基于LabVIEW與Matlab混合編程的快速波形顯示

宋連珺，柏正堯

（云南大學(xué) 信息學(xué)院，昆明 650500）

在工作和實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，對大量信號的采集、處理和分析需要專業(yè)的應(yīng)用軟件來實(shí)現(xiàn)。LabVIEW的開發(fā)環(huán)境類似于C和BASIC，但是LabVIEW與其他計(jì)算機(jī)語言有明顯的區(qū)別，其他計(jì)算機(jī)語言都是以一種文本性的語言來產(chǎn)生代碼，而LabVIEW是一種G語言，是以框圖的形式產(chǎn)生程序。LabVIEW的優(yōu)點(diǎn)是能夠進(jìn)行自動化分析和處理所采集的信號，但其分析信號的能力還存在著一些局限和缺陷。

Matlab是一種功能強(qiáng)大的計(jì)算語言，它將計(jì)算、可視化和編程等功能集于一個易于使用的環(huán)境，得到了廣泛的應(yīng)用。Matlab分析計(jì)算能力很強(qiáng)，數(shù)據(jù)庫也十分強(qiáng)大，但與外部設(shè)備交換信息能力卻很差[1]。所以，有很多人將LabVIEW和Matlab混合編程，取長補(bǔ)短，讓各自的優(yōu)點(diǎn)能發(fā)揮到最大，以設(shè)計(jì)出功能比較完善的信號處理系統(tǒng)[2]。例如，使用二者來進(jìn)行小波去噪、濾波等，解決了單用一個帶來的問題，降低了程序的復(fù)雜程度，并能得到很好的實(shí)驗(yàn)效果。本文將二者結(jié)合來實(shí)現(xiàn)波形的顯示，首先在Matlab中運(yùn)行程序，然后把程序?qū)隠ab-VIEW中的Matlab script節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)二者的結(jié)合，把問題簡單化，同時仿真的結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性。

本文先單獨(dú)使用Matlab來進(jìn)行波形的顯示，得到的結(jié)果不是很好。然后改進(jìn)了方法，讓Matlab和LabVIEW混合編程實(shí)現(xiàn)理想的結(jié)果。所以在第二節(jié)里闡述了Matlab在LabVIEW 中調(diào)用的實(shí)現(xiàn)方法和實(shí)現(xiàn)原理。最后在第三節(jié)里闡述了LabVIEW中的Matlab Script來實(shí)現(xiàn)波形顯示的仿真過程，并得到仿真結(jié)果。

1 Matlab實(shí)現(xiàn)波形顯示

首先我們用Matlab來進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，使用NI FlexRIO設(shè)備設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于PXI架構(gòu)的高速數(shù)據(jù)采集，并把采集的數(shù)據(jù)以十六進(jìn)制形式保存在TXT文檔里，但是TXT格式不能顯示十六進(jìn)制數(shù)據(jù)，用記事本打開都是亂碼，用UltraEdit可以看到數(shù)據(jù)，但用UltraEdit打開的數(shù)據(jù)并不能直接導(dǎo)入LabVIEW、Matlab程序中，因?yàn)椴杉臄?shù)據(jù)都很大，也不能用直接復(fù)制的方法?？紤]用Matlab中的fopen，fscanf函數(shù)，但因?yàn)門XT中數(shù)據(jù)如亂碼一樣并不能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換，所以我們用fi函數(shù)和hex函數(shù)把它轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制，再把轉(zhuǎn)換的文件讀入程序。因?yàn)椴杉臄?shù)據(jù)很大，不能都顯示出來，所以顯示其中的一小部分。本文采樣點(diǎn)數(shù)選擇為1024點(diǎn)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示，我們可以看到波形的生成，雖然有些誤差但不影響整體波形。采集中會有噪聲，所以誤差也不能避免。

