基于LabVIEW和OriginPro的数据处理系统开发*

王 冠

（1.中国特种飞行器研究所 荆门 448035）（2.高速水动力航空科技重点实验室 荆门 448035）

1 引言

目前，依托中国特种飞行器研究所的高速水动力实验室，拥有国内最长的拖曳水池。其主要规模为长510m，宽6.5m，池深6.8m，水深5.0m，是国内主要的船模水池试验水池，尤其是高速拖曳试验主要场地。船模水池试验内容丰富，工况复杂，并且由于池体长度可以满足一趟车运行多个速度，所得的各项数据众多，现有的数据处理软件处理过程繁琐，效率低下，难以满足快速获得试验结果的需求。针对以上问题，田新亮［1］基于Visual Studio2005平台，采用混合编程技术，以C++为主要设计语言，调用Fortran语言编译生成的动态链接库函数，开发了海洋工程水动力学模型试验数据处理程序。陈宗煌［2］基于Matlab平台，以低通滤波及EMD为程序内核，将FFT-FS频谱细化技术作为辅助的分析工具，开发了船舶耐波性试验数据分析处理系统。

本文基于LabVIEW和OriginPro平台，根据实验室数据处理需求，开发了数据处理系统，系统集成了OriginPro软件自带的FFT滤波器和LabVIEW提供的三种滤波器，并包含试验数据转换与分析所需的各种功能，使用范围广，数据处理高效。系统科学组织程序结构，合理布置程序界面，能极大提高实验室的工作效率。

2 系统开发

2.1 系统需求分析

作为全国最长的拖曳水池，高速水动力实验室不仅承担着国家水上飞行器预研课题项目，同时还从事船舶、潜艇和水下拖体等众多试验项目。试验种类以及试验数据的繁多对数据分析处理提出了更高的要求。

1）船舶模型静水试验。该试验虽然使用的传感器不多，但是试验工况及速度点比较多，需要快速获得各通道不同速度稳速段的平均值，并且作出各通道在不同速度点下的变化曲线，通过分析曲线趋势判断船舶性能并作为选取下一个试验状态的依据。

2）船舶模型规则波试验［3］。该试验通常需要获得各通道稳速段的平均值以及平均幅值，并需要作出各通道频谱曲线以及不同波长下相关通道平均幅值的变化曲线。

3）船舶模型不规则波试验。该试验通常需要统计各通道稳速段的平均值以及三一幅值，并需要作出不同波长下相关通道三一幅值的变化曲线。

4）船舶模型砰击试验。文献［4］中介绍了，该试验通常需要获得模型受到砰击时过载传感器和底部压力传感器的峰值。但由于试验状态的不同以及水上试验的特殊性，各传感器每次试验后的初始值不能保持不变，所以需要通过瞬间极值［5］减去初始值来获得实际峰值（变化值）。

针对以上各试验数据处理需求以及各试验数据采集器存储数据类型的不同，本系统需要具备以下功能。

1）系统能够读取不同的数据类型并能将其他数据类型转换成*.txt格式；

2）系统具备分段处理功能，并可以将各通道统计值快速粘贴到EXCEL表格中；

3）系统具备多种数据滤波器选择功能，并且滤波结果能够被业界认同；

4）系统能够显示各通道数据时历曲线，并能够局部放大缩小和更改曲线颜色；

5）系统能够快速计算瞬间变化值；

6）具备通道选择显示功能，包括通道全选和反选功能。

2.2 开发平台

本系统基于LabVIEW和OriginPro开发。Lab-VIEW是虚拟仪器概念的开创者，是由国家仪器公司为设计虚拟仪器而开发的程序开发软件，是一个通用的软件开发平台，囊括了几乎所有经典的信号处理功能和大量现代先进的信号分析工具，具有编程简单方便界面形象直观和缩短开发周期等特点，其由两部分组成：前面板程序和后面板程序（框图面板程序）［6～8］。OriginPro是一个专业的绘图和数据分析软件，它被公认为一种简单、易学、灵活、强大的图形可视化和数据分析软件，可以满足普通用户的需求。它还可以满足先进的用户数据分析和功能拟合的需要，是工程师和科学研究人员常用的高级数据分析和绘图工具之一［9］。

