張世弘，劉振興

(武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢 430081)

基于MATLAB－GUI的信號(hào)采集與分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張世弘，劉振興

(武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢 430081)

在測控以及故障診斷等諸多場合，需要根據(jù)不同的需求對信號(hào)采取不同的時(shí)頻處理方法，現(xiàn)有的系統(tǒng)信號(hào)處理方法比較單一，難以滿足不同場合的需求。從時(shí)頻信號(hào)處理方法集成的角度出發(fā)，介紹了以MATLAB的圖形用戶界面(GUI)開發(fā)環(huán)境為基礎(chǔ)的信號(hào)采集和處理系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案。進(jìn)而闡述了從信號(hào)采集與生成、分析處理以及數(shù)據(jù)管理3個(gè)方面實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該信號(hào)采集與處理系統(tǒng)使用方便、穩(wěn)定性好、具有高精確性。該系統(tǒng)提供良好的交互性和擴(kuò)展性，能夠用于實(shí)際信號(hào)分析與仿真實(shí)驗(yàn)。

MATLAB－GUI;串口通信;信號(hào)分析集成;可擴(kuò)展性

0 前言

信號(hào)采集和信號(hào)分析是測控系統(tǒng)與故障診斷系統(tǒng)的重要組成部分，目前幾乎所有的工程技術(shù)領(lǐng)域都涉及到信號(hào)處理。研究信號(hào)的時(shí)頻結(jié)構(gòu)，是信號(hào)處理過程中非常重要的分析手段，現(xiàn)有的產(chǎn)品提供的信號(hào)處理方法相對比較單一，有的只限于常規(guī)的頻譜分析，有的提供了少量的幾種方法，不具備擴(kuò)展功能，只適合特定的專業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。適用范圍。而且普遍價(jià)格昂貴，加工工藝復(fù)雜，體積龐大，且生產(chǎn)技術(shù)要求較高［1］。近年來，隨著計(jì)算機(jī)總線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的快速發(fā)展提高和應(yīng)用，虛擬儀器在測量與分析等眾多領(lǐng)域發(fā)揮了越來越重要的作用［2］。文中充分利用MATLAB在處理數(shù)據(jù)和構(gòu)建人機(jī)交互界面上的優(yōu)勢，構(gòu)建虛擬儀器，將數(shù)據(jù)記錄、新的時(shí)頻信號(hào)處理方法、串口采集上位機(jī)等的功能進(jìn)行集成，搭載多種時(shí)頻信號(hào)處理算法，實(shí)現(xiàn)了集信號(hào)生成與通信、信號(hào)多角度分析以及數(shù)據(jù)管理等功能于一體的信號(hào)采集與分析系統(tǒng)，既能滿足科學(xué)研究的需要，也能作為信號(hào)處理方法學(xué)習(xí)的示教系統(tǒng)。

1 MATLAB－GUI開發(fā)環(huán)境

MATLAB－GUI提供Windows基本控件的支持，并且具有良好的事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制，同時(shí)提供了MATLAB函數(shù)庫的接口，進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)方便直接。

其設(shè)計(jì)圖形界面時(shí)有兩種方法:(1)直接通過編寫m文件來創(chuàng)建面向?qū)ο蟮膽?yīng)用程序;(2)使用MATLAB自帶的圖形界面開發(fā)環(huán)境GUIDE(Graph User Interface Developing Environment)實(shí)現(xiàn)。開發(fā)者可在GUIDE上直接創(chuàng)建按鈕、文本編輯器等，組建系統(tǒng)的用戶界面，并且通過直接設(shè)置控件的屬性及相應(yīng)代碼，實(shí)現(xiàn)各個(gè)控件的函數(shù)回調(diào)功能。文中選擇第二種方式。

在該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，將通過模塊化思想利用MATLAB函數(shù)，搭建整體系統(tǒng)框架，繼而建立多個(gè)界面分別實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集、分析與數(shù)據(jù)管理功能。最終，使用MATLAB系統(tǒng)LCC編譯器，將本MATLAB－GUI程序轉(zhuǎn)換為exe文件，使系統(tǒng)可以在不安裝MATLAB的環(huán)境中正常運(yùn)行。

