基于LabVIEW的抛物线内插设计说明Word文档下载推荐.docx
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吴星刚
课程设计时间：
2012年12月10日—2012年12月23日
基于LabVIEW的抛物线信号插设计
亚雄航空航天大学自动化学院
摘要：
本次课程设计主要是通过对LabVIEW软件的使用和调试，设计一个基于抛物线信号插设计，以此来实现对抛物线采样信号插恢复显示。
程序设计的思路是从信号序列开始处取三个采样点组成一个插值数组进行等距离插，且仅仅在第一个点和第二个点之间插。
由于是等距离插，因此插值的每个点的时间很容易算出，然后利用公式计算插值点处的值。
如此反复计算，直至最终采样点结束。
该设计主要进行抛物线信号的插恢复，也可以应用到其他信号的恢复当中，设计简单，操作方便。
关键字：
LabVIEW；
采样；
抛物线插；
恢复显示
0.前言
虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。
灵活高效的软件能帮助您创建完全自定义的用户界面，模块化的硬件能方便地提供全方位的系统集成，标准的软硬件平台能满足对同步和定时应用的需求。
虚拟仪器技术反映了当前测量技术的发展方向：
涉及面广，包括数学、物理、电工电子技术、计算机软硬件、信号处理及相关专业的测试技术。
测试的目的是感知某种事物或者现象，而这种事物或者现象可以用某些信息来表征。
构建一个测试系统，首先要做的就是全面了解和仔细分析被测信号及测试环境，然后根据被测信号特征建立测试模型，确定测试方案。
对被测信号了解得不够，就会影响到测试的每一个环节，包括仪器、数据采集卡的选型、信号处理方式、数据分析方法等。
信号是人们认识客观物质运动的在规律、研究各个物理量之间的相互关系、预测未来变化趋势的重要依据，因此必须透彻地了解所研究信号的各种属性，对信号有一个清楚全面的认识，这也是本节的目的。
测试结果通常需要与测试人员或用户进行交互，即测试人员应能及时了解当前的测试结果。
这种交互最直接的方式是将测试原始数据以波形的方式显示出来，供测试人员观察。
因此，如何把测试得到的实时数据或者存储在存储器中的数据显示在屏幕上，是测试中的一项重要任务。
本文紧扣工程实践，依托LabVIEW平台环境，详细地阐述并实现对抛物线采样信号的插恢复显示，为对相关方面的应用提供理论依据和基础参照。
1.总体方案设计
本文中，主要利用LabVIEW的数据采集系统的方便的函数信号处理能力，实现利用对抛物线采样信号的插恢复显示功能。
首先对仿真抛物线信号进行采样，然后利用抛物线插法对采样信号进行插，通过总VI与子VI的，显示原始采样信号及插值后曲线。
总体的流程图如图1所示：
仿真抛物线信号
原始采样波形
插值复原波形
抛物线内插方式恢复显示
插入点数间隔
图1总体流程框图
1.1抛物线信号恢复显示原理
整个电路的工作原理是首先设计一个信号恢复系统，信号恢复系统运用抛物线插显示的方式。
抛物线插值的基本原理是用一条通过三个已知信号点的抛物线来表示信号的函数关系，然后从抛物线上等距离取值插入相应的位置，构成新的插值序列，接着再用直线将新的插值序列连接起来。
这样得到的波形就平滑多了，也更接近真实信号。
抛物线的数学表达式为：
（1）
上式是一个二次方程，因此抛物线插值又称二次插值。
抛物线通过三个已知点
，
和
，即满足条件：
（2）
令
，则
，
；
。
这样，
含有
、
两个因子，令
，利用
确定其中的系数
，得“
（3）
类似地可以得出（4）
（5）
于是
（6）
称为以
为结点的插值基函数，
称为插值数组。
整体程序流程图如图2所示：
图2整体程序流程图
2.LabVIEW下的程序设计
在LabVIEW中，有两处地方可用来生成模拟信号，一是SignalGeneration模板，二是WaveformGeneration模板。
SignalGeneration模板按照图3中（a）→（b）→（c）→（d）的顺序进入，WaveformGeneration模板按照图3中（a）→（b）→（e）的顺序进入。
（b）Analyze模板
（a）Functions选项板
（c）SignalProcessing模板
（d）SignalGeneration模板
（e）WaveformGeneration模板
图3信号生成模板
SingalGeneration模板和WaveformGeneration模板的功能小异，生成的信号类型差不多，主要区别是WaveformGeneration模板包含了信号的时间信息，波形是时间的函数；
而SingleGeneration模板则不包括。
