基于LabVIEW的信号相关性研究.doc

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山东轻工业学院2011届本科生毕业设计（论文

基于LabVIEW的信号相关性研究

作者姓名

专业

指导教师姓名

专业技术职务

30

目录

摘要 I

第一章绪论 1

1.1虚拟仪器的概念 1

1.2虚拟仪器的构成及其分类………………………………………..1

1.3虚拟仪器的优势 2

第二章工具LabVIEW 3

2.1LabVIEW开发平台简介 3

2.2LabVIEW的优势 4

2.3LabVIEW的应用 5

第三章相关性原理 5

3.1相关性综述 5

3.2自相关函数 6

3.3互相关函数 7

第四章论文涉及的LabVIEW模块 9

4.1函数簇bundle 9

4.2while循环 9

4.3波形图 10

4.4正弦波形发生器 11

4.5相关性 12

4.6高斯白噪声发生器 14

第五章程序设计与结果分析 15

5.1虚拟正弦波仿真信号发生器 15

5.2自相关函数的实现 17

5.3互相关函数的实现 22

第六章总结 27

参考文献 29

致谢 30

2011届本科生毕业设计（论文）

摘要

所谓虚拟仪器，就是在以计算机为核心的硬件平台上，其功能由用户设计和定义，具有虚拟面板，其测试功能由测试软件实现的一种计算机测试系统.虚拟仪器的实质是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出检测结果:

利用计算机强大的软件功能来实现信号数据的运算、分析和处理:

利用I/0接口设备完成信号的采集、测量与调理，从而建立集各种测试功能为一体的计算机仪器系统。

在虚拟仪器系统中，信号的获取与采集是由以计算机为核心的硬件平台来完成的。

在此硬件平台基础上，调用测试软件来完成某种功能的测试任务，便可构成该种功能的虚拟测量仪器。

在同一硬件平台上，调用不同的测试软件的可构成不同功能的虚拟仪器。

因此，出现了‘软件就是仪器’的概念。

LabVIEW是一个完全的、开放式的虚拟仪器开发系统应用软件，其使用图形化程序设计语言G（Graphic），用框图代替了传统的程序代码，利用它组建仪器测试系统和数据采集系统可以大大简化程序的设计。

LabVIEW提供了各种常用的包括信号时域分析，相关分析，曲线拟合，微分，积分等信号分析、处理所需的图标。

这些图标各自对应一段软件子程序，可在流程图编辑窗口中的‘function’功能模板上的‘signalprocessing’子模板上方便的调出，供用户编辑流程图使用。

相关分析是时域信号分析和处理的常用方法，特别是对于系统频率响应的分析。

运用虚拟仪器进行相关分析简单、快捷，参数和测量对象容易改变。

在实际工程领域可广泛应用于信号分析、仪器控制和过程监测与控制等领域中的相关测速、相关滤波等各种识别信号类别成分的测量测试工作。

关键词：

LabVIEW信号相关性自相关互相关

Abstract

Theso-calledvirtualinstrumentisbasedonthecomputerasthecoreofhardwareplatform.Itsfunctionisdefinedbytheuser.It’sacomputertestsystemwithdesignandthetestofvirtualpanel,thewhosefunctionisrealizedbythetestsoftware.Theessenceofvirtualinstrumentistousecomputermonitordisplayfunctiontosimulatethecontrolpaneloftraditionalinstrumentsintheformsofexpression.DuoHongoutputstestresultsbyusingcomputersoftwaretorealizethefunctionofstrongsignaldata,analyzingandprocessingoftheoperation:

usingtheI/0interfacedevicesignalcollection,measurementandregulate,soastoestablishasetoftestfunctionfortheintegrationofcomputerequipmentsystem.Inthevirtualinstrumentsystem,signalacquisitionandcollectionisacomputerasthecoreofthehardwareplatformtofinish.Inthehardwareplatform,basedonthecalltocompletesomefunctiontestsoftwaretestingtask,canformthefunctionofvirtualmeasuringinstrument.Inthesamehardwareplatform,thecallofthedifferenttestsoftwaremayconstituteadifferentfunctionofvirtualinstrument.Therefore,theemergenceofa"softwareistheconceptofinstrument.

