基于LabVIEW和小波分析理论数据采集与处理系统研究.pdf
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1、摘要:通过L a b V E w 直观的图形化界面对电测法得到的信号进行采集,M A T L A B 强大的数学计算功能,可以补充L a b V l E w 的开发功能不足,在L a b V l E w 中通过M A T L A Bs c r i p tN o d e 调用M A T L A B中小波函数程序对有噪声信号进行消噪处理的方法。这种方法充分利用了L a b V I E W 和M A T L A B 了优点,实现了两者的有机结合,为后期的缺陷定位分析打下了坚实的基础。关键词:L a b V I E W;小波变换;M A T L A B;数据采集中图分类号:0 2 9T P 3 9 1
2、文献标识码:A文章编号:10 0 6 8 8 3(2 7)0 4 一0 0 4 1 一0 4赵冬梅王雅萍江涌朱目成一、引言L a b v m w(L a b o r a t o r yv i n I l a lh l s t n l m e n tE n g i n e e I i n gw b r kb e n c h)是由美国N I 公司(N a I i o n a lI n s t m m e n t s,国家仪器公司)推出的一个功能强大而又灵活的仪器和分析软件,是一种崭新的图形化编程语言(G 语言)和开发环境,其源程序完全是图形化的框刚1 1,避免了传统语言线性结构的困扰。它广泛地被工
3、业界、学术界和研究实验室所接受,被公认为是标准地数据采集和仪器控制软件【2】。小波变换是近年来在傅里叶变换的基础上发展起来的一种新的数学方法,它在时域和频域内都具有良好的局部化性质3】【4】【5 1,小波变换的模局部极大值可用作分析信号的不连续性,即信号的奇异性提供了足够的信息,因此小波变换可作为检测瞬态信号的有力工具。同传统的信号处理方法相比,小波变换越来越多的被理论工作者和工程技术人员所重视和应用,尤其在损伤检测领域中应用更广。本文中我们利用L a b v m w 程序开发环境对由电测法得到的有缺陷梁上的信息进行采集,然后用调用M 棚,A B 中的小波函数对采集到的信号进行去噪声处理,为进
4、一步确定缺陷位置和损伤程度打下良好的基础。二、系统硬件的组成测试系统硬件由传感器、动态电阻应变仪、数据采集卡和计算机组成,如图1 所示。现代自动监测和自动控制都离不开传感器,它是测试与控制系统的首要环节,它能把被测物理量自接转换为与之有确定对应关系的并容易检测的电信号输出,以满足信息的传输、记录、显示、分析、处理以及控制等要求。我们用的是工程中常用、安装最方便而便宜的电阻应变片。由于应变片输出的信号一般比较微弱,数据采集系统的信号调理模块就是对传感器输出信号进行放大以提高信号的精确度。本系统采用的是北戴河实用电子技术研究所s D Y 2 1 0 l 动态电阻应变仪,它具有自动平衡功能,主要用于
5、实验应力分析及动力强度研究中,对结构及材料的任意变形进行动态应变测量,具有多通道组合、体积小、重量轻,便于携带和搬运等特点。仪器频带宽、校准方便,配接不同类型的应变片及应变式传感器,可以实现应力、拉力、压力、速度、加速度、位移、扭矩等多种物理量的测量。2 仪)7 4S e n s 翻协f 皤dw w w s e n 8 0 n v O 衄。m c n 万方数据数据采集用的是N IP c I 6 0 1 31 6 路模拟输入多功能数据采集卡,具有2 0 0k S,S 的采样率、1 6 位的采样精度、8路的双端差分输入,在0 E M 产品中具有广泛的应用市场,同时也适合应用在实验室自动化、研发、设
6、计验证,测试或工厂生产测试中。支持模拟输出,静态数字I o,和计数器,定时器的I 幻操作。支持开发工具L a b v W C v I,和v i s u a lB a s i c 和s u a lS t u d i o N E T 等。可直接插在P C I 插槽上。由于不同用户有不同的应用要求,数模转换的启动可以使用程序或者定时器定时触发启动方式。计算机是整个测试系统的核心,在系统中担负用户命令接受及实验数据采集、数据显示、数据存盘、数据分析和数据传输等任务。由图1 可以看出,系统的工作原理是动态电阻应变仪对电阻的产生的弱电信号进行适当的调理,通过A,D 转换进行数字化。然后计算机通过软件对信号
7、进采集、显示、存储和处理。三、系统软件程序的设计由于采用了虚拟仪器的设计思想,因此软件设计也就成了本设计的关键部分,设计中使用了L a b v m w 7 0E x p p r e s s 大大缩短了应用软件的开发周期。系统的软件主要包括信号数据的采集存储和分析两大模块组成。软件用户界面是一个应用程序最重要的部分,对用户而言,界面就是应用程序,他们感觉不到幕后正在执行的代码。不论花多少时间和精力来编制和优化代码,应用程序的可用性仍然在很大程度上依赖于界面的好坏。1、软件设计步骤L a b V W 软件设计分为四步:(1)创建前面板:前面板是图形化用户界面,用于设置输入数值和观察输出量,它模仿了