文章所用的程序环境为LabVIEW 2015，OriginPro 8.0 SR3。其中，OriginPro 8.0 SR3所提供的VI能够在LabVIEW 7.0及以上的版本中运行，其提供的FFTFiltering.opj工程文件可以在OriginPro 8.0 SR3及以上版本中运行。

2.3 系统模块设计

本系统以事件驱动技术为核心［8］根据数据处理的需要，采用快捷方便的鼠标点击操作和友好的人机界面对话框弹出窗口。其主控界面如图1所示，主要包括数据导入模块，数据图形显示模块、统计值计算显示模块、数据处理方式选择模块及辅助功能模块。

图1 数据处理系统主控界面

1）数据导入模块。该模块可以到导入TDMS、TXT和EXCEL格式数据，既可以选择根据文件命名规则或后缀名自动选择数据读取函数也可以手动选择；

2）数据图形显示模块。该模块能够以不同的颜色显示多条时历曲线，并能够对曲线进行局部放大缩小和曲线颜色设置等操作，同时可以将曲线图像导出；

3）统计值计算显示模块。该模块提供通道选择、统计值显示、数据平移和变化值计算等功能，统计值包括平均值，最大和极最小值，峰峰值，三一有义值和频率；

4）数据处理方式选择模块。提供滤波器选择、滤波参数设置、采样频率显示（仅TDMS格式数据可用）和频谱分析等功能，滤波器的参数包括滤波器类型、高通和低通截止频率、阶数、车速和波长（计算遭遇频率）等。此外，考虑到部分试验数据列数过多，单次处理耗时过长等问题，提供数据分批处理功能；

5）辅助功能模块。提供游标居中、滤波数据保存、滤波列数选择、数据格式转换和关闭软件等功能。在系统中，对数据格式转换后的文件保存方式进行了约定，即保存在原始数据文件同一目录下，滤波数据保存格式统一为TXT格式。

3 本系统创新点

3.1 调用OriginPro的FFT滤波器

LabVIEW 自 带 ButterWorth Filter、Chebyshev Filter和Bessel Filter，不同滤波器有不同的特点［10］。巴特沃思滤波器的特点是在通频带内有最大的和平坦的响应曲线，没有波动，而阻频带则逐渐减小到零。切比雪夫滤波器在过渡带衰减快于巴特沃斯滤波器，但频率响应的幅频特性不如巴特沃斯滤波器它平坦。切比雪夫滤波器的频率响应曲线与理想滤波器的误差最小，但通频带内存在幅度波动。贝塞尔滤波器的幅度和相位响应最平坦，带通的相位响应（通常为用户关注区域）几乎是线性的。

同时为了兼顾不同数据处理的需求以及滤波器的行业使用率，系统还提供OriginPro的FFT Filter。通过使用ActiveX技术可以调用OriginPro的FFT Filter，因为OriginPro提供的VI本质上是对OriginPro的ActiveX组件的封装，在LabVIEW中调用这些VI其实就是调用其内部的ActiveX组件［11］。程序设计的步骤为：首先将OriginPro提供的库文件放入到LabVIEW安装目录下相应版本号的user.lib文件夹内，即可在程序框图的函数库里的文件库里调用所有的函数vi；其次确认OriginPro提供的工程文件FFTFiltering.opj放在OriginPro安装目录下的Automation Server文件夹内；最后设计FFT Filter子vi：1）使用 OA_OpenNewOrigin.vi在后台打开 Origin程序；2）使用 OA_AddOriginPath.vi导入 FFTFiltering.opj路径；3）使用OA_Load.vi加载上一步路径文件，使用OAPutWorksheet.vi分别导入时间列和数据列；4）使用OARun.vi运行FFTFiltering.opj文件程序完成滤波；5）使用OAGetWorksheet.vi输出滤波后的数据；6）使用属性节点退出程序。此外，为了保证每次执行FFT滤波器前电脑未运行OriginPro软件并节省电脑内存资源，每次滤波完成后，采用获取进程目录子vi判断是否有OriginPro进程正在运行，若有，则运行执行系统命令结束该进程。函数整个过程的程序框图如图2所示。

图2 FFT Filter子VI程序框图

3.2 快速输出EXCEL功能

目前，常规的数据分析软件只能够计算单列数据的统计值，或者虽然各单位自行开发的数据分析软件能够同步计算多通道数据的统计值，但将各统计值记录到EXCEL表格中时仍然只能一个个输入或复制粘贴到表格中。这种统计值记录到表格的速度完全不能满足数据列数和速度点多的试验数据处理需求。

