基于VC++的時頻分析軟件設(shè)計

胡力文

摘要針對基于Matlab開發(fā)的時頻分析軟件在工程應(yīng)用中對大容量數(shù)據(jù)進行處理時存在著界面遲滯、顯示速度慢、執(zhí)行效率低下的問題，基于Viscual C++開發(fā)了一款時頻分析軟件，實現(xiàn)了小波時頻濾波、模態(tài)參數(shù)識別以及主頻識別功能。結(jié)果表明該軟件具有操作簡單靈活、運行速度快、執(zhí)行效率高的特點。

關(guān)鍵詞時頻分析；Viscual C++；軟件設(shè)計

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）11-0012-02

當前，市場上廣泛存在的基于Matlab開發(fā)的時頻分析軟件在對大容量數(shù)據(jù)進行處理時存在著界面遲滯、顯示速度慢、執(zhí)行效率低下等問題，其主要用于工程算法分析和相關(guān)算法理論的驗證，不適應(yīng)工程應(yīng)用分析的基本需要。為了提高時頻分析軟件在工程分析中的應(yīng)用效率，本文基于Viscual C++開發(fā)了一款時頻分析軟件，實現(xiàn)了小波時頻濾波、模態(tài)參數(shù)識別以及主頻識別功能。

1軟件設(shè)計的功能需求分析

在軟件設(shè)計之初，通過與相關(guān)設(shè)計人員的探討，確定該軟件的功能需求包括如下幾點：①能夠讀取不同存儲格式的數(shù)據(jù)文件，諸如txt文檔、mat文件等。同時在向軟件導(dǎo)入不合法（數(shù)據(jù)格式不符合要求）的文件時，軟件將給出信息提示，而且能夠?qū)r域信號進行預(yù)處理，例如重采樣等操作。另外，分析得到的數(shù)據(jù)文件結(jié)果必須能夠進行保存，便于后續(xù)的其他分析對數(shù)據(jù)結(jié)果進行直接調(diào)用；②通過小波時頻濾波方法達到對信號進行濾波除噪的目的。對于一些產(chǎn)生大噪聲的設(shè)備進行強度模態(tài)試驗時產(chǎn)生的數(shù)據(jù)而言，傳統(tǒng)的直接估算頻率響應(yīng)函數(shù)的方式不能獲得準確的結(jié)果，但頻率響應(yīng)函數(shù)的精度又對模態(tài)參數(shù)的識別結(jié)果產(chǎn)生直接影響。所以，為了提高所獲得頻率響應(yīng)函數(shù)結(jié)果的精確度，通過采用小波脊線提取的方式進行濾波，將能夠有效的將輸入、輸出信號噪聲進行清除。這樣不但能夠獲得具有良好響應(yīng)特征的響應(yīng)函數(shù)，而且使得系統(tǒng)的識別精度得到提升；③將Morlet小波為母小波，實現(xiàn)了小波模態(tài)參數(shù)識別的基本方法。該方法具有抗噪聲能力強、模態(tài)識別精度高的特點，同時對密頻狀態(tài)下的模態(tài)形式具有良好的識別效果，而且還能將測量對象（多變量復(fù)雜系統(tǒng)）分解為若干個獨立的單變量系統(tǒng)。這時，就能夠?qū)⒍鄥?shù)復(fù)雜系統(tǒng)分解為單參數(shù)的簡單系統(tǒng)模態(tài)識別，提高了系統(tǒng)的識別速度，可以對模態(tài)頻率以及阻尼比進行快速估算。

2軟件的整體設(shè)計

本次研究所設(shè)計的時頻分析軟件的基本結(jié)構(gòu)包括這樣幾個部分：數(shù)據(jù)導(dǎo)入部分、數(shù)據(jù)分析與預(yù)處理部分、數(shù)據(jù)輸出部分和數(shù)據(jù)表達部分。其中，數(shù)據(jù)導(dǎo)入以及數(shù)據(jù)輸出部分主要是針對所輸入和產(chǎn)生的數(shù)據(jù)文件進行直接操作，例如對數(shù)據(jù)分析文件的讀寫操作、分析結(jié)果的保存等。