2 系統(tǒng)總體方案

在MATLAB－GUI開發(fā)環(huán)境下設(shè)計(jì)信號(hào)采集與分析系統(tǒng)需要能夠:

(1)既可以作為實(shí)際信號(hào)分析系統(tǒng)，也可以進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，用于理論分析;

(2)搭載多種信號(hào)處理方法，可以從多個(gè)角度對信號(hào)進(jìn)行處理;

(3)提供良好的人機(jī)交互仿真環(huán)境，便于用戶針對不同信號(hào)選用不同分析方法進(jìn)行信號(hào)檢測與試驗(yàn);

(4)提供一定的可擴(kuò)展性，通過給定接口，方便用戶擴(kuò)展新算法，新功能。

據(jù)此，將系統(tǒng)分為如下3個(gè)模塊:

(1)信號(hào)管理模塊。實(shí)現(xiàn)對采集、生成以及分析后數(shù)據(jù)的管理，包括數(shù)據(jù)傳輸、存儲(chǔ)等工作

(2)信號(hào)采集模塊。實(shí)現(xiàn)單通道、多通道信號(hào)的實(shí)時(shí)采集，而且設(shè)計(jì)信號(hào)發(fā)生器，實(shí)現(xiàn)自定義信號(hào)的生成;

(3)信號(hào)分析處理模塊。實(shí)現(xiàn)在線、離線信號(hào)分析處理功能，從多個(gè)角度對信號(hào)的時(shí)域、頻域和時(shí)頻域特征進(jìn)行分析與處理，并且提供良好接口，實(shí)現(xiàn)新算法 (M文件或C文件)的動(dòng)態(tài)加載。

信號(hào)采集與處理系統(tǒng)整體框架如圖1所示。

圖1 信號(hào)采集與處理系統(tǒng)整體框架

3 信號(hào)采集與管理設(shè)計(jì)

信號(hào)采集模塊，分為實(shí)時(shí)采集部分與信號(hào)發(fā)生器部分。實(shí)時(shí)采集部分負(fù)責(zé)采集實(shí)際信號(hào)并用作實(shí)際分析;信號(hào)發(fā)生器部分負(fù)責(zé)產(chǎn)生仿真實(shí)驗(yàn)信號(hào)，作為理論分析的實(shí)驗(yàn)信號(hào)。信號(hào)管理模塊為信號(hào)的調(diào)用、保存、新方法的開發(fā)提供保障。

3.1 信號(hào)采集功能實(shí)現(xiàn)

MATLAB的設(shè)備控制箱 (Instrument Control Toolbox，ICT)提供了對RS232與RS485串口通信的正式支持。MATLAB通過調(diào)用設(shè)備控制工具箱的serial類以及相關(guān)函數(shù)，來創(chuàng)建串口設(shè)備對象，得到設(shè)備的文件句柄，從而以操作文件的方式實(shí)現(xiàn)對PC串行口的讀寫操作。其基本步驟包括:創(chuàng)建串口對象并配置串口屬性、連接串口對象和外圍設(shè)備、串口讀寫數(shù)據(jù)、打開關(guān)閉串口以及清除串口對象。

(1)創(chuàng)建串口對象并配置串口屬性

在創(chuàng)建一個(gè)串口對象時(shí)，利用set函數(shù)來設(shè)置串口對象的屬性如:波特率、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)位、停止位和結(jié)束符等。

(2)連接串口對象和外圍設(shè)備

在串口讀寫數(shù)據(jù)前，利用fopen函數(shù)打開串口，與相應(yīng)的設(shè)備連接起來。當(dāng)串口連接到設(shè)備，Status(串口是否連接到設(shè)備)屬性更新為open，輸入緩沖區(qū)和輸出緩沖區(qū)數(shù)據(jù)將清空。

(3)串口讀寫數(shù)據(jù)

串口在進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫時(shí)，通過fread、fwrite完成讀寫操作。串口對象遵循配置的屬性值進(jìn)行通信，通信數(shù)據(jù)可為二進(jìn)制或者十六進(jìn)制表示。

