基于虛擬儀器的多通道數據分析系統設計*

張敬帥，張丕狀，白雪萍

（1.中北大學 儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051;2.中北大學 電子與計算機科學技術學院，山西 太原 030051）

在以往的測試系統中，一般采用引線式測試法實現信號的同步采集、顯示與分析，但在武器系統參數測試裝置所工作的高溫、高沖擊、高壓的惡劣環境中，引線式測試法布線復雜，干擾大，采集系統與信號分析系統的實時連通極為困難，而且在測試結束回收過程中，一旦系統意外掉電，則測試數據丟失，導致測試失敗[1]。引線式測試法在解決此類問題時遇到了功能上的瓶頸。為解決此類情況，存儲式測試法作為一種新的測試方法被提出，即把數據采集與分析系統分割為兩個相互獨立的子系統，測試時利用存儲測試技術，將傳感器與記錄電路做成一個整體，直接放到待測環境中對相關參數進行測試并存儲。測試結束后由專用數據分析系統對測試數據進行后期分析與處理[2]。隨著計算機技術的發展，使用虛擬儀器對數據分析處理不僅高效準確，而且很大程度地降低了成本。虛擬儀器技術已經成為現代測試技術的一個重要發展趨勢。本文中設計了一種基于虛擬儀器的低成本、高精度、可擴展的多通道數據分析系統。

1 系統整體設計方案

多通道數據分析系統的結構框圖如圖1所示。

1.1 系統硬件結構

圖1 系統結構框圖

本系統的硬件結構為基于Nandflash技術的存儲測試子系統。Nandflash是一種非易失性存儲器，具有體積小、功耗小、讀寫速度快等優點。本文采用三星公司的Nandflash芯片K9F4GOSUOA作為主要存儲器件，控制器件使用ATMEL公司的ATmegal62和Xi1inx公司Cool-Runner-II系列 XC2C256，結合對 Nandflash的讀、寫、擦除等操作進行時序配置。A/D芯片使用Maxim公司的MAX1308。另外為實現通過USB總線將數據從采集設備傳送至PC，采用FTDI公司的FT245R芯片作為USB2.0接口控制器。

存儲測試子系統共分為兩個模塊：(1)數據采集模塊,將采集的高速數據流，通過AVR和CPLD的控制，實時地保存到Nandflash中;(2)數據傳輸和存儲模塊,將己保存到 Nandflash中的數據,通過 AVR、CPLD和 USB專用芯片進行控制，經由USB總線傳送至PC，以便后續處理[3]。

1.2 系統軟件結構

LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是一種圖形化的編程語言和開發環境。系統的軟件部分是以LabVIEW為平臺開發設計的多通道數據分析子系統，其功能主要是對存儲測試子系統中存儲的測試數據進行后期分析與處理。

2 多通道數據分析系統的軟件實現

系統軟件部分主要用來實現讀取存儲的測試數據文件，將數據還原成波形，并對波形進行一系列的分析與處理。在功能上由數據定點定長讀取、數據波形還原與顯示、波形參數測量、濾波處理、頻譜分析與打印組成。

2.1 軟件前面板的設計

前面板是軟件與用戶間進行交流的窗口，通過這個友好的界面，用戶根據規定的操作規程，可以實現對軟件的控制，進而獲取理想的數據結果。根據功能需要，前面板上共設置了數據讀取、波形顯示、波形控制、濾波處理、頻譜分析、參數測量、打印等窗口或旋鈕。

2.2 軟件各模塊的實現方法

2.2.1 測量數據定點、定長讀取

測量數據定點、定長讀取可有效解決單次讀取海量數據造成的時耗過長問題，還可以在海量數據中對自己感興趣的區域進行快速定位，有選擇地讀取，從而方便了對測量數據中敏感區域的分析與處理。該模塊通過“起始位置”與“讀取點數”的組合控制操作，實現了數據的定點定長讀取，其程序圖如圖2所示。

圖2 文件定點、定長讀取程序圖

2.2.2 測量數據波形還原與顯示

該模塊主要用于還原測量數據的波形，并實現對波形的控制。該部分通過一個5幀數字CASE結構實現了通道 A、通道 B、通道 C、通道 D、全選通等 5種多通道工作模式。

