Тел.: +7 (495) 783-68-51 Email: info@izmeril.ru ‌‌‍‍‌‌‍‍
Меню
Click to order
Total: 
Your Name
Your Email
Your Phone
У вас есть инженерное приложение?
Свяжитесь с нами!
It's totally free

Расширенный функционал обработки и анализа сигналов в LabVIEW

Необработанные данные содержат мало полезной информации в явном виде. Перед тем, как представлять экспериментальные данные, их необходимо должным образом обработать, к примеру, отфильтровать шум, провести компенсацию параметров окружающей среды и т.д. Поэтому функции обработки сигналов – обязательная часть набора инструментов практически каждого инженерного приложения. В среде LabVIEW имеется обширный программный инструментарий, позволяющий выполнить обработку сигналов без привлечения дополнительного программного обеспечения и необходимости написания собственных процедур обработки.

«Интеллектуальные» алгоритмы работы программы на основе анализа в режиме реального времени

Если Ваша программа должна выполнять какие-то действия в зависимости от изменения параметров системы, то необходим анализ данных в реальном времени. Существуют тысячи приложений, в которых требуется та или иная степень «интеллектуальности» и способности принимать решения в зависимости от различных условий – адаптируемость. Это можно реализовать только путем встраивания алгоритмов анализа в программу.

Обычно решения, основанные на результатах измерений, принимаются в автоматическом режиме, т.е. в программу встраивается логика работы в определенных условиях. Однако автоматический режим принятия решений подходит не для всех приложений. С помощью диалоговых окон LabVIEW вы сможете легко разработать свои интерактивное приложение, позволяющее пользователю корректировать поведение программы в процессе работы.

Независимо от метода анализа, LabVIEW предоставляет пользователю наборы математических функций и функций анализа, которые естественным образом взаимодействуют с функциями сбора данных и отображения информации. При этом пользователю не требуется конвертировать данные из одних форматов в другие. Кроме этого, LabVIEW предоставляет возможность проведения поточенного анализа – метода, наиболее подходящего для приложений, работающих в режиме реального времени.

Поточечный анализ

Поточечный анализ подразумевает обработку данных с учетом каждой новой выборки. Такой подход используется при высокоскоростной обработке детерминированных данных в режиме реального времени. Поточечный подход упрощает проектирование, реализацию и тестирование приложения, поскольку в таком случае работа приложения хорошо согласуется с естественным ходом процесса, контролируемого приложением.

Поточечный анализ более тесно связан с процессом сбора и анализа данных, поскольку задержка между измерением и обработкой результата минимизируется. Дальнейшее уменьшение задержки реакции программы на изменения в сигнале может быть достигнуто переносом приложения на ПЛИС, контроллеры или интегральные схемы, и выделение под нужды приложения отдельных ресурсов в многопроцессорных и многоядерных системах.

Постобработка

Оперативный анализ не всегда является оптимальным методом работы с данными. Постобработка позволяет провести более глубокий анализ данных, выявить причинно-следственные связи различных параметров путем обработки и сравнения результатов многократных измерений. Отложенный анализ позволяет использовать расширенный инструментарий и многократную обработку исходных данных. Гистограммы, линии тренда, аппроксимация кривых – вот типичные инструменты отложенного анализа. Кроме того, производительность сложных алгоритмов перестает быть узким местом программы, а, значит, появляется возможность обрабатывать большие объемы данных.

Дополнительная обработка сохраненных данных в LabVIEW.

Обработка данных обычно требует их записи в двоичный, текстовый или файл специфического формата. LabVIEW поддерживает большое количество стандартных форматов файлов, а технология DataPlugins дополнительно расширяют возможности поддержки. С помощью DataPlugins вы можете описать формат любого файла, чтобы приложение LabVIEW могло корректно извлечь записанные данные. Схемы работы программы по обработке сигналов на основе данных, читаемых из файла и получаемых с оборудования одинаковы.

Сохранение данных для других программ обработки

В некоторых случаях может возникнуть необходимость сохранения данных для других программ обработки, например, MS Excel. Специально разработанный тулкит LabVIEW Report Generation позволяет подготовить отчет по результатам работы программы в различных форматах. В случае, когда необходимы дополнительные возможности интерактивного анализа данных, можно воспользоваться отдельным приложением NI DIAdem.

