基于LabVIEW的數據分析技術研究

惠國娟 徐 雷 吳從焰 江 晨

（上海航天精密機械研究所，上海201600）

1 引言

LabVIEW 是建立在Windows 基礎上的圖形化儀器開發系統，是目前應用最廣、功能最強的圖形化軟件，廣泛用于測試系統的開發。測試數據是測試系統運行后采集或計算得出的數據，隨著測試數據的長時間積累，對數據的統計分析必要性愈顯。在數據分析中，數據的波形顯示因其可視性和直觀性而成為必不可缺的部分。波形顯示的形式多種多樣，LabVIEW 軟件本身提供了現成的波形顯示控件，應用軟件對測試系統產生的測試數據進行處理，并得到可用于波形顯示的輸入數據，將使數據分析更加便捷高效。數據分析中通常根據需要應用各種波形圖來顯示數據特性，如數據散點圖、直方圖、正態分布圖，使用LabVIEW軟件自帶的波形顯示控件及數學概率分析統計函數，通過函數與控件結合使用，可實現各種需求的波形圖顯示，從而實現數據的可視化分析。

2 數據的直方圖生成

直方圖，又稱質量分布圖，是一種統計報告圖，是數值數據分布的精確圖形表示。直方圖在平面直角坐標系中，橫坐標表示測試數據值，縱坐標表示數據出現的頻次數。應用LabVIEW 生成數據直方圖，將需要顯示的一維數組轉換為動態數組作為輸入，選用函數中“數學”/“概率與統計”中的“創建直方圖”函數，即可得到直方圖顯示輸出，直方圖生成程序設計流程如圖1所示。以某一測試靈敏度直方圖為例，程序生成的直方圖如圖2所示，測試數量共有206 個，直方圖橫坐標為靈敏度值，分布在-140～-130，縱坐標為每個數據子樣對應出現的次數，從靈敏度直方圖可看出，其中靈敏度為-137 的數據子樣最多，依次為-138、-136、-135、-139，數據分布情況從圖中一目了然。

圖1 直方圖生成程序設計流程圖

圖2 靈敏度直方圖圖樣

3 數據的正態分布曲線生成

正態分布是一個在數學、工程等領域都非常重要的概率分布，在統計學上有著重要的意義。數據統計量在大樣本時近似正態分布，正態分布公式為：，記為N（u，σ2），其中u為均值，σ為標準差，σ2為方差。正態分布曲線以u為對稱軸，左右完全對稱，σ體現了數據的離散性，σ越大，數據越分散，曲線越扁平，反之，σ越小，數據越一致，曲線越瘦高。使用正態分布曲線，可對不同批次的數據比對整體特性。

圖3 正態分布曲線生成程序設計流程圖

圖4 靈敏度正態分布曲線圖圖樣

以某一數據兩個批次曲線生成為例，LabVIEW 正態分布曲線生成的程序設計流程如圖3所示，選用函數中“數學”/“概率與統計”/“概率”中的“概率密度函數”，并選取函數中的正態分布函數。本函數用于計算符合給定u和σ的正態分布特性下，輸入某一數據值，輸出為對應的概率值。為了得到完整的曲線，程序需建立一個循環，輸入批次某一數據的一維數組及批次數組的u和σ，經過正態分布函數后，循環后輸出即為對應的概率輸出數組。對兩個批次數據的正態分布曲線繪制，只需運用兩個循環，得到兩個批次的概率數組，分別捆綁橫坐標數組和批次概率數組，形成兩條曲線作為波形輸入，即得到兩個批次的正態分布曲線。以某一測試靈敏度正態分布曲線圖為例，如圖4批次正態分布曲線圖所示，實曲線（本批次）比虛曲線（前批次）中心點更小（即均值更小），曲線更狹窄（即標準差σ更小），因此，本批次數據比前批次數據整體略偏低，本批次數據比前批次數據離散性更小，數據一致性更好。

4 數據的散點圖生成

散點圖是指在回歸分析中，數據點在直角坐標系平面上的分布圖，是以一個變量為橫坐標，另一變量為縱坐標，利用散點（坐標點）的分布形態反映變量統計關系的一種圖形。它可以揭示格網上所繪制的值之間的關系，還可以顯示數據的趨勢，當存在大批量或多批次數據時，散點圖的作用尤為明顯。

4.1 單批次數據散點圖生成

單批次數據散點圖生成程序設計流程如圖5所示，將需要顯示的數據整理提取為一維數組后，數據以一維數組形式作為輸入，通過數組函數獲取數組大小，即數據個數，再使用指標的最大值、最小值分別進行初始化數組操作，形成兩條指標線數據數組，并和測試數據的數組整合后作為波形顯示控件輸入數組，輸出的波形即為單批次數據散點圖波形，散點圖圖樣如圖6所示，通過單批次數據散點圖顯示，可顯示指標上下限、批次數據散點圖，從而得出單批批次數據分布特性。

圖5 單批次散點圖生成程序設計流程圖

圖6 單批次數據散點圖圖樣

4.2 多批次散點圖生成

對多個批次數據以不同顏色按批次平鋪顯示，能更清楚得顯示各批次特性及差異性。多批次數據分批次散點圖通過LabVIEW 軟件的實現，首先使用波形控件屬性節點對波形y坐標范圍進行設置（可取指標最大最小值作為坐標軸范圍）。再對各批次數據進行處理，以某一項數據為例，先將各批次數據合并為一個一維全批次數組并計算數組大小，再取一個極大值（遠超過坐標最大值作為無窮數組，此處取1010）初始化形成一個全批無窮數組，然后通過查找各批次數據在數組中的位置后進行各批次數據子數組替換，形成各批次曲線二維數組，再增加兩條指標數據線，最終的二維數組作為波形控件的輸入，此部分功能實現的程序設計流程如圖7所示。

最后，在程序前面板對每個批次的波形曲線進行屬性設置，包括曲線顏色、線條樣式、線條寬度、點樣式等均可分別設置，為了區分每個批次數據，可對每個批次的曲線進行不同顏色或不同樣式設置，通過以上屬性設置，運行軟件后最終可得出如圖8所示的多批次分批散點圖曲線圖樣，通過各批次數據散點顯示，可更直觀地體現各批次數據的關聯性、差異性等，從而為數據分析提供更詳細的比對分析信息，從圖中可看出某項數據共4 個批次的數據，每個批次以不同樣式的散點顯示，從圖中可看出生7 批的數據一致性最好。

圖8 多批次分批顯示散點圖圖樣

5 結束語

大批量測試數據的分析，關鍵在于對數據的處理，形成可用于顯示的波形數據，本文針對基于LabVIEW如何生成不同需求的波形數據提出了實現方法，使用LabVIEW 結合數據提取技術對測試數據進行統計和分析，替代原來使用excel 對數據逐項繪圖分析的方式，大數據處理分析效率得到較明顯的提升，避免了不必要的人力投入，此方法在導彈測試數據分析中得到了廣泛應用，并取得了較好效果，為產品質量評估提供了技術支撐，具有較高的應用價值。