王 冠

（1.中國(guó)特種飛行器研究所 荊門(mén) 448035）（2.高速水動(dòng)力航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 荊門(mén) 448035）

1 引言

目前，依托中國(guó)特種飛行器研究所的高速水動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室，擁有國(guó)內(nèi)最長(zhǎng)的拖曳水池。其主要規(guī)模為長(zhǎng)510m，寬6.5m，池深6.8m，水深5.0m，是國(guó)內(nèi)主要的船模水池試驗(yàn)水池，尤其是高速拖曳試驗(yàn)主要場(chǎng)地。船模水池試驗(yàn)內(nèi)容豐富，工況復(fù)雜，并且由于池體長(zhǎng)度可以滿(mǎn)足一趟車(chē)運(yùn)行多個(gè)速度，所得的各項(xiàng)數(shù)據(jù)眾多，現(xiàn)有的數(shù)據(jù)處理軟件處理過(guò)程繁瑣，效率低下，難以滿(mǎn)足快速獲得試驗(yàn)結(jié)果的需求。針對(duì)以上問(wèn)題，田新亮［1］基于Visual Studio2005平臺(tái)，采用混合編程技術(shù)，以C++為主要設(shè)計(jì)語(yǔ)言，調(diào)用Fortran語(yǔ)言編譯生成的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)函數(shù)，開(kāi)發(fā)了海洋工程水動(dòng)力學(xué)模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理程序。陳宗煌［2］基于Matlab平臺(tái)，以低通濾波及EMD為程序內(nèi)核，將FFT-FS頻譜細(xì)化技術(shù)作為輔助的分析工具，開(kāi)發(fā)了船舶耐波性試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)。

本文基于LabVIEW和OriginPro平臺(tái)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)處理需求，開(kāi)發(fā)了數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，系統(tǒng)集成了OriginPro軟件自帶的FFT濾波器和LabVIEW提供的三種濾波器，并包含試驗(yàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與分析所需的各種功能，使用范圍廣，數(shù)據(jù)處理高效。系統(tǒng)科學(xué)組織程序結(jié)構(gòu)，合理布置程序界面，能極大提高實(shí)驗(yàn)室的工作效率。

2 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

2.1 系統(tǒng)需求分析

作為全國(guó)最長(zhǎng)的拖曳水池，高速水動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室不僅承擔(dān)著國(guó)家水上飛行器預(yù)研課題項(xiàng)目，同時(shí)還從事船舶、潛艇和水下拖體等眾多試驗(yàn)項(xiàng)目。試驗(yàn)種類(lèi)以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)的繁多對(duì)數(shù)據(jù)分析處理提出了更高的要求。

1）船舶模型靜水試驗(yàn)。該試驗(yàn)雖然使用的傳感器不多，但是試驗(yàn)工況及速度點(diǎn)比較多，需要快速獲得各通道不同速度穩(wěn)速段的平均值，并且作出各通道在不同速度點(diǎn)下的變化曲線，通過(guò)分析曲線趨勢(shì)判斷船舶性能并作為選取下一個(gè)試驗(yàn)狀態(tài)的依據(jù)。

2）船舶模型規(guī)則波試驗(yàn)［3］。該試驗(yàn)通常需要獲得各通道穩(wěn)速段的平均值以及平均幅值，并需要作出各通道頻譜曲線以及不同波長(zhǎng)下相關(guān)通道平均幅值的變化曲線。

3）船舶模型不規(guī)則波試驗(yàn)。該試驗(yàn)通常需要統(tǒng)計(jì)各通道穩(wěn)速段的平均值以及三一幅值，并需要作出不同波長(zhǎng)下相關(guān)通道三一幅值的變化曲線。

4）船舶模型砰擊試驗(yàn)。文獻(xiàn)［4］中介紹了，該試驗(yàn)通常需要獲得模型受到砰擊時(shí)過(guò)載傳感器和底部壓力傳感器的峰值。但由于試驗(yàn)狀態(tài)的不同以及水上試驗(yàn)的特殊性，各傳感器每次試驗(yàn)后的初始值不能保持不變，所以需要通過(guò)瞬間極值［5］減去初始值來(lái)獲得實(shí)際峰值（變化值）。