Экономьте время, сохраняя только нужные вам данные

Сбор и обработка данных часто ведется не только с целью их отображения, но и с целью использования в дальнейшем, при этом довольно часто объем сохраняемой в файлы и базы данных информации превышает сотни и даже тысячи мегабайт. В любой момент вам может понадобиться загрузить данные предыдущих сеансов работы программы, сравнить их с новыми, провести повторную обработку и, при необходимости, соответствующим образом скорректировать процесс сбора и обработки данных.

Однако сохранение всех подряд получаемых данных может привести к тому, что их станет слишком много для удобной работы. Инженеры и ученые обычно предпочитают отображать информацию в концентрированном виде – в виде отчетов и графиков, что в отсутствие удобных инструментов становится сложной задачей, снижающей эффективность работы.

LabVIEW позволяет существенно преобразовывать и форматировать данные перед записью на диск, что облегчает задачу их повторного использования. Такие операции как передискретизация, усреднение и математические преобразования (например, БПФ) позволяют преобразовать большие объемы данных к более удобному для последующей обработки виду.

Расширенные возможности ведения разработки

В отличие от большинства сред разработки LabVIEW позволяет вести одновременно сбор данных и их отображение и анализ в одном приложении. Благодаря этому нет необходимости тратить время на конвертацию и передачу данных из приложения по сбору данных в приложение для обработки.

LabVIEW значительно упрощает разработку систем измерений и оперативного анализа, поскольку является ориентированной на инженерные приложение средой, а также имеет внушительный набор функций обеспечения сбора данных и обработки сигналов.

Программа, написанная в среде LabVIEW, называется виртуальным прибором (ВП). ВП симулируют реальные физические приборы.

Расширенные библиотеки функций

LabVIEW содержит более 850 функций для обработки и анализа сигналов и математических вычислений, которые упрощают процесс разработки приложений для разнообразных задач. Эти функции представлены в различных вариантах - от конфигурируемых функций "экспресс-ВП" до низкоуровневых функций для реализации специфических алгоритмов.

Экспресс-ВП – это наиболее простой способ встроить в приложение алгоритмы оперативного анализа и обработки сигналов. После добавления Экспресс-ВП на блок-диаграмму пользователю предлагается настроить параметры анализа с помощью окна диалога, что значительно облегчает процесс разработки приложения.
Диалоговые окна настройки Экспресс-ВП позволяют сразу же увидеть изменения результата обработки. Например, Экспресс-ВП Amplitude and Level Measurements вычисляет величину постоянной составляющей, среднеквадратичное значение, максимальное и минимальное пиковые значения, размах, среднее и среднеквадратичное значение за период.
Похожим образом с помощью Экспресс-ВП Filter конфигурируются цифровые фильтры: фильтр нижних частот, фильтр верхних частот, полосовой и режекторный фильтры. Диалоговое окно конфигурации позволяет настроить такие параметры как верхняя и нижняя частоты среза, число отводов для КИХ-фильтров, форма частотной характеристики БИХ-фильтра (фильтры Баттерворта, фильтры Чебышева, эллиптические фильтры и фильтры Бесселя) и порядок фильтра.

Довольно часто встречается задача совместной обработки сигналов, оцифрованных с различными частотами дискретизации. В таких случаях можно применить Экспресс-ВП Align and Resample, который позволит провести передискретизацию и сглаживание двух и более сигналов, имеющих несовпадающие характеристики. Работу этого ВП можно настроить, указав тип получаемых данных, интервал сглаживания и параметры передискретизации (наименьшая dt, пользовательская dt, dt на основе опорного сигнала).

