基于LabVIEW和OriginPro的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)開發(fā)*

王 冠

（1.中國特種飛行器研究所 荊門 448035）（2.高速水動力航空科技重點實驗室 荊門 448035）

1 引言

目前，依托中國特種飛行器研究所的高速水動力實驗室，擁有國內(nèi)最長的拖曳水池。其主要規(guī)模為長510m，寬6.5m，池深6.8m，水深5.0m，是國內(nèi)主要的船模水池試驗水池，尤其是高速拖曳試驗主要場地。船模水池試驗內(nèi)容豐富，工況復(fù)雜，并且由于池體長度可以滿足一趟車運行多個速度，所得的各項數(shù)據(jù)眾多，現(xiàn)有的數(shù)據(jù)處理軟件處理過程繁瑣，效率低下，難以滿足快速獲得試驗結(jié)果的需求。針對以上問題，田新亮［1］基于Visual Studio2005平臺，采用混合編程技術(shù)，以C++為主要設(shè)計語言，調(diào)用Fortran語言編譯生成的動態(tài)鏈接庫函數(shù)，開發(fā)了海洋工程水動力學(xué)模型試驗數(shù)據(jù)處理程序。陳宗煌［2］基于Matlab平臺，以低通濾波及EMD為程序內(nèi)核，將FFT-FS頻譜細化技術(shù)作為輔助的分析工具，開發(fā)了船舶耐波性試驗數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)。

本文基于LabVIEW和OriginPro平臺，根據(jù)實驗室數(shù)據(jù)處理需求，開發(fā)了數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，系統(tǒng)集成了OriginPro軟件自帶的FFT濾波器和LabVIEW提供的三種濾波器，并包含試驗數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與分析所需的各種功能，使用范圍廣，數(shù)據(jù)處理高效。系統(tǒng)科學(xué)組織程序結(jié)構(gòu)，合理布置程序界面，能極大提高實驗室的工作效率。

2 系統(tǒng)開發(fā)

2.1 系統(tǒng)需求分析

作為全國最長的拖曳水池，高速水動力實驗室不僅承擔(dān)著國家水上飛行器預(yù)研課題項目，同時還從事船舶、潛艇和水下拖體等眾多試驗項目。試驗種類以及試驗數(shù)據(jù)的繁多對數(shù)據(jù)分析處理提出了更高的要求。

1）船舶模型靜水試驗。該試驗雖然使用的傳感器不多，但是試驗工況及速度點比較多，需要快速獲得各通道不同速度穩(wěn)速段的平均值，并且作出各通道在不同速度點下的變化曲線，通過分析曲線趨勢判斷船舶性能并作為選取下一個試驗狀態(tài)的依據(jù)。

2）船舶模型規(guī)則波試驗［3］。該試驗通常需要獲得各通道穩(wěn)速段的平均值以及平均幅值，并需要作出各通道頻譜曲線以及不同波長下相關(guān)通道平均幅值的變化曲線。

3）船舶模型不規(guī)則波試驗。該試驗通常需要統(tǒng)計各通道穩(wěn)速段的平均值以及三一幅值，并需要作出不同波長下相關(guān)通道三一幅值的變化曲線。

4）船舶模型砰擊試驗。文獻［4］中介紹了，該試驗通常需要獲得模型受到砰擊時過載傳感器和底部壓力傳感器的峰值。但由于試驗狀態(tài)的不同以及水上試驗的特殊性，各傳感器每次試驗后的初始值不能保持不變，所以需要通過瞬間極值［5］減去初始值來獲得實際峰值（變化值）。

針對以上各試驗數(shù)據(jù)處理需求以及各試驗數(shù)據(jù)采集器存儲數(shù)據(jù)類型的不同，本系統(tǒng)需要具備以下功能。

1）系統(tǒng)能夠讀取不同的數(shù)據(jù)類型并能將其他數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換成*.txt格式；

