LabVIEW用于测量和数据分析.docx

资源描述

LabVIEW 用于测量和数据分析如此，全世界数以千万计的工程师和科学家们都在依靠 NI LabVIEW 用于各种应用：测试和测量、过程控制和自动化、监控和仿真。 LabVIEW 之所以成为众望所归的选择，是因为它无以伦比的与各种仪器的连接性、强大的数据采集功能、直观的基于数据流的图形化编程界面、灵活可扩展性以及整体功能的完整性。无论在何种专业领域，一个不争的事实就是用户必须要操作数据和测量，并且基于此进一步做出决定。本文着重于阐述一些 LabVIEW 的功能，正是这些功能使得 LabVIEW 成为数据和测量分析的最佳工具。目录 • 简介 • 选择正确的分析方法 • 分析函数的类别 • LabVIEW 具有哪些分析工具？ • 用于分析的附加工具 • 结论 • 附录简介一般来说，用户通过采集数据至一个应用程序来开始他们的工作，因为他们的任务通常需要与物理过程进行交互。为了从数据中提取有价值的信息，对过程做出决定，并获得结果，数据需要进行操作和分析。不幸地是，将分析与数据采集和数据显示结合起来并不总是一个简单的过程。应用程序软件包通常实现了应用程序中的一个组件，但是很少实现所有的方面，并且还需要达成一个完整的解决方案。 LabVIEW 是专为解决这些需要而设计的，以实现一个从开始到完成、完全集成的解决方案，因而客户可以在一个单一的环境中无缝地集成他们应用程序的所有环节。图 1、 LabVIEW VI 程序框图虽然现在有许多工具可以分别独立地解决每一项需求，但是只有 LabVIEW 通过使用您 PC 的强大功能，将所有的需求与强大的图形化编程和现有的数据采集硬件结合起来。这是数据采集、数据分析、和结果显示的结合，因而真正最大化了虚拟仪器系统的功能。一个虚拟仪器系统包含了一台已配备强大应用软件的工业标准计算机或工作站，成本低廉的硬件(例如插入式板卡)，以及驱动软件，这些组合在一起完成了传统仪器的功能。这就是为什么使用 LabVIEW 创建的应用程序被称为 VI(虚拟仪器)。作为一种着重于工程的工具， LabVIEW 为研究者、科学家、和工程师，学生和教授们提供了数以百计的分析函数。他们可以将这些函数集成至他们的应用程序中，从而做到智能测量并更为快速地获取结果。 021-65557838 • 800-820-3622 • china.info@ • National Instruments 选择正确的分析方法用户可以使用不同的方法将分析结合至他们的应用程序中。这里有一些需要考虑的因素，以帮助确定合适的实现分析的方式。在线与离线分析在线分析意味着数据的采集和分析要在同一个应用程序中进行。这对于需要在运行时刻做出决定的应用或结果对过程具有直接影响的应用(通常是通过参数的改变和行为的执行)来说是经常遇到的情况。这也是控制应用中常见的情况。当进行在线分析时，考虑所采集的数据量和特定的完成数据分析的程序是十分重要的。因为它们极易变得计算量过大而且对应用程序的性能具有负面效应，所以您必须找到合适的平衡点。其他需要在线分析的场合是那些测量参数需要适于被测信号特性的应用。一种情况是一个或多个信号需要被记录，但是这些信号改变地十分缓慢，除非由于高速的活动而引起的突变。为了减少所记录的数据量，应用程序需要快速地识别更高采样速率的需要，并且在突变消失之后降低采样速率。通过测量和分析信号的某些方面，应用程序可以适应相应的环境并且使用合适的执行参数。虽然这只是其中一个例子，但实际上有数以百计的应用需要一定程度的智能化—— 即能够基于各种不同的条件做出决定——并且还需要适应性，这只有通过将分析算法添加至应用程序中才可以提供。基于所采集的数据做出的决策并不通常是以一种自动的方式。更常见的是，那些与过程有关的决定需要监视执行并且决定它是否如所期望地那样执行或者一个或多个变量是否需要进行调整。虽然用户记录数据、从文件或数据库中提取数据，然后离线分析以修改过程的情况很常见，但是在许多情况下需要在运行时刻做出改变。