井下高频拾震器信号采集与显示系统设计

吴琼 汪佳 朱云阳 郑晓惠

摘要：文章讲述了虚拟仪器的概念，为了对井下高频拾震器信号进行更全面的分析，利用LabVIEW虚拟仪器软件，开发信号分析平台，进行对此信号的采集、数据处理、时域分析、频域分析和显示系统的设计。发挥了虚拟仪器显示界面简洁、应用方便、操作简单的优点，在信号分析及处理有极大作用。

关键词：虚拟仪器；信号采集；显示系统

我国是个地震频发的国家，而地震带给人类巨大损失。随着科技的飞速发展，对地震的研究在电子电路和测控领域随之细化，对信号分析的准确性、实时性、可靠性等方面的要求越来越高。由于传统仪器功能比较单一，使用不便，信号的准确性也不够高。而LabVIEW作为开发平台进行虚拟仪器设计，使用图形化语言进行编程。摒弃了复杂的编程代码，提供大量的可视化模块，使用起来更加简洁明了，同时LabVIEW具有丰富的功能控件尤其是各种数学工具，可以在编程时调用，增加了开发和应用的灵活性，大大提高了开发效率。LabVIEW作为目前最流行的虚拟仪器软件开发工具，具有强大的信号处理与分析功能，能高效、经济地构建各种信号的处理与分析系统。本文通过虚拟仪器进行对高频拾震器信号的采集，并对采集到的信号进行时域分析和频域分析，将结果实时显示在显示系统上。

1 虚拟仪器概述

虚拟仪器技术（Virtual Instrument，VI）就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用[1]。按功能模块可分为数据采集、数据分析处理、结果表达部分，结合应用程序和功能化硬件，可通过图形界面操作计算机，进行对被测量的采集、分析、处理、显示、存储等功能[2]。相比较传统仪器，如示波器，虽然单方面功能较为强大，但价格昂贵，且其参数固定，不能更改，以致無法个性化处理；反观虚拟仪器，它的参数、范围等可以更改，且操作简单，是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件。它的控制面板实质是借用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器，以图形形式描绘输出的结果；用计算机的软件进行对信号的运算、分析和处理；用I/O接口设备对信号进行采集与调理，用计算机测试系统完成各种检测。

2 井下高频拾震器信号采集与显示系统设计

2.1 系统原理

采用虚拟仪器，将井下高频拾震器信号导入，使用虚拟仪器相对应的控件和函数，先对采集到的信号进行初步显示，对其进行滤波处理，利用电路频率特性滤除无用信号和噪声干扰。再对滤出的信号进行时域分析和频域分析，从时域和频域两个角度分析研究信号。整体设计如图1和2所示。

2.2 信号采集与显示

对信号的采集与显示系统设计主要分为信号采集、信号处理、显示系统设计三大模块，其中信号处理（即信号分析）包括信号的时域分析和频域分析。信号采集与显示模块分为两部分，前半部分是信号采集，本文采用已采集好的信号数据，用Excd文档存储，使用“文件I/O”模块，创建“波形图”显示控件和“文本输入”输入控件，将井下高频拾震器信号数据用波形图的方式展现出来。将之前存储在Excel的部分井下高频拾震器信号读取出来，为分析做准备。通过文件输入地址，打开Excel-book。选择sheet，打开Excel-sheet并激活。选取表格范围，本Excel数据为A1?A24000。程序框图和前面板分别如图3和4所示。

2.3 信号处理

2.3.1 时域分析及滤波分析

时域分析是通过信号映射手段实现的，可以将一维时间域信号映射到能量对频率和时间的二维空间中。时频域测试分析能够确定在某一时刻频率成分的分布情况，而频谱能够确定哪些频率存在。但是，短时傅里叶变换可以认为是一种整体变换，只能分析了解信号在时域或频域中的全局特性。对于像汽车车速等非平稳信号，时频域测试分析对了解信号频谱随时间变化的情况，有极其重要的作用。

前面板分为滤波前信号分析（见图5）以及滤波后信号分析（见图6），图7为时域分析程序框，图8为时域分析前面板。

2.3.2 频域分析

频域分析即是信号的频谱图，描述信号的频率结构及频率与该信号幅度的关系。频域分析程序框和前面板如图9一10所示。

2.4 显示系统设计

将主要输入控件和显示控件放置于前面板，按内容分模块，主要分为数据读取、滤波、时域分析和频域分析模块，分别放置于几何图形中，便于观看及使用，设计出构架合理、功能完备的前面板，并使显示界面（见图11）尽可能简洁。

3 结语

通过这次实例，我们可以体会到LabVIEW在信号处理与分析方面的强大功能，特别是与传统仪器相比较。LabVIEW具有开放性、模块化、互换性以及可重复使用等特点，大大提高了研究效率。文中通过数据采集模拟信号数据，利用LabVIEW图形化编程语言进行数据处理、分析、显示和储存，将井下高频拾震器信号进行上述处理。

基于LabVIEW的信号数据分析显示系统方法简单、可靠实用，能够实现在仿真环境下驱动嵌入采集到的地震数据，为嵌入式软件的测试奠定了基础。同时还实现了软件代替硬件，用虚拟的方式，省略了真实设备的使用。节省了科研成本，提高了工作效率，效果显著。

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