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1、第 1 页 共 42 页基于 MATLAB 的测试数据分析系统设计摘要本文详细阐述了基于 MATLAB（GUI）测试数据分析系统的设计过程。分别针对振动检测和机构运动速度检测信号，给出了不同的数据分析和处理方法。介绍了数字信号处理的基本应用和小波分析在信号滤波中的应用；利用 MATLAB 提供的GUI 可视化软件，构建了振动检测和机构运动速度检测数据分析界面；进行了相关的数据处理验证了分析系统的工作性能。关键字：信号处理，小波分析，MATLAB第 2 页 共 42 页The test data analysis based on MATLAB system designAbstractThis
2、 paper elaborates test data analysis system design process based on MATLAB (GUI)., Different methods were given out to analysis and process the vibration testing and the velocity signals. The paper introduces a basic application of digital signal processing and wavelet analysis in signal filtering;
3、Using MATLAB (GUI) which is visualization software, construct the test data analysis of the interface; finally, through the relevant test data processing, verify the analysis system performance.Keywords: signal, wavelet analysis, with MATLAB第 3 页 共 42 页1 1 绪论绪论1.1 论文的研究意义及背景论文的研究意义及背景振动检测和机构运动速度检测是一
4、个重要的研究领域，在工业和军事上的应用尤为重要。振动是一种普遍存在的自然现象，振动包括噪声、冲击、地震等强度随时间变化的物理现象。虽然人们经常利用振动来进行运输、加工和打桩，做一些有益的工作，但更多的是振动往往起着影响机器设备性能和寿命，破坏建筑物的作用1。而掌握机构运动速度的规律，能减轻甚至消除冲击带来的危害，且机构的运动参数测量是确定仪器工作环境条件的重要依据。振动检测和机构运动速度检测在工业和军事中的应用，针对不同性质的信号和干扰寻找最佳的信号处理方法，一直是广泛讨论的重要问题。根据被分析信号的特点和要达到的主要目的，选择最适当的滤波方法，是非常重要的问题2。目前，研究振动问题主要有两种
5、途径：一是通过计算机进行理论分析；二是用试验手段进行测试和分析。对一些复杂的大型结构，单靠现有的振动理论及计算方法来进行分析是不够的。因为一般的理论计算是建立在一定的力学模型及数学模型基础之上的，而对于这些复杂结构，其力学模型及边界条件的简化往往建立在许多假设基础之上，只能是近似的与实际情况相符合，这是理论计算不可避免的一个缺点。因而用试验的方法来解决复杂结构振动问题是不可或缺的3。振动测试中得到的数据在大多数情况下不是真实的振动信号或者说与真实的振动信号之间存在一定的差别，所以未经分析处理、修正，直接采用测试得到振动信号作为结果往往会产生误差，有时甚至会得出错误结论。振动信号处理就是通过一些
6、数学运算方法对振动测试所得的信号进行加工，去伪存真，计算出我们需要了解的内容，以便做进一步的分析研究。振动信号处理关心的是振动信号的表示、变换和运算以及振动信号所包含的信息。数字信号处理是在 20 世纪 60 年代中期，随着数字电子计算机和大规模集成电路技术的不断进步而迅速发展起来的一门新兴学科，数字信号处理的理论、算法及实现手段近年来获得了飞速的发展，它已广泛应用于雷达、通信、声呐、语音、图像、地震、遥感遥测、地质勘探、航空航天、生物医学工程等科学技术的各个领域，并已成为这些领域中的一种重要的现代化工具4。第 4 页 共 42 页目前，数字处理已经发展成为一项成熟的技术，并且在许多应用领域逐
7、步代替了传统的模拟信号处理系统，如通讯、系统控制、电力系统等5。从形式上看，数字滤波有线性滤波和非线性滤波。线性滤波是指卷积滤波，又分为频域滤波和时域滤波，非线性滤波主要指是同态滤波，它是用取对数的方法将非线性问题线性化。现阶段是向多功能、集成化、智能化发展，进行参数和动态测量，是自动化过程控制系统中的重要一环，其主要是微电子与计算机技术。传感器与微计算机结合，形成了进行信号测试的软件系统6。目前信号分析技术的发展目标是：(1)在线实时的能力提高；(2)分辨力和运算精度的提高；(3)扩大和发展新的专用功能；(4)专用机构小型化，性能标准化，价格低廉。数字信号处理是利用计算机或通用(专用)的信号
8、处理设备,用数字的数值计算方法对信号进行变换、滤波、压缩、增强、估计、识别等处理,以达到提取有用信息便于应用的目的。目前数字信号处理技术已广泛应用于通信、电子信息、雷达、遥感、生物医学工程等多个领域。数字信号处理课程也成为通信类、电子类等专业的基础课程。由于数字信号处理的理论性和实践性都很强,内容多、概念抽象、设计复杂、枯燥、难理解掌握，因此,要求应用者有较强的数学基础和一定的计算机编程能力。MATLAB是美国Mathworks公司推出的一套高性能的科学计算软件,它集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体,具有使用方便、编程效率高、界面友好等特点。更重要的是MATLAB 除主包外,还包含