Также в LabVIEW присутствуют Экспресс-ВП, реализующие следующие высокоуровневые функции:

• Спектральные измерения
• Измерения искажений
• Тональные измерения
• Измерения амплитуды и уровня
• Измерения переходных процессов
• Аппроксимация кривых
• Статистика
• Свертка и корреляционные функции
• Имитация и моделирование сигналов
• Маскирование и ограничение
• Сглаживание и передискретизация

Экономьте свое время за счет использования готовых функций анализа

LabVIEW также предоставляет в распоряжение пользователя библиотеки разнообразных низкоуровневых функций анализа сигналов для решения специфических задач. Соответствующие функции собраны в две основные группы: обработка сигналов и математика. Библиотеки функций обработки сигналов содержат инструменты для фильтрации, генерации, преобразований и анализа сигналов; генерации, анализа и обработки осциллограмм, оконные функции. Подгруппа библиотеки для фильтрации содержит функции реализации фильтров Бесселя, Баттерворта, Чебышева, инверсных фильтров Чебышева, эллиптических фильтров, КИХ-фильтров и других. Математические библиотеки содержат функции для решения дифференциальных уравнений, аппроксимации кривых, геометрических вычислений, интегрирования, интерполяции, линейной алгебры, оптимизации, полиномиальных вычислений, вероятностных и статистических расчетов.

Например, одна из часто используемых функций - Auto Power Spectrum, которая вычисляет односторонний, масштабированный спектр мощности сигнала во временном представлении. Применение этой функции вместо написания кода вычисления спектра мощности с нуля, позволяет существенно сэкономить время. Код, который генерируется Auto Power Spectrum, доступен на блок-диаграмме как и код любой другой функции.
Описанные выше библиотеки успешно используются уже более 20 лет, а NI продолжает разработку в области графических средств для математических вычислений и обработки сигналов, добавляя новые функции и оптимизируя производительность имеющихся для обычных и многоядерных систем.

Комбинируйте математические вычисления с помощью текстовых алгоритмов вычислений в LabVIEW

LabVIEW предоставляет возможность выбора нескольких способов реализации алгоритмов анализа. Несмотря на то, что LabVIEW является средой преимущественно графического программирования, она также имеет необходимый инструментарий для работы с текстовыми вычислительными алгоритмами благодаря компилятору .m файлов. Компилятор LabVIEW MathScript поддерживает синтаксис .m файлов и более 800 обычно используемых математических функций, функций анализа, обработки сигналов и управления. Компилятор LabVIEW MathScript, поддерживащий два интерфейса работы, устанавливается с модулем расширения LabVIEW MathScript RT.

Интерактивная работа с кодом в MathScript Window

Окно LabVIEW MathScript обеспечивает интерактивный интерфейс, с помощью которого можно загружать, сохранять, разрабатывать и выполнять .m файлы. Работа в окне осуществляется в режиме командной строки с поочередным выполнением команд или в режиме пакетной обработки команд. Доступ к окну осуществляется с помощью меню Tools» MathScript Window.
Окно LabVIEW MathScript позволяет использовать различные команды создания графиков для визуализации результатов анализа.

Использование .m файлов в составе графического кода LabVIEW
с помощью узла MathScript.

С помощью узлов сценариев в LabVIEW можно комбинировать текстовый и графический код в одном приложении. Эти узлы представляют из себя масштабируемые текстовые поля, которые можно разместить на блок-диаграмме. Узел MathScript обеспечивает выполнение сценариев в процессе работы функций (ВП). Терминалы на левой стороне узла используются для ввода данных, которые обрабатываются в ходе последовательного выполнения команд сценария. Вывод данных осуществляется с помощью терминалов на правой стороне узла.
Вы можете импортировать тексты сценариев непосредственно из .m файлов, вставлять из буфера обмена или набирать вручную. Другими словами, с помощью узла MathScript, вы можете повторно использовать даже разработанные вне LabVIEW сценарии.