2）系統(tǒng)具備分段處理功能，并可以將各通道統(tǒng)計值快速粘貼到EXCEL表格中；

3）系統(tǒng)具備多種數(shù)據(jù)濾波器選擇功能，并且濾波結(jié)果能夠被業(yè)界認(rèn)同；

4）系統(tǒng)能夠顯示各通道數(shù)據(jù)時歷曲線，并能夠局部放大縮小和更改曲線顏色；

5）系統(tǒng)能夠快速計算瞬間變化值；

6）具備通道選擇顯示功能，包括通道全選和反選功能。

2.2 開發(fā)平臺

本系統(tǒng)基于LabVIEW和OriginPro開發(fā)。Lab-VIEW是虛擬儀器概念的開創(chuàng)者，是由國家儀器公司為設(shè)計虛擬儀器而開發(fā)的程序開發(fā)軟件，是一個通用的軟件開發(fā)平臺，囊括了幾乎所有經(jīng)典的信號處理功能和大量現(xiàn)代先進的信號分析工具，具有編程簡單方便界面形象直觀和縮短開發(fā)周期等特點，其由兩部分組成：前面板程序和后面板程序（框圖面板程序）［6～8］。OriginPro是一個專業(yè)的繪圖和數(shù)據(jù)分析軟件，它被公認(rèn)為一種簡單、易學(xué)、靈活、強大的圖形可視化和數(shù)據(jù)分析軟件，可以滿足普通用戶的需求。它還可以滿足先進的用戶數(shù)據(jù)分析和功能擬合的需要，是工程師和科學(xué)研究人員常用的高級數(shù)據(jù)分析和繪圖工具之一［9］。

文章所用的程序環(huán)境為LabVIEW 2015，OriginPro 8.0 SR3。其中，OriginPro 8.0 SR3所提供的VI能夠在LabVIEW 7.0及以上的版本中運行，其提供的FFTFiltering.opj工程文件可以在OriginPro 8.0 SR3及以上版本中運行。

2.3 系統(tǒng)模塊設(shè)計

本系統(tǒng)以事件驅(qū)動技術(shù)為核心［8］根據(jù)數(shù)據(jù)處理的需要，采用快捷方便的鼠標(biāo)點擊操作和友好的人機界面對話框彈出窗口。其主控界面如圖1所示，主要包括數(shù)據(jù)導(dǎo)入模塊，數(shù)據(jù)圖形顯示模塊、統(tǒng)計值計算顯示模塊、數(shù)據(jù)處理方式選擇模塊及輔助功能模塊。

圖1 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)主控界面

1）數(shù)據(jù)導(dǎo)入模塊。該模塊可以到導(dǎo)入TDMS、TXT和EXCEL格式數(shù)據(jù)，既可以選擇根據(jù)文件命名規(guī)則或后綴名自動選擇數(shù)據(jù)讀取函數(shù)也可以手動選擇；

2）數(shù)據(jù)圖形顯示模塊。該模塊能夠以不同的顏色顯示多條時歷曲線，并能夠?qū)η€進行局部放大縮小和曲線顏色設(shè)置等操作，同時可以將曲線圖像導(dǎo)出；

3）統(tǒng)計值計算顯示模塊。該模塊提供通道選擇、統(tǒng)計值顯示、數(shù)據(jù)平移和變化值計算等功能，統(tǒng)計值包括平均值，最大和極最小值，峰峰值，三一有義值和頻率；

4）數(shù)據(jù)處理方式選擇模塊。提供濾波器選擇、濾波參數(shù)設(shè)置、采樣頻率顯示（僅TDMS格式數(shù)據(jù)可用）和頻譜分析等功能，濾波器的參數(shù)包括濾波器類型、高通和低通截止頻率、階數(shù)、車速和波長（計算遭遇頻率）等。此外，考慮到部分試驗數(shù)據(jù)列數(shù)過多，單次處理耗時過長等問題，提供數(shù)據(jù)分批處理功能；

5）輔助功能模塊。提供游標(biāo)居中、濾波數(shù)據(jù)保存、濾波列數(shù)選擇、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換和關(guān)閉軟件等功能。在系統(tǒng)中，對數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換后的文件保存方式進行了約定，即保存在原始數(shù)據(jù)文件同一目錄下，濾波數(shù)據(jù)保存格式統(tǒng)一為TXT格式。

3 本系統(tǒng)創(chuàng)新點

3.1 調(diào)用OriginPro的FFT濾波器

LabVIEW 自 帶 ButterWorth Filter、Chebyshev Filter和Bessel Filter，不同濾波器有不同的特點［10］。巴特沃思濾波器的特點是在通頻帶內(nèi)有最大的和平坦的響應(yīng)曲線，沒有波動，而阻頻帶則逐漸減小到零。切比雪夫濾波器在過渡帶衰減快于巴特沃斯濾波器，但頻率響應(yīng)的幅頻特性不如巴特沃斯濾波器它平坦。切比雪夫濾波器的頻率響應(yīng)曲線與理想濾波器的誤差最小，但通頻帶內(nèi)存在幅度波動。貝塞爾濾波器的幅度和相位響應(yīng)最平坦，帶通的相位響應(yīng)（通常為用戶關(guān)注區(qū)域）幾乎是線性的。

