基于LabVIEW的數(shù)據(jù)回放技術(shù)

姜波 陳馨 張聰 付志超

（中國船舶重工集團(tuán)公司七一二研究所，武漢 430064）

1 引言

在工廠自動(dòng)化、地理遙感與地球物理、鐵路鐵軌、橋梁涵洞、公路運(yùn)輸?shù)却罅繑?shù)據(jù)的測(cè)試與測(cè)量領(lǐng)域，數(shù)據(jù)采集與回放系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用。本文以 LabVIEW 為開發(fā)平臺(tái)，將特定參量作為處理對(duì)象，構(gòu)建出一個(gè)功能較為完善的歷史數(shù)據(jù)回放系統(tǒng)。

2 LabVIEW的特點(diǎn)與屬性節(jié)點(diǎn)介紹

LabVIEW 是一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語言[1]，其基本思想是“軟件即是儀器”[2]，它是以計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)為核心，以自動(dòng)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)值分析技術(shù)為支撐，以各專業(yè)學(xué)科為應(yīng)用背景的現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)。它利用高性能的模塊化集成化概念和方法，結(jié)合軟件設(shè)計(jì)平臺(tái)高效、簡便的程序編譯功能，依據(jù)用戶各類特殊需求創(chuàng)建出人機(jī)對(duì)話界面，實(shí)現(xiàn)并取代了很多特殊、昂貴的測(cè)試儀器的功能。

傳統(tǒng)文本編程語言根據(jù)語句和指令決定程序的執(zhí)行順序，而 LabVIEW 采用數(shù)據(jù)流編程方式[3]，程序框圖中節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)流向決定了程序的執(zhí)行順序。LabVIEW的軟件編程界面包括前面板和程序框圖兩部分。前面板提供非常多的類示波器控件，用來創(chuàng)建用戶界面，方便人機(jī)交流與對(duì)話，可使用工具和控件選板。程序框圖以圖標(biāo)、連線、結(jié)構(gòu)框體為主體，圖標(biāo)表示函數(shù)，連線表示數(shù)據(jù)流向，其顏色代表不同的數(shù)據(jù)類型，也可象VC一樣在程序中添加文字性說明，可使用工具與函數(shù)選板。前面板中的每一個(gè)控件與程序框圖中一個(gè)對(duì)象相對(duì)應(yīng)，兩者的界面類似，都采用window的通用軟件界面，且可顯示單步運(yùn)行、連續(xù)運(yùn)行、步進(jìn)運(yùn)行，對(duì)用戶調(diào)試程序很有幫助。

在面向?qū)ο蟮木幊讨?，將類中定義的數(shù)據(jù)稱為屬性，而函數(shù)稱為方法。LabVIEW中一切對(duì)象均有屬性，所謂屬性是指 LabVIEW 中預(yù)定義的用來描述對(duì)象狀態(tài)的數(shù)據(jù)。改變對(duì)象的屬性將改變對(duì)象相應(yīng)的狀態(tài)。LabVIEW為所有用戶可能接觸到的對(duì)象預(yù)定義了非常豐富的屬性，使得 Lab VIEW 的開發(fā)具有很強(qiáng)的靈活性和功能性，可實(shí)現(xiàn)各種想象得到的高級(jí)功能和豐富效果，而某些控件必須通過屬性節(jié)點(diǎn)才能使用。屬性節(jié)點(diǎn)可以用來通過編程設(shè)置或獲取控件的屬性。

創(chuàng)建屬性節(jié)點(diǎn)有兩種方法，一種是在程序框圖中直接右擊控件圖標(biāo)，選擇Create/Property No de選項(xiàng)，在彈出的下一級(jí)菜單中選擇想設(shè)置或獲取的屬性，即可創(chuàng)建該屬性節(jié)點(diǎn)；另一種方法是在Functions Palette中選擇Programming/Applicat ion Control/Property Node選項(xiàng)，右擊該屬性節(jié)點(diǎn)選擇 Link to到想設(shè)置或獲取屬性的控件，即可創(chuàng)建該屬性節(jié)點(diǎn)。