(4)關(guān)閉串口和清除串口對象

利用fclose函數(shù)斷開串口和設(shè)備的連接，使用delete函數(shù)將其從串口對象中清除，后再利用clear函數(shù)從MATLAB工作空間中將其清除。

據(jù)此設(shè)計(jì)信號(hào)通信流程如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)通信流程

信號(hào)采集完成后，系統(tǒng)針對信號(hào)數(shù)據(jù)搭建了分頻系數(shù)——1/n分頻，便于滿足不同頻率分辨率的分析要求。其分頻原理如下:假設(shè)n=2，即1/2分頻，在信號(hào)數(shù)據(jù)中按順序從取出其中次序?yàn)?、4、6……的數(shù)據(jù)，另保存為新的信號(hào)。據(jù)此設(shè)計(jì)信號(hào)采集界面，實(shí)時(shí)采集信號(hào)過程如圖3所示。

圖3 信號(hào)采集界面

3.2 信號(hào)發(fā)生器功能實(shí)現(xiàn)

為了實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)可以進(jìn)行信號(hào)處理仿真實(shí)驗(yàn)的目的，作者設(shè)計(jì)了信號(hào)發(fā)生器功能。

MATLAB－GUI中的文本編輯器控件可以對編輯框中的內(nèi)容進(jìn)行編輯、刪除和替換。用戶可以通過其編輯自定義函數(shù)，采樣頻率及信號(hào)長度等參數(shù)。進(jìn)而，系統(tǒng)通過回調(diào)函數(shù)獲取這些信息，生成自定義信號(hào)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)發(fā)生器功能。通過函數(shù)的選擇，可以實(shí)現(xiàn)任意信號(hào)的生成。如圖4所示，使用信號(hào)發(fā)生器生成:

其中采樣頻率為1 024 Hz，采樣點(diǎn)數(shù)為1 001的信號(hào)。

圖4 信號(hào)發(fā)生器界面

3.3 信號(hào)管理部分

該系統(tǒng)集成信號(hào)采集與分析等多種功能于一體，故而信號(hào)的存儲(chǔ)以及加載是系統(tǒng)必不可少的一部分。系統(tǒng)通過調(diào)用MATLAB－GUI開發(fā)環(huán)境中uiput-file和uigetfile函數(shù)，選擇文件名和保存/打開的路徑確定目標(biāo)位置，然后利用save和load函數(shù)完成信號(hào)數(shù)據(jù)的保存或者加載。

據(jù)此，在該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)將采集、生成的信號(hào)和信號(hào)分析處理后的每一組數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，且按n×m矩陣形式保存為文本文件或者Excel文件，并且，可以在系統(tǒng)中加載符合以上格式的信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

4 信號(hào)分析設(shè)計(jì)

信號(hào)采集與管理完成后，信號(hào)分析同樣是本系統(tǒng)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)對在線、離線信號(hào)從多個(gè)角度進(jìn)行分析，包括時(shí)域、頻域、時(shí)頻域分析中多種信號(hào)處理方法。另外，設(shè)計(jì)具備友好的人機(jī)界面，集成MATLAB工具欄，方便使用者根據(jù)實(shí)際情況，在有限范圍內(nèi)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整和提取所需的分析數(shù)據(jù)。

4.1 頻域、時(shí)域分析功能實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)中的信號(hào)頻譜分析主要涵蓋時(shí)域信號(hào)顯示、FFT變換、功率譜變換和IFFT變換等功能，并且集成不同的窗函數(shù)供用戶選擇，可以對信號(hào)進(jìn)行截短分析，以減少頻譜能量泄漏對分析結(jié)果的影響。另外，該系統(tǒng)針對兩組信號(hào)間的信號(hào)分析，搭載相關(guān)性計(jì)算、軸心軌跡計(jì)算和相位差計(jì)算等功能。用戶通過加載信號(hào)數(shù)據(jù)文件，適當(dāng)調(diào)整采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)等相關(guān)參數(shù)，即可對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，進(jìn)而獲得所需要的信息。

