Analiza i zapis sygnału Przybliżony czas ćwiczenia Poniższe ćwiczenie ukończysz w czasie 45 minut. Wstęp LabVIEW wyposażony jest w zbiór bloczków wspomagających analizę sygnałów. To ćwiczenie nauczy cię w jaki sposób możesz wykorzystać LabVIEW do prostej analizy sygnału oraz jak zapisać uzyskane dane do pliku. Przegląd ćwiczenia W poniższym ćwiczeniu, stworzysz wirtualne narzędzie generujące sygnał, filtrującego, wskazujące przekroczenie przez sygnał zadanego limitu oraz rejestrujące dane. 1
Gotowe ćwiczenie 2
Krok po kroku 1. Modyfikacja szablonu VI na własne potrzeby Wykonaj poniższe kroki, aby stworzyć VI generujący, analizujący oraz wyświetlający sygnał: a. W oknie Getting Started kliknij More b. Z listy Create New, wybierz VI From Template Tutorial (Getting Started) Generate, Analyze, and Display. Szablon ten generuje sygnał i analizuje jego wartość skuteczną (RMS Root Mean Square). c. Kliknij OK, lub po prostu kliknij dwukrotnie na wybranej pozycji z listy. d. Wciśnij <Ctrl+H>, aby wyświetlić okno pomocy podręcznej. e. Przejdź do okna diagramu blokowego wciskając kombinację <Ctrl+E>. f. Kiedy nakierujesz kursor na bloczek Amplitude and Level Measurements, pomoc podręczna wyświetli przydatne informacje. Nie zamykaj okna pomocy, będzie ono użyteczne w dalszej części ćwiczenia. g. Usuń wskaźnik RMS, nie będzie on potrzebny w tym ćwiczeniu. Usuń także połączenia, które zostały przerwane po usunięciu wskaźnika. Żeby to uczynić, wciśnij kombinację <Ctrl+B>. 3
h. W oknie panelu przedniego kliknij prawym przyciskiem myszy w wyświetlacz graficzny (Waveform Graph) i wybierz Properties, aby zmienić właściwości obiektu. i. W zakładce Appearance, zaznacz Visible, a w polu tekstowym wpisz Unfiltered Signal. j. Wciśnij OK, aby zapisać zmiany i zamknąć okno. k. Uruchom VI. Sygnał pojawi się na wykresie. l. Wciśnij przycisk STOP, aby zatrzymać VI. 2. Tworzenie dodatkowego sygnału Bloczek Simulate Signal generuje domyślnie sygnał sinusoidalny. Aby zmienić własności sygnału możesz kliknąć prawym przyciskiem myszy w bloczek i wybrać Properties. Wykonaj poniższe kroki, aby wygenerować dodatkowy sygnał, dodający szum biały do sygnału sinusoidalnego. a. W oknie diagramu blokowego kliknij w bloczek Simulate Signal. Wciśnij i przytrzymaj klawisz <Ctrl>. Trzymając <Ctrl> przeciągnij bloczek Simulate Signal. Bloczek zostanie skopiowany w miejsce, gdzie został zwolniony przycisk myszy. LabVIEW automatycznie nazwie nowy bloczek Simulate Signal2. b. Kliknij dwukrotnie w nowo powstały bloczek, aby wyświetlić właściwości bloczku. c. Z listy Signal Type wybierz Sine, aby generowany sygnał był sinusoidą. d. Zmień wartość wartość częstotliwości (Frequency) na 60Hz. e. Wprowadź wartość amplitudy równą 0.1. 4
f. Zaznacz Add Noise, aby dodać szum. g. Z listy Noise type wybierz Uniform White Noise. h. Wprowadź wartość amplitudy szumu równą 0.1 w polu Noise Amplitude. i. Wprowadź wartość -1 w polu Seed number. j. W sekcji Timing wybierz opcję Run as fast as possible. k. W sekcji Signal Name odznacz opcję Use Signal type name. l. W polu Signal Name wpisz 60Hz and Noise. Po zmianie tej nazwy zmieni się również nazwa wyjścia na bloczku. Zmiana nazwy sygnału ułatwia późniejsze rozpoznanie sygnału łącząc schemat na diagramie blokowym. m. Wciśnij przycisk OK, aby zapisać zmiany. 5