LabVIEWisasoftwareofcompletely,openvirtualinstrumentofdevelopmentsystem.ItusestheGraphicprogramminglanguageG（Graphic）,withtheblockdiagramwhichtakestheplaceofatraditionalprogramcode.Usingtheequipmenttestingsystemandadataacquisitionsystemcangreatlysimplifiedthedesignoftheprogram.ProvideallkindsofcommonLabVIEWincludingsignalanalysisoftime,correlationanalysis,thecurvefitting,differential,integralandsignalanalysis,processingtheicon.TheseICONStheircorrespondingasoftwaresubroutine,canbeinaflowcharteditwindowofthoseonthetemplatefunction'""'sonmaysignalonthetemplateconvenientforuserstoeditout,flowchartisused.

Correlationanalysisisacommonlyusedmethodofthetimesignalanalysisandprocessing,especiallyforthesystemfrequencyresponseanalysis.Withvirtualinstrument,correlationanalysisissimpleandrapid,theparametersandmeasuringobjectiseasytochange.Inthepracticalengineeringfieldcorrelationanalysiscanbewidelyusedinsignalanalysis,instrumentcontrol,processmonitoringandcontrolontherelatedfieldascorrelationfilteringspeedofrecognitionofthecomposition,measuringsignalcategory.

Keywords：

LabVIEW；signalcorrelation；autocorrelation；crosscorrelation

第一章绪论

1.1虚拟仪器的概念

虚拟仪器的概念最早由美国NI公司于1895年提出，其英文原称为VirtualInstrument，简称VI。

所谓虚拟仪器，就是在以计算机为核心的硬件平台上，其功能由用户设计和定义，具有虚拟面板，其测试功能由测试软件实现的一种计算机测试系统.虚拟仪器的实质是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出检测结果:

利用计算机强大的软件功能来实现信号数据的运算、分析和处理:

利用I/0接口设备完成信号的采集、测量与调理，从而建立集各种测试功能为一体的计算机仪器系统。

使用者通过鼠标和键盘操作虚拟面板，就如同使用一台专用测量仪器一样。

虚拟仪器彻底打破了传统仪器只能由生产厂家定义，用户无法改变的局面，从而使得任何一个用户都可以方便灵活地用鼠标或按键在计算机显示屏幕上操作虚拟仪器软面板的各种“旋钮”进行测试工作，并可以根据不同的测试要求通过窗口切换不同的虚拟仪器，或通过修改软件来改变、增减虚拟仪器系统的功能与规模。

虚拟仪器具有的这种“可开发性”和“可扩展性”等优越特点使虚拟仪器具有强大的生命力和竞争力。

1.2虚拟仪器的构成及其分类

虚拟仪器由通用仪器硬件平台（简称硬件平台）和应用软件两大部分构成。

（1）虚拟仪器的硬件平台

①虚拟仪器的硬件平台由两部分组成:

计算机：

一般为一台PC机或者工作站，其为硬件平台的核心。

I/0接口设备：

I/0接口设备主要完成被测输入信号的采集、放大、A/D转换。

不同的总线有其相应的I/0接口硬件设备，如利用PC机总线的数据采集板卡、GPIB总线、VXI总线仪器模块、PXI总线仪器模块、串行总线仪器等。

②虚拟仪器的构成方式主要有5种类型:

PC-DAQ系统：

PC-DAQ系统是以数据采集卡、信号调理电路及计算机为仪器硬件平台组成的插卡式虚拟仪器系统。

这种系统采用计算机的PCI或ISA总线，数据采集卡直接插入计算机底板上的相应总线插槽.

GPIB系统：

GPB系统是以PB标准总线仪器与计算机为仪器平台组成的虚拟仪器测试系统。

VXI系统：

VX6是以VXI标准总线仪器模块与计算机为仪器平台组成的虚拟仪器测试系统。

PXI系统：

PX工系统是以PXI标准总线仪器模块与计算机为仪器平台组成的虚拟仪器测试系统。

串口系统：

串口系统是以Serial标准总线仪器与计算机为仪器平台组成的虚拟仪器测试系统。

（2）虚拟仪器的软件系统

目前虚拟仪器软件开发工具有如下两类:

文本式开发平台:

如VisualC+,VisualBasic,LabWindows/CVI等，

图形化开发平台:

如LabVIEW,HPVE等。

.

