專利名稱：一體化框架波變換分析儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種測試和分析儀器，特別涉及一種一體化框架波變換分析儀。
背景技術(shù)：
正如快速傅里葉變換(FFT)分析儀的出現(xiàn)對于科學實驗和工程應(yīng)用具有劃時代貢獻一樣，開發(fā)小波變換分析儀具有重大的學術(shù)和應(yīng)用價值。重慶大學測試中心與20世紀九十年代末開發(fā)了首臺填補國內(nèi)外空白的虛擬式小波變換分析儀，但該儀器的功能相對簡單，集成性和便攜性也較差，因此它無法滿足在機械工程領(lǐng)域復雜環(huán)境下對信號分析的高級要求。此外，國內(nèi)外還針對不同的分析需求開發(fā)了各種的小波分析軟件，但他們均未能形成一臺完整的可供實際使用的測試儀器。因此需要一種能應(yīng)用在科學實驗和工程現(xiàn)場的便于攜帶的并且適合非線性非平穩(wěn)信號的機械振動信號的測試和分析的虛擬式小波變換分析儀。

實用新型內(nèi)容有鑒于此，本實用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種能應(yīng)用在科學實驗和工程現(xiàn)場的便于攜帶的虛擬式小波變換分析儀；該儀器結(jié)合虛擬儀器技術(shù)和一體化儀器技術(shù)， 彌補了現(xiàn)有小波變換分析儀的缺點，特別是適合非線性非平穩(wěn)信號的機械振動信號的測試和分析。本實用新型是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的本實用新型提供的一體化框架波變換分析儀，包括信號采集模塊和信號調(diào)理模塊、嵌入式系統(tǒng)；所述信號采集模塊，用于采集模擬信號和將模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號；所述信號調(diào)理模塊，用于分別將采集的模擬信號和獲得的數(shù)字信號進行信號調(diào)理；所述嵌入式系統(tǒng)，用于實現(xiàn)數(shù)字信號的框架波變換。進一步，所述信號采集模塊包括傳感器和數(shù)據(jù)采集卡，所述傳感器，用于采集模擬信號；所述數(shù)據(jù)采集卡，用于將濾除高頻干擾信號的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號；進一步，所述信號調(diào)理模塊包括模擬信號調(diào)理模塊和數(shù)字信號調(diào)理模塊，所述模擬信號調(diào)理模塊包括放大器和濾波器，所述放大器，用于對傳感器輸出的數(shù)據(jù)信號進行放大；所述濾波器，用于濾除高頻干擾信號；所述數(shù)字信號調(diào)理模塊包括數(shù)字信號處理器，所述數(shù)字信號處理器，用于將數(shù)字信號進行濾波后將其傳輸進嵌入式系統(tǒng)；進一步，所述嵌入式系統(tǒng)設(shè)置有用于實現(xiàn)框架波變換功能的虛擬儀器模塊；進一步，所述虛擬儀器模塊包括數(shù)據(jù)采集模塊、文件管理模塊、小波變換模塊、小波分析模塊和高級分析模塊；所述數(shù)據(jù)采集模塊用于存儲初始化狀態(tài)的設(shè)置參數(shù)；所述文件管理模塊包括數(shù)據(jù)保存、數(shù)據(jù)回放和數(shù)據(jù)輸出；所述小波變換模塊包括用于對連續(xù)實小波進行變換的連續(xù)實小波變換模塊、用于對連續(xù)復小波進行變換的連續(xù)復小波變換模塊、用于提取模極大值的小波系數(shù)的小波系數(shù)模極大值提取模塊、用于提前小波脊線的小波脊線提取模塊，用于小波基選擇和尺度設(shè)置的小波基選擇和尺度設(shè)置模塊、用于對具有臨界采樣特性的離散小波進行變換的具有臨界采樣特性的離散小波變換模塊、用于對二進小波進行變換的二進小波變換模塊、用于對離散小波變換閾值進行降噪與壓縮的離散小波變換閾值降噪與壓縮模塊、用于對二進小波變換閾值進行降噪與壓縮的二進小波變換閾值降噪與壓縮模塊、用于基于軟閾值和二進小波模極大進行的信號降噪的基于軟閾值和二進小波模極大的信號降噪模塊、用于分解小波的小波包分解模塊、用于最佳小波包分解的最優(yōu)小波包樹模塊、小波包降噪與壓縮模塊、小波基選擇和分解層數(shù)設(shè)置模塊；所述小波分析模塊包括用于二個生成元的小波框架分解與重構(gòu)的框架波變換模塊I和用于生成元的小波框架分解與重構(gòu)的框架波變換模塊II ；所述高級分析工具功能包括基于小波脊線的解調(diào)分析模塊、重分配小波尺度譜模塊、小波匹配追蹤模塊；進一步，還包括顯示器、電源機箱、面板調(diào)控件、打印機和D/A輸出接口，所述顯示器、電源機箱、面板調(diào)控件、打印機和D/A輸出接口分別與嵌入式系統(tǒng)連接；進一步，還包括用于存儲采集的數(shù)字信號的存儲器，所述存儲器設(shè)置于嵌入式系統(tǒng)中。本實用新型的有益效果在于本實用新型采用將虛擬儀器和一體化儀器相結(jié)合的技術(shù)，開發(fā)出一體化框架波變換分析儀，該儀器可用于科學實驗和工程現(xiàn)場的信號測試和分析，特別是適合非線性非平穩(wěn)信號的機械振動信號的測試和分析，彌補了現(xiàn)有虛擬式小波變換分析儀的相對功能簡單，便攜性較差的缺點。本實用新型的其他優(yōu)點、目標和特征在某種程度上將在隨后的說明書中進行闡述，并且在某種程度上，基于對下文的考察研究對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將是顯而易見的，或者可以從本實用新型的實踐中得到教導。本實用新型的目標和其他優(yōu)點可以通過下面的說明書和權(quán)利要求書來實現(xiàn)和獲得。

為了使本實用新型的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本實用新型作進一步的詳細描述，其中圖1為本實用新型的一體化框架波變換分析儀的總體結(jié)構(gòu)圖；圖2為本實用新型的一體化框架波變換分析儀的數(shù)據(jù)和控制流程圖；圖3為本實用新型的一體化框架波變換分析儀的外觀圖；圖4為本實用新型的一體化框架波變換分析儀的所述的小波變換功能，具有二個生成元的框架波變換功能，具有三個生成元的框架波變換功能，高級分析功能的軟件模塊圖。
具體實施方式
以下將參照附圖，對本實用新型的優(yōu)選實施例進行詳細的描述。應(yīng)當理解，優(yōu)選實施例僅為了說明本實用新型，而不是為了限制本實用新型的保護范圍。圖1為本實用新型的一體化框架波變換分析儀的總體結(jié)構(gòu)圖；圖4為本實用新型的一體化框架波變換分析儀的所述的小波變換功能，具有二個生成元的框架波變換功能， 具有三個生成元的框架波變換功能，高級分析功能的軟件模塊圖；如圖所示本實用新型提供的一體化框架波變換分析儀，包括信號采集模塊和信號調(diào)理模塊、嵌入式系統(tǒng)；所述信號采集模塊，用于采集模擬信號和將模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號；所述信號調(diào)理模塊，用于分別將采集的模擬信號和獲得的數(shù)字信號進行信號調(diào)理；所述嵌入式系統(tǒng)，用于實現(xiàn)數(shù)字信號的框架波變換。作為上述實施例的進一步改進，所述信號采集模塊包括傳感器和數(shù)據(jù)采集卡，所述傳感器，用于采集模擬信號；所述數(shù)據(jù)采集卡，用于將濾除高頻干擾信號的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。作為上述實施例的進一步改進，所述信號調(diào)理模塊包括模擬信號調(diào)理模塊和數(shù)字信號調(diào)理模塊，所述模擬信號調(diào)理模塊包括放大器和濾波器，所述放大器，用于對傳感器輸出的數(shù)據(jù)信號進行放大；所述濾波器，用于濾除高頻干擾信號；所述數(shù)字信號調(diào)理模塊包括數(shù)字信號處理器，所述數(shù)字信號處理器，用于將數(shù)字信號進行濾波后將其傳輸進嵌入式系統(tǒng)。