數(shù)據(jù)的分析與處理是該軟件算法的主體，其中主要包括小波時頻濾波、模態(tài)參數(shù)識別和主頻分析算法等。在設(shè)計過程中，考慮到軟件后續(xù)使用過程中其可靠性和可維護性的提高，對軟件采取了模塊化設(shè)計的方式，將整個系統(tǒng)設(shè)計成為功能相對單一、結(jié)構(gòu)獨立的成體系構(gòu)建方式，不但降低了整個軟件系統(tǒng)的復(fù)雜程度，而且減少了整個開發(fā)過程中可能產(chǎn)生的錯誤，提高了軟件設(shè)計的效率和質(zhì)量。

在軟件界面設(shè)計方面，其作為數(shù)據(jù)表達及可視化的主體部分，基于面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計方式，實現(xiàn)了快速顯示二維圖像（時頻圖、散點圖、曲線圖）以及顯示數(shù)字列表（模態(tài)參數(shù)識別結(jié)果數(shù)據(jù)等）等功能。同時，通過采用基于windows消息映射機制的設(shè)計，實現(xiàn)了多樣化的軟件識別功能，例如右鍵菜單操作、選取極值點等操作。這是軟件人機交互設(shè)計的一個重點，同時也是整個軟件程序設(shè)計的難點。

在軟件的模塊設(shè)計劃分過程中，根據(jù)軟件的功能需要，將軟件劃分成為五個基本模塊：數(shù)據(jù)輸入及顯示模塊、小波時頻濾波模塊、小波模態(tài)參數(shù)拾取模塊、主頻分析模塊以及處理結(jié)果顯示與保存模塊，用戶通過讀取輸入的相關(guān)數(shù)據(jù)文件選擇對應(yīng)的功能模塊對輸入的數(shù)據(jù)信息進行處理，若需要預(yù)先對數(shù)據(jù)進行降噪處理然后再進行小波模態(tài)識別時，則可以直接選擇小波時頻濾波模塊，在完成分析處理并保存信號之后，再將濾波后的數(shù)據(jù)重新導(dǎo)入進行分析，這時就需要選擇小波模態(tài)識別功能模塊。

3軟件各功能模塊的實現(xiàn)

因為C++語言的執(zhí)行響應(yīng)速度快，其速度幾乎和匯編語言相當，加之其屬于面向?qū)ο蟮木幊陶Z言，軟件設(shè)計過程中選擇C++作為開發(fā)的基本原因，同時將Visual Studio 2008的Viscual C++的基本工具，結(jié)合IT++類庫，通過使用單文檔視圖結(jié)構(gòu)的方式對時頻軟件進行開發(fā)，設(shè)計得到的主界面如圖1所示。該軟件界面根據(jù)功能模塊而劃分，主要包括菜單欄、工具欄、信息顯示區(qū)域、圖形顯示窗口和狀態(tài)欄等幾個部分。

圖1軟件主界面

1）數(shù)據(jù)輸入及顯示功能模塊。該模塊的主要功能在于實現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入以及針對數(shù)據(jù)的預(yù)處理，同時設(shè)置對應(yīng)的工程分析單位、波形顯示等。其通過分析數(shù)據(jù)加載界面，從工作計算機中選擇待分析的數(shù)據(jù)，打開之后將其加載至計算機內(nèi)存當中，其中可加載的數(shù)據(jù)類型包括mat文件和txt文本文件，其默認的數(shù)據(jù)格式是mat數(shù)據(jù)文件。

在數(shù)據(jù)加載至內(nèi)存之后，軟件將顯示分析對象圖形的工程單位，如圖2所示。其中，“Time Unit”表示橫坐標的工程單位是時間單位，“vibration Unit”表示所輸入的數(shù)據(jù)的單位。在不設(shè)置時，軟件默認的時間單位是S，縱坐標的單位是V。