針對(duì)以上各試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理需求以及各試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集器存儲(chǔ)數(shù)據(jù)類(lèi)型的不同，本系統(tǒng)需要具備以下功能。

1）系統(tǒng)能夠讀取不同的數(shù)據(jù)類(lèi)型并能將其他數(shù)據(jù)類(lèi)型轉(zhuǎn)換成*.txt格式；

2）系統(tǒng)具備分段處理功能，并可以將各通道統(tǒng)計(jì)值快速粘貼到EXCEL表格中；

3）系統(tǒng)具備多種數(shù)據(jù)濾波器選擇功能，并且濾波結(jié)果能夠被業(yè)界認(rèn)同；

4）系統(tǒng)能夠顯示各通道數(shù)據(jù)時(shí)歷曲線，并能夠局部放大縮小和更改曲線顏色；

5）系統(tǒng)能夠快速計(jì)算瞬間變化值；

6）具備通道選擇顯示功能，包括通道全選和反選功能。

2.2 開(kāi)發(fā)平臺(tái)

本系統(tǒng)基于LabVIEW和OriginPro開(kāi)發(fā)。Lab-VIEW是虛擬儀器概念的開(kāi)創(chuàng)者，是由國(guó)家儀器公司為設(shè)計(jì)虛擬儀器而開(kāi)發(fā)的程序開(kāi)發(fā)軟件，是一個(gè)通用的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，囊括了幾乎所有經(jīng)典的信號(hào)處理功能和大量現(xiàn)代先進(jìn)的信號(hào)分析工具，具有編程簡(jiǎn)單方便界面形象直觀和縮短開(kāi)發(fā)周期等特點(diǎn)，其由兩部分組成：前面板程序和后面板程序（框圖面板程序）［6～8］。OriginPro是一個(gè)專(zhuān)業(yè)的繪圖和數(shù)據(jù)分析軟件，它被公認(rèn)為一種簡(jiǎn)單、易學(xué)、靈活、強(qiáng)大的圖形可視化和數(shù)據(jù)分析軟件，可以滿(mǎn)足普通用戶(hù)的需求。它還可以滿(mǎn)足先進(jìn)的用戶(hù)數(shù)據(jù)分析和功能擬合的需要，是工程師和科學(xué)研究人員常用的高級(jí)數(shù)據(jù)分析和繪圖工具之一［9］。

文章所用的程序環(huán)境為L(zhǎng)abVIEW 2015，OriginPro 8.0 SR3。其中，OriginPro 8.0 SR3所提供的VI能夠在LabVIEW 7.0及以上的版本中運(yùn)行，其提供的FFTFiltering.opj工程文件可以在OriginPro 8.0 SR3及以上版本中運(yùn)行。

2.3 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以事件驅(qū)動(dòng)技術(shù)為核心［8］根據(jù)數(shù)據(jù)處理的需要，采用快捷方便的鼠標(biāo)點(diǎn)擊操作和友好的人機(jī)界面對(duì)話(huà)框彈出窗口。其主控界面如圖1所示，主要包括數(shù)據(jù)導(dǎo)入模塊，數(shù)據(jù)圖形顯示模塊、統(tǒng)計(jì)值計(jì)算顯示模塊、數(shù)據(jù)處理方式選擇模塊及輔助功能模塊。

圖1 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)主控界面

1）數(shù)據(jù)導(dǎo)入模塊。該模塊可以到導(dǎo)入TDMS、TXT和EXCEL格式數(shù)據(jù)，既可以選擇根據(jù)文件命名規(guī)則或后綴名自動(dòng)選擇數(shù)據(jù)讀取函數(shù)也可以手動(dòng)選擇；