圖1 Matlab波形顯示Fig.1 Matlab waveform display

2 Matlab在LabVIEW中調(diào)用的實(shí)現(xiàn)

2.1 調(diào)用Matlab script節(jié)點(diǎn)方法

LabVIEW中可通過Matlab script節(jié)點(diǎn)調(diào)用Matlab的腳本程序。調(diào)用Matlab scrip節(jié)點(diǎn)過程為在程序框圖界面單擊右鍵出現(xiàn)函數(shù)選板，然后點(diǎn)擊數(shù)學(xué)，在數(shù)學(xué)的選板里找到腳本與公式，在腳本與公式里找到腳本節(jié)點(diǎn)就可以看到Matlab script節(jié)點(diǎn)。最后把節(jié)點(diǎn)拖曳出來，放在程序框圖面板中合適的位置，用工具選版按需要調(diào)節(jié)大小。

2.2 LabVIEW和Matlab混合編程進(jìn)行信號處理的實(shí)現(xiàn)

本文采集信號使用的是時間交替采樣[3]，采集的信號進(jìn)行信號分析處理，數(shù)據(jù)采集的工作主要是由LabVIEW完成，用戶圖形界面的設(shè)計(jì)也是由其完成，設(shè)計(jì)的界面清晰明了；后臺進(jìn)行的大型計(jì)算、數(shù)據(jù)分析、細(xì)節(jié)處理是由Matlab完成，然后把結(jié)果提供給LabVIEW調(diào)用，其工作過程如圖2所示[4]。

圖2 原理框圖Fig.2 Principle diagram

3 用LabVIEW中的Matlab Script來實(shí)現(xiàn)波形顯示的仿真過程

3.1 FI函數(shù)

在進(jìn)行一些大的算法編程時，經(jīng)常會遇到大量數(shù)據(jù)存儲的格式各不相同的情況，例如DSP和FPGA中用到的是十六進(jìn)制，而Matlab中運(yùn)算得到的是十進(jìn)制，但是執(zhí)行要用各自允許的格式在不同的軟件中，有時轉(zhuǎn)換起來非常麻煩。但單用hex函數(shù)也不能解決問題。所以我們加入fi函數(shù)來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換。fi是默認(rèn)構(gòu)造函數(shù)和返回一個有符號沒有值的定點(diǎn)對象，16位字長，15位小數(shù)長度[5]。

A=fread（fid，1024，'integer*4'，0，'b'）；

B=fi（A，1，32，0）；表示返回一個定點(diǎn)對象值 A，為正數(shù)，字長為32 bit，小數(shù)部分長度為0。

3.2 Matlab算法實(shí)現(xiàn)步驟

本文采樣點(diǎn)數(shù)設(shè)置為1024，這樣可以使結(jié)果比較清晰一些。因?yàn)椴杉奶煳臄?shù)據(jù)十分龐大，也只能選擇其中的一部分，而且采樣點(diǎn)數(shù)過多會使波形緊密，看不清楚整體波形。算法實(shí)現(xiàn)步驟可分為4步：

步驟1用fopen打開文件，再用fread把文件讀入，讀入后關(guān)閉文件；

步驟2用fi函數(shù)和hex函數(shù)實(shí)現(xiàn)十六進(jìn)制的轉(zhuǎn)換， 程序如下：A=fread（fid，1024，'integer*4'，0，'b'）；B=fi（A，1，32，0）；C=upper（hex（B））；并把轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)寫入另一個TXT，文件命名為test.2；

步驟3打開轉(zhuǎn)換好的文件test.2，用reshape函數(shù)重新調(diào)整矩陣的行數(shù)、列數(shù)、維數(shù)。把調(diào)整好的數(shù)據(jù)保存在newdata.txt文件中。