據(jù)此設(shè)計(jì)頻域、時(shí)域分析界面。在此通過信號(hào)采集模塊采集到軸承振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)，其中采集頻率為10 000 Hz，采集點(diǎn)數(shù)為16 384。對其進(jìn)行實(shí)時(shí)時(shí)域、頻域特征分析，如圖5、6所示。

圖5 頻域分析界面a

圖6 時(shí)域分析界面b

4.2 時(shí)頻分析功能實(shí)現(xiàn)

(1)極大重疊離散小波包變換分析功能

為了處理多分量的復(fù)雜信號(hào)，系統(tǒng)采用極大重疊離散小波包變換 (MODWPT)方法。

通過MODWPT可以將多分量的復(fù)雜信號(hào)分解為若干個(gè)瞬時(shí)頻率和瞬時(shí)幅值都具有經(jīng)典物理意義的分量之和，并且求出各個(gè)單分量信號(hào)的瞬時(shí)頻率和瞬時(shí)幅值，再進(jìn)行組合得到原始復(fù)雜信號(hào)完整的時(shí)頻分布。

(2)Hilbert－Huang變換功能

為了準(zhǔn)確反映信號(hào)的固有特性，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的非平穩(wěn)信號(hào)的合理分析，系統(tǒng)采用了Hilbert－Huang變換(HHT)方法。

Hilbert－Huang變換由經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解 (EMD)及Hilbert變換兩部分組成。EMD本質(zhì)是把1個(gè)信號(hào)進(jìn)行平穩(wěn)化處理，其結(jié)果是將信號(hào)中不同尺度的波動(dòng)或趨勢逐級分解開來，產(chǎn)生一系列具有不同特征尺度的數(shù)據(jù)序列—本征模態(tài)函數(shù)，再通過希爾伯特變換求得的瞬時(shí)頻率及幅值。得到信號(hào)振幅—瞬時(shí)頻率—時(shí)間的分布。

(3)廣義解調(diào)功能

針對分析非平穩(wěn)信號(hào)過程中可能產(chǎn)生的人為時(shí)頻分割、虛假分量和模態(tài)混淆等問題，并且達(dá)到盡可能還原原始信號(hào)的時(shí)頻分析曲線的目的，本系統(tǒng)還集成了廣義解調(diào)時(shí)頻算法。

廣義解調(diào)時(shí)頻算法通過選取一種信號(hào)變換的方法，將時(shí)頻分布為傾斜或非線性的信號(hào)變換為時(shí)頻分布為線性和平行于時(shí)間軸的信號(hào)。

據(jù)此，設(shè)計(jì)了時(shí)頻分析界面，在其中分別設(shè)置了MODWPT窗口、HHT變換窗口和廣義解調(diào)窗口，廣義解調(diào)信號(hào)分量提取窗口。并且設(shè)計(jì)多分量的復(fù)雜非平穩(wěn)信號(hào):

其中采樣頻率為1 024 Hz，采樣點(diǎn)數(shù)為1 024，對其進(jìn)行時(shí)頻分析，其結(jié)果如圖7所示。

圖7 時(shí)頻分析界面

在該界面用戶根據(jù)信號(hào)特征設(shè)置采樣頻率，MODWPT分解層數(shù)以及觀測窗口參數(shù)—最低頻率、最高頻率和頻率分辨率，即可對信號(hào)進(jìn)行MODWPT、HHT和廣義解調(diào)分析。

其中，對HHT變換窗口，用戶可以通過設(shè)置觀測本征模態(tài)函數(shù)的層數(shù)，來觀測信號(hào)每個(gè)分量的特征。由于HHT變換中本征模態(tài)函數(shù)的層數(shù)是根據(jù)信號(hào)特征生成的，故而當(dāng)輸入觀測層數(shù)大于實(shí)際層數(shù)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)彈出提示，而且當(dāng)輸入層數(shù)為0時(shí)，系統(tǒng)將信號(hào)完整的HHT變換結(jié)果呈現(xiàn)出來，在此我們感測第一層本征模態(tài)函數(shù)如圖7左下窗口所示。

