基于虛擬儀器的多通道數據分析系統設計

在以往的測試系統中，一般采用引線(xiàn)式測試法實(shí)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(huán)境中，引線(xiàn)式測試法布線(xiàn)復雜，干擾大，采集系統與信號分析系統的實(shí)時(shí)連通極為困難，而且在測試結束回收過(guò)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(xiàn)式測試法在解決此類(lèi)問(wèn)題時(shí)遇到了功能上的瓶頸。為解決此類(lèi)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(gè)相互獨立的子系統，測試時(shí)利用存儲測試技術(shù)，將傳感器與記錄電路做成一個(gè)整體，直接放到待測環(huán)境中對相關(guān)參數進(jìn)行測試并存儲。測試結束后由專(zhuān)用數據分析系統對測試數據進(jìn)行后期分析與處理[2]。隨著(zhù)計算機技術(shù)的發(fā)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(shù)已經(jīng)成為現代測試技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)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
本系統的硬件結構為基于Nandflash技術(shù)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(xiě)速度快等優(yōu)點(diǎn)。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CoolRunner-II系列XC2C256，結合對Nandflash的讀、寫(xiě)、擦除等操作進(jìn)行時(shí)序配置。A/D芯片使用Maxim公司的MAX1308。另外為實(shí)現通過(guò)USB總線(xiàn)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(gè)模塊：(1)數據采集模塊,將采集的高速數據流，通過(guò)AVR和CPLD的控制，實(shí)時(shí)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(guò)AVR、CPLD和USB專(zhuān)用芯片進(jìn)行控制，經(jīng)由USB總線(xiàn)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(yǔ)言和開(kāi)發(fā)環(huán)境。系統的軟件部分是以L(fǎng)abVIEW為平臺開(kāi)發(fā)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(jìn)行后期分析與處理。
2 多通道數據分析系統的軟件實(shí)現
系統軟件部分主要用來(lái)實(shí)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(jìn)行一系列的分析與處理。在功能上由數據定點(diǎn)定長(cháng)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(hù)間進(jìn)行交流的窗口，通過(guò)這個(gè)友好的界面，用戶(hù)根據規定的操作規程，可以實(shí)現對軟件的控制，進(jìn)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(shí)現方法
2.2.1 測量數據定點(diǎn)、定長(cháng)讀取
測量數據定點(diǎn)、定長(cháng)讀取可有效解決單次讀取海量數據造成的時(shí)耗過(guò)長(cháng)問(wèn)題，還可以在海量數據中對自己感興趣的區域進(jìn)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(guò)“起始位置”與“讀取點(diǎn)數”的組合控制操作，實(shí)現了數據的定點(diǎn)定長(cháng)讀取，其程序圖如圖2所示。

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(shí)現對波形的控制。該部分通過(guò)一個(gè)5幀數字CASE結構實(shí)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(guò)程中將5個(gè)“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(lèi)似軟件中存在的當多通道波形同時(shí)顯示時(shí)，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(shí)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(lái)測量波形的基本時(shí)域參數，主要分為宏觀(guān)參數測量和游標測量?jì)刹糠?。宏觀(guān)測量是對讀取的定長(cháng)數據進(jìn)行運算，獲取其信號時(shí)域參數。游標測量可以用來(lái)對波形中感興趣的點(diǎn)或區域進(jìn)行測量，獲得該區域信號的時(shí)域參數[5]。
2.2.4 濾波處理
濾波處理主要用來(lái)對讀取的定長(cháng)數據波形進(jìn)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(shí)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(guò)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(jìn)行頻譜分析可有效解決對海量數據進(jìn)行頻譜分析時(shí)有效信息不能準確獲取的問(wèn)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(guò)調用“添加報表文本”等控件，實(shí)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(yōu)劣，組織實(shí)驗，并通過(guò)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。