2）數(shù)據(jù)圖形顯示模塊。該模塊能夠以不同的顏色顯示多條時(shí)歷曲線，并能夠?qū)η€進(jìn)行局部放大縮小和曲線顏色設(shè)置等操作，同時(shí)可以將曲線圖像導(dǎo)出；

3）統(tǒng)計(jì)值計(jì)算顯示模塊。該模塊提供通道選擇、統(tǒng)計(jì)值顯示、數(shù)據(jù)平移和變化值計(jì)算等功能，統(tǒng)計(jì)值包括平均值，最大和極最小值，峰峰值，三一有義值和頻率；

4）數(shù)據(jù)處理方式選擇模塊。提供濾波器選擇、濾波參數(shù)設(shè)置、采樣頻率顯示（僅TDMS格式數(shù)據(jù)可用）和頻譜分析等功能，濾波器的參數(shù)包括濾波器類(lèi)型、高通和低通截止頻率、階數(shù)、車(chē)速和波長(zhǎng)（計(jì)算遭遇頻率）等。此外，考慮到部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)列數(shù)過(guò)多，單次處理耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)等問(wèn)題，提供數(shù)據(jù)分批處理功能；

5）輔助功能模塊。提供游標(biāo)居中、濾波數(shù)據(jù)保存、濾波列數(shù)選擇、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換和關(guān)閉軟件等功能。在系統(tǒng)中，對(duì)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換后的文件保存方式進(jìn)行了約定，即保存在原始數(shù)據(jù)文件同一目錄下，濾波數(shù)據(jù)保存格式統(tǒng)一為T(mén)XT格式。

3 本系統(tǒng)創(chuàng)新點(diǎn)

3.1 調(diào)用OriginPro的FFT濾波器

LabVIEW 自 帶 ButterWorth Filter、Chebyshev Filter和Bessel Filter，不同濾波器有不同的特點(diǎn)［10］。巴特沃思濾波器的特點(diǎn)是在通頻帶內(nèi)有最大的和平坦的響應(yīng)曲線，沒(méi)有波動(dòng)，而阻頻帶則逐漸減小到零。切比雪夫?yàn)V波器在過(guò)渡帶衰減快于巴特沃斯濾波器，但頻率響應(yīng)的幅頻特性不如巴特沃斯濾波器它平坦。切比雪夫?yàn)V波器的頻率響應(yīng)曲線與理想濾波器的誤差最小，但通頻帶內(nèi)存在幅度波動(dòng)。貝塞爾濾波器的幅度和相位響應(yīng)最平坦，帶通的相位響應(yīng)（通常為用戶(hù)關(guān)注區(qū)域）幾乎是線性的。

同時(shí)為了兼顧不同數(shù)據(jù)處理的需求以及濾波器的行業(yè)使用率，系統(tǒng)還提供OriginPro的FFT Filter。通過(guò)使用ActiveX技術(shù)可以調(diào)用OriginPro的FFT Filter，因?yàn)镺riginPro提供的VI本質(zhì)上是對(duì)OriginPro的ActiveX組件的封裝，在LabVIEW中調(diào)用這些VI其實(shí)就是調(diào)用其內(nèi)部的ActiveX組件［11］。程序設(shè)計(jì)的步驟為：首先將OriginPro提供的庫(kù)文件放入到LabVIEW安裝目錄下相應(yīng)版本號(hào)的user.lib文件夾內(nèi)，即可在程序框圖的函數(shù)庫(kù)里的文件庫(kù)里調(diào)用所有的函數(shù)vi；其次確認(rèn)OriginPro提供的工程文件FFTFiltering.opj放在OriginPro安裝目錄下的Automation Server文件夾內(nèi)；最后設(shè)計(jì)FFT Filter子vi：1）使用 OA_OpenNewOrigin.vi在后臺(tái)打開(kāi) Origin程序；2）使用 OA_AddOriginPath.vi導(dǎo)入 FFTFiltering.opj路徑；3）使用OA_Load.vi加載上一步路徑文件，使用OAPutWorksheet.vi分別導(dǎo)入時(shí)間列和數(shù)據(jù)列；4）使用OARun.vi運(yùn)行FFTFiltering.opj文件程序完成濾波；5）使用OAGetWorksheet.vi輸出濾波后的數(shù)據(jù)；6）使用屬性節(jié)點(diǎn)退出程序。此外，為了保證每次執(zhí)行FFT濾波器前電腦未運(yùn)行OriginPro軟件并節(jié)省電腦內(nèi)存資源，每次濾波完成后，采用獲取進(jìn)程目錄子vi判斷是否有OriginPro進(jìn)程正在運(yùn)行，若有，則運(yùn)行執(zhí)行系統(tǒng)命令結(jié)束該進(jìn)程。函數(shù)整個(gè)過(guò)程的程序框圖如圖2所示。