3. Dodawanie dwóch sygnałów Aby scalić dwa sygnały tworząc z nich jeden, możesz użyć bloczku Formula. W przeciwieństwie do bloczku Merge Signals, pozwalającego wyświetlić dwa sygnały na jednym wykresie, bloczek Formula pozwala dodać do siebie dwa sygnały dając w wyniku jeden sygnał stanowiący ich sumę. Możesz użyć tego bloczka, by dodać szum do sygnału sinusoidalnego. Wykonaj poniższe kroki, aby tego dokonać: a. Kliknij trzykrotnie lewy przycisk myszy na połączeniu pomiędzy wyjściem Sine i wejściem Signals. Usuń połączenia wciskając <Delete>. b. Kliknij przycisk Search w oknie Functions, aby wyszukać bloczek Formula. c. Umieść bloczek na diagramie pomiędzy bloczkami Simulate Signal oraz Amplitude and Level Measurements. Po umieszczeniu bloczka na diagramie, pojawi się okno, w którym możemy wpisać odpowiednie wyrażenie. W kolumnie Label zmień etykietę dla X1 na Sine, a dla X2 na 60Hz and Noise. Zauważ, że bloczek automatycznie wpisze do wyrażenia pierwsze wejście Sine. d. Wciśnij przycisk + a następnie X2, aby dodać do siebie sygnały Sine i 60Hz and Noise. e. Wciśnij przycisk OK, aby zapisać zmiany i zamknąć okno formuły. 6
f. Połącz wyjście Sine na bloczku Simulate Signal z wejściem Sine na bloczku Formula. g. Połącz wyjście 60Hz and Noise na bloczku Simulate Signal2 z wejściem 60Hz and Noise na bloczku Formula. h. Połącz wyjście Result na bloczku Formula ze wskaźnikiem Unfiltered Signal oraz z wejściem Signals bloczku Amplitude and Level Measurements. i. Wyświetl panel przedni wciskając kombinację <Ctrl+E>. j. Uruchom VI. Na wykresie pojawi się suma sygnałów. k. Wciśnij przycisk STOP, aby zatrzymać działanie VI. l. Wybierz File Save As i zapisz plik. 4. Filtrowanie sygnału. Aby przepuścić sygnał przez filtry, należy użyć bloczku Filter. Wykonaj poniższe kroki, aby użyć filtra odpowiedzi impulsowej (IIR Infinite Impulse Response): a. Usuń połączenie pomiędzy wyjściem Result na bloczku Formula i wejściem Signals na bloczku Amplitude and Level Measurements. b. Usuń przerwane połączenia. 7
c. Wyszukaj bloczku Filter i umieść go na diagramie blokowym pomiędzy generatorem Simulate Signal2 oraz bloczkiem Amplitude and Level Measurements. Pojawi się okno konfiguracji nowego bloczku. d. W sekcji Filter Specifications zmień wartość Cutoff Frequency na 25Hz. e. Wciśnij OK, aby zapisać zmiany. f. Przejdź do okna panelu przedniego. g. Kliknij w wyświetlacz nazwany wcześniej Unfiltered Signal. Trzymając <Ctrl> przeciągnij niżej wyświetlacz. Spowoduje to stworzenie dodatkowego wyświetlacza graficznego. h. Umieść stworzony wyświetlacz poniżej pierwszego. i. Kliknij potrójnie w nazwę Unfiltered Signal 2, aby zmienić tytuł wyświetlacza. Nazwij go Filtered Signal. j. Na diagramie blokowym połącz wyjście Result na bloczku Formula, z wejściem Signal na bloczku Filter oraz z wejściem wyświetlacza oznaczonego Unfiltered Signal. 8
k. Połącz wyjście Filtered Signal na bloczku Filter z wejściem Signals na bloczku Amplitude and Level Measurements oraz do wyświetlacza oznaczonego Filtered Signal. l. Zapisz plik <Ctrl+S>. 5. Zmiana wyglądu wyświetlaczy. Klikając prawym przyciskiem myszy na wyświetlacz i wybierając Properties, w zakładce Display Format możemy zmienić sposób wyświetlania osi X i Y. Wykonaj poniższe kroki, aby zmienić format stworzonych wyświetlaczy: a. W oknie panelu przedniego, kliknij prawym przyciskiem myszy w wyświetlacz niefiltrowanego sygnału (Unfiltered Signal). Wybierz z menu Properties. b. W zakładce Display Format, wybierz z rozwijanego menu Time (X-Axis). c. Wybierz Default editing mode. d. Z listy Type wybierz Automatic formatting. e. W polu Digits wpisz 6 i wybierz Significant digits z listy Precision Type. f. Zaznacz opcję Hide trilling zeros. 9