Комбинация сценариев и графического кода LabVIEW позволяет использовать преимущества обоих подходов. Рассмотрим в качестве примера код из популярной книги Digital Signal Processing Laboratory Using MATLAB® (Sanjit Mitra). Этот сценарий генерируется тестовый сигнал и выполняет обработку фильтром скользящего среднего.
% Simulation of an M-point Moving Average Filter

% Generate the input signal

n = 0:100;

s1 = cos(2*pi*0.05*n); % A low-frequency sinusoid

s2 = cos(2*pi*0.47*n); % A high frequency sinusoid

x = s1+s2;

% Implementation of the moving average filter

M = input('Desired length of the filter = ');

num = ones(1,M);

y = filter(num,1,x)/M;

% Display the input and output signals

clf;

subplot(2,2,1);

plot(n, s1);

axis([0, 100, -2, 2]);

xlabel('Time index n'); ylabel('Amplitude');

title('Signal #1');

subplot(2,2,2);

plot(n, s2);

axis([0, 100, -2, 2]);

xlabel('Time index n'); ylabel('Amplitude');

title('Signal #2');

subplot(2,2,3);

plot(n, x);

axis([0, 100, -2, 2]);

xlabel('Time index n'); ylabel('Amplitude');

title('Input Signal');

subplot(2,2,4);

plot(n, y);

axis([0, 100, -2, 2]);

xlabel('Time index n'); ylabel('Amplitude');

title('Output Signal');    

axis;
Сценарий генерирует два синусоидальных сигнала, выполняет их сложение, а затем обрабатывает полученный сигнал фильтром скользящего среднего. На рис. 10 изображены графики, созданные средствами сценария. Окно LabVIEW MathScript обеспечивает интерактивную работу с кодом сценария. С другой стороны, внедрение этого сценария в код программы на LabVIEW позволяет взаимодействовать с его параметрами «на лету».
На рисунке изображен сценарий, внедренный с помощью узла MathScript в блок-диаграмму LabVIEW. При этом были сделаны два существенных изменения:

1. Управление входными параметрами flow, fhigh и M осуществляется элементами пользовательского интерфейса лицевой панели приложения.
2. Последние 23 строчки сценария использовались для построения графиков. В это примере они отсутствуют, потому что отображение графиков осуществляется стандартными средствами LabVIEW.

На лицевой панели находятся элементы управления частотой низкочастотного и высокочастотного сигналов, а также размером выборки для фильтра скользящего среднего. После запуска ВП вы можете изменять эти значения и сразу же наблюдать реакцию выходного сигнала. Эта общая процедура позволяет использовать интерактивность LabVIEW для отображения результатов текстовых алгоритмов.

Проверка корректности работы алгоритмов

Компоненты библиотек обработки сигналов в LabVIEW модернизировались и тестировались на протяжении 20 лет. Их использование позволяет сэкономить то время, которое в других средах было бы потрачено на реализацию и проверку корректности соответствующих алгоритмов.

Удобный процесс создания специализированных библиотек

Компоненты библиотек обработки сигналов в LabVIEW позволяют упростить процесс разработки за счет использования экспресс-ВП. С другой стороны, в случае необходимости реализации специфических алгоритмов обработки, можно воспользоваться набором низкоуровневых функций.

Упрощение процесса разработки с помощью функций генерации сигналов

Довольно часто в языках программирования отсутствуют функции генерации тестовых данных для отладки приложений. Напротив, LabVIEW имеет весьма богатый набор функций для моделирования сигналов, с которыми приложение будет иметь дело в процессе эксплуатации.
Функции генерации сигналов, представленные на рисунке выше, позволяют моделировать сбор данных, подменяя ввод с оборудования сгенерированными программой сигналами. Таким образом обеспечивается возможность вести разработку и тестирование приложения независимо от имеющегося оборудования.

Наиболее распространенные типы сигналов можно генерировать также с помощью экспресс-ВП. Экспресс-ВП Simulate Signal, окно настройки которого представлено на рисунке ниже, позволяет генерировать синусоидальный, прямоугольный, треугольный, пилообразный сигналы, постоянный сигнал, а экспресс-ВП Simulate Arbitrary Signal используется для тонкой настройки параметров сигналов.

Расширенные возможности анализа пакетов дополнений LabVIEW

Библиотеки LabVIEW для анализа, математических вычислений и обработки сигналов были разработаны для решения наиболее распространенных научных и инженерных задач. Помимо этих библиотек вы можете установить модули и тулкиты, которые реализуют специфические алгоритмы обработки и анализа в соответствующих областях применения. В результате снижается уровень сложности разработки приложений, реализующих, например, расширенную обработку сигналов, виброакустические измерения, порядковый анализ, обработку изображений, ПИД-регулирование и моделирование.