圖2 FFT Filter子VI程序框圖

3.2 快速輸出EXCEL功能

目前，常規(guī)的數(shù)據(jù)分析軟件只能夠計(jì)算單列數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)值，或者雖然各單位自行開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)分析軟件能夠同步計(jì)算多通道數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)值，但將各統(tǒng)計(jì)值記錄到EXCEL表格中時(shí)仍然只能一個(gè)個(gè)輸入或復(fù)制粘貼到表格中。這種統(tǒng)計(jì)值記錄到表格的速度完全不能滿(mǎn)足數(shù)據(jù)列數(shù)和速度點(diǎn)多的試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理需求。

針對(duì)上述情況，本系統(tǒng)通過(guò)for循環(huán)和移位寄存器將所有的統(tǒng)計(jì)值組成的一維數(shù)組轉(zhuǎn)換成單個(gè)字符串類(lèi)型，并且使用字符串拼接的方式在每個(gè)統(tǒng)計(jì)值字符串后插入制表符，實(shí)現(xiàn)了多通道統(tǒng)計(jì)值可以通過(guò)Ctrl+C和Ctrl+V的快捷鍵一次復(fù)制粘貼到表格中，極大提高了數(shù)據(jù)處理效率。該子VI程序框圖如圖3所示。

圖3 字符串轉(zhuǎn)換子VI程序框圖

3.3 變化值計(jì)算功能

針對(duì)砰擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理需求，本系統(tǒng)提出變化值計(jì)算功能。其實(shí)現(xiàn)原理為：首先，將兩個(gè)游標(biāo)移到砰擊前的平穩(wěn)數(shù)據(jù)，取值存到局部變量，再移動(dòng)兩個(gè)游標(biāo)保證砰擊時(shí)的極值點(diǎn)在兩游標(biāo)之間，取值存到另一個(gè)局部變量中，最后計(jì)算兩個(gè)值的差值并顯示。同時(shí)，為了保證所有操作有效，通過(guò)文本屬性更改布爾控件上的文本來(lái)顯示操作是否成功。其過(guò)程為：在兩次取值時(shí)，如果取值成功，取值按鈕上的文本變?yōu)椤叭≈低瓿伞保谟?jì)算差值時(shí)，如果計(jì)算成功，則取值按鈕上的文本內(nèi)容恢復(fù)到取值前的狀態(tài)。

3.4 波浪遭遇頻率計(jì)算

在進(jìn)行耐波性試驗(yàn)［12］時(shí)，通常需要對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)采取濾波處理，比較常用的是低通濾波器，而遭遇頻率則是低通濾波頻率選擇的重要依據(jù)之一。根據(jù)實(shí)際使用需求，系統(tǒng)的低截止頻率采用條件結(jié)構(gòu)函數(shù)自動(dòng)選擇兩種方式輸入：一是直接輸入法，即將截止頻率直接輸入到相應(yīng)控件中；二是遭遇頻率倍數(shù)輸入法，即保證上一方法的控件值為零，輸入車(chē)速、波長(zhǎng)和濾波倍數(shù)，最終以遭遇頻率乘以濾波倍數(shù)作為濾波頻率。遭遇頻率的計(jì)算公式如下：