作為上述實施例的進一步改進，所述嵌入式系統(tǒng)設(shè)置有用于實現(xiàn)框架波變換功能的虛擬儀器模塊。作為上述實施例的進一步改進，所述虛擬儀器模塊包括數(shù)據(jù)采集模塊、文件管理模塊、小波變換模塊、小波分析模塊和高級分析模塊；所述數(shù)據(jù)采集模塊用于存儲初始化狀態(tài)的設(shè)置參數(shù)；數(shù)據(jù)采集模塊主要通過設(shè)備驅(qū)動程序接口完成對采集卡的初始化工作，包括對采集卡設(shè)備對象的創(chuàng)建和關(guān)閉，通道數(shù)、 采樣頻率，每次采樣點數(shù)等參數(shù)的設(shè)置，傳感器配置，以及采樣開始與結(jié)束的控制。所述文件管理模塊包括數(shù)據(jù)保存、數(shù)據(jù)回放和數(shù)據(jù)輸出；文件管理模塊主要實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)或處理結(jié)果的保存和回放。原始數(shù)據(jù)和處理后的數(shù)據(jù)以文件的形式存放于存儲器的指定位置。如果要回放數(shù)據(jù)以作進一步的分析與處理，只需打開相應(yīng)文件即可。該模塊還能實現(xiàn)彩色或黑白位圖的保存和打印。所述小波變換模塊主要實現(xiàn)連續(xù)實小波變換、連續(xù)復小波變換、小波系數(shù)模極大值提取、小波脊線提取，小波基選擇和尺度設(shè)置、具有臨界采樣特性的離散小波變換、二進小波變換、離散小波變換閾值降噪與壓縮、二進小波變換閾值降噪與壓縮、基于軟閾值和二進小波模極大的信號降噪、小波包分解、最優(yōu)小波包樹、小波包降噪與壓縮、小波基選擇和分解層數(shù)設(shè)置等功能。包括用于對連續(xù)實小波進行變換的連續(xù)實小波變換模塊、用于對連續(xù)復小波進行變換的連續(xù)復小波變換模塊、用于提取模極大值的小波系數(shù)的小波系數(shù)模極大值提取模塊、用于提前小波脊線的小波脊線提取模塊，用于小波基選擇和尺度設(shè)置的小波基選擇和尺度設(shè)置模塊、用于對具有臨界采樣特性的離散小波進行變換的具有臨界采樣特性的離散小波變換模塊、用于對二進小波進行變換的二進小波變換模塊、用于對離散小波變換閾值進行降噪與壓縮的離散小波變換閾值降噪與壓縮模塊、用于對二進小波變換閾值進行降噪與壓縮的二進小波變換閾值降噪與壓縮模塊、用于基于軟閾值和二進小波模極大進行的信號降噪的基于軟閾值和二進小波模極大的信號降噪模塊、用于分解小波的小波包分解模塊、用于最佳小波包分解的最優(yōu)小波包樹模塊、小波包降噪與壓縮模塊、小波基選擇和分解層數(shù)設(shè)置模塊；[0034]所述小波分析模塊包括用于二個生成元的小波框架分解與重構(gòu)的框架波變換模塊I和用于生成元的小波框架分解與重構(gòu)的框架波變換模塊II ；框架波變換模塊I實現(xiàn)具有二個生成元的小波框架分解與重構(gòu)，包括具有二個生成元的對稱小波框架、具有二個生成元和最大消失矩的小波框架、具有二個生成元和最高逼近階次的小波框架?？蚣懿ㄗ儞Q模塊II實現(xiàn)具有三個生成元的小波框架分解與重構(gòu)，包括具有三個生成元的對稱小波框架、具有三個生成元和最大消失矩的小波框架、具有三個生成元和最高逼近階次的小波框架。所述高級分析工具功能包括基于小波脊線的解調(diào)分析模塊、重分配小波尺度譜模塊、小波匹配追蹤模塊。作為上述實施例的進一步改進，還包括顯示器、電源機箱、面板調(diào)控件基本硬件、 打印機、D/A輸出接口高級硬件分別與嵌入式系統(tǒng)連接，作為上述實施例的進一步改進，還包括用于存儲采集的數(shù)字信號的存儲器，所述存儲器設(shè)置于嵌入式系統(tǒng)中。