9、许多功能各异的工具箱( Toolbox) ,这些工具箱用于解决各个领域的特定问题,如通讯、控制系统、神经网络、信号处理、图像处理等。MATLAB信号处理工具箱( signal p rocessing toolbox)包含了许多由信号处理领域的权威专家编写的函数,这些函数可供直接调用,使编程变得非常简单7。因此,在理解掌握数字信号处理的基本概念、基本理论与基本分析方法的前提上,运用MATLAB科学计算工具来进行信号处理与分析，将不失为一种事半功倍的途径。1.2 国内外发展现状国内外发展现状近 30 多年来，振动信号处理经历了从模拟信号的人工分析到数字信号的计算机处理的演变过程，振动信号的处理分析
10、无论在理论基础还是在技术上都发展得很快。特别是在计算机技术迅猛发展的今天，价格低廉的普通个人电脑加一台作为电脑外设的数据采集仪不但完全取代了过去繁重的模拟信号人工测试分析工作，第 5 页 共 42 页而且基本淘汰了价格昂贵的专用振动信号处理设备。50 年代以前，信号分析技术主要是模拟分析方法，进入 50 年代，大型通用数字计算机在信号分析中有了实际应用。进入 60 年代，人造卫星、宇航探测及通信、雷达技术的发展，对信号分析的速度、分辨能力提出了更高的要求。国内外大型的动态信号测试与分析软件，尤其是模态分析软件发展迅速。MATLAB 是美国 MathWorks 公司开发的大型科学计算应用软件系统
11、，它提供了强大的数值计算、矩阵处理和绘图功能。MATLAB 系统简单实用，可信度高，灵活性好，目前已经成为国际市场上科学研究和工程应用方面的主导软件。MATLAB 提供给用户的是一种最简洁、最直观的程序开发环境。用 MATLAB 编写程序犹如在演算纸上排列出共识与求解问题，所以 MATLAB 的编程语言又被称为演算纸式的科学算法语言。在 MATLAB 强大的计算功能基础上，丹麦 B当返回值不止一个时,返回变量列表中的各个变量要以逗号隔开。(2)第一注释行(The first help text line)。它以%开头。包括大写体的函第 12 页 共 42 页数文件名和函数功能的简要描述。(3)
12、帮助文本区（Help text） 。为注释说明语句段,同样由%引导。它通常包括:函数输入、输出变量的含义,调用格式说明等信息。(4)函数体语句(Function body)。它接收输入变量,进行程序流控制,得到输出变量。函数体中也可以包含注释语句,而且可以出现在函数体的任何地方。它是实现函数功能的部分。函数体包括函数调用、程序流程控制、输入、输出、赋值、计算等语句。若仅从运算角度来看,唯有“函数声明行”和“函数体”两部分是构成 M 函数文件所必不可少的。为了进入MATLAB中的M文件的编辑器与编译器，可以选择MATLAB主菜单中的New子菜单，然后选择下一级子菜单中的M-file子菜单，就进入
13、M文件编辑器、编译器。然后，就可以在编辑窗口书写M文件了。同时，也可以像一般的程序设计语言一样，对M文件进行方便地调试、运行。3.3 GUI 简介简介图形用户界面（Graphical User Interface，简称 GUI，又称图形用户接口）是指采用图形方式显示的计算机操作用户界面。与早期计算机使用的命令行界面相比，图形界面对于用户来说在视觉上更易于接受。随着计算机技术的飞速发展，人与计算机之间的通信方式也发生了深刻变化。如 Windows 是以图形界面方式操作的，因为你可以用鼠标来点击按钮来进行操作，很直观。而 DOS 就不具备GUI，所以他只能输入命令。DOS 的这种界面叫 CUI (
14、Command line User Interface ) 命令行模式的人机接口。从传统的命令行通信方式（如 DOS 系统）演变成了图形界面下的交互通信方式（如 Windows 系统）。在图形用户界面（GUI）下，用户可以通过鼠标等输入设备与计算机进行信息的交流，选择欲运行的计算机程序，并控制程序的运行。现在，绝大部分应用程序（如 Microsoft Word）都是在图形用户界面（GUI）下运行的，并且绝大部分的程序设计工具（如Visual BASIC、Visual C+）都可以进行图形用户界面（GUI）的设计与开发工作。图形用户界面（GUI）是包括窗口、图标、菜单、工具条等的用户界面17。用
15、户可以用鼠标等点击设备去选择或激活这些对象，以引起动作或发生变化。GUI 是一种结合计算机科学、美学、心理学、行为学，及各商业领域需求分析的人机系统工程，强调人机环境三者作为一个系统进行总体设计。MATLAB第 13 页 共 42 页作为强大的科学计算软件，也提供了图形用户界面的设计与开发功能。MATLAB 中的基本图形用户界面对象分为三类：用户界面控件对象（uicontrol）、下拉式菜单对象（uimenu）和内容是菜单对象（uicontextmenu）。其中，uicontrol 对象能建立按钮、列表框、编辑框等图形用户界面对象，uimenu 能建立下拉式菜单和子菜单等图形用户界面对象，ui
16、contextmenu 能建立内容式菜单用户界面对象（类似于 Visual C+等程序设计软件中的弹出式菜单）。利用上述对象，进行周密的组织、设计，就可以设计出一个界面良好，操作简便，功能强大的图形用户界面。句柄图形的基本思想是：MATLAB 的每一个可是部分都被视为一个对象，其中每个对象都有一个唯一的标识符（也称为句柄）与之对应，并且每个对象都包含用户可以修改的一组属性。这里的对象指构成一个统一整体的一组密切相关的数据和函数。在 MATLAB 中，一个图形对象就是一个被单独处理的独立单元。MATLAB 中所有的绘图和图形函数都可以用来创建图形对象。图 3-1 给出了各图形对象之间放入包含和隶属关系：根 （计算机屏幕）图形坐标轴UI对象控件按钮组菜单上下文菜单工具条容器表格面板树控件菜单菜单切换按钮下压按钮树节点绘制图像组对象注释对象图像内核对象光照线碎片矩形表面注释坐标轴 （隐藏）文本图 3.1 各图形对象之间放入包含和隶属关系从上面的分级图可以看出，由图形命令产生的每一个对象都是图形对象。图形对象不仅包括 uimenu,uico
