基于Matlab和Excel数字信号的传送与分析

任 杉，赵 欣，韩 青

（1.红河学院工学院，云南 蒙自 661100；2.红河学院生命科学与技术学院，云南 蒙自 661100）

基于Matlab和Excel数字信号的传送与分析

任 杉1，赵 欣2，韩 青1

（1.红河学院工学院，云南 蒙自 661100；2.红河学院生命科学与技术学院，云南 蒙自 661100）

本文以实验中采集的液压系统的一组数据为例，首先介绍了采样数据的截取和向Excel传输的方法；其次介绍了Excel中的数据向Matlab传送的方法；最终在Matlab中通过编制M文件绘制出了信号的频谱图，为后续分析及设计提供了可靠的依据.

Matlab；Excel；信号；传送与分析

引言

在进行庞大数据分析时，不能用手动方式输入采集的信号数据，一定要借助相应的数据处理和分析软件，Excel和Matlab的结合为我们提供了这样的平台.Excel Link函数允许在Matlab和Excel之间进行数据交换.因此，将Excel中的数据导入Matlab并进行分析是容易实现的.

但是，数据的采集、存储、显示方式调整、传送等，这些问题是传统数据采集软件和方法所不能完全实现的.本文针对以往数据采集中遇到的诸多问题，研发了一种DncsAnalyze软件，该软件以.NET Framework进行调试和开发，可以实现采样数据图像绘制、根据用户需求调整显示方式(包括信号颜色调整、信号平移、信号隐藏等)、数据传输等功能.这为信号的查看与分析提供了极大的方便.

实现数据传送及分析的过程如图1所示.

图1 数据传送流程图

1 采样数据向Excel的传送

现在以在实验中采集的负载下行工位的一组信号为例，首先介绍采样数据向Excel的传送.下图2为使用DncsAnalyze软件采样的某液压系统的输入输出信号曲线，红色曲线表示负载向下的行程，白色曲线为输入的电流信号，黄色曲线为负载向下运动的指令信号.

从图2中可以看出，在给向下运动的指令之前，也有电流信号，负载处于最高位置，这部分信号对整个液压系统的研究没有意义.因此，可以将该部分信号的数据截除，只传送下行工位的数据到Excel中即可.

此时，数据的截取就需要一定的技巧.在软件的“显示设定”中可以调整不同的采样时间进行图像显示，此处选择200ms，以保证所有的工位能在一个窗口中显示.在“视图”菜单下可以查看采样数据，该选项下有两种查看和显示方式，默认的是按采样周期显示即“时间显示”，另一种是按采样序列来显示，即“序列显示”.按采样时间显示观察数据会发现，在同一个采样时间点上会有几个或几十个采样点，例如从400ms～401ms，显示400ms共有5个点，这是由于采样时间精度设定造成的，忽略了小数点后的第三四位数值.此时，可以选择“序列显示”的方式，序列显示时，每一个采样点都有不同的序号.这种方式可以对显示为同一时间的采样点进行区分.

图2 信号采样图

另外，从图2中发现，在给了下行指令后，电流信号和负载位移信号，在数值上都发生了突变.在向Excel传输数据时，可以借助“序列显示”方式下的数值突变点处和图2中水平方向上显示的采样时间来截取采样点，并确定有效采样点的开始和结束位置.可以将此部分数据直接复制到Excel中.

2 Excel中的数据向Matlab传送

数据从Excel向Matlab传送前，首先应该在Excel环境下安装Excel Link，安装完成后，Excel Link宏处于可用状态，即Excel 和Matlab之间建立了连接.在Excel 的工具栏中将有7个Matlab Command Window按扭出现，这时的Excel界面如下图3所示[1-2].Excel和Matlab之间安装Excel Link的具体步骤和方法，在许多Matlab相关书籍中都有详细介绍，此处不再说明.

值得说明的是，如果事先没有打开Matlab，那么在每次建立Excel 和MATLAB连接并进行数据传送之前，必须先点击图3中的“startmatlab”按钮.

用1中的方法截取出下行工位的信号，共采集了5568个离散点.现在进行数据传送.