另外，系統(tǒng)可以通過設(shè)置信號(hào)廣義解調(diào)分量序號(hào)，提取廣義解調(diào)后的信號(hào)分量進(jìn)行分析。如圖7中，信號(hào)采樣頻率為1 024 Hz，且分解層數(shù)5，故而信號(hào)被分解成25個(gè)分量，每個(gè)分量頻率的跨度=1 024/2×25=16 Hz。而通過逆廣義解調(diào)可以清楚的觀測到信號(hào)的兩個(gè)分量分別存在于70 Hz和90 Hz附近，即在分量5(64～80 Hz)與分量6(80～96 Hz)中。在此觀測分量5得到了滿意的結(jié)果，如圖7右下窗口所示。

4.3 可擴(kuò)展功能實(shí)現(xiàn)

由于該系統(tǒng)是基于MATLAB－GUI開發(fā)的，提供了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能以及良好拓展功能。據(jù)此作者設(shè)計(jì)了如下M文件拓展接口:

［x，y，z］ =functionname(data，con，other1，other2)

x，y，z為系統(tǒng)輸出;data為系統(tǒng)對象，con為約束條件，other1，other2為預(yù)留參數(shù)。用戶通過設(shè)置合理的接口并且通過加載連接算法文件即可實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展功能，在使用過程中應(yīng)能夠動(dòng)態(tài)加載新算法，大大提升了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。

5 結(jié)束語

利用MATLAB－GUI編程環(huán)境，建立了集信號(hào)生成、實(shí)時(shí)采集、多種信號(hào)分析方法和信號(hào)管理于一體的信號(hào)采集和處理系統(tǒng)，可以便捷地從多種角度對信號(hào)進(jìn)行分析。且隨著信號(hào)處理方法的不斷進(jìn)步，可以方便地?cái)U(kuò)展新的功能。具有良好的實(shí)用性、交互性和可擴(kuò)展性。在智能化程度、處理能力、性能價(jià)格比和可操作性等方面有著明顯的優(yōu)勢。

［1］高新聞.智能儀表軟件開發(fā)的自動(dòng)化技術(shù)研究［D］.上海:上海大學(xué).2007:95 －109.

［2］秦輝，席裕庚.基于Matlab－GUI的預(yù)測控制仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2006，18(10):2278 －2281.

［3］李頎，張建軍，李沙沙，等.基于串行通信的MATLAB GUI在壓力傳感器中的標(biāo)定軟件設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)測量與控制，2010，18(7):1680 －1683.

［4］王世香.精通MATLAB接口與編程［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2007.

［5］張曉菲.廣義解調(diào)在復(fù)合時(shí)變信號(hào)處理中的應(yīng)用［D］.武漢:武漢科技大學(xué)，2012:88－95.

Design of Signal Acquisition and Analysis System Based on MATLAB－GUI

ZHANG Shihong，LIU Zhenxing
(School of Information Science and Engineering，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan Hubei430081，China)

In manuy cases of test，monitor and fault dignosis，it is in need of using different time frequency processingmethod to signals according to different demands.The present processingmethod of system signal is rather simple，which is difficult tomeet demands in different conditions.Starting from the time frequency signal acquisition and processingmethod，the overall design schemewas introduced of the system of signal acquisition and processing based on the development environment of graphical user interface(GUI)program ofMATLAB －GUI.Furthermore，the system realizingmethod was presented in three aspects of signal acquisition and generation，processing and analysis and datamanagement.The experimental results indicate that the system runs rapidly and stably，aswell as the signal data are collected and analyzed promptly and accurately.The system provides a good interactive and extensibility，which can be used in the actual signal analysis and simulation experiments.

MATLAB－GUI;Serial communication;Signal acquisition and analysis;Scalability

TP274.2

A

1001－3881(2015)21－113－5

10.3969/j.issn.1001 －3881.2015.21.027

2014－09－18

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 (61174107)

張世弘 (1990—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)楣I(yè)過程控制、電氣傳動(dòng)及電機(jī)故障診斷。E－mail:595932627@qq.com。