虚拟仪器软件由两部分组成，即应用程序和I/0接口仪器驱动程序.应用程序又包含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/0接口仪器驱动程序完成对特定外部硬件设备的扩展、驱动与通信.

LabVIEW是实验室虚拟仪器集成环境（LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench）的缩写，是美国国家仪器公司（NationalInstruments简称NI）推出的基于G语言（GraphicLanguage,图形化编程语言）的虚拟仪器软件开发平台，也是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件开发集成环境，全球发布仅次于C/C++开发平台。

1.3虚拟仪器的优势

从现实的意义上来说，在高等工程教育中采用虚拟，可以从根本上解决实验与实习经费严重短缺问题。

作为传统电子技术实验的补充，使学生初步掌握仿真软件技术，可使实验内容紧密联系课本内容，比较全面地概括和反映部分所学的知识点，将课堂内容具体化。

同时，利用虚拟仪器技术实现对仪器设备的远程、分布式控制，一方面继承实物实验可操作性、参与性强的优点，另一方面又可利用计算机优势，发挥其直观、动态模拟、迅速准确、资源共享、资金投入量少等特点，从而建立一种新型的实验方式，进一步提高效率。

第二章工具LabVIEW

2.1LabVIEW开发平台简介

LabVIEW是一个完全的、开放式的虚拟仪器开发系统应用软件，利用它组建仪器测试系统和数据采集系统可以大大简化程序的设计。

LabVIEW与VisualC++、VisualBasic、LabWindows/CVI等编程语言不同，后者采用的是基于文本语言的程序代码（Code），而LabVIEW则是使用图形化程序设计语言G（Graphic），用框图代替了传统的程序代码。

LabVIEW所运用的设备图标与科学家、工程师们习惯的大部分图标基本一致，这使得编程过程和思维过程非常的相似。

LabVIEW包含有专门用于设计数据采集程序和仪器控制程序的函数库和开发工具库。

LabVIEW的程序设计实质上就是设计一个个的“虚拟仪器”，即“VIs”。

在计算机显示屏幕上利用函数库和开发工具库产生一个前面版（FrontPanel）；在后台则是利用图形化的编程语言编制用于控制前面板的框图程序。

程序的前面板具有与传统仪器相类似的界面，可接受用户的鼠标和键盘指令。

一般来说，每一个VI都可以被其他VI调用，其功能类似于文本语言的子程序嵌套；而这种嵌套的层次，从理论上讲，是不受任何限制的。

LabVIEW是带有可扩展函数库和子程序库的通用程序设计系统。

它提供了用于GPIB设备控制、VXI总线控制、串行口设备控制、以及数据分析、显示和存储的应用程序模块。

LabVIEW可方便的调用Windows动态链接库和用户自定义的动态链接库中的函数；LabVIEW还提供了CIN（CInterfaceNode）节点使得用户可以使用由C或C++语言，如ANSIC,编译的程序模块，使得LabVIEW成为一个开放的开发平台。

LabVIEW还直接支持动态数据交换（DDE）、结构化查询语言（SQL）、TCP和UDP网络协议等。

此外，LabVIEW还提供了专门用于程序开发的工具箱，使得用户能够很方便的设置断点，动态的执行程序来非常直观形象的观察数据的传输过程，以及进行方便的调试。

LabVIEW的运行机制就宏观上讲已经不再是传统上的冯·诺伊曼计算机体系结构的执行方式了。

传统的计算机语言（如C）中的顺序执行结构在LabVIEW中被并行机制所代替；从本质上讲，它是一种带有图形控制流结构的数据流模式（DataFlowMode），这种方式确保了程序中的函数节点（FunctionNode）只有在获得它的全部数据后才能够被执行。