步驟4用fscanf函數(shù)一個個讀入數(shù)據(jù)，并用plot函數(shù)畫出波形。

3.3 LabVIEW中調(diào)用Matlab script節(jié)點(diǎn)

在操作中我們發(fā)現(xiàn)不用Matlab script節(jié)點(diǎn)直接顯示波形圖只能用波形圖表，不能用波形圖。但是波形圖表逐點(diǎn)地接收數(shù)據(jù)，并逐點(diǎn)地顯示在前面板窗口中[6]，所以讀入數(shù)據(jù)是一個個的讀，并且只能觀察部分波形的變化。雖然可以直接觀察，但不能完整地觀察波形。波形圖可一次接收規(guī)定的采樣點(diǎn)數(shù)，并顯示完整的波形。所以使用波形圖就需要Matlab script節(jié)點(diǎn)來轉(zhuǎn)換采集信號的數(shù)據(jù)格式。

首先我們把運(yùn)行正確的Matlab程序?qū)牍?jié)點(diǎn)，根據(jù)自己所編Matlab程序中輸入輸出的要求在腳本節(jié)點(diǎn)外框上點(diǎn)擊右鍵選擇添加輸入變量和輸出變量，同時數(shù)據(jù)類型也需要修改，使二者匹配，不匹配會出現(xiàn)錯誤。處理過程中許多需要設(shè)定的參數(shù)都可以在前面板以按鈕方式設(shè)置，可任意改變數(shù)據(jù)，就像實(shí)際儀器一樣，也可做一些驗(yàn)證試驗(yàn)，操作方法簡單，還可根據(jù)需要增加功能，數(shù)據(jù)可靠性很高。在輸出變量連接波形圖時，整個界面清晰明了，比單用LabVIEW編程或Matlab編程簡單，如圖3所示[7]。

圖3 程序框圖Fig.3 Program chart

在前面板點(diǎn)擊運(yùn)行就可以得到波形，結(jié)果如圖4所示，與圖1相比可以清晰地看出波形，我們可以根據(jù)波形圖推算它的周期。如果要改變采樣點(diǎn)數(shù)，應(yīng)該在Matlab里修改采樣點(diǎn)數(shù)運(yùn)行正確后再導(dǎo)入節(jié)點(diǎn)，直接在節(jié)點(diǎn)里修改是無效的，最后運(yùn)行的還是原來的采樣點(diǎn)數(shù)。

圖4 采樣點(diǎn)數(shù)為1024時的波形Fig.4 Waveform diagram of the sampling points to 1024

從圖中可以看出在轉(zhuǎn)換過程中出現(xiàn)了一些誤差，但能夠看出整體波形，波形比單用Matlab顯示的更清晰、方便。

4 結(jié)語

本文將LabVIEW和Matlab相結(jié)合，用于采集數(shù)據(jù)的快速顯示。從仿真結(jié)果可知，采用這個方法可以使仿真過程更加簡潔，可以直接應(yīng)用于復(fù)雜的工程問題，不需要繁瑣的轉(zhuǎn)換，解決了LabVIEW和Matlab單獨(dú)使用的局限性。LabVIEW與Matlab混合編程的方法，能充分利用Matlab功能強(qiáng)大的算法庫，取長補(bǔ)短，實(shí)現(xiàn)快速開發(fā)，兩者結(jié)合能夠給實(shí)際應(yīng)用帶來方便。

[1]劉保柱，蘇彥華.Matlab7.0從入門到精通[M].北京：人民郵電出版社，2010.

[2]趙玲，蘇維均.一種LabVIEW調(diào)用Matlab的方法[J].北京工商大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2009，27（2）：73-75.

[3]黃宇.基于PXI架構(gòu)的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動化與儀表，2015，30（9）：79-83.

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[5]曲麗榮，胡容，范壽康.LabVIEW、Matlab及其混合編程技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[6]丁筱玲.基于LabVIEW和單片機(jī)的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].山東：山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，2014.

[7]章佳榮，王璨，趙國宇.精通LabVIEW虛擬儀器程序設(shè)計(jì)與案例實(shí)現(xiàn)[M].北京：人民郵電出版社，2013.