基于LabVIEW的动力试验数据分析系统功能设计与实现

高慧中， 孙 涛， 陈立杉， 刘培培

（中国船舶重工集团公司 第705研究所， 陕西 西安， 710077）

基于LabVIEW的动力试验数据分析系统功能设计与实现

高慧中， 孙 涛， 陈立杉， 刘培培

（中国船舶重工集团公司 第705研究所， 陕西 西安， 710077）

鱼雷动力试验中， 由于被试对象结构复杂、关键参数多、试验时间长， 所产生的试验数据对分析环境提出了较高要求。为了有效消除通用分析软件处理多通道数据的劣势， 满足鱼雷动力试验数据的分析研究需求， 同时兼顾开发成本与开发效率， 编译了一套全新的处理系统。该系统从动力舱段试验特点出发， 采用 LabVIEW 为开发平台， 通过MATLAB混合编程技术， 创新性地实现了双坐标与归一化显示功能， 显著改善了多通道数据的读取效果。最后以真实试验数据为样本测试系统性能， 结果表明， 该系统能够满足设计要求与工程需要， 验证了系统的有效性和稳定性。

鱼雷动力试验； 数据分析系统； 混合编程； LabVIEW

0 引言

鱼雷是目前各国最重要的水下主战武器。作为鱼雷的核心组成部分， 动力系统主要包括燃料贮舱、燃料供应系统、燃烧室和发动机四部分［1］，其工作性能的好坏对鱼雷的航程、航速、航深、安静性、可靠性起着关键性影响。动力舱段内部组件多、结构复杂， 设备在运转状态下的采集和产生的多通道试验数据包含了丰富的特征信息，因而成为产品设计人员重点关注的反馈信息。在此基础上的数据挖掘就成为工程师们进一步关注的重要方向。

通用数据分析软件从常规需求出发， 以满足主流需求为导向， 软件源代码不向用户开放， 因而难以实现用户需求的私人订制［2］。而虚拟仪器作为一种以通用计算机为核心， 由用户自主定义具有良好的用户交互界面的编译平台， 测试功能由软件实现的计算机仪器系统， 具备了众多传统测量仪器所不具备的显著优势［3］。

目前， 随着计算机和仪器仪表技术的不断发展， 虚拟仪器已经具有了非常强大的可开发性和可扩展性， 被广泛应用于工业测控和实验室研究中［4］。这其中， 由NI公司出品的图形化编程软件LabVIEW 是使用最广泛的计算机虚拟仪器编程语言， 具有直观、生动、界面友好、功能强大、兼容性好等众多优点。在国内， 南昌航空大学的陈松林曾利用 LabVIEW系统开发了针对旋翼系统的试验数据采集及处理软件［5］。王传英等人则在 LabVIEW环境下进行了电机噪声测试系统研究［6］。以上都是结合系统需求开展的专项开发研究工作， 很好的推广了虚拟仪器在工业领域中的应用。文中从实际工作需求出发， 以 LabVIEW 2013为软件开发平台， 介绍设计开发的多通道振动信号分析系统， 以实现试验数据的时域、频域信号显示分析， 数据存储、报表生成， 并通过实测数据加以验证， 能够满足测试过程中特性参数信息准确读取和分析的需求。

1 系统总体设计

在诸多国内的研究工作中， 也有许多如文献［5］、［6］所描述的自主开发LabVIEW测试、分析系统， 这些研究成果较之于工作中最常用的origin系统均具有更有针对性的功能设计， 大大提高了系统的数据分析效果和处理效率。但是适合于以发动机为主要对象的动力系统分析测试软件开发却始终未得到更多的关注。这一方面是由于发动机作为核心设备在广泛领域内都有使用，因而通用型分析软件基本能够满足其使用需求，但是鱼雷动力系统试验所产生的大量数据在分析工作中却也面临很多困扰。试验数据不仅包括压力、温度、流量、振动和冲击等多种物理参量， 而且每种参量均含有多组数据通道， 各参量的数值变化表征着试验的走向， 而通用化数据分析软件大都以独立的数据通道为操作对象， 割裂了彼此之间的逻辑联系， 分析变得耗时耗力。不仅如此，由于鱼雷发动机在工作环境、机械机构和性能特点等方面的要求与常规发动机不尽相同， 所以对应的分析侧重点也有所差异， 导致了现有的分析软件存在功能差距。

为了有效改善这一局面， 从动力试验自身特点出发， 寻找高效处理多通道数据， 能快速显示对比通道间的关系成为了该系统的设计初衷。基于 LabVIEW 的数据分析系统， 从鱼雷动力系统的试验数据采集特点出发， 采用模块化和层次化的编程思想［7］， 自上而下的编译系统。根据功能需求划分为多个模块， 其逻辑流可大致分为数据格式转化、通道选择、时域分析、频域分析和报告生成， 其中的时域模块和报告生成模块作为该系统的重点研究内容， 创新性的功能设计大大加强了系统的可用性， 将以往所不具备的优异性能融入系统当中， 其整体结构框图如图1所示。