屬性節(jié)點(diǎn)由三部分組成，標(biāo)簽、引用輸入和輸出端、屬性名及其輸入或輸出端。引用輸入與輸出端之間的條形顏色隨著屬性節(jié)點(diǎn)所屬控件輸入或輸出的數(shù)據(jù)不同而改變。在已創(chuàng)建的屬性節(jié)點(diǎn)條形顏色框上單擊左鍵可選定該屬性節(jié)點(diǎn)，單擊右鍵彈出下圖1所示菜單。在屬性名上單擊鼠標(biāo)左鍵可改變已設(shè)置控件的屬性，如下圖2所示，單擊右鍵彈出下圖3所示菜單。對(duì)于每一個(gè)屬性節(jié)點(diǎn)，鼠標(biāo)放在其上時(shí)會(huì)顯示上下可拉伸的標(biāo)志，在該標(biāo)志上按住鼠標(biāo)左鍵不放，向上或向下移動(dòng)鼠標(biāo)即可同時(shí)顯示或設(shè)置多個(gè)屬性。

3 數(shù)據(jù)回放系統(tǒng)的組成

一般而言，回放系統(tǒng)由數(shù)據(jù)通道選擇、歷史數(shù)據(jù)加載、數(shù)據(jù)圖象變換、回放處理及參量計(jì)算等幾大部分組成。其系統(tǒng)框圖如下圖4所示。

一般數(shù)據(jù)存儲(chǔ)有多個(gè)通道構(gòu)成，且通道選擇應(yīng)具有實(shí)時(shí)性和可重復(fù)性。數(shù)據(jù)加載可使用的文件類型很多，這里我們選擇TDMS文件類型。T DMS是以流文件的形式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，讀取速度相對(duì)于 TDM而言更快，使用簡單方便，適合于我們目前的存儲(chǔ)需要。波形變換主要是獲得波形的局部特征和整體概貌。此外，參數(shù)計(jì)算也是回放中必不可少的一環(huán)。大量的數(shù)據(jù)信息必須被統(tǒng)計(jì)和歸整，便于使用者定量地了解回放數(shù)據(jù)的特性。

由以上幾部分組成的回放系統(tǒng)[4]功能完整，界面采用類示波器的設(shè)計(jì)。波形顯示區(qū)域下方為回放進(jìn)度條，右側(cè)是當(dāng)前波形通道的名稱與顏色信息。波形調(diào)節(jié)與控制區(qū)設(shè)有文件路徑選擇框、加載、左右移動(dòng)、暫停、停止、通道選擇、參量選擇等按鈕、加載完成指示燈、時(shí)基幅基選擇下拉列表、相對(duì)與絕對(duì)時(shí)間切換開關(guān)、游標(biāo)信息圖表。下圖5為該軟件完整的前面板展示。

3.1 數(shù)據(jù)加載和通道選擇

歷史數(shù)據(jù)加載和通道選擇[5]部分如下圖6所示。程序使用了條件結(jié)構(gòu)和層疊順序結(jié)構(gòu)，按先選定后加載的次序進(jìn)行數(shù)據(jù)加載。在存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)，已經(jīng)將通道賦予了名稱，因此在加載時(shí)我們就據(jù)此加載數(shù)據(jù)。

數(shù)組由布爾和字符串組成的簇元素構(gòu)成，字符串作為輸入通道名，布爾值作為條件結(jié)構(gòu)的選擇信號(hào)輸入。使用 for循環(huán)來給選定通道的曲線賦予編號(hào)（編號(hào)要從0開始，否則程序會(huì)報(bào)錯(cuò)），將選定通道的名稱作為曲線名。圖例的寬度應(yīng)該與通道數(shù)成正比，我們用移位寄存器統(tǒng)計(jì)選定通道的數(shù)量，以確定圖例寬度（注意，此寬度與顯示器的分辨率有關(guān)）。已選通道出for循環(huán)后形成一新數(shù)組，使用TDMS讀取函數(shù)讀取該數(shù)組，在波形圖上顯示曲線。

圖6 數(shù)據(jù)加載和通道選擇

3.2 回放主模塊的編程

一般回放系統(tǒng)應(yīng)具備以下功能：圖象可雙向移動(dòng)，暫停和停止，回放速度可調(diào)，回放進(jìn)度條顯示，回放時(shí)間顯示，磁盤空間使用情況顯示，相對(duì)時(shí)間軸和絕對(duì)時(shí)間軸的轉(zhuǎn)換，游標(biāo)定位，顯示區(qū)域跳轉(zhuǎn)。本模塊的程序框圖如下圖7所示。