同時為了兼顧不同數(shù)據(jù)處理的需求以及濾波器的行業(yè)使用率，系統(tǒng)還提供OriginPro的FFT Filter。通過使用ActiveX技術(shù)可以調(diào)用OriginPro的FFT Filter，因為OriginPro提供的VI本質(zhì)上是對OriginPro的ActiveX組件的封裝，在LabVIEW中調(diào)用這些VI其實就是調(diào)用其內(nèi)部的ActiveX組件［11］。程序設(shè)計的步驟為：首先將OriginPro提供的庫文件放入到LabVIEW安裝目錄下相應(yīng)版本號的user.lib文件夾內(nèi)，即可在程序框圖的函數(shù)庫里的文件庫里調(diào)用所有的函數(shù)vi；其次確認(rèn)OriginPro提供的工程文件FFTFiltering.opj放在OriginPro安裝目錄下的Automation Server文件夾內(nèi)；最后設(shè)計FFT Filter子vi：1）使用 OA_OpenNewOrigin.vi在后臺打開 Origin程序；2）使用 OA_AddOriginPath.vi導(dǎo)入 FFTFiltering.opj路徑；3）使用OA_Load.vi加載上一步路徑文件，使用OAPutWorksheet.vi分別導(dǎo)入時間列和數(shù)據(jù)列；4）使用OARun.vi運行FFTFiltering.opj文件程序完成濾波；5）使用OAGetWorksheet.vi輸出濾波后的數(shù)據(jù)；6）使用屬性節(jié)點退出程序。此外，為了保證每次執(zhí)行FFT濾波器前電腦未運行OriginPro軟件并節(jié)省電腦內(nèi)存資源，每次濾波完成后，采用獲取進程目錄子vi判斷是否有OriginPro進程正在運行，若有，則運行執(zhí)行系統(tǒng)命令結(jié)束該進程。函數(shù)整個過程的程序框圖如圖2所示。

圖2 FFT Filter子VI程序框圖

3.2 快速輸出EXCEL功能

目前，常規(guī)的數(shù)據(jù)分析軟件只能夠計算單列數(shù)據(jù)的統(tǒng)計值，或者雖然各單位自行開發(fā)的數(shù)據(jù)分析軟件能夠同步計算多通道數(shù)據(jù)的統(tǒng)計值，但將各統(tǒng)計值記錄到EXCEL表格中時仍然只能一個個輸入或復(fù)制粘貼到表格中。這種統(tǒng)計值記錄到表格的速度完全不能滿足數(shù)據(jù)列數(shù)和速度點多的試驗數(shù)據(jù)處理需求。

針對上述情況，本系統(tǒng)通過for循環(huán)和移位寄存器將所有的統(tǒng)計值組成的一維數(shù)組轉(zhuǎn)換成單個字符串類型，并且使用字符串拼接的方式在每個統(tǒng)計值字符串后插入制表符，實現(xiàn)了多通道統(tǒng)計值可以通過Ctrl+C和Ctrl+V的快捷鍵一次復(fù)制粘貼到表格中，極大提高了數(shù)據(jù)處理效率。該子VI程序框圖如圖3所示。

圖3 字符串轉(zhuǎn)換子VI程序框圖

3.3 變化值計算功能

針對砰擊試驗數(shù)據(jù)處理需求，本系統(tǒng)提出變化值計算功能。其實現(xiàn)原理為：首先，將兩個游標(biāo)移到砰擊前的平穩(wěn)數(shù)據(jù)，取值存到局部變量，再移動兩個游標(biāo)保證砰擊時的極值點在兩游標(biāo)之間，取值存到另一個局部變量中，最后計算兩個值的差值并顯示。同時，為了保證所有操作有效，通過文本屬性更改布爾控件上的文本來顯示操作是否成功。其過程為：在兩次取值時，如果取值成功，取值按鈕上的文本變?yōu)椤叭≈低瓿伞?，在計算差值時，如果計算成功，則取值按鈕上的文本內(nèi)容恢復(fù)到取值前的狀態(tài)。