波形顯示窗口在設計過程中將5個“波形圖”控件透明化處理后與20×10的背景方格疊加，分別完成游標和四通道波形的顯示功能。該設計方案解決了以往類似軟件中存在的當多通道波形同時顯示時，不能獨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 波形參數測量

該模塊主要用來測量波形的基本時域參數，主要分為宏觀參數測量和游標測量兩部分。宏觀測量是對讀取的定長數據進行運算，獲取其信號時域參數。游標測量可以用來對波形中感興趣的點或區域進行測量，獲得該區域信號的時域參數[5]。

2.2.4 濾波處理

濾波處理主要用來對讀取的定長數據波形進行濾波操作。該部分調用了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單元，實現了低通濾波、高通濾波、帶通濾波、帶阻濾波等4種濾波功能，通過設置高截止頻率、低截止頻率、階數和衰減等參數達到濾波目的。

2.2.5 頻譜分析

根據“海森堡原理”，對數據中某一段敏感區域進行頻譜分析可有效解決對海量數據進行頻譜分析時有效信息不能準確獲取的問題。該模塊主要用到函數庫中的FFT變換，獲取信號的單邊幅度譜，并把結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據存儲方式。該部分通過調用“添加報表文本”等控件，實現了對圖表及參數等信息的打印。

3 運行結果與分析

系統構建完成以后，為驗證系統能夠正常工作以及性能的優劣，組織實驗，并通過存儲測試子系統采集了一組正弦波信號數據，其參數如表1所示。

表1 正弦波采樣數據參數表

3.1 波形顯示

打開程序后，將正弦波的測試數據文件存儲地址輸入四個通道的地址欄中，分別調整各控制旋鈕，得到各通道同時顯示（即全選通）時圖形,如圖5所示。

經比對發現，軟件能夠將測量數據無失真還原，并實現了四通道波形同時顯示、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。

圖5 全選通波形顯示圖

3.2 波形參數測量

經多次對數據進行分段讀取測量，將測量結果與信號本身參數進行比對如表2所示。

表2 參數測量對比表

由表2可知，無論是游標測量還是宏觀測量所得的結果與原信號參數相比誤差都比較小，該模塊能夠正確測量波形參數。

3.3 濾波處理

為驗證系統的濾波功能，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中，其混合后波形如圖6所示。

圖6 正弦波與鋸齒波混合波形圖

設置濾波器參數為：拓撲結構為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)，階數為2。運行濾波處理功能模塊，得到濾波后波形如圖7所示。

圖7 濾波后波形圖

鋸齒波頻率為50 kHz，正弦波頻率為10 kHz，當濾波器類型為低通、截止頻率為20 kHz時，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

在測量數據中從第1000點開始讀取1 024個點進行頻譜分析，得到的頻譜圖形如圖8所示。

圖8 正弦波頻譜圖

從信號的單邊幅度譜可以看出，信號的功率大部分集中在10 kHz的頻率點上，與事實相符，而且泄漏與旁瓣較少，信噪比也符合工程需求。

本文設計了基于虛擬儀器的多通道數據分析系統，配合存儲測試技術，能夠方便、可靠地實現對武器系統參數的測試，充分發揮存儲測試技術所具有的無需引線、抗干擾能力強的優點，是解決高溫、高沖擊、高壓環境下參數測試的先進手段，有很好的推廣應用前景。

[1]張立.信息存儲技術的現狀及發展[J].信息記錄材料,2006,5(7):47-54.

[2]馬鐵華,祖靜.沖擊波超壓存儲測試技術研究[J].儀器儀表學報，2004，25(4):134-135.

[3]杜建海.基于Nandflash陣列的高速數據存儲技術[D].太原：中北大學,2010:4-26.

[4]安軍,唐東煒.基于 LabVIEW的信號示波分析儀的開發[J].傳感器與儀器儀表,2007,23(11):139-141.

[5]張宏群,蔡國英.基于虛擬儀器技術的信號測量分析儀的設計[J].計算機技術與發展,2008,18(2):244-250.

[6]包敬民,齊新設,馬剛.基于LabVIEW8.2的虛擬頻譜分析儀的設計[J].現代電子技術,2007,22(6):200-202.