Расширенная обработка сигналов

Тулкит Advanced Signal Processing содержит набор функций расширенной обработки сигналов, которые собраны в три группы: объединенный частотно-временной анализ, вейвлет-анализ и спектральный анализ высокого разрешения с методами сверхразрешения. Также тулкит содержит утилиту разработки цифровых фильтров в интерактивном режиме.

Частотно-временной анализ

В отличие от обычных видов анализа, частотно-временной анализ (ЧВА) – это исследование сигнала одновременно и в частотном и во временном представлении. Вы можете использовать этот вид анализа в тех же случаях, когда используете БПФ, например, в обработке биомедицинских сигналов или изображений с радаров, вибрационном анализе и испытаниях машин, анализе динамических сигналов. При этом, одновременный анализ в частотном и временном представлении позволяет извлечь больше информации о сигнале.

Аналогично классическому виду Фурье анализа, частотно-временной анализ состоит из методов двух групп: линейных и квадратичных. Линейные алгоритмы представлены коротким преобразованием Фурье и расширением Габора (инверсное короткое преобразование Фурье). С помощью этих преобразований LabVIEW может конвертировать представление сигнала из временной формы в частотно-временную и обратно. Эти преобразования очень эффективны в задачах фильтрации шума. Квадратичные методы представлены адаптивной спектрограммой, распределением Чои-Вильямса, конусообразным распределением, спектрограммой Габора, спектрограммой короткого преобразования Фурье, распределением Вигнера-Виля. Использование квадратичных методов позволяет увидеть, как спектр мощности меняется со временем.


Вейвлеты

Вейвлеты – относительно новый метод обработки сигналов, в большинстве случаев реализуемый набором фильтров, с помощью которых происходит декомпозиция сигнала на множество диапазонов частот. Одно из важнейших преимуществ такого подхода – возможность легко выделить особенности сигнала в соответствующих диапазонах. В большинстве случаев этот метод эффективнее БПФ, если речь идет о выделении особенностей сигналов или шумоподавлении. Эти особенности вейвлет-преобразований обусловливают их использование в приложениях компрессии данных, обнаружения эха, распознавания шаблонов, речи и прочих.

Спектральный анализ на основе модели сигнала

Основной инструмент спектрального анализа – БПФ, и, чтобы получить спектр высокого разрешения, необходимо большое количество выборок, что на практике не всегда возможно. В подобных случаях анализ спектра можно осуществить на основе анализа модели сигнала. Модель сигнала позволяет предсказать отсутствующие в результатах измерений точки и, таким образом, получить спектр более высокого разрешения. Кроме того, вы можете использовать метод анализа на основе модели сигнала для оценки амплитуды, фазы, коэффициента затухания, и частоты затухающих синусоид. Спектральный анализ с методами сверхразрешения используется в приложениях биомедицинских исследований, геофизике, вибродиагностике, распознавании речи и других.

Разработка цифровых фильтров

Преимущества цифровых фильтров широко известны. Цифровые фильтры реализуются на обычном компьютере, отдельном цифровом сигнальном процессоре или ПЛИС. Довольно часто цифровые фильтры используются для замены классических аналоговых. Тулкит Digital Filter Design позволяет работать с реальными сигналами, что облегчает процесс создания и тестирования фильтров. После того как фильтр отлажен, можно автоматически создать код LabVIEW или ANSI C для сигнального процессора, ПЛИС или другой встроенной системы.

Виброакустический анализ

Программное обеспечение NI позволяет решать множество распространенных задач из области виброакустического анализа, включая акустические измерения, оценку уровня шумов окружающей среды, измерение шумов и вибраций(NVH). Специальные возможности анализа включают соответствующие стандартам ANSI и IEC функции дробно-октавного анализа и масштабирования спектра. Кроме того, пакет Sound and Vibration Measurement содержит большое количество функций для анализа аудиосигналов и измерения таких параметров как, например, усиление, фаза, общий коэффициент гармонических искажений, коэффициент интермодуляционных искажений, динамический диапазон, фазовая линейность, а также swept-sine analysis. Утилита NI Sound and Vibration Assistant предоставляет настраиваемую среду для проведения анализа и протоколирования данных с простым интерактивным интерфейсом.