WaveformGeneration模板中个模块参数设置更为灵活，功能更强大，其中的许多模块是在SignalGeneration模板的基础上进一步开发的。
由于并没有专门的仿真抛物线信号发生器，所以采用公式函数信号发生器如图4，.通过输入抛物线公式来实现仿真抛物线信号的产生。
图4公式函数信号发生器
2.1软件层次设计
在本次课设中，由于整体的程序框图比较复杂，并不能用单个屏幕进行显示，所以这里采用子VI的形式。
通过总VI对子VI的调度，从而实现程序册各方面应用。
LabVIEW中的子VI相当于文本编程语言中的函数、过程和子程序，就是可以被其他的VI调用的VI。
可以将任何一个定义了图标和连接器的VI作为另一个VI的子VI进行调用。
调用的方法是在框图窗口打开时，选择Functions模板Functions→AllFunctions→SelectaVI…，然后在弹出的“ChoosetheVItoopen；
”对话框中定位所要调用的子VI，将其双击打开后，就可以与LabVIEW置VI和函数一样放在框图上。
2.2程序框图的设计
子VI主要是二阶抛物线插恢复显示系统，实现的主要方式是，从信号序列开始处取三个采样点组成一个插值数组进行等距离插，且仅仅在第一个点和第二个点之间插。
由于是等距离插，因此插值的每个点的时间很容易算出，然后利用公式（6）计算出插值点处的值，如图5所示。
一个插值数组处的插完成后，将所有的插值连同插值数组第一个值一起放入插值序列中。
接下来去掉插值数组中第一个采样点，加入一个新采样点组成一个新的插值数组继续插值，直至最终采样点结束。
图5抛物线插值算法实现过程
图6子VI前面板
总VI由于将插过程做成了子程序，因此程序框图相当简单，它包括波形采样、插和显示三个步骤。
如图7、8所示，是总VI的前、后面板。
图7总VI前面板
图8总VI后面板
3.调试及结果分析
3.1运行检验
基于上述设计的方案，对实验的整体程序进行验证，首先更改公式函数信号发生器的公式输入端，使产生一个相对完整的仿真抛物线波形，如图9所示。
键入合适的采样信号频率、采样信息和插入点数，运行该后可以观察原始采样波形和抛物线插后的波形，如图10所示。
从图中可以看出插后的抛物线比原始波形平滑的多，达到了课程设计的要求。
图9原始采样波形
图10整体程序验证
3.2调试分析
整个实验调试过程中出现了很多问题，由于时间过长，对于LabVIEW的软件已经不太熟悉，所以在应用其函数时找不到其准确的位置，，于是通过LabVIEW中的帮助，教材上的讲解和老师同学的指导，一点点的修改最后搭成了完整的回路。
另外在子VI中，由于算法的连接中x的值均采用整数进行循坏所以可能有些微的不够尽善尽美，相信通过继续的学习可以解决这个技术难题！
4.结论及进一步设想
本设计实现了对抛物线采样信号的插恢复显示，对仿真抛物线信号进行采
样，对采样信号进行插，显示原始采样信号及插值后曲线。
与此同时，本设计也存在着很大的设计空间，如还可以实现多种其他信号的恢复显示功能，有很高的研究价值。
参考文献
[1]乐平.虚拟仪器设计概论.：
电子工业，2003.
[2]文虎.虚拟现实基础及可视化设计.：
化学工业，2009.
[3]毅.虚拟仪器技术分析与应用.：
清华大学，2005.
[4]侯国屏.LabVIEW7.1编程与虚拟仪器设计.：
机械工业，2004.
[5]徐涛、宋崎、胡立夫.虚拟仪器技术实验指导书..航空航天大学，2010.
[6]戴鹏飞.测试工程与LabVIEW应用..电子工业，2006.
课设体会
两周的虚拟仪器课设已经结束，在这两周中，通过指导老师吴星刚老师的辅导和同学的帮助，基本上达到了课设题目的要求，这让我倍感欣慰，首先在这里感我的老师和同学，没有你们的帮助，我想我的课设将难上加难。
课设并没有我想象的那么容易，从借阅辅导书，到复习虚拟仪器的知识，再到开始动手进行实践，设计LabVIEW程序，每一步都让我体验的困难的滋味，这不仅仅是一次编写程序的过程，更是思维、想法的磨练。
每次碰到难题，参考教辅，思考问题，寻求帮助，整个过程让人异常疲惫。
幸不辱命，完成了整个课设的过程，现在任何疲惫都不能影响我心的欣喜。
通过这次课设，把之前并不是很熟悉的虚拟仪器知识重拾起来，理论知识很难理解，但此次实践过后，发现其实所学的知识并不如想象的那么难懂。
让我懂得了实践与理论结合的好处，并充分掌握了LabVIEW的基本操作和应用，这对未来的学习和工作都有不可估量的益处和帮助。
同时，在程序运行成功时会不由自主地去想象这些程序都能应用到哪些生活实际中去，这为以后工作中的实际应用埋下了一个很好的开端！
附录基于LabVIEW的抛物线信号插设计
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