在这些情况下，应用程序必须处理来自于处理过程的数据，然后操作、简化、格式化、以及使用一种最有利于用户的方式来显示数据。LabVIEW用户然后可以利用许多可视化的对象来以一种最为简洁和有效的方式显示数据。 LabVIEW 提供了常见的需要与数据采集功能和显示功能相结合的分析和数学程序，因而它们可以很轻松地集成至任何应用程序中。此外， LabVIEW 也提供了用于逐点执行(point-by-point execution)的分析程序；这些程序是为满足实时应用程序中在线分析的需要而专门设计的。用户在决定逐点程序是否合适之时应当考虑某些特定的方面。逐点分析对于处理那些存在高速、确定性、逐点数据采集的控制过程是十分需要的。任何时间资源都用于实时数据采集，随着采集速率和控制循环由于数量级的增长而提高，逐点分析变得十分必要。逐点的方式简化了设计、实现、和测试过程，因为应用程序流十分类似于应用程序所监视和控制的真实世界过程的自然流。图 2、基于阵列的分析 vs.逐点分析 021-65557838 • 800-820-3622 • china.info@ • National Instruments 实时数据采集和分析持续不断地需要更为简单和稳定的应用程序。逐点分析是简单易用和稳定的，因为它直接连接至采集和分析过程。通过简单的、稳定的逐点分析，采集和分析过程可以更为接近地转向FPGA (现场可编程门阵列)芯片、 DSP 芯片、嵌入式控制器、专用CPU、和 ASIC 上的控制。欲想更好地理解逐点分析程序的优点，建议您阅读文档“LabVIEW 逐点 VI 入门”： ( 该文档叙述了如何使用 VI 程序，并使用一个案例分析来演示在 LabVIEW 中所建立的一个完整的应用程序。应用程序展示了逐点分析的简单性和灵活性。通过将这些功能强大的算法和程序添加至应用程序，用户可以免去猜测性的工作，并创建可以实现在运行时分析结果的智能处理，从而提高了效率并且可以反复地将输入变量与实验或处理性能相关联。离线应用程序通常并不需要以实时的方式获得结果来对处理过程做出决定。离线分析应用程序只需要足够的计算资源即可。这类应用程序的主要目的是通过将多个数据集相互关联从而确定那些影响一个过程的变量的原因和结果。这些应用程序通常需要从自定义的二进制或 ASCII 文件和诸如 Oracle、 Access、及其他 QL/ODBC－使能数据库之类的商用数据库中导入数据。一旦数据导入至LabVIEW，用户就可以执行数个或数以百计可得的分析程序，操作数据，并且以特定的格式排列它来用于报告之目的。 LabVIEW 提供了可以访问任何文件格式类型和数据库的函数，无缝地连接至功能强大的报告工具，例如 NI DIAdem 和针对 Microsoft Office 的报告生成工具包，以及执行最新的数据共享技术，例如 XML、网络使能(Web-enabled) 的数据显示和 ActiveX。计划式分析 vs.交互式分析作为 LabVIEW 用户，科学家和工程师们非常熟悉他们从数以百计的设备中采集数据的各种方式。他们将智能化集成至他们的应用程序以在程序运行之时完成在线分析和结果显示。此外，他们也认识到为了在线可视化而采集数据并处理它是不够的。用户通常在硬盘和数据库中存储几百或几千 M 的数据。无论何处，在应用程序运行一次至数百次之后，用户进而提取信息以做出决定，比较结果，以及对过程进行适当的改变，直至达到希望的结果。采集如此大量的数据相对来说是比较容易的，但是它会迅速地变得不可管理。事实上，利用一个快速的 DAQ 板卡和足够的通道，这可能只需要几毫秒来编辑数以千计的数值。从数据中寻找有价值的信息并不是件微不足道的任务。工程师和科学家通常都需要显示报告、创建图表、以及最后根据实验数据来确认评估和结论。没有合适的工具，这就极易变成一件让人畏惧的任务，从而降低了效率。为了简化分析测量的过程， LabVIEW 程序员创建了其他人可以使用的应用程序(提供了对话框和界面)，从而根据他们的输入，就可以在任何给定的数据集上执行特定的分析程序。通过建立这种类型的应用程序，用户可以将一定程度的交互性集成至他们的应用程序。