数b ，a ，去逼近所要求的频率响应，使其在性能上满足预定的技术要求。因此数字滤 波器设计的关键是将 H(s)转换为对应的 H(z) ，即把 s 平面映射到 z 平面， S-Z 映射的 方法有：冲激响应不变法、 阶跃响应不变法、双线性变换法等。“间接法” 是 IIR 滤 28 基于 LabVIEW软件的控制界面设计 波器设计过程中的常用方法，它是通过模拟滤波器来间接地确定数字滤波器的系数。因 为模拟滤波器已经有一套相当成熟的设计方法