基于虚拟仪器技术的小波信号提取仪设计 小波信号

　　摘要：提出了基于PC-DAQ的虚拟仪器典型硬件结构体系，介绍了基于LabVIEW的软件开发关键技术，并根据小波信号提取原理设计出了虚拟小波信号提取仪，对其中的仪器面板、控件、流程图等进行了详尽阐述。最后，获得了某数控设备测试诊断系统中成功应用的运行结果，达到了预期目的，具有较好的推广应用价值。
　　关键词：虚拟仪器技术；小波信号提取；LabVIEW
　　中图分类号：TP391文献标识码：A文章编号：1009-3044(2007)18-31622-02
　　Design of Wavelet Signal Extractor Based upon VI Technology
　　CAI Da-hua
　　(Nanjing Institute Of Industry Technology,Nanjing 210007,China)
　　Abstract:The paper puts forward the whole hardware structure of typical Virtual Instrument (VI) based upon PC-DAQ.The key technologies of software development are introduced based upon LabVIEW. According to the Wavelet theorem, the Wavelet signal extractor is designed, and especially the instrument panel, control and flow chart are discussed in detail. Finally, the operating results are achieved, which are used in the digital control equipment testing diagnosis system. In conclusion, the proposed scheme is reasonable and valuable.
　　Key words:Virtual Instrument (VI) technology;Wavelet signal extractor;LabVIEW
　　
　　1 引言
　　
　　虚拟仪器（Virtual Instrument，简称VI）的概念最早由美国NI公司提出。通俗地说，就是在计算机上加入一组特定的软件并配置一些硬件，使计算机能够完成许多仪器的功能，从而变成一种综合了许多仪器的装置。虚拟仪器技术作为测试领域最新的先进技术，将它与故障诊断相结合成为设备诊断技术的必然发展趋势。
　　本文针对现代数控加工设备日趋大型化、集成化、自动化，同时综合化程度也不断提高的现状，设计出一种虚拟小波信号提取仪，并将其应用于某数控加工设备的测试系统中，识别出设备运行状态，以进行故障的报警与诊断，获得了较好的效果。
　　
　　2 虚拟仪器典型硬件结构
　　
　　虚拟仪器是现代计算机技术和仪器技术深层次结合的产物，是当今计算机辅助测试（CAT）领域的一项重要技术。其基本功能主要有：文件管理、参数设置、信号发生、信号采集、信号处理、显示等等。虚拟仪器由通用仪器硬件平台和应用软件两大部分构成。虚拟仪器技术的核心强调“软件”，并且软件的编程要建立在硬件的设计功能之上。例如，通过软、硬件接口编程，实现了LabVIEW软件平台和硬件系统的有机连接，建立了动态数据采集和信号产生的功能或者称为AID和O/A功能。通过实验技术对整个系统进行性能测试实验，既检验了软件的正确性又从系统整体的观点出发测定了系统的性能指标，然后全面考虑系统的功能，通过下拉菜单、弹出对话框、按钮、图形显示窗口等复杂界面设计技术，将参数设置、数据采集、信号分析、文件管理、帮助等各个功能有机地结合在一起，形成了一个综合的动态测试系统平台的框架结构。
　　采用LabVIEW开发平台设计的基于PC-DAQ的虚拟仪器测试系统如图1所示。其工作流程如下：传感器测量被测信号，将其转换为电量信号；信号处理器将传感器输出的电量信号进行整形、转换、滤波处理变成标准信号；数据采集卡采集信号处理器电压信号，并转换为计算机能处理的数字信号；通过设备驱动程序，数字信号进入计算机，在LabVIEW平台上，调用信号处理子模板，编写仪器功能流程和功能算法，设计虚拟仪器前面板，形成具有不同功能的应用程序。
　　图1 基于PC-DAQ的虚拟仪器测试系统结构
　　
　　3 虚拟仪器软件开发
　　
　　3.1虚拟仪器的软件
　　虚拟仪器软件由两部分构成，即应用程序和I/O接口仪器驱动程序。其中，应用程序包括实现虚拟面板功能的软件程序和定义测试功能的流程图软件程序，I/O接口仪器驱动程序完成待定外部硬件设备的扩展、驱动与通信。
　　开发虚拟仪器软件必须使用合适的工具，目前的虚拟仪器软件开发有两类语言：
　　(1)文本式编程语言：Visual Basic、Visual C++、LabWindows/CVI等；
　　(2)图形化编程语言：LabVIEW、HPVEE。
　　在LabVIEW平台上，一个VI由两部分组成：前面板和流程图（或称后面板）。前面板的功能等效于传统测试仪器的前面板，流程图的功能等效于传统测试仪器与前面板相联系的硬件电路。
　　3.2虚拟仪器接口驱动程序设计