也就是说，在这种数据流程序的概念中，程序的执行是数据驱动的，它不受操作系统、计算机等因素的影响。

既然LabVIEW程序是数据流驱动的，数据流程序设计规定，一个目标只有当它的所有输入有效时才能够被执行；而目标的输出只有当它的功能完全时才是有效的。

这样，LabVIEW中被连接的函数节点之间的数据流控制着程序的执行次序，而不像文本程序受到行顺序执行的约束。

从而，我们可以通过相互连接函数节点快速简洁的开发应用程序，甚至还可以有多个数据通道同步运行，即所谓的多线程（Multithreading）。

LabVIEW的核心是VI。

VI有一个人机对话的用户界面——前面板（FrontPanel）和相当于源代码功能的框图程序（Diagram）。

前面板接受来自框图程序的指令。

在VI的前面板中，控件（Controls）模拟了仪器的输入装置并把数据提供给VI的框图程序；而指示器（Indicators）则是模拟了仪器的输出装置并显示由框图程序获得或产生的数据。

当把一个控件或指示器放置到前面板上时，LabVIEW便在框图程序中相应的产生了一个终端（Terminals），这个从属于控件或指示器的终端不能随意的被删除，只有删除它对应的控件或指示器时它才会随之一起被删除。

用LabVIEW编制框图程序时，不必受常规程序设计语法细节的限制。

首先，从函数面板（FunctionPalette）中选择需要的函数节点（FunctionNode），将之置于框图上适当的位置；然后用连线（Wires）连接各函数节点在框图程序中的端口（Port），用来在函数节点之间传输数据。

这些函数节点包括了简单的计算函数、高级的采集和分析VI以及用来存储和检索数据的文件输入输出函数和网络函数。

用LabVIEW编制出的图形化VI是分层次和模块化的。

我们可以将之用于顶层（TopLevel）程序，也可用作其他程序或子程序的子程序。

一个VI用在其它VI中，称之为subVI，subVI在调用它的程序中同样是以一个图标的形式出现的；为了区分各个subVI，它们的图标是可编辑的。

LabVIEW依附并发展了模块化程序设计的概念。

用户可以把一个应用任务分解成为一系列的子任务，每个子任务还可以分解成许多更低一级的子任务，直到把一个复杂的问题分解成为许多子任务的组合。

首先设计subVI完成每个子任务，然后将之逐步组合成为能够解决最终问题的VI。

图形化的程序设计编程简单、直观、开发效率高。

随着虚拟仪器技术的不断发展，图形化的编程语言必将成为测试和控制领域内最有前途的发展方向。

2.2LabVIEW的优势

对于我们学生而言，我们以前在实验室做模电实验的时候面对的是各种各样的真实的仪器。

但是这种传统的实物实验模式有一些固有的缺陷，例如：

①学生不熟悉线路连接，在连接仪器时极易出错。

②线路连接错误，易造成电子元器件及测试仪器的损坏。

学生不熟悉仪器操作也是造成仪器容易损坏的原因。

③学生不能根据自己的学习进度安排实验时间，更不能像做家庭作业一样在课余时间进行练习。

有限的教学时数与学生技能的提高矛盾突出。

④实验的元器件离散性大，环境变化引起的温漂、干扰等因素会造成实验数据的偏差。

⑤传统的电子技术实验是以实物为主的，设备易磨损老化，需要定期更新；教学实验室的设备配置与教学大纲的教学要求相对应，随着教学要求的提高及电子技术的飞速发展，实验设备的技术水平也不断提高，数量也要有所增加，这要消耗我们有限的教学经费。