针对上述情况，本系统通过for循环和移位寄存器将所有的统计值组成的一维数组转换成单个字符串类型，并且使用字符串拼接的方式在每个统计值字符串后插入制表符，实现了多通道统计值可以通过Ctrl+C和Ctrl+V的快捷键一次复制粘贴到表格中，极大提高了数据处理效率。该子VI程序框图如图3所示。

图3 字符串转换子VI程序框图

3.3 变化值计算功能

针对砰击试验数据处理需求，本系统提出变化值计算功能。其实现原理为：首先，将两个游标移到砰击前的平稳数据，取值存到局部变量，再移动两个游标保证砰击时的极值点在两游标之间，取值存到另一个局部变量中，最后计算两个值的差值并显示。同时，为了保证所有操作有效，通过文本属性更改布尔控件上的文本来显示操作是否成功。其过程为：在两次取值时，如果取值成功，取值按钮上的文本变为“取值完成”，在计算差值时，如果计算成功，则取值按钮上的文本内容恢复到取值前的状态。

3.4 波浪遭遇频率计算

在进行耐波性试验［12］时，通常需要对试验数据采取滤波处理，比较常用的是低通滤波器，而遭遇频率则是低通滤波频率选择的重要依据之一。根据实际使用需求，系统的低截止频率采用条件结构函数自动选择两种方式输入：一是直接输入法，即将截止频率直接输入到相应控件中；二是遭遇频率倍数输入法，即保证上一方法的控件值为零，输入车速、波长和滤波倍数，最终以遭遇频率乘以滤波倍数作为滤波频率。遭遇频率的计算公式如下：

式中：f为遭遇频率（Hz）；g为重力加速度（m/s2）；υ为拖车速度（m/s）；λ为波长（m）

根据式（1），采用公式节点设计程序，其程序框图如图4所示。

图4 波浪遭遇频率计算程序框图

4 系统数据处理过程

4.1 系统程序运行流程

程序整体流程图如图5所示。

图5 程序整体流程图

第一步：数据处理时，数据以文本文件读入；第二步：数据导人后，有两种并行选择：一是进行滤波处理，输入滤波参数，点击确认按钮，滤波完成指示灯亮后表明滤波完成，此时可以选择是否保存滤波后的数据或进行其他操作。二是不进行滤波处理。第三步：在以上数据处理完成后，通过移动两个游标，会显示各个通道两游标之间的数据的统计值。第四步：当全部处理完成后，各通道数据绘成曲线显示在波形图上，同时可以有选择的显示多条曲线。

4.2 数据处理实例

图6给出了某船模在规则波试验中模型中部垂荡测量数据曲线，滤波频率均为1.5倍的遭遇频率。表1中给出了采用本系统进行不同滤波方法的双幅值平均值、最大值和最小值的结果，处理结果表明该系统处理数据快速准确，并能够快速的将多个统计值粘贴到EXCEL表格中。从表1可以看出，未进行滤波处理的统计结果和滤波后的统计结果具有较大的差异，并且不同的滤波器在同样的滤波频率下统计结果也有较小的差异，因此为确保分析精度，对测量信号选择不同的滤波处理方法是必要的。

表1 本系统统计值处理结果

图6 舯垂原始数据及滤波曲线

表2给出了在不同通道数和速度个数下，采用本系统将平均值记录到EXCEL表格中所需要的次数。从统计结果可以看出，记录次数与速度个数成正比关系，通道数对数据记录次数无影响，通道数多更能体现本系统在数据处理效率上的优势。

表2 本系统数据记录次数统计结果

5 结语

本文基于LabVIEW平台开发了船模水池数据处理系统，针对现有数据处理系统操作复杂、工作效率低和处理方法单一等问题，采用ActiveX技术和数值类型转换等方法，极大程度上改善了上述问题。

系统根据航空科技重点实验室的实际情况开发设计，已用于实验室的实际工作中，效果良好。随着实验室项目数据处理需求的增多，本系统的开发提高了实验的工作效率，促进了实验室的发展，提升了实验室的竞争力。同时，加入更丰富的数据处理方法以满足更多的数据处理需求，将是下一步的研究方向。