g. Z rozwijanego menu wybierz tym razem Amplitude (Y-Axis). h. Powtórz kroki od c. do f. i. W zakładce Scales wybierz Amplitude (Y-Axis). j. Odznacz pole Autoscale. k. Wprowadź wartość -2.5 do pola Minimum, oraz 2.5 do pola Maximum. l. Wciśnij OK, aby zapisać zmiany. m. Powtórz kroki od a. do l. we właściwościach wyświetlacza Filtered Signal. 6. Analiza amplitudy sygnału Możesz użyć bloczku Amplitude and Level Measurements do analizy charakterystyki napięciowej sygnału. a. Kliknij dwukrotnie w bloczek Amplitude and Level Measurements na diagramie blokowym. b. Odznacz pole RMS. c. Zaznacz pole Peak to peak. Peak to peak pojawi się na liście Results z wyświetloną aktualnie zmierzoną wartością. d. Wciśnij OK, aby zapisać zmiany. Wyjście z bloczku zmieniło nazwę z RMS na Peak to peak. 10
7. Szybkość działania VI Aby spowolnić wyświetlanie sygnału na wykresie, możesz dodać bloczek Time Delay. Wykonaj poniższe kroki, aby umożliwić kontrolę czasu, w którym będzie miała miejsce pojedyncza iteracja pętli: a. Znajdź bloczek Time Delay. b. Umieść go lewym dolnym rogu pętli. Pojawi się okno konfiguracji. c. Wprowadź wartość 0.1 sekundy i wciśnij przycisk OK. d. Uruchom VI. W ciągu sekundy program wykona 10 iteracji. 8. Dodanie kontrolki ostrzegającej. Czasem możesz potrzebować widocznego wskaźnika przekroczenia wyznaczonej granicy wartości. Możesz do tego użyć diody LED: a. W okienku Controls na panelu przednim wybierz kategorię LEDs. b. Jeżeli panel Controls nie jest widoczny, kliknij prawym przyciskiem myszy w puste miejsce. c. Wybierz diodę Round LED i umieść ją po lewej stronie wyświetlaczy na panelu przednim. d. Kliknij podwójnie na nazwie Boolean i wprowadź nową: Warning Light. Wykorzystasz tą diodę w dalszej części ćwiczenia. e. Wybierz File Save As. 11
f. Przeglądnij dostępne opcje zapisu. Wybierz Substitute copy for original w sekcji Copy. Stworzysz tym samym kopię bieżacego projektu i jednocześnie rozpocząć pracę nad kopią. g. Wciśnij przycisk Continue, zapisz nowe VI jako Warning Light.vi 9. Ustalanie progu alarmowania Aby ustalić wartość progu, dla którego zapalać się będzie dioda ostrzegawcza, możesz użyć bloczku Comparison. Wykonaj poniższe kroki, aby porównać wartość amplitudy z zadanym limitem: a. Znajdź bloczek Comparison i umieść go po prawej stronie bloczku Amplitude and Level Measurements. Otworzy się okno konfiguracji bloczku. b. W sekcji Compare Condition wybierz opcję > Greater. c. W sekcji Comparison Inputs zaznacz opcję Value i wprowadź wartość 2. Jest to próg, powyżej którego zapalać się będzie dioda. d. Wciśnij przycisk OK, aby zapisać zmiany. Nazwa bloczku zmienia się wraz z funkcją jaką pełni bloczek. W tym przypadku bloczek powinien zmienić nazwę na Greater. 12