图1 数据分析系统结构图Fig. 1 Structure of data analysis system

该系统的模块化设计为今后的软件扩展提供了便利条件， 可大大避免重复性编程工作。

1.1 文件转换模块

在日常的试验测试与数据采集工作中， 大多数采集软件以文本文件作为数据储存格式， 正是基于这样的考虑， 该系统为今后适应广泛性需求，便于与采集系统实现升级扩充， 同样以 txt格式作为默认读取文件格式。因此， 系统分析的首要任务就是将 txt数据文件， 转化为便于数据操作的 LabVIEW 系统独有的高速数据流文件（technical document management system， TDMS），作为后续的数据流传递格式［8］。但是txt中存储的数据信息在读入系统时是字符格式， 且只有行信息没有列信息， 无法直接参与后续运算， 为将通过批处理手段转化为数组格式， 使用了 LabVIEW中的公式节点功能， 通过调用 MATLAB联合编程技术快速有效的转换数据格式。

值得注意的是， LabVIEW中调用MATLAB 有2种常用的方法: MATLAB script节点调用和ActiveX函数模板调用［9-10］。MATLAB Script 节点对输入、输出数据的类型有明确要求， 要求LabVIEW中的数据类型与MATLAB中的数据类型相匹配， 才能进行数据传输。

这种方式实质是将 MATLAB当作一个ActiveX服务器， 在LabVIEW中通过refnum来调用 MATLAB。ActiveX提供的接口函数与MATLAB进行交互， 建立ActiveX通道， 然后将函数或命令通过ActiveX通道发给MATLAB， 由MATLAB在后台执行。

由于该功能模块只需实现字符串向数字量的转换， 使用MATLAB函数库中的自带命令， 因而选择 script节点方式便可较为简便的实现跨平台计算。

1.2 文件读取与通道选择

目前试验过程中所产生的数据文件大都保存为某一格式文件， 其中包含所有通道在整个试验过程中的全部信息， 是试验内容的完整体现。可以说， 将试验信息导入分析系统并充分提取其中的所有信息是一切数据分析的基础。文件读取模块根据文件转换结束后的存储路径， 自动拾取并导入TDMS数据文件， 获取文件信息。

数据文件中的通道较多时， 不可能对所有数据都进行数据处理， 这不仅不利于数据的针对性研究同时也会降低分析效率。为此而设计的通道选择功能界面就能够根据实际需要利用多列列表框显示各通道编号、通道名、数据长度， 通过勾选的方式选择对应通道以进行后续分析。默认条件下， 第 1路通道数据为时间信息， 为此通过后台代码编译使第 1路信号始终保持勾选无法取消。在此基础上用户可根据实际需求， 在该界面下最多选取10路信号数据。当选择通道数已达上限时， 若继续勾选将会弹出对话框提示， 并自动取消最后一路通道数据， 维持勾选状态不变。

1.3 频域分析

通过频谱分析可以了解构成信号的各频率分量及结构， 从而由频率信息揭示系统运行状态。为此， 作为软件程序的重要构成部分， 频域分析模块具有数据信息的单边幅值谱、功率谱等分析功能。模块前面板具有明确的功能指示， 子面板的应用便于实现不同功能下显示面板的无延迟切换， 具备流畅的操作性能。而波形显示图框内，不仅可以根据指定阈值统计极大值个数并显示响应极值， 还可以设定旋钮按键指定谐波阶数， 便于利用游标分析倍频信息。

1.4 时域分析

时域分析作为数据分析中最基本的功能模块，能够将对应的幅值与时间结合， 显示数据趋势与走向。也正是这一原因， 现有的大多分析软件并没有对其中的各处细节精雕细琢。面对这一现实情况， 该系统着重打造面向动力试验数据的时域分析模块， 充分考虑动力系统试验数据通道多、幅值差异大、波动范围广、试验时间长等特点， 使用了单通道、多通道的复合式分析框架， 根据使用需求完成通道或通道间的数据分析。

在单通道分析中， 设置的下拉列表将可用通道的编号与数据名称逐一分行列举。使用中， 通过点击对应的通道条目， 即可实现数据通道的选取， 并将波形快速显示在时域分析图表中便于观察。

选取具体的数据通道后， 便可对此通道数据实施各项操作， 如放大、缩小、拖动等。在此基础上， 充分考虑实际需求， 加入了最大值最小值、统计参量计算、时域滤波等功能。试验中的数据曲线走向复杂， 采样点数较多， 往往难以快速搜索到观察范围内的极限值及其位置， 从而增大了分析难度。所设计的“最大值最小值”功能则可以很好的解决此类问题， 一键式操作即可自动完成2条不同颜色的游标定位， 并将对应的位置和数据反映在列表框中以供查询。