式中：f為遭遇頻率（Hz）；g為重力加速度（m/s2）；υ為拖車(chē)速度（m/s）；λ為波長(zhǎng)（m）

根據(jù)式（1），采用公式節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)程序，其程序框圖如圖4所示。

圖4 波浪遭遇頻率計(jì)算程序框圖

4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理過(guò)程

4.1 系統(tǒng)程序運(yùn)行流程

程序整體流程圖如圖5所示。

圖5 程序整體流程圖

第一步：數(shù)據(jù)處理時(shí)，數(shù)據(jù)以文本文件讀入；第二步：數(shù)據(jù)導(dǎo)人后，有兩種并行選擇：一是進(jìn)行濾波處理，輸入濾波參數(shù)，點(diǎn)擊確認(rèn)按鈕，濾波完成指示燈亮后表明濾波完成，此時(shí)可以選擇是否保存濾波后的數(shù)據(jù)或進(jìn)行其他操作。二是不進(jìn)行濾波處理。第三步：在以上數(shù)據(jù)處理完成后，通過(guò)移動(dòng)兩個(gè)游標(biāo)，會(huì)顯示各個(gè)通道兩游標(biāo)之間的數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)值。第四步：當(dāng)全部處理完成后，各通道數(shù)據(jù)繪成曲線顯示在波形圖上，同時(shí)可以有選擇的顯示多條曲線。

4.2 數(shù)據(jù)處理實(shí)例

圖6給出了某船模在規(guī)則波試驗(yàn)中模型中部垂蕩測(cè)量數(shù)據(jù)曲線，濾波頻率均為1.5倍的遭遇頻率。表1中給出了采用本系統(tǒng)進(jìn)行不同濾波方法的雙幅值平均值、最大值和最小值的結(jié)果，處理結(jié)果表明該系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)快速準(zhǔn)確，并能夠快速的將多個(gè)統(tǒng)計(jì)值粘貼到EXCEL表格中。從表1可以看出，未進(jìn)行濾波處理的統(tǒng)計(jì)結(jié)果和濾波后的統(tǒng)計(jì)結(jié)果具有較大的差異，并且不同的濾波器在同樣的濾波頻率下統(tǒng)計(jì)結(jié)果也有較小的差異，因此為確保分析精度，對(duì)測(cè)量信號(hào)選擇不同的濾波處理方法是必要的。

表1 本系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)值處理結(jié)果

圖6 舯垂原始數(shù)據(jù)及濾波曲線

表2給出了在不同通道數(shù)和速度個(gè)數(shù)下，采用本系統(tǒng)將平均值記錄到EXCEL表格中所需要的次數(shù)。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，記錄次數(shù)與速度個(gè)數(shù)成正比關(guān)系，通道數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)記錄次數(shù)無(wú)影響，通道數(shù)多更能體現(xiàn)本系統(tǒng)在數(shù)據(jù)處理效率上的優(yōu)勢(shì)。

表2 本系統(tǒng)數(shù)據(jù)記錄次數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于LabVIEW平臺(tái)開(kāi)發(fā)了船模水池?cái)?shù)據(jù)處理系統(tǒng)，針對(duì)現(xiàn)有數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)操作復(fù)雜、工作效率低和處理方法單一等問(wèn)題，采用ActiveX技術(shù)和數(shù)值類(lèi)型轉(zhuǎn)換等方法，極大程度上改善了上述問(wèn)題。

系統(tǒng)根據(jù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際情況開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，已用于實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際工作中，效果良好。隨著實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目數(shù)據(jù)處理需求的增多，本系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提高了實(shí)驗(yàn)的工作效率，促進(jìn)了實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展，提升了實(shí)驗(yàn)室的競(jìng)爭(zhēng)力。同時(shí)，加入更豐富的數(shù)據(jù)處理方法以滿(mǎn)足更多的數(shù)據(jù)處理需求，將是下一步的研究方向。