e. Połącz ze sobą wyjście Peak to Peak znajdujące się na bloczku Amplitude and Level Measurements, z wejściem Operand 1 na nowym bloczku Greater. f. Kliknij prawym przyciskiem myszy na nowo stworzonym połączeniu i wybierz Create Numeric Indicator. Pojawi się nowy wskaźnik numeryczny Peak to Peak. Wskaźnik Peak to Peak pojawi się na połączeniu pomiędzy bloczkami. Przesuń go w puste miejsce, aby diagram blokowy stał się bardziej czytelny. 10. Ostrzeganie Po ustaleniu wartości, powyżej której VI zapali diodę, musisz połączyć ją z bloczkiem Greater. Wykonaj poniższe kroki, aby VI alarmowało diodą przekroczenie wyznaczonej wartości: a. W oknie diagramu blokowego przesuń wskaźnik Warning Light na prawo od bloczku Greater. Upewnij się, że wskaźnik nadal znajduje się w pętli. b. Połącz wyjście Result z wejściem Warning Light. c. Na panelu przednim jest widoczny wskaźnik numeryczny Peak to Peak. Został on dodany automatycznie w czasie wykonywania punktu 9. i wyświetlać będzie wartości wyjścia Peak to Peak. d. Uruchom VI. Kiedy wartość Peak to Peak będzie większa od ustalonego progu równego 2, lampka ostrzegawcza zapali się. e. Wciśnij przycisk STOP, aby zakończyć działanie VI. 13
11. Zapis danych do pliku - konfiguracja Dane, które generuje VI możesz magazynować w pliku. Możesz do tego użyć bloczku Write To Measurement File. Wykonaj poniższe kroki, aby zapisać wartości Peak to Peak i inne dane do pliku: a. Wyszukaj bloczek Write to Measurement i umieść go na diagramie blokowym na dole, z prawej strony bloczku Amplitude and Level Measurements. Pojawi się okno konfiguracji bloczku. b. Pole File Name pojawi się z pełną ścieżką dostępu do pliku wyjściowego test.lvm. Skorzystaj z przycisku po prawej z ikoną katalogu, aby wybrać nową ścieżkę zapisu pliku. Zapisz go na pulpicie pod tą samą nazwą test.lvm Plik z rozszerzeniem.lvm możesz otworzyć korzystając z arkuszy kalkulacyjnych lub edytorów tekstowych. Składa się on z kolumn zawierających wybrane dane. Dane w pliku.lvm są zapisywane z dokładnością sześciu miejsc po przecinku. c. W sekcji If a file already exists (w oknie konfiguracji bloczku) zaznacz Append to file. Kiedy wybrany przez nas plik już istnieje, dane będą do niego zapisywane nie usuwając tym samym poprzednio zapisanych danych. 14
d. W sekcji Segment Headers wybierz opcję One header Only. Wybór tej opcji pozwoli stworzyć LabVIEW tylko jeden nagłówek w pliku z danymi. e. W polu File Description wprowadź opis: Sample of peak to peak values. f. Wciśnij przycisk OK, aby zapisać zmiany. LabVIEW umieści w nagłówku pliku wyjściowego opis wprowadzony w polu File Description. 12. Zapis danych Wykonaj poniższe kroki, aby LabVIEW zapisał dane do zdefiniowanego pliku: a. W oknie diagramu blokowego połącz wyjście Peak to Peak znajdujące się na bloczku Amplitude and Level Measurements z wejściem Signals na bloczku Write to Measurement File. b. Wybierz File Save As i zapisz VI pod nazwą Save Data.vi c. Przejdź do panelu przedniego i uruchom VI. d. Wciśnij przycisk STOP. e. Otwórz plik test.lvm, znajdujący się na pulpicie, przy pomocy arkusza kalkulacyjnego, lub edytora tekstowego. Początek pliku zawiera nagłówek z informacjami o projekcie. f. Zamknij plik test.lvm kiedy już przeglądniesz jego zawartość. 15
13. Dodanie przycisku który po wciśnięciu zapisuje dane Jeśli nie chcesz zapisywać wszystkich wartości, a tylko wybrane, możesz stworzyć przycisk, po naciśnięciu którego tylko wtedy będą zapisywane dane. Wykonaj poniższe kroki, aby stworzyć tak funkcjonujący przycisk. a. Znajdź przycisk Rocker i umieść go z prawej strony panelu przedniego. b. Kliknij na nim prawym przyciskiem myszy i wybierz z menu Properties, aby wyświetlić jego właściwości. c. Zmień nazwę z Boolean na Write to File. d. W zakładce Operation wybierz Latch when pressed z listy Button behavior. e. Wciśnij