圖2為本實用新型的一體化框架波變換分析儀的數(shù)據(jù)和控制流程圖；如圖所示， 本實用新型提供的一體化框架波變換分析儀工作過程首先將具有某種物理特性的模擬信號先通過傳感器將其轉(zhuǎn)化為電信號；接著對信號進行信號調(diào)理，采用放大器對傳感器輸出的電信號進行放大；然后用抗頻混濾波器濾除高頻干擾信號；再通過數(shù)字采集卡將該模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，最后通過數(shù)字信號處理器DSP進行處理，并將其傳輸進嵌入式系統(tǒng)； 通過虛擬式框架波變換分析儀對采集到的數(shù)據(jù)進行分析和處理，其中數(shù)字信號處理器DSP 與數(shù)據(jù)存儲器交換數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)存儲器、虛擬儀器模塊的程序存儲器與嵌入式CPU連接，邏輯控制器在時鐘信號和嵌入式CPU的控制器的作用分別控制信號采集、信號調(diào)理、抗頻混濾波、數(shù)字采集卡和數(shù)字信號處理器DSP的工作。所述的傳感器、放大器和濾波器因信號不同而選用不同的類型，它們完成信號的采集、調(diào)理和濾波。在本實施例中，數(shù)據(jù)采集卡采用研華的PCI-1716數(shù)據(jù)采集卡，它帶有一個250KS/sl6位A/D轉(zhuǎn)換器，可以提供16路單端模擬量輸入或8路差分模擬量輸入，也可以組合輸入；嵌入式系統(tǒng)包括存儲器、CPU和工控電源， 其中CPU是TI公司的Sitara ARM9 AM18x微處理器AM1808，數(shù)字信號處理器DSP采用TI 公司的C6000高性能DSP，型號為TMS320C6722B。本實用新型的核心部分是采用模塊化結(jié)構(gòu)的虛擬儀器模塊，可通過VC++6. 0系統(tǒng)開發(fā)，該儀器的設(shè)計主要包括功能庫設(shè)計、主框架和界面設(shè)計，利用VC++6. 0系統(tǒng)提供的虛擬控件庫和拼搭場設(shè)計出框架波變換軟件分析系統(tǒng)的界面，圖3為本實用新型的一體化框架波變換分析儀的外觀圖；如圖所示。圖中顯示了儀器的控制按鈕和界面，包含了儀器的主要功能，主要有以下功能模塊數(shù)據(jù)采集功能模塊、文件管理功能模塊、小波變換功能模塊和高級分析工具功能模塊。圖3為本實用新型的一體化框架波變換分析儀的外觀圖，圖中 1是儀器面板，2是觸摸式液晶顯示屏，3是放大器倍數(shù)旋鈕，4是頻率調(diào)節(jié)旋鈕，5是傳感器輸入口，6是USB接口。最后說明的是，以上實施例僅用以說明本實用新型的技術(shù)方案而非限制，盡管通過參照本實用新型的優(yōu)選實施例已經(jīng)對本實用新型進行了描述，但本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當理解，可以在形式上和細節(jié)上對其作出各種各樣的改變，而不偏離所附權(quán)利要求書所限定的本實用新型的精神和范圍。
權(quán)利要求1.一體化框架波變換分析儀，其特征在于包括信號采集模塊和信號調(diào)理模塊、嵌入式系統(tǒng)；所述信號采集模塊，用于采集模擬信號和將模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號；所述信號調(diào)理模塊，用于分別將采集的模擬信號和獲得的數(shù)字信號進行信號調(diào)理；所述嵌入式系統(tǒng)， 用于實現(xiàn)數(shù)字信號的框架波變換。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一體化框架波變換分析儀，其特征在于所述信號采集模塊包括傳感器和數(shù)據(jù)采集卡，所述傳感器，用于采集模擬信號；所述數(shù)據(jù)采集卡，用于將濾除高頻干擾信號的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一體化框架波變換分析儀，其特征在于所述信號調(diào)理模塊包括模擬信號調(diào)理模塊和數(shù)字信號調(diào)理模塊，所述模擬信號調(diào)理模塊包括放大器和濾波器，所述放大器，用于對傳感器輸出的數(shù)據(jù)信號進行放大；所述濾波器，用于濾除高頻干擾信號；所述數(shù)字信號調(diào)理模塊包括數(shù)字信號處理器，所述數(shù)字信號處理器，用于將數(shù)字信號進行濾波后將其傳輸進嵌入式系統(tǒng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一體化框架波變換分析儀，其特征在于所述嵌入式系統(tǒng)設(shè)置有用于實現(xiàn)框架波變換功能的虛擬儀器模塊。