Вы можете использовать функции для октавного (1/3, 1/6, 1/12 и 1/24) анализа; программно-задаваемую частоту дискретизации; число диапазонов; A, B и C взвешивание во временном представлении; соответствия стандартам; экспоненциальное усреднение (Slow, Fast, and Custom time constant); спектральной плотности мощности; частотный отклик (H1, H2 и H3); coherence; and coherent output power. В пакет также входят средства для визуализации процесса анализа (каскадная диаграмма, цветовой график, столбчатый и линейный октавные графики), которые можно просто разместить на лицевой панели приложения.

Пакет Sound and Vibration Measurement содержит библиотеки, на основе которых можно построить специализированную систему измерения и управления с возможностью реализации процедур порядкового анализа: порядкового слежения, порядкового расширения и обработки сигнала тахометра. С помощью алгоритма преобразования Габора вы можете анализировать звук, вибрацию и другие динамические сигналы от механических систем с вращающимися или совершающими возвратно-поступательное движение частями.


Обработка изображений

Модуль NI Vision Development – это набор функций машинного зрения и обработки изображений для большого количества языков программирования (NI LabVIEW, Microsoft C++, Visual Basic и .NET). Эти функции позволяют улучшать качество изображений, а также находить, идентифицировать и измерять параметры объектов на них. Помимо библиотек функций в модуль также входит вспомогательное программное обеспечение NI Vision Assistant и NI Vision Acquisition.

Возможности модуля Vision Development:

• Сотни функций обработки изображений, включая распознавание геометрических фигур, шаблонов, штрих-кодов и символов (OCR), а также классификация объектов
• Субпиксельная точность до 1/10 пикселя и 1/10 градуса
• Быстрая разработка прототипа приложения и генерация кода с помощью Vision Assistant
• Драйверы для тысяч камер, включая камеры с поддержкой GigE Vision и IEEE 1394.

Радиоизмерения

Конструирование современных радиоустройств требует наличия гибкой и удобной тестовой системы радиочастотных измерений на всех этапах – от разработки прототипа до серийного производства.

За счет использования современных технологий, таких как многоядерные процессоры и шина PCI Express, модульные радиоизмерительные системы NI позволяют достичь производительности в 5-10 раз выше традиционного оборудования. Платформа имеет очень широкий диапазон измерений – от постоянных сигналов (DC) до 6.6 ГГц при полосе пропускания 100 МГц, а эффективная обработка сигналов осуществляется с помощью специализированных функций пакетов дополнений LabVIEW.

WLAN

Пакет NI Wireless LAN (WLAN) Measurement позволяет строить измерительные системы для стандартов IEEE 802.11a/b/g. При использовании высокопроизводительных компонентов (многоядерные процессоры, PXI Express) большинство измерений может быть произведено в 5-10 раз быстрее по сравнению с традиционным оборудованием. Кроме того, гибкость программной реализации радиоизмерительного оборудования (программируемое радио), позволяет работать с разными стандартами (DVB-T, GPS, WiMAX, WCDMA, ZigBee, Bluetooth и прочие) на одном и том же оборудовании.

RFID

National Instruments (NI) предлагает гибкое программное обеспечение и модульную систему радиоизмерительного оборудования для эмуляции и измерения в области радиочастотной идентификации (RFID). На базе этих решений возможна разработка полноценной системы тестирования в соответствии с международными стандартами RFID.

Некоторые преимущества NI RFID:

• Эмуляция и измерение RFID на одной платформе
• Сокращение времени тестирования по сравнению с традиционными системами
• Сокращение расходов за счет интеграции решений
• Работа с разными протоколами беспроводной связи на одном оборудовании за счет технологии программируемого радио
© All Rights Reserved.
ООО Модульные Измерительные Решения

официальный дистрибьютор National Instruments


e-mail: info@izmeril.ru

тел: +7 (495) 783-68-51
тел: +7 (843) 290-06-83

420066, г.Казань, ул. Солдатская,
зд.8, пом. 13
National Instruments

11500 N Mopac Expwy

Austin, TX 78759-3504

Made on
Tilda