圖2軟件工程單位設(shè)置

之后進入基本參數(shù)設(shè)置，需要對所輸入的數(shù)據(jù)進行預(yù)處理。界面設(shè)置的操作指令包括文件名、數(shù)據(jù)大小、采樣頻率設(shè)置窗口以及其他的相關(guān)說明等。

在完成相關(guān)參數(shù)的輸入之后，顯示主界面將激活激勵通道以及響應(yīng)通道的相關(guān)波形，同時將在主界面數(shù)據(jù)基本信息當中顯示數(shù)據(jù)的具體大小、采樣率、頻率分析區(qū)域、頻率分辨率等相關(guān)信息。在設(shè)計過程中，為了避免出現(xiàn)不必要的誤操作，在數(shù)據(jù)加載之前，加載菜單的文件菜單下除了“Data Load”子菜單可用之外，其他的相關(guān)功能均顯示灰色（不可用狀態(tài)）。

2）小波時頻濾波功能模塊。該功能模塊設(shè)計原理是通過獲得小波系數(shù)矩陣，基于Carmona從模值識別脊線的原理，提取獲得小波脊線。這時，小波脊線將剛好是時域信號在時頻域上的對應(yīng)分布，之后利用脊線位置對應(yīng)的小波系數(shù)重構(gòu)得到濾波處理后的時域信號。通過這種預(yù)處理能夠有效去除信號中的噪聲，提高信號的整體信噪比。

在軟件界面設(shè)計過程中，所加載的數(shù)據(jù)在經(jīng)過數(shù)據(jù)加載和顯示 模塊之后，通過設(shè)定對應(yīng)的濾波參數(shù)就能夠進行小波時頻濾波分析。

其中，相關(guān)的菜單操作包括：①小波變換（Wavelet Transform），點擊該菜單之后將彈出進度條對話框，用來顯示小波變換的進程，在計算機處理完成之后將自動關(guān)閉；②脊線爬升（Climb Ridges），點擊該菜單之后將彈出進度條對話框，用來顯示脊線爬升處理進度，在計算機處理完成之后將自動關(guān)閉；③脊線提?。∣btain Ridges），當所提取的脊線數(shù)據(jù)值超過了Nchain的值時，軟件將彈出相關(guān)的提示信息，要求將閾值或者幅值進行調(diào)整，當不能提取脊線時則需要對爬升參數(shù)進行調(diào)整，重新進行脊線爬升操作；④信號重構(gòu)（Reconstruction）。

3）小波模態(tài)識別功能模塊。該功能模塊是基于改進的Morlet小波為母小波，通過對系統(tǒng)脈沖響應(yīng)信號實施持續(xù)的小波變換，從而獲得處理后的小波系數(shù)矩陣，然后根據(jù)小波系數(shù)以及對應(yīng)的模態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系，針對通過小波系數(shù)脊線提取分離處理的頻率信號采用取小波骨架包絡(luò)線的自然對數(shù)及小波骨架相位斜率識別處理，得到整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)。

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通過小波模態(tài)識別功能模塊的處理后，將能夠得到該結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)，包括阻尼比、結(jié)構(gòu)的固有頻率等。處理過程中，需要設(shè)定對應(yīng)的模態(tài)識別參數(shù)，如圖3所示。

4）主頻分析功能模塊。主頻分析功能模塊的主要功能是能夠后的信號分析頻段中主要頻率歲時間變化的相關(guān)情況，其具體的參數(shù)設(shè)置界面如圖4所示。界面顯示的“Number of dot”為軟件分析過程中傅里葉變換次數(shù)，一般的取值包括512、1024、2048、4096四種，考慮到計算精度和軟件計算資源消耗，軟件設(shè)置的默認次數(shù)是1024。在軟件的主界面中可以直接點擊“Main Frequency Analysis”進行對應(yīng)的操作，之后通過主頻分析即可以得到對應(yīng)的值。