而且为了高效，程序员必须对用户所感兴趣的信息和分析类型具备广泛的知识。 021-65557838 • 800-820-3622 • china.info@ • National Instruments 图 3、基于联合时频分析函数的时域显示 VI 利用 LabVIEW，在数据存储至硬盘之前用户可以轻松地实现显著的数据量缩减和格式化，从而当所存储的数据需要用于进一步的分析时，这就可以很容易地解决。 LabVIEW 也提供了数以百计的函数来生成报告，这个报告基于从采集的数据中所获得的结果和信息。 NI 也提供了其他与 LabVIEW 高度集成的工具而且专为提高协作型工程而设计。 NI DIAdem 就是这样一种工具，它提供了一个易于使用的环境来实现交互式、后采集分析和报告生成，并且具有强大的技术数据管理功能。欲想了解更多关于 DIAdem 的信息，请访问分析函数的类别 LabVIEW 提供了数以百计内置的分析函数，它们涵盖了不同的领域以及从所采集的数据中提取信息的方法。您可以按照默认、或修改、自定义、和扩展它们的方式来使用这些函数以满足特定的需求。这些函数可以分类成以下几个部分：测量、信号处理、数学、图像处理、控制、仿真、和应用领域。测量幅值和水平 Frequency (Spectral) Analysis 频率(频谱)分析噪声和失真脉冲和跳变信号和波形生成时域分析音阶测量信号处理数字滤波卷积和相关频域联合时频分析(信号处理工具包) 021-65557838 • 800-820-3622 • china.info@ • National Instruments 采样/重采样信号发生高分辨率频谱分析(信号处理工具包) 变换时域小波和滤波器组选择(信号处理工具包) 加窗数学基本数学算法曲线拟合和数据建模微分方程式内插值和外插值线性代数非线性系统优化求根特殊函数数理统计和随机过程图像处理块分析和形态学色彩模式匹配滤波器高层机器视觉工具高速灰度模式匹配图像分析图像和象素操作图像处理光学字符识别特定区域工具控制 PID 和模糊控制仿真仿真接口(仿真接口工具包) 应用领域机器状态监视(阶次分析工具套件) 机器视觉(IMAQ、视觉生成器) 运动控制声音和振动(声音和振动分析工具套件) 欲想了解完整的 LabVIEW 分析函数列表，请访问 021-65557838 • 800-820-3622 • china.info@ • National Instruments LabVIEW 具有哪些分析工具? NI LabVIEW 已经包含了一个强大的用于分析的工具集。这些工具包括一个内置的专为分析而设计的库和函数集，利用它，用户可以用于广泛的应用场合。 LabVIEW 分析工具涵盖了广泛的应用。高级的分析函数可以测量诸如总谐波失真、脉冲响应、频率响应和互功率频谱之类的信号特性。科学家和工程师也可以将数学或数值分析结合至他们的应用程序以用于求解微分方程、优化、求根、和其他数学问题。虽然用户可以自己开发这些函数，但是内置的函数使得可以更轻松地、快速地专注于问题而不是工具。使用这些函数的好处也是无需了解需要建立这些算法的深层理论。图 4、基于声音和振动分析工具套件的声音等级仪表应用用于分析的附加工具除了内置的分析库外，用户可以利用附加的工具组和模块来减少特定应用所需要的开发时间。通过将工具集组件结合至自定义的应用程序，用户减少了对特定专业知识的需要，这些专业知识通常与开发更具有深度的应用程序相关联，例如高级数字信号处理、声音和振动测量、阶次分析、图像处理、 PID 控制、和仿真。高级信号处理信号处理工具集提供了专为高级数字信号处理(DSP)而设计的函数。包含的函数可以分为三类：联合时频分析、小波分析、和高分辨率频谱分析。此外，这个工具集提供了一个图形化工具从而使得用户可以交互式设计数字滤波器。联合时频分析不同与传统的分析技术， JTFA(联合时频分析)程序同时在时域和频域测量信号。 JTFA 几乎可以用于所有使用 FFT 的应用场合，例如生物医学信号、雷达图形处理、振动分析、机器测试、和动态信号分析。