而使用LabVIEW恰好能够弥补实验的不足。

它的优点是：

①在计算机上即可完成和实现实验的线路连接，例如，显示检测点的电压电流波形及对电路进行直流分析、交流分析、瞬态分析、傅立叶分析等多种分析，及时获得实验结果。

②评估元器件参数变化（包括故障）对电路造成的影响。

分析一些较难测量的电路特性，如进行噪声（Noise）、频谱（Fourier）、器件灵敏度（Sensitivity）、温度特性（Temperature）分析等。

③可以在短暂的实验时间里快速完成较复杂的线路连接、测试工作。

④可以很容易地实现对学生的量化评估。

2.3LabVIEW的应用

LabVIEW自1986年正式推出，至今已发展到以最新版本LabVIEW8.6Express为核心，包括控制与仿真、高级数字信号处理、统计过程控制、模糊控制和PID控制等众多软件包，可运行于现今所有Windows系统、Linux,Macintosh,Sun和HP-UX等多种平台的工业标准软件开发环境。

其已被广泛应用于包括航空航天、工业自动化、通信、汽车、半导体和生物医学等世界范围内的众多领域，其概括如下:

（1）LabVIEW应用于测试与测量

LabVIEW已成为测试与测量领域的工业标准，通过GPIB,VXI,PLC,串行设备和插卡式数据采集板卡可以构成实际的数据采集系统。

它提供了工业界最大的仪器驱动程序库，同时还支持通过Internet,ActiveX,DE和SQL等交互式通信方式实现数据共享，它提供的众多开发工具使复杂的测试测量任务变得简单易行.

（2）LabVIEW应用于过程控制和工业自动化

LabVIEW强大的硬件驱动、图形显示能力和便捷的快速程序设计为过程控制和工业自动化提供了优秀的解决方案.同时由于NI公司提供有全系列的基于PC的多功能板卡，其与LabVIEW在底层即实现了软、硬件的无逢连接，节约了系统的构建时间并增强了系统可靠性。

（3）LabVIEW应用于实验室研究与自动化

LabVIEW为科学家和工程师提供了功能强大的高技数学分析库，包括统计、估计、回归分析、线性代数、信号生成算法、时域和频域分析等众多科学领域。

在联合时域分析、小波和数字滤波器等高级或特殊分析场合，LabVIEW提供有专门的附加软件包。

第三章相关性原理

3.1相关性综述

所谓相关是指有明显的规律性，即在时间轴上任意时间间隔为τ的两个时刻的取值x（）与x（+τ）、x（）与x（t+τ）、x（t）与x（t+）……x（t）与x（t+τ）均大于或小于平均值m。

均有相同的符号，或者两者均大于平均值m或均小于平均值m。

对于两两相乘总为正，求其均值的数值大，固相关性好。

反之，若间隔τ的两个时刻的取值的取值x（t）、x（t+）没有明显的规律性，即符号有时相同有时相反，则对应两两相乘的乘积有时为正有时为负，求其均值，由于乘积相互抵消，均值的数值小，故相关性差。

当τ→0时才呈现相关性的信号x（t）,就是一个完全无规则的随机信号。

3.2自相关函数

自相关函数描述的是随机信号时间间隔为τ的任意两个时刻t与（t+τ）的取值的相关性，记为（τ）或E[x（t）x（t+）]。

当记录时间T不为∞时，求得的是估计值，记为。

（1）x（t）的自相关函数（t）定义如下：

（τ）=E[x（t）x（t+τ）]=

将连续时间信号x（t）用等时间间隔∆t采样取值，则时间t=n∆t（n=0,1,2,…,N-1），时延τ=m∆t（m=0,1,2,…,I-1）,得信号x（t）的离散时间序列x（n∆t）。

当m‹‹N时，有自相关函数估计值的离散时间表达式如下：

。

（2）自相关函数的特点：

①τ=0时的自相关值（0）。

该值是自相关函数（τ）的最大值，且等于均方值²。

2（0）为幅值的平方，用这种方法可以测量一未知信号的幅值。

②确定性信号在所有τ值，包括τ→∞都有自相关函数值不为最小值m²的数值存在，即（τ→∞）≠m²,而随机信号在很小的τ值，其自相关函数就降到最小值m²。

③若确定性信号x（t）是周期信号，则它的自相关函数（τ）也是周期函数，其周期与信号x（t）的周期相同。

例：

求正弦函数波x（t）=的自相关函数，该正弦波周期为T=2

解：

根据定义有

令a=则，上式可写为

上式表明，正弦函数波x（t）的自相关函数（τ）是