统计参量作为描述曲线特性的重要工具， 均值、方差、峭度、裕度等参数是定性分析数据的关键信息。然而目前的分析软件未对这一功能采取足够的重视， 操作过程繁琐且需逐一获取， 对操作的流畅性产生了影响。“时域统计”模块通过后台自动计算， 简单高效完成了数据信息的批处理， 所产生的数据不仅能够直接显示在前面板实时读取， 而且能够通过信息流的方式传递至报告生成模块， 保存至报告文档。

在实际的采样信号中， 除了主体的目标信号外， 还有大量环境噪声污染， 若直接对其实施最大值最小值、时域统计操作， 势必引起信息偏离获得错误结论。针对这种常见问题， 系统中设置的滤波处理模块可以根据需求快速设置滤波器特性。即只需按下“滤波”按钮自动弹出滤波器设置窗口， 在其中设置滤波器类型（低通、高通、带通）以及对应的频率参数， 待设置结束点击确定返回主窗口便可实现对原始信号的处理。该操作完成后的其他功能均以滤波后的数据为分析对象，避免了干扰信息的引入。

在多通道分析功能区下， 该系统突破了传统系统中所有曲线使用单纵轴或每条曲线对应1个纵轴的显示方法， 开创了新的显示读取方式。即1条曲线时以单纵轴显示， 2条曲线时双纵轴分别显示， 当波形继续增加时将所有数据归一化显示利于趋势对比分析， 并在游标图框中显示各通道名称和真实数值。这对于同时分析数十个通道数据具有极大优势， 归一化的显示方式能够更好的比较通道间的波动趋势， 同时列表框中的真实幅值又能客观反映数据的物理事实。

此外需要注意的是， 由于试验中某些物理量是无法直接测量获取的， 因而由某些数据通过一定的数学运算间接获取就显得很有必要了。该模块正是从这一考虑出发， 增加了通道间的逐点运算功能， 支持波形数据之间简单的常用计算， 其中“换向”功能用于调整“减”、“除”运算中的通道计算顺序， 根据客观需求计算结果。

时域分析作为最常使用的分析途径， 在所有同类软件中占据着不可替代的地位， 可以说时域分析性能的好坏直接影响着整个分析系统的优异性。作为该系统重点关注方向， 多项人性化功能设计将时域分析相关操作引领至一个全新的领域，大大降低了动力试验海量数据的处理难度。

1.5 报告生成

从某种意义上讲， 只有分析而没有完整报告的数据处理是不完整的。市场上目前的测量分析软件仅提供单纯的采集与分析功能， 分析结果的总结归纳仍需人为操作， 耗时耗力且格式无法统一。因此， 如何简洁快速产生完整详实的分析报告也应是此类分析软件所必须具备的一项功能。

文中所介绍软件具有报告生成功能模块， 其在各个功能模块下均能得到调用。将所选通道信号相关波形、谱线自动保存至文档中， 并存储例如最大值、最小值、均值、采样频率、极值阈值等相关数据。整个保存过程只需要指定文件存储名称、存储路径， 一键式自动生成标题、实现排版，大大节约操作成本， 同时统一格式的报告文档能够提高查询效率， 便于实现历史信息的快速筛选。

2 系统验证与演示

根据技术要求设计完成各功能子模块后， 在彼此间依照数据流、逻辑流关系建立起子vi调用网络， 形成了完整统一的数据分析系统。从软件系统稳定性角度出发， 根据分析对象特点， 使用一组含有43组通道， 每组数据长度超过4 000点数据文件对软件系统加以测试。

2.1 数据验证

所选测试对象是日常工作中最常出现的 txt格式文件， 由于此类文件数据格式不包含列信息，往往为数据分析增加了难度。因而软件首先进入文件转换界面， 如图 2所示， 根据所指定的文件路径获取文件并自动转换为 LabVIEW 独有的TDMS， 待“转换结束”LED指示灯被点亮表明数据转换完成， 点击“下一步”进入文件读取与通道选择功能界面， 如图3所示。在通道选择界面下， 43路通道名称和数据长度逐一列出并自动编号后显示在多列列表框中。操作中， 除“运行时间”通道之外随机勾选了两路通道P3和P4做进一步分析。确定待分析通道后， 分别单击界面右侧的“频域分析”和“时域分析”完成对应功能模块的调用及数据的自动传输。