图3 Excel Link功能

点击E x c e l中的插入→函数→用户定义→MLPutMatrix，出现对话框，在SMLVarName中输入Matlab中建立的电流变量名Ix，在ATheRange中输入Excel中所要使用的数据区域B1:B5568，单击“确定”按钮即完成了MLPutMatrix函数的输入.然后按F2键执行，此时Excel将执行MLPutMatrix函数，实现了Excel到Matlab的数据传送.打开Matlab中的Workspace菜单，可以看到变量名为Ix的变量已经送入了Matlab中.单击File→New→M-file，此时可以在页面中输入Matlab的M文件，并使用编制的M文件调用程序进行信号分析.

3 Matlab中的信号分析

Matlab拥有强大的信号分析功能，将Excel中信号的数据传送到Matlab中，其目的就是对信号进行分析.对信号的分析包括时域分析、频域分析等方面.为了认识信号的具体特性，都需要对信号进行频域分析.此时，信号的频谱图就显得尤为重要了.

在绘制频谱图之前首先应该将时域的离散点信号变换为频域信号，这种变换可以通过块速傅里叶变换(FFT)来实现，其调用格式为[d]=fft(x，N).其中x为进行fft变换的离散信号；N为设定对多少个点进行FFT；应该选择2的乘方的数(如16，128，1024等)，因为这样就可以使用优化的蝶形算法；d为频域的输出[3-4].此处选择1024点进行FFT变换，绘制原采样电流的信号和其频谱图的M文件如下：

>> N=1024; n=0:N-1; fs=5000; X=fft(Ix,N);Y=fftshift(X); f=linspace(-fs/2,fs/2,N);

>> subplot(211); plot(Ix); xlabel('n'); ylabel('x(n)');title('电流'); grid on;

>> subplot(212); plot(f,abs(Y)); xlim([0,fs/50]);xlabel('f/Hz'); ylabel('X(k)'); title('电流频谱'); grid on;

执行上面的M文件后得到如下图4所示的电流信号和电流的频谱图.

在得到信号的频谱图后，可以直观的观察到信号的频域特性.由频谱图可以看出，电流信号在60Hz以后的幅值基本上都为零，也就是说电流信号的频率在小于60Hz的频率区.这为信号的后续分析及相关设计提供了非常有用的信息.例如，可以根据频域特性来设计滤波器的通带截止频率、阻带截止频率等性能指标，也可以确定滤波器类型是高通、低通、带通还是带阻.由于篇幅限制，此处对滤波器的设计不作介绍.

结语

利用Excel Link插件将Matlab和Excel结合成一体，为数字信号的处理和分析提供了一个无缝链接的平台；DncsAnalyze软件又使信号的采集、存储、显示和向Excel的传输优于以往的数据采集方法.这些软件和方法的结合使用使数据处理和信号分析简单易行，也为信号的后续分析及相关设计提供了很好的依据，对工程实际应用有一定的参考价值.

[1] 郭仕剑,王宝顺,贺志国,杨可心.MATLAB7.x 数字信号处理[M].北京:人民邮电出版社,2006.

[2] 寇金宝,洪林,李德胜.实现MATLAB与Excel数据交换的一种可行性方法[J].高等职业教育——天津职业大学学报,2010,19(2):93-95.

[3] 梁坤峰,何勇灵,宗永平,等.Excel Link宏在数据分析中的应用[J].洛阳工学院学报, 2002, 23 (2) : 74-76.

[4] 求是科技.MATLAB7.0 从入门到精通[M].北京:人民邮电出版社,2006.

Digital Signal Transfer and Analysis Based on Matlab and Excel

REN Shan1,ZHAO Xin2, HAN Qing1
(1.Engineering College, Honghe University, Mengzi 661100, China,2.College of Life Science and Technology, Honghe University, Mengzi 661100, China)

In this article, first of all, introduced a method of data transfer to Excel.Secondly, introduced a method of data transfer from Excel to Matlab what based on a set of sample data for a hydraulic system.Finally, drew a spectrum of the signal, which provides a reliable basis for subsequent analysis and design.

Matlab;Excel;signal;transfer and analysis

TP317

A

1008-9128（2012）04-0026-03

2011-12-07

任杉(1985—)，男，甘肃张掖人，硕士.研究方向：机电一体化与机电控制技术.

[责任编辑 张灿邦]