圖3模態(tài)識別參數(shù)的設(shè)置

圖4主頻分析模塊單參數(shù)設(shè)置

5）處理結(jié)果顯示及保存功能模塊。時頻分析結(jié)果的顯示及保存功能主要包括以圖像形式顯示處理數(shù)據(jù)的結(jié)果、保存數(shù)據(jù)結(jié)果等。為了便于后續(xù)軟件的使用以及其他軟件，諸如使用Matlab編寫的軟件直接調(diào)用分析結(jié)果，該軟件還設(shè)計了保存成mat格式的數(shù)據(jù)接口。同時，還可以對一維數(shù)據(jù)（Orginal Signal、Main Frequency Result等）數(shù)據(jù)結(jié)果進行保存，其保存后的第一列顯示為數(shù)據(jù)的時間信息，第二列則顯示為數(shù)據(jù)信息。

針對軟件的圖形數(shù)據(jù)顯示的控制，軟件設(shè)計過程中專門設(shè)計了用于圖形顯示控制的快速顯示控件——Cpoltcontrol。該控件是基于CStatic的類定義派生類實現(xiàn)的，將使得該空間易于與其他控件以及應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)集成。滿足了實際的工程應(yīng)用需要，尤其是對大數(shù)據(jù)量的顯示，可以根據(jù)所生成的實際信號形成標準化的坐標和圖像，使用者可以按照自身的情況對坐標軸名稱、單位以及標題等進行修改，并添加了針對圖形的拷貝、保存以及右鍵菜單功能，增加了該空間的實用性。

4結(jié)論

文章針對時頻分析軟件的具體功能需要，設(shè)計了軟件的整體系統(tǒng)構(gòu)成，包括對軟件的各個功能模塊進行了詳細的劃分和詳細設(shè)計，論述了各個功能模塊設(shè)計過程中基于的設(shè)計原理，并介紹了軟件的功能界面實現(xiàn)，為時頻分析軟件的設(shè)計提供參考。

參考文獻

[1]苑冰潔，苑冰潔，穆曉敏，等.基于VC++的SDR處理平臺可視化調(diào)試軟件設(shè)計[J].科技信息，2010（35）.

[2]李曉飛.小波分析在光譜數(shù)據(jù)去噪處理中的應(yīng)用[D].上海交通大學，2009.

[3]朱玉東.基于組件的水下目標識別軟件的設(shè)計與實現(xiàn)[D].哈爾濱工程大學，2011.

[4]顏國雄，王潛，童峰.基于Visual C和PC的軟件水聲調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)[J].海洋科學，2009（8）.

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通過小波模態(tài)識別功能模塊的處理后，將能夠得到該結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)，包括阻尼比、結(jié)構(gòu)的固有頻率等。處理過程中，需要設(shè)定對應(yīng)的模態(tài)識別參數(shù)，如圖3所示。

4）主頻分析功能模塊。主頻分析功能模塊的主要功能是能夠后的信號分析頻段中主要頻率歲時間變化的相關(guān)情況，其具體的參數(shù)設(shè)置界面如圖4所示。界面顯示的“Number of dot”為軟件分析過程中傅里葉變換次數(shù)，一般的取值包括512、1024、2048、4096四種，考慮到計算精度和軟件計算資源消耗，軟件設(shè)置的默認次數(shù)是1024。在軟件的主界面中可以直接點擊“Main Frequency Analysis”進行對應(yīng)的操作，之后通過主頻分析即可以得到對應(yīng)的值。

圖3模態(tài)識別參數(shù)的設(shè)置

圖4主頻分析模塊單參數(shù)設(shè)置

5）處理結(jié)果顯示及保存功能模塊。時頻分析結(jié)果的顯示及保存功能主要包括以圖像形式顯示處理數(shù)據(jù)的結(jié)果、保存數(shù)據(jù)結(jié)果等。為了便于后續(xù)軟件的使用以及其他軟件，諸如使用Matlab編寫的軟件直接調(diào)用分析結(jié)果，該軟件還設(shè)計了保存成mat格式的數(shù)據(jù)接口。同時，還可以對一維數(shù)據(jù)（Orginal Signal、Main Frequency Result等）數(shù)據(jù)結(jié)果進行保存，其保存后的第一列顯示為數(shù)據(jù)的時間信息，第二列則顯示為數(shù)據(jù)信息。