3.4 波浪遭遇頻率計算

在進行耐波性試驗［12］時，通常需要對試驗數(shù)據(jù)采取濾波處理，比較常用的是低通濾波器，而遭遇頻率則是低通濾波頻率選擇的重要依據(jù)之一。根據(jù)實際使用需求，系統(tǒng)的低截止頻率采用條件結(jié)構(gòu)函數(shù)自動選擇兩種方式輸入：一是直接輸入法，即將截止頻率直接輸入到相應(yīng)控件中；二是遭遇頻率倍數(shù)輸入法，即保證上一方法的控件值為零，輸入車速、波長和濾波倍數(shù)，最終以遭遇頻率乘以濾波倍數(shù)作為濾波頻率。遭遇頻率的計算公式如下：

式中：f為遭遇頻率（Hz）；g為重力加速度（m/s2）；υ為拖車速度（m/s）；λ為波長（m）

根據(jù)式（1），采用公式節(jié)點設(shè)計程序，其程序框圖如圖4所示。

圖4 波浪遭遇頻率計算程序框圖

4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理過程

4.1 系統(tǒng)程序運行流程

程序整體流程圖如圖5所示。

圖5 程序整體流程圖

第一步：數(shù)據(jù)處理時，數(shù)據(jù)以文本文件讀入；第二步：數(shù)據(jù)導(dǎo)人后，有兩種并行選擇：一是進行濾波處理，輸入濾波參數(shù)，點擊確認(rèn)按鈕，濾波完成指示燈亮后表明濾波完成，此時可以選擇是否保存濾波后的數(shù)據(jù)或進行其他操作。二是不進行濾波處理。第三步：在以上數(shù)據(jù)處理完成后，通過移動兩個游標(biāo)，會顯示各個通道兩游標(biāo)之間的數(shù)據(jù)的統(tǒng)計值。第四步：當(dāng)全部處理完成后，各通道數(shù)據(jù)繪成曲線顯示在波形圖上，同時可以有選擇的顯示多條曲線。

4.2 數(shù)據(jù)處理實例

圖6給出了某船模在規(guī)則波試驗中模型中部垂蕩測量數(shù)據(jù)曲線，濾波頻率均為1.5倍的遭遇頻率。表1中給出了采用本系統(tǒng)進行不同濾波方法的雙幅值平均值、最大值和最小值的結(jié)果，處理結(jié)果表明該系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)快速準(zhǔn)確，并能夠快速的將多個統(tǒng)計值粘貼到EXCEL表格中。從表1可以看出，未進行濾波處理的統(tǒng)計結(jié)果和濾波后的統(tǒng)計結(jié)果具有較大的差異，并且不同的濾波器在同樣的濾波頻率下統(tǒng)計結(jié)果也有較小的差異，因此為確保分析精度，對測量信號選擇不同的濾波處理方法是必要的。

表1 本系統(tǒng)統(tǒng)計值處理結(jié)果

圖6 舯垂原始數(shù)據(jù)及濾波曲線

表2給出了在不同通道數(shù)和速度個數(shù)下，采用本系統(tǒng)將平均值記錄到EXCEL表格中所需要的次數(shù)。從統(tǒng)計結(jié)果可以看出，記錄次數(shù)與速度個數(shù)成正比關(guān)系，通道數(shù)對數(shù)據(jù)記錄次數(shù)無影響，通道數(shù)多更能體現(xiàn)本系統(tǒng)在數(shù)據(jù)處理效率上的優(yōu)勢。

表2 本系統(tǒng)數(shù)據(jù)記錄次數(shù)統(tǒng)計結(jié)果

5 結(jié)語

本文基于LabVIEW平臺開發(fā)了船模水池數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，針對現(xiàn)有數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)操作復(fù)雜、工作效率低和處理方法單一等問題，采用ActiveX技術(shù)和數(shù)值類型轉(zhuǎn)換等方法，極大程度上改善了上述問題。

系統(tǒng)根據(jù)航空科技重點實驗室的實際情況開發(fā)設(shè)計，已用于實驗室的實際工作中，效果良好。隨著實驗室項目數(shù)據(jù)處理需求的增多，本系統(tǒng)的開發(fā)提高了實驗的工作效率，促進了實驗室的發(fā)展，提升了實驗室的競爭力。同時，加入更豐富的數(shù)據(jù)處理方法以滿足更多的數(shù)據(jù)處理需求，將是下一步的研究方向。