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一體化框架波變換分析儀，其特征在于所述虛擬儀器模塊包括數(shù)據(jù)采集模塊、文件管理模塊、小波變換模塊、小波分析模塊和高級分析模塊；所述數(shù)據(jù)采集模塊用于存儲初始化狀態(tài)的設(shè)置參數(shù)；所述文件管理模塊包括數(shù)據(jù)保存、數(shù)據(jù)回放和數(shù)據(jù)輸出；所述小波變換模塊包括用于對連續(xù)實小波進行變換的連續(xù)實小波變換模塊、用于對連續(xù)復小波進行變換的連續(xù)復小波變換模塊、用于提取模極大值的小波系數(shù)的小波系數(shù)模極大值提取模塊、用于提取波脊線的小波脊線提取模塊，用于小波基選擇和尺度設(shè)置的小波基選擇和尺度設(shè)置模塊、用于對具有臨界采樣特性的離散小波進行變換的具有臨界采樣特性的離散小波變換模塊、用于對二進小波進行變換的二進小波變換模塊、用于對離散小波變換閾值進行降噪與壓縮的離散小波變換閾值降噪與壓縮模塊、用于對二進小波變換閾值進行降噪與壓縮的二進小波變換閾值降噪與壓縮模塊、用于基于軟閾值和二進小波模極大進行的信號降噪的基于軟閾值和二進小波模極大的信號降噪模塊、用于分解小波的小波包分解模塊、最優(yōu)小波包樹模塊、小波包降噪與壓縮模塊、小波基選擇和分解層數(shù)設(shè)置模塊；所述小波分析模塊包括用于二個生成元的小波框架分解與重構(gòu)的框架波變換模塊I 和用于三個生成元的小波框架分解與重構(gòu)的框架波變換模塊II ；所述高級分析工具功能包括基于小波脊線的解調(diào)分析模塊、重分配小波尺度譜模塊、 小波匹配追蹤模塊。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一體化框架波變換分析儀，其特征在于還包括顯示器、電源機箱、面板調(diào)控件、打印機和D/A輸出接口，所述顯示器、電源機箱、面板調(diào)控件、打印機和 D/A輸出接口分別與嵌入式系統(tǒng)連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一體化框架波變換分析儀，其特征在于還包括用于存儲采集的數(shù)字信號的存儲器，所述存儲器設(shè)置于嵌入式系統(tǒng)中。
專利摘要本實用新型公開了一種一體化框架波變換分析儀，涉及一種一體化框架波變換分析儀，包括信號采集模塊和信號調(diào)理模塊和嵌入式系統(tǒng)；信號采集模塊用于采集模擬信號和通過數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)字信號；信號調(diào)理模塊分別對采集的模擬信號和數(shù)字信號進行信號調(diào)理，然后將其輸入到嵌入式系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)設(shè)置有用于實現(xiàn)框架波變換功能的虛擬儀器模塊，本實用新型采用虛擬儀器和一體化儀器相結(jié)合的技術(shù)，開發(fā)出一體化框架波變換分析儀，該儀器可用于科學實驗和工程現(xiàn)場的信號測試和分析，特別是適合非線性非平穩(wěn)信號的機械振動信號的測試和分析，彌補了現(xiàn)有虛擬式小波變換分析儀的相對功能簡單，便攜性較差的缺點。
文檔編號G01H11/06GK202109980SQ20112006997
公開日2012年1月11日 申請日期2011年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月16日
發(fā)明者任兵, 毛永芳, 秦毅, 肖科 申請人:重慶大學