針對軟件的圖形數(shù)據(jù)顯示的控制，軟件設(shè)計過程中專門設(shè)計了用于圖形顯示控制的快速顯示控件——Cpoltcontrol。該控件是基于CStatic的類定義派生類實現(xiàn)的，將使得該空間易于與其他控件以及應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)集成。滿足了實際的工程應(yīng)用需要，尤其是對大數(shù)據(jù)量的顯示，可以根據(jù)所生成的實際信號形成標準化的坐標和圖像，使用者可以按照自身的情況對坐標軸名稱、單位以及標題等進行修改，并添加了針對圖形的拷貝、保存以及右鍵菜單功能，增加了該空間的實用性。

4結(jié)論

文章針對時頻分析軟件的具體功能需要，設(shè)計了軟件的整體系統(tǒng)構(gòu)成，包括對軟件的各個功能模塊進行了詳細的劃分和詳細設(shè)計，論述了各個功能模塊設(shè)計過程中基于的設(shè)計原理，并介紹了軟件的功能界面實現(xiàn)，為時頻分析軟件的設(shè)計提供參考。

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通過小波模態(tài)識別功能模塊的處理后，將能夠得到該結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)，包括阻尼比、結(jié)構(gòu)的固有頻率等。處理過程中，需要設(shè)定對應(yīng)的模態(tài)識別參數(shù)，如圖3所示。

4）主頻分析功能模塊。主頻分析功能模塊的主要功能是能夠后的信號分析頻段中主要頻率歲時間變化的相關(guān)情況，其具體的參數(shù)設(shè)置界面如圖4所示。界面顯示的“Number of dot”為軟件分析過程中傅里葉變換次數(shù)，一般的取值包括512、1024、2048、4096四種，考慮到計算精度和軟件計算資源消耗，軟件設(shè)置的默認次數(shù)是1024。在軟件的主界面中可以直接點擊“Main Frequency Analysis”進行對應(yīng)的操作，之后通過主頻分析即可以得到對應(yīng)的值。

圖3模態(tài)識別參數(shù)的設(shè)置

圖4主頻分析模塊單參數(shù)設(shè)置

5）處理結(jié)果顯示及保存功能模塊。時頻分析結(jié)果的顯示及保存功能主要包括以圖像形式顯示處理數(shù)據(jù)的結(jié)果、保存數(shù)據(jù)結(jié)果等。為了便于后續(xù)軟件的使用以及其他軟件，諸如使用Matlab編寫的軟件直接調(diào)用分析結(jié)果，該軟件還設(shè)計了保存成mat格式的數(shù)據(jù)接口。同時，還可以對一維數(shù)據(jù)（Orginal Signal、Main Frequency Result等）數(shù)據(jù)結(jié)果進行保存，其保存后的第一列顯示為數(shù)據(jù)的時間信息，第二列則顯示為數(shù)據(jù)信息。

針對軟件的圖形數(shù)據(jù)顯示的控制，軟件設(shè)計過程中專門設(shè)計了用于圖形顯示控制的快速顯示控件——Cpoltcontrol。該控件是基于CStatic的類定義派生類實現(xiàn)的，將使得該空間易于與其他控件以及應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)集成。滿足了實際的工程應(yīng)用需要，尤其是對大數(shù)據(jù)量的顯示，可以根據(jù)所生成的實際信號形成標準化的坐標和圖像，使用者可以按照自身的情況對坐標軸名稱、單位以及標題等進行修改，并添加了針對圖形的拷貝、保存以及右鍵菜單功能，增加了該空間的實用性。

4結(jié)論

文章針對時頻分析軟件的具體功能需要，設(shè)計了軟件的整體系統(tǒng)構(gòu)成，包括對軟件的各個功能模塊進行了詳細的劃分和詳細設(shè)計，論述了各個功能模塊設(shè)計過程中基于的設(shè)計原理，并介紹了軟件的功能界面實現(xiàn)，為時頻分析軟件的設(shè)計提供參考。

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