　　根据仪器的功能要求，确定仪器的接口标准。如果仪器设备具有RS-232串行接口，则直接用连线将仪器设备与计算机的RS-232串行接口连接即可；如果仪器是GPIB接口，则需要额外配备一块GPIB-488接口板，建立计算机与仪器设备之间的通信渠道；如果使用计算机来控制VXI总线设备，则也需要配备一块GPIB接口卡，通过GPIB总线与VXI总线、VXI主机箱零槽模块通信，零槽模块的GPIB-VXI翻译器将GPIB命令翻译成VXI命令，并把各模块返回的数据以一定的格式传回主控计算机。
　　I/O接口仪器驱动程序是控制硬件设备的驱动程序，是连接主控计算机与仪器设备的纽带。如果没有设备驱动程序，则必须针对I/O接口仪器设备编写合适的驱动程序。
　　3.3虚拟仪器应用程序设计
　　仪器前面板的设计指在虚拟仪器开发平台上，利用各类子模板图标创建用户界面，即虚拟仪器的前面板。在设计时要考虑它的实用性，不能一味追求华丽的外表，要注重简洁和适用性。仪器流程或算法的设计是根据仪器功能要求，利用虚拟仪器开发平台所提供的子模板，确定程序的流程图、主要处理算法和所实现的技术方法。
　　
　　4 虚拟小波信号提取仪设计
　　
　　在设备的故障诊断中，对故障信号的提取是非常重要的，而在信号的采集、传输与处理过程中，由于外界或电路内部因素干扰，使得信号被噪声污染，所处理的噪声或高频信号中夹杂着一些有用的缓变信号。为此，利用小波分析，通过处理可以将缓变的有用信号从噪声信号或其他高频信号中识别出来。
　　4.1小波信号提取原理
　　应用小波分析进行信号提取主要涉及到小波的分解与重构，下面以一维信号为例来介绍小波信号提取的原理。
　　小波变换在信号提取中的思想为：信号中的低频部分代表信号的发展趋势，在小波分析中，对应为大尺度小波变换的低频系数，随着尺度的增加，时间分辨率的降低，信号的变化趋势变化更明显。从频率角度理解，随着分解层次的增加，低频部分也会增加，高频部分减少，信号中有用的低频部分就会显现出来。由于变换的基波不一样，小波提取的效果也不一样，在小波提取处理中，选用的小波不同，提取效果也不一样。
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　　S(i)=f(i)+e(i),i=0,1,2...,n-1
　　其中， 为真实的低频缓变信号，本例中为正弦信号，变化频率为1Hz； 为高斯白噪声或其他高频变化信号，本例中也为正弦信号，频率为3000Hz； 中同时含有高频信号和待提取的有用低频信号。
　　对信号 进行信号提取的目的就是要从信号的噪声或高频信号中将有用的缓变低频信号提取出来，从而在 中恢复出真实有用的缓变信号 。在实际工程中，有用信号通常表现为频率较低的信号或是一些比较平稳的信号，而噪声信号或其他高频信号则通常表现为频率较高的信号。一般来说，一维信号的提取算法可按照如下的步骤进行：
　　(1)对信号进行小波分解；
　　(2)高频系数的滤波处理；
　　(3)用分解的低频系数对信号进行重构。
　　4.2虚拟小波信号提取仪设计
　　虚拟小波信号提取仪的设计思路为：在LabVIEW平台上，通过数据采集或仿真生成含有噪声或高频信号的低频缓变信号，通过仪器前面板设置信号提取处理的参数，将参数通过LabVIEW与MATLAB接口传递给MATLAB相应的功能函数，完成信号分析与处理功能，最后将处理结果回传给LabVIEW进行显示，虚拟小波信号提取仪的原理框图如图2所示。
　　图2 虚拟小波信号提取仪的原理框图
　　所设计的虚拟小波信号提取仪前面板如图3所示，单击“低频缓变信号频率”按钮，选择仿真缓变正弦信号的频率；单击“高频信号频率”按钮，选择仿真高频正弦信号的频率；单击“采样频率”按钮，选择仿真正弦信号的采样频率；“含噪声或高频信号波形”显示屏中显示含高频信号的正弦信号；“提取后的缓变信号波形”显示屏中显示低频缓变信号波形；单击“动态波形”按钮，动态显示波形。
　　程序运行后，调用MATLAB工具箱中小波函数对含高频的正弦信号进行提取处理，并将消噪后的正弦信号在“提取后的缓变信号波形”显示屏中显示出来。
　　图3 虚拟小波信号提取仪的前面板
　　虚拟小波信号提取仪面板中主要的控件有6个，如图4所示。仪器前面板中控件的主要属性设置如表1所示。
　　表1 前面板控件属性的设置
　　图4 仪器面板及控件
　　虚拟小波信号提取仪流程图设计过程如下：在仪器前面板窗口中选择如下路径进入流程图编辑窗口：
　　Windows>>Show Diagram
　　LabVIEW与MATLAB之间的数据传递是通过MATLAB Script节点方式完成。按照如图5所示的连线图，进行数据流向的连接。
　　图5 数据流向的连接
　　最后，运行虚拟仪器的VI文件，得到虚拟小波信号提取仪的运行结果如图6所示。
　　
　　5 结束语
　　
　　图6 运行结果
　　虚拟仪器是计算机仿真技术在仪器测试方面的应用，目的是将传统的测试仪器软件化，以实现更高的测试效率和更强的测试功能。利用该技术开发的小波信号提取仪己经成功应用于某数控设备的虚拟测试系统中，经过实际使用表明：可以提高设备测试的自动化和标准化，降低大型设备维修保障的成本，在设备的测试领域具有广泛的应用前景。
　　
　　参考文献：
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　　[5][美]Robert H.Bishop著,乔瑞萍,林欣.等.译. LabVIEW 6i实用教程[M].北京:电子工业出版社,2003.
　　注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。
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