8、实际仪器的面板。前面板包含了旋钮、按钮、图形和其它控制与显示对象。通过鼠标和键盘输入数据、控制按钮,可在计算机显示器上直接观看结果。(2)创建框图程序:在前面板窗口的主菜单w i n d o w s 中选择S h o wD i a g m m,将前面板窗口切换到框图程序窗口,此时会看到与前面板对象对应的端口。根据需要在功能模板中找到所需的节点,并将节点图标放置到框图程序窗口。用数据连线将这些端口和节点的图标连接起来形成一个完整的框图程序。(3)创建图标:图标是一个虚拟仪器图形化符号,每一个v I 都有一个默认的图标,显示在亟板或框图窗口的右上角对于一个v I 程序。作为今后要使用的子v I,必
9、须为它设计个新的图标,以供在其它v I 方框图中使用而且便于识别。(4)运行和调试程序:运行和调试程序是任何一门编程语言编程的最重要的一步。在L a b v m w 中,如果一个v I 程序存在语法错误,则在面板工具条上的R u N(运行)按钮将会显示成一个折断的箭头,表示程序有错不能被执行。单击折断按钮,则L a b v w 弹出错误清单窗口,单击其中任何一个所列出的错误选用F i n d 功能,则出错的对象或端口就会呈高亮状态。为了查找程序中的逻辑错误,希望框图一个节点一个节点地执行,可选择单步执行。使用断点工具可以在程序的某点终止程序执行,用探针或者单步方式查看数据。使用断点工具时,单击
10、你希望设置或者清除断点的地方。当v I 程序运行到断点设置处,程序被暂停在将要执行的节点,以闪烁表示。按下单步执行按钮,闪烁的节点被执行,下一个将要执行的节点变为闪烁,指示它将要被执行。调试程序时,还可以使用探针工具来查看数据流经某一根连接线时数据值的变化。2、数据采集程序模块随着计算机和总线技术的发展,基于计算机的数据采集(D a t a A c q u i s i t i o n,D A Q)系统来完成实验室和工业控制中的测试测量任务越来越多的被技术人员采用【4】。D A Q 硬件设备的基本功能包括模拟量输入(,D)、模拟量输出(D,A)、数字I o(D i g i t a lI O)和定
11、时(T i m e r)计数(C o u n t e r)。在L a b v w 中用户是通过L a b V m wD A Qv I来完成D A Q 编程的。数据采集和存储是本系统的基础部分。在计算机和动态电阻应变仪之间由连接器和P C I 一6 0 1 3 多功能数据采集黜飘勰 万方数据卡,采集的程序通过控制采集卡,把采集到的模拟信号转变成数字信号,通过计算机显示器我我们需要的波形显示出来,达到快速、直观的效果。采集到的信号如图2 所示。3、数据分析模块实验采集到的数据是非平稳信号,它包含着尖峰和突变的表现,噪声也可能是非平稳的白噪声,要分析这类信号,就必须对信号做预处理,将信号中的噪声尽可
12、能地压制,以便提取有用地信号【6】。这种非平稳地信号除了含有非常有用地低频信号外,其突变部分通常反应了检测对象的某些重要特征,含有较丰富地高频信号。因此,对非平稳信号作滤波预处理,既要除掉噪声所表现的高频量,又要保留那些反应信号突变部分的高频量。由于这类信号用传统的F o u r i e r 变换方法不能满足非平稳信号滤波预处理的要求,而恰好小波分解具有自适应的时频局部化功能,能够有效地区分信号的突变部分和噪声,达到消除噪声的作用。采用S y m 8 小波对采集的信号进行7 级分解,由第8 层的高频系数估计噪声标准差,采用软件s u r e 阈值降噪后的波形图如图3 所示。尽管L a b V
13、m W 有上述诸多优点,但是它在数学计算方面的功能还是十分有限,往往使所开发的应用程序的一些功能受到限制【_ 7 1。M 触几A B 是M a m w b r k s 公司开发的“演算纸”式的程序设计语言,具有强大的数学计算和图形绘制功能,非常容易学习和掌握。但M A T L A B 的界面开发能较差,并且数据输入、网络通信、硬件控制等方面都比较繁琐。因此,将L a b v w 和M A T L A B 有机结合起来,用L a b V m W 设计用户图形界面,负责数据采集,用M A T L A B在后台提供大型算法供L a b v m w 调用,能够快速高效开发信号采集分析系统。N I 公司
14、提供的M A l L A BS c r i p t 节点使得用户可以将M A r L A B 程序导入到L a b v I E w 程序流程图中,又可以在流程图中根据M A T L A B 程序的语法编辑M A l L A B 程序。选择该节点的操作是:F u n c t i o n s M a m e m a t i c s S c r i p t s&F o m u l a s S c I i p tN o d e s M A T L A BS c r i p tN o d e。点击后在程序图中拖曳出M A T L A Bs c r i p tN o d e。M A r L A B 脚本程
