井下高頻拾震器信號采集與顯示系統(tǒng)設(shè)計

吳瓊 汪佳 朱云陽 鄭曉惠

摘要：文章講述了虛擬儀器的概念，為了對井下高頻拾震器信號進行更全面的分析，利用LabVIEW虛擬儀器軟件，開發(fā)信號分析平臺，進行對此信號的采集、數(shù)據(jù)處理、時域分析、頻域分析和顯示系統(tǒng)的設(shè)計。發(fā)揮了虛擬儀器顯示界面簡潔、應(yīng)用方便、操作簡單的優(yōu)點，在信號分析及處理有極大作用。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器；信號采集；顯示系統(tǒng)

我國是個地震頻發(fā)的國家，而地震帶給人類巨大損失。隨著科技的飛速發(fā)展，對地震的研究在電子電路和測控領(lǐng)域隨之細(xì)化，對信號分析的準(zhǔn)確性、實時性、可靠性等方面的要求越來越高。由于傳統(tǒng)儀器功能比較單一，使用不便，信號的準(zhǔn)確性也不夠高。而LabVIEW作為開發(fā)平臺進行虛擬儀器設(shè)計，使用圖形化語言進行編程。摒棄了復(fù)雜的編程代碼，提供大量的可視化模塊，使用起來更加簡潔明了，同時LabVIEW具有豐富的功能控件尤其是各種數(shù)學(xué)工具，可以在編程時調(diào)用，增加了開發(fā)和應(yīng)用的靈活性，大大提高了開發(fā)效率。LabVIEW作為目前最流行的虛擬儀器軟件開發(fā)工具，具有強大的信號處理與分析功能，能高效、經(jīng)濟地構(gòu)建各種信號的處理與分析系統(tǒng)。本文通過虛擬儀器進行對高頻拾震器信號的采集，并對采集到的信號進行時域分析和頻域分析，將結(jié)果實時顯示在顯示系統(tǒng)上。

1 虛擬儀器概述

虛擬儀器技術(shù)（Virtual Instrument，VI）就是利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應(yīng)用[1]。按功能模塊可分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析處理、結(jié)果表達部分，結(jié)合應(yīng)用程序和功能化硬件，可通過圖形界面操作計算機，進行對被測量的采集、分析、處理、顯示、存儲等功能[2]。相比較傳統(tǒng)儀器，如示波器，雖然單方面功能較為強大，但價格昂貴，且其參數(shù)固定，不能更改，以致無法個性化處理；反觀虛擬儀器，它的參數(shù)、范圍等可以更改，且操作簡單，是目前應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強的圖形化軟件。它的控制面板實質(zhì)是借用計算機顯示器的顯示功能來模擬傳統(tǒng)儀器，以圖形形式描繪輸出的結(jié)果；用計算機的軟件進行對信號的運算、分析和處理；用I/O接口設(shè)備對信號進行采集與調(diào)理，用計算機測試系統(tǒng)完成各種檢測。

2 井下高頻拾震器信號采集與顯示系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)原理

采用虛擬儀器，將井下高頻拾震器信號導(dǎo)入，使用虛擬儀器相對應(yīng)的控件和函數(shù)，先對采集到的信號進行初步顯示，對其進行濾波處理，利用電路頻率特性濾除無用信號和噪聲干擾。再對濾出的信號進行時域分析和頻域分析，從時域和頻域兩個角度分析研究信號。整體設(shè)計如圖1和2所示。

2.2 信號采集與顯示

對信號的采集與顯示系統(tǒng)設(shè)計主要分為信號采集、信號處理、顯示系統(tǒng)設(shè)計三大模塊，其中信號處理（即信號分析）包括信號的時域分析和頻域分析。信號采集與顯示模塊分為兩部分，前半部分是信號采集，本文采用已采集好的信號數(shù)據(jù)，用Excd文檔存儲，使用“文件I/O”模塊，創(chuàng)建“波形圖”顯示控件和“文本輸入”輸入控件，將井下高頻拾震器信號數(shù)據(jù)用波形圖的方式展現(xiàn)出來。將之前存儲在Excel的部分井下高頻拾震器信號讀取出來，為分析做準(zhǔn)備。通過文件輸入地址，打開Excel-book。選擇sheet，打開Excel-sheet并激活。選取表格范圍，本Excel數(shù)據(jù)為A1?A24000。程序框圖和前面板分別如圖3和4所示。

2.3 信號處理

2.3.1 時域分析及濾波分析

時域分析是通過信號映射手段實現(xiàn)的，可以將一維時間域信號映射到能量對頻率和時間的二維空間中。時頻域測試分析能夠確定在某一時刻頻率成分的分布情況，而頻譜能夠確定哪些頻率存在。但是，短時傅里葉變換可以認(rèn)為是一種整體變換，只能分析了解信號在時域或頻域中的全局特性。對于像汽車車速等非平穩(wěn)信號，時頻域測試分析對了解信號頻譜隨時間變化的情況，有極其重要的作用。

前面板分為濾波前信號分析（見圖5）以及濾波后信號分析（見圖6），圖7為時域分析程序框，圖8為時域分析前面板。

2.3.2 頻域分析

頻域分析即是信號的頻譜圖，描述信號的頻率結(jié)構(gòu)及頻率與該信號幅度的關(guān)系。頻域分析程序框和前面板如圖9一10所示。

2.4 顯示系統(tǒng)設(shè)計

將主要輸入控件和顯示控件放置于前面板，按內(nèi)容分模塊，主要分為數(shù)據(jù)讀取、濾波、時域分析和頻域分析模塊，分別放置于幾何圖形中，便于觀看及使用，設(shè)計出構(gòu)架合理、功能完備的前面板，并使顯示界面（見圖11）盡可能簡潔。

3 結(jié)語

通過這次實例，我們可以體會到LabVIEW在信號處理與分析方面的強大功能，特別是與傳統(tǒng)儀器相比較。LabVIEW具有開放性、模塊化、互換性以及可重復(fù)使用等特點，大大提高了研究效率。文中通過數(shù)據(jù)采集模擬信號數(shù)據(jù)，利用LabVIEW圖形化編程語言進行數(shù)據(jù)處理、分析、顯示和儲存，將井下高頻拾震器信號進行上述處理。

基于LabVIEW的信號數(shù)據(jù)分析顯示系統(tǒng)方法簡單、可靠實用，能夠?qū)崿F(xiàn)在仿真環(huán)境下驅(qū)動嵌入采集到的地震數(shù)據(jù)，為嵌入式軟件的測試奠定了基礎(chǔ)。同時還實現(xiàn)了軟件代替硬件，用虛擬的方式，省略了真實設(shè)備的使用。節(jié)省了科研成本，提高了工作效率，效果顯著。

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