在具體的程序編程中，我們使用了下圖6所示的以屬性節(jié)點(diǎn)為主的回放模塊。圖中兩個(gè)波形圖屬性節(jié)點(diǎn)XScale.Minimum和XScale.Maximum分別起到接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的作用，同時(shí)也作為暫存器使用，結(jié)合循環(huán)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)回放。用三個(gè)條件選擇結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)暫停鍵對(duì)左右移動(dòng)鍵的控制，數(shù)據(jù)圖象的向左和向右移動(dòng)，用移動(dòng)按鈕布爾控件的局部變量實(shí)現(xiàn)雙鍵互鎖，循環(huán)結(jié)構(gòu)的條件接線端用停止按鈕作為輸入，起到程序整體控制的作用。而另兩個(gè)屬性節(jié)點(diǎn) XScale.Increment則獲取波形圖像的增量值，將回放速度與波形圖象增量值相匹配，達(dá)到了較好的回放效果。在數(shù)據(jù)回放的過程中，根據(jù)數(shù)據(jù)量的大小，須調(diào)節(jié)回放的速度，可用定時(shí)結(jié)構(gòu)的控件改變回放速度。

3.3 波形圖像的變換

在回放的過程中，對(duì)數(shù)據(jù)圖像的一系列變換具有重要意義。我們不僅要了解一段時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)波形的整體概貌，而且對(duì)感興趣的局部也想做進(jìn)一步的觀察，以便得出特定的結(jié)論和相應(yīng)的處理手段。波形變化有很多種，時(shí)基幅基變換即為其中一種，下圖8所示為時(shí)基幅基變換的程序方框圖。圖中用帶多個(gè)分支的事件結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)時(shí)基、幅基的變換。時(shí)基和幅基的下拉列表作為條件結(jié)構(gòu)的選擇信號(hào)輸入。波形圖的屬性節(jié)點(diǎn)XScale.Min imum獲取當(dāng)前波形圖像的初始值，條件結(jié)構(gòu)中的各個(gè)分支具體規(guī)定了圖像的變換方法，這些分支可隨時(shí)增加和減少，以適應(yīng)廣泛的變換需求，每條分支中的數(shù)據(jù)可按要求修改，以調(diào)節(jié)圖像的具體時(shí)基與幅基值。圖9為時(shí)基和幅基均改變的波形對(duì)照?qǐng)D。

3.4 參量計(jì)算模塊

圖10所示為計(jì)算有效值的程序框圖?？驁D使用了Functions Palette/programming/waveform/An alog Waveform/Waveform Measurement中的基本平均直流-均方根函數(shù)，在這個(gè)地方還有很多其他函數(shù)供用戶使用，可計(jì)算平均值、瞬態(tài)值等等。基本平均直流-均方根函數(shù)的輸入是 TDMS數(shù)據(jù)流，將其轉(zhuǎn)換為動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)提供給創(chuàng)建表格函數(shù)，轉(zhuǎn)置后形成表格。

4 結(jié)論

經(jīng)運(yùn)行與測(cè)試，本程序針對(duì)500 M以下的數(shù)據(jù)量運(yùn)行狀態(tài)良好，載入速度較快，回放功能正常，波形變換具有較好的實(shí)時(shí)性，能實(shí)現(xiàn)回放系統(tǒng)的絕大部分功能。

[1] 張桐, 陳國順, 王正林. 精通 LabVIEW 程序設(shè)計(jì).北京: 電子工業(yè)出版社, 2008, 12.

[2] 陳錫輝, 張銀鴻. LabVIEW 8.20程序設(shè)計(jì)從入門到精通. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2007, 7.

[3] 江建軍, 劉繼光. LabVIEW 程序設(shè)計(jì)教程. 北京:電子工業(yè)出版社, 2008.3.

[4] 張寧, 王言章. 便攜式動(dòng)態(tài)心電記錄儀及數(shù)據(jù)回放系統(tǒng)設(shè)計(jì). 長春理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2006, 29(4).

[5] 劉卓, 張維競, 聶鵬瑜. 基于 LabVIEW 平臺(tái)的數(shù)據(jù)回放系統(tǒng)設(shè)計(jì). 儀表技術(shù), 2003, (6).