15、序可以在M A T L A B 环境下调试,再在M A r L A BS c 邱tN o d e 上单击鼠标右键选择I m p o r t 命令导入M A r L A B 脚本,也可以直接在M 觚L A Bs 嘶p tN o d e 中编写。但一定要注意M A r L A B 脚本节点内外数据类型的匹配,否则在L a b V m w 运行时将产生错误或错误信息提示【8】。图4 就是L a b v m w 中通过M A T L A BS c r i p t N o d e 调用小波函数的程序流程图,实现了在L a b v m w 中调用M A T L A B 中S y m 8 小波函数的目的。四
16、、结束语本文应用L A B V I E w 对电测法得到的信号进行采集,并且对L a b v w 中调用M A T L A B 里的小波函数进行去噪分析的程序进行研究,收到良好的效果,为进一步的确定机械结构损伤的定位分析奠定了基础。(下转4 0 页)黑翁裟嬲-万方数据有关电路。当被动遮光式传感器脏污严重时,会导致在接通电源后输纸电动机不停地转动,甚至将放置在文稿托盘上的文稿全部推出。同样,扫描位置探测传感器失效时,也会导致文稿不能停在扫描位置上等待扫描,而照样将文稿排出。五、结论目前在市场上流行的各种各样的传真机中,传感器在其中的作用是无法用其它元器件代替的,在具体的维修过程中,由于传感器的种
17、类比较多,在传真机中所起的作用也各不相同,当其出现故障以后,传真机的表现也不一样,而每个人在维修中的思路也不完全一样,文章中所列举的传真机中传感器故障及其检修方法,是作者本人在长期的工作实践及教学中的一点体会,如有错误的地方,欢迎提出宝贵意见。参考文献:【l】田文雅。常用办公设备的使用与维护【M】,北京:高等教育出版社,2 0 0 6【2】孙余凯,项绮明办公电器故障检修技巧与实例【M】,北京:人民邮电出版社,2 0 0 5 3】刘伟兵,传真机结构与使用维修D 嘲,北京:金盾出版社。1 9 9 7T h eC O m m O nF a u na n d1 1 h eM a i n“l i no
18、fS e n s O rI n I,h eE l e c t m g 功p h sA b 謇t r a c t lT h ea p p l i c a t i o no fs e n s o rt e c h n o l o g yi sm o r e 锄dm o r ee x t e n s i v ei nv a r i o u se q u i p m e n t,e s p e c i a l l yi nm ee l e c 昀g r 印h s。T h eS e n s o r Se m e 曙i n gf a u l t sf b q u e n t l yi nt l l ee
19、l e c 仰g r 印h sa r eg i V 锄d e t a i l e d l yi nm i sp a p e r S o m ef a u l ts y m p t o m sa n dr e m o v e dm e t t l o d sf o rt h es e n s o ra n dc i r c u i t si nt l l ee l e c t m g r a p h sa r el i s t e d K e y w o r d s:s e n s o r:e l e c t r o g r a p h s;a p p l i c a t i o n;f 叫l
20、t作者简介:李百辉,广东工业大学自动化专业毕业后,一直从事电子专业的理论教学及实验指导工作。通信地址:广东省东莞市东莞理工学校邮编:5 2 3 0 0联系电话:1 3 6 5 0 3 4 6 7 9 7。0 7 6 9 2 2 2 9 6 1 5 3E m a i l:l e e b a i h u i s o h u c o m本文编辑:陈明读者服务卡编号0 0 9 口:冀冀R R 靠嚣冀:麓善:冀冀冀X 冀R 麓疑X R 靠冀X o 冀冀W 麓;:冀善:翟R 冀。黼R 辩靠杖麓麓X 辩X R o 冀冀冀孓i 辩R 麓嚣冀矗冀父嚣孔X 靠R 冀冀冀嚣X 冀冀R X l i 端X 冀苌嚣冀。冀
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- 基于 LabVIEW 分析 理论 数据 采集 处理 系统 研究
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