然而，利用 JTFA 您可以通过同步分析时域和频域获得更多的信息。 021-65557838 • 800-820-3622 • china.info@ • National Instruments 与经典的傅立叶分析一样， JTFA 包含两大方法——线性和二次。线性算法包含了短时的傅立叶变换(STFT) 和 Gabor 展开(反向短时傅立叶变换)。 LabVIEW 用户可以利用这些线性变换来将时域信号转换成联合时频域信号，反过来也可以。这些程序对于实现抑制噪声的目的是极为强大的。二次方法包含自适应谱图、 Choi-Williams 分布、锥形分布、基于 Gabor 展开的谱图(也即 Gabor 谱图)、基于 STFT 的谱图、和 Wigner-Ville 分布。用户可以应用二次变换来轻松地看到信号的功率谱如何随时间而变化。 Gabor 谱图在高分辨率和截项干扰之间寻求了最佳的平衡点。小波小波是一种相对较新的信号处理方法。一个小波变换通常是以滤波器组的形式来实现，这些滤波器组将信号分解成多个信号带。它在一个或几个子带中分离和保留信号特征。因而，使用小波变换的最大优势之一是信号特征可以很方便地提取。在许多情况下，当需要进行提取和噪声抑制时，一个小波变换优于传统的 FFT 。因为小波变换可以提取信号特性，小波变换在数据压缩、响应检测、模式识别、边缘检测、抑制、语音识别、纹理分析、和图像压缩中有着大量的应用。高分辨率频谱分析频谱分析的首选工具是快速傅立叶变换(FFT)。对于高分辨率的频谱，基于 FFT 的方法需要大量的采样。然而，在许多情况下数据集是有限的，因为数据的缺失或因为用户需要确保信号的频谱特性而在数据记录过程中没有改变。对于数据采样个数有限的情况， LabVIEW 用户可以使用基于模型的分析来确定频谱特性。使用这一技术，用户假设一个合适的信号模型并且确定模型的系数。基于这个模型，应用程序然后就可以预测已给定有限数据集中的缺失点，从而实现高分辨率的频谱。此外，基于模板的方法也可以用来估计幅值、相位、阻尼因子、和阻尼正弦的频率。高分辨率频谱分析可以用于各种应用场合，包括生物医学研究、经济学、地球物理学、噪声、振动和语音分析。声音和振动分析 LabVIEW 声音和振动工具集利用函数和可视化工具将 LabVIEW 扩展用于解决工程单元、校准、频率分析、瞬时分析、声音等级测量、和分数倍频分析。这个工具集提供了高级工具来轻松地为声音和振动分析创建自定义的应用程序。函数包括完整、 1/3、 1/6、 1/12 和 1/24 倍频；用户自定义的采样频率；用户自定义的带数；时域 A、 B、 C 权重；标准兼容；指数级平均 (慢速、快速、和自定义时间常数)；互功率频谱；频率响应 (H1、H2、和 H3 ) ；相干性；以及相干输出功率。此外，这个工具集提供了其它的可视化工具，例如瀑布图、色彩图、倍频条状图、和倍频线状图，这些都可以轻松地集成至 LabVIEW 应用程序的前面板。阶次分析 LabVIEW 阶次分析工具集提供了建立自定义的基于 LabVIEW 测量和自动化应用程序的库，以及用于阶次跟踪、阶次提取、和转速计信号处理的阶次分析功能。这个工具集使用了Gabor 阶次跟踪，这是具有专利的基于联合时频分析概念之上的算法。利用 Gabor 阶次跟踪算法， LabVIEW 用户可以分析来自于具有旋转或摆动组件的机械系统的声音、振动、和其他动态信号。它也提供了联合时频域中灵活的阶次能量选择。其他的工具包括绘制单独的与时间或rpm 有关的阶次曲线、用于从所采集的信号中分离特定阶次的信号成分的阶次提取工具、用于寻找和指定最重要阶次的阶次选择工具、以及用于分析的用户自定义的阶次选择。 021-65557838 • 800-820-3622 • china.info@ • National Instruments 视觉/图像处理利用针对 LabVIEW 的 IMAQ 视觉，工程师和科学家可以创建和设计那些使用色彩模式匹配的机器视觉应用的原型。