图2 文件转换Fig. 2 Format transformation of files

图3 文件读取和通道选择Fig. 3 File read and channel selection

在时域分析模块中， 如图 4所示， 点击右上角的下拉菜单选择上级界面所选的通道将对应数据绘制在时域分析图表中， 并单击“最大值最小值”和“指标计算”功能键分别实现最大值最小值在曲线上的游标定位， 以及常规时域统计量的显示。“滤波”与“通道间计算”在时域分析界面如图 5所示， 同样得到了验证， 测试表明， 功能设计达到了预期的设计目标。界面下侧的“多曲线显示”图框按照双坐标显示P3和P4的趋势， 而在其左侧的列表框中显示游标所在位置的真实数值。分析工作结束后点击“返回”回到上级界面。

与之类似， 频域分析界面如图 6所示， 图中（a）为频域分析主界面， （b）为FFT界面， （c）为功率谱子界面在运行中根据功能键指示交替出现在频域分析主界面的子面板中。首先在上侧图表中显示所选曲线的P3或P4的时域波形， 在写入“采样频率”为1 000 Hz后， “FFT”和“功率谱”按键转化为可用状态。分别点击2个按键， 将功能界面再如主界面下的子界面， 其中在“FFT”界面下重点测试了游标旋钮、极大值显示两项功能。此外，对各分析界面所设置“报告生成”加以验证， 测试表明， 用户只需给定文件保存路径和文件名称，便可实现主要分析结果的一键式自动保存。

图4 时域分析Fig. 4 Interface of analysis in time domain

图5 时域处理界面Fig. 5 Interface of processing in time domain

执行操作囊括了软件中所设计的各项功能，将计算或分析的结果与成熟商业软件进行对比后，得到的结果值得信服， 令人满意。

2.2 效果评价

随着动力舱段整体性能的不断提高， 各分部件在检测中的表现也变得越来越重要， 能否利用试验数据有针对性的完成处理， 尽可能多的挖掘深层信息， 已成为评价分析系统的重要依据。

图6 频域分析界面Fig. 6 Interface of analysis in frequency domain

基于 LabVIEW 系统开发的数据分析系统， 摒弃了传统商业分析软件封闭的底层代码， 通过图形化编程工具完成分析系统的自主搭建， 将测试数据和测试需求紧密联系在一起， 实现了灵活的、可扩展的功能构造。特别是针对动力试验特点开发的多轴显示、归一化、报告生成等功能在一定程度上优化了分析过程， 简化了操作流程， 提高了数据处理效率。直观的系统操作界面更是在吸取大量成熟商业软件的基础上进一步优化， 使得功能指示明晰， 布局结构合理， 大大便捷了初次操作人员使用。

3 结束语

文中从鱼雷动力系统试验特点出发， 以LabVIEW 2013为开发平台， 使用MATLAB混合编程技术建立了试验数据分析系统， 实现了数据日常的分析处理需求， 尤其在时域分析部分结合鱼雷动力试验使用特点， 从多个角度创新系统功能， 更好地满足了设计目标和工程使用需要。此后又以真实数据为校验对象， 逐一检验系统模块功能， 证实该系统具备良好的稳定性， 能够兼顾操作性和分析性能。但与成熟的软件系统相比，文中所介绍的系统功能仍较为单一， 今后将充分发挥 LabVIEW 系统的可扩展性， 根据需求对该系统进行升级与融合， 进一步提高其可用度。

［1］ 查志武， 史小峰， 钱志博. 鱼雷热动力技术［M］. 北京:国防工业出版社， 2006.

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（责任编辑: 许 妍）

Function Design and Implementation of Power Test Data Analysis
System Based on LabVIEW

GAO Hui-zhong， SUN Tao， CHEN Li-shan， LIU Pei-pei

（The 705 Research Institute， China Shipbuilding Industry Corporation， Xi′an 710077， China）

For torpedo power test， because of complex structure， multiple key parameters and long testing time of the tested object， the analysis of test data demands stricter environment condition. In order to effectively eliminate the disadvantages of general analysis software in dealing with the multi-channel data， a torpedo power test data processing system is compiled， which takes the balance between development cost and efficiency into account. Considering the characteristics of power section test， MATLAB hybrid programming technology is adopted to develop double coordinates and normalized display function in LabVIEW， thus the read effect of multi-channel data is significantly improved. Finally， the system performance is tested by actual test data， and the result shows that the system meets the design and engineering requirements with effectiveness and stability.

torpedo power test； data analysis system； hybrid programming； LabVIEW

TJ630.32；TP311.521

A

1673-1948（2016）04-0283-06

10.11993/j.issn.1673-1948.2016.04.008

2016-05-17；

2016-07-05.

陕西省科技厅工业攻关项目（YFPT-53）、 中国船舶重工集团公司第七 〇五研究所总工程师基金（CX-1507）.

高慧中（1989-）， 男， 主要研究噪声测试与分析、特征提取方法.