基于虛擬儀器的多通道數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)設計

在以往的測試系統(tǒng)中，一般采用引線式測試法實現(xiàn)信號的同步采集、顯示與分析，但在武器系統(tǒng)參數(shù)測試裝置所工作的高溫、高沖擊、高壓的惡劣環(huán)境中，引線式測試法布線復雜，干擾大，采集系統(tǒng)與信號分析系統(tǒng)的實時連通極為困難，而且在測試結(jié)束回收過程中，一旦系統(tǒng)意外掉電，則測試數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)分割為兩個相互獨立的子系統(tǒng)，測試時利用存儲測試技術(shù)，將傳感器與記錄電路做成一個整體，直接放到待測環(huán)境中對相關(guān)參數(shù)進行測試并存儲。測試結(jié)束后由專用數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)對測試數(shù)據(jù)進行后期分析與處理[2]。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，使用虛擬儀器對數(shù)據(jù)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(xiàn)代測試技術(shù)的一個重要發(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(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。
1 系統(tǒng)整體設計方案
多通道數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

1.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)為基于Nandflash技術(shù)的存儲測試子系統(tǒng)。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(yōu)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CoolRunner-II系列XC2C256，結(jié)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(xiàn)通過USB總線將數(shù)據(jù)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(tǒng)共分為兩個模塊：(1)數(shù)據(jù)采集模塊,將采集的高速數(shù)據(jù)流，通過AVR和CPLD的控制，實時地保存到Nandflash中;(2)數(shù)據(jù)傳輸和存儲模塊,將己保存到Nandflash中的數(shù)據(jù), 通過AVR、CPLD和USB專用芯片進行控制，經(jīng)由USB總線傳送至PC，以便后續(xù)處理[3]。
1.2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)
LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是一種圖形化的編程語言和開發(fā)環(huán)境。系統(tǒng)的軟件部分是以LabVIEW為平臺開發(fā)設計的多通道數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)，其功能主要是對存儲測試子系統(tǒng)中存儲的測試數(shù)據(jù)進行后期分析與處理。
2 多通道數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)
系統(tǒng)軟件部分主要用來實現(xiàn)讀取存儲的測試數(shù)據(jù)文件，將數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)定點定長讀取、數(shù)據(jù)波形還原與顯示、波形參數(shù)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(jù)規(guī)定的操作規(guī)程，可以實現(xiàn)對軟件的控制，進而獲取理想的數(shù)據(jù)結(jié)果。根據(jù)功能需要，前面板上共設置了數(shù)據(jù)讀取、波形顯示、波形控制、濾波處理、頻譜分析、參數(shù)測量、打印等窗口或旋鈕。
2.2 軟件各模塊的實現(xiàn)方法
2.2.1 測量數(shù)據(jù)定點、定長讀取
測量數(shù)據(jù)定點、定長讀取可有效解決單次讀取海量數(shù)據(jù)造成的時耗過長問題，還可以在海量數(shù)據(jù)中對自己感興趣的區(qū)域進行快速定位，有選擇地讀取，從而方便了對測量數(shù)據(jù)中敏感區(qū)域的分析與處理。該模塊通過“起始位置”與“讀取點數(shù)”的組合控制操作，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的定點定長讀取，其程序圖如圖2所示。

2.2.2 測量數(shù)據(jù)波形還原與顯示
該模塊主要用于還原測量數(shù)據(jù)的波形，并實現(xiàn)對波形的控制。該部分通過一個5幀數(shù)字CASE結(jié)構(gòu)實現(xiàn)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(shù)測量
該模塊主要用來測量波形的基本時域參數(shù)，主要分為宏觀參數(shù)測量和游標測量兩部分。宏觀測量是對讀取的定長數(shù)據(jù)進行運算，獲取其信號時域參數(shù)。游標測量可以用來對波形中感興趣的點或區(qū)域進行測量，獲得該區(qū)域信號的時域參數(shù)[5]。
2.2.4 濾波處理
濾波處理主要用來對讀取的定長數(shù)據(jù)波形進行濾波操作。該部分調(diào)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(shù)單元，實現(xiàn)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(shù)和衰減等參數(shù)達到濾波目的。
2.2.5 頻譜分析
根據(jù)“海森堡原理”，對數(shù)據(jù)中某一段敏感區(qū)域進行頻譜分析可有效解決對海量數(shù)據(jù)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(shù)庫中的FFT變換，獲取信號的單邊幅度譜，并把結(jié)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(shù)據(jù)存儲方式。該部分通過調(diào)用“添加報表文本”等控件，實現(xiàn)了對圖表及參數(shù)等信息的打印。
3 運行結(jié)果與分析
系統(tǒng)構(gòu)建完成以后，為驗證系統(tǒng)能夠正常工作以及性能的優(yōu)劣，組織實驗，并通過存儲測試子系統(tǒng)采集了一組正弦波信號數(shù)據(jù)，其參數(shù)如表1所示。