色彩模式匹配可以快速地在彩色图像中定位已知的参考模式，而且克服了传统单色摄像机带来的障碍物(单色摄像机很难区分彩色图像)。此外， IMAQ 视觉软件向 LabVIEW 添加了高层的机器视觉和图像处理功能。您可以在那些需要极高可靠度的高速视觉系统的机器上以及工厂和实验室自动操作中使用 IMAQ 视觉。 LabVIEW 用户可以利用 NI 视觉开发模块来开发机器视觉和科学成像应用程序。这个模块包括 IMAQ 视觉生成器——一个交互式环境用于快速进行视觉应用程序的原型设计而无需编程，和 IMAQ 视觉——一个功能强大的用于图像处理的函数库。 IMAQ 视觉生成器和 IMAQ 视觉紧密地集成在一起来简化视觉软件的开发。 IMAQ 视觉生成器可以自动地生成一个 IMAQ 视觉 LabVIEW 方块图，它与在 IMAQ 视觉生成器中原型设计所进行的一系列操作具有相同的功能。用户可以将方块图集成至自动化或生产测试应用程序，这可能包括运动控制、仪器控制、和数据采集。 PID 控制 LabVIEW PID 控制工具集向控制应用增添了许多复杂的控制算法。通过将工具集中的 PID 和模糊逻辑控制函数与 LabVIEW 中的分析函数相结合，用户可以快速地为自动控制开发程序。此外，通过将这些控制工具与 NI 数据采集硬件相结合，用户可以创建强大的、稳定的控制系统。这些 LabVIEW 控制应用程序然后可以与 LabVIEW 实时模块相结合以用于实时控制应用程序。仿真 NI LabVIEW 仿真接口工具包为控制设计工程师在 LabVIEW 和 MathWorks Simulink®软件之间提供了一个无缝的连接。利用这些集成的工具，工程师可以毫不费力地将一个软件概念转换成真实世界的原型设计。这个工具包包括基于 LabVIEW 的可接入 Simulink®环境的用户接口组件，以及可与 MathWorks 实时 Workshop®协同工作的工具以将控制模型导入 LabVIEW。工程师然后可以利用这些模型并将各种 I/O 与之结合。 LabVIEW 用户也可以利用 LabVIEW 系统仿真和设计工具包，这个工具包提供了进行设计、仿真、分析、和优化线性和非线性控制系统的工具。利用这些工具，用户可以通过使用控制工程符号(例如表示转移函数的 H(s)、表示积分的 1/s、表示延迟的等等)建模之后的 VI 来加速系统设计。在验证系统设计之后，用户可以快速地将 LabVIEW 分析函数和 DAQ 硬件相结合来实现一个真实世界的系统。结论利用计算机的强大功能和灵活性，工程师和科学家拥有了前有未有的能力来有效地测量、控制、监视、诊断、自动化、测试、和描述任何过程。然而如果不能查看数据和提取有意义的信息，那么这将是不可能的。 NI LabVIEW 和它所提供的集成的分析函数，构成了一个功能强大的专为工程师和科学家设计的图形化应用程序开发环境。无论工程过程所涉及的行业或领域如何， LabVIEW 从设计至验证到生产都提供了解决方案。此外， LabVIEW 还提供了无以伦比的对插入式 DAQ 设备和独立仪器的连接性以用于采集数据。 LabVIEW 提供了强大的分析库、程序、和算法，从基本的数学到高级的信号处理，既满足通用的应用程序也满足更深层次的需要，这些都可以在 LabVIEW 中与所有其他的函数无缝地集成。这些函数，与其他功能强大的数据可视化功能一道，使得 LabVIEW 成为任何应用的理想工具。附录 021-65557838 • 800-820-3622 • china.info@ • National Instruments 下面是进一步提供关于基于LabVIEW分析的信息的链接： NI分析网页信号处理工具集 LabVIEW声音和振动工具套件 LabVIEW阶次分析工具套件基于LabVIEW的图像采集和分析，以及机器视觉应用程序开发 LabVIEW PID工具套件 LabVIEW仿真接口工具套件 LabVIEW系统仿真和设计工具套件 021-65557838 • 800-820-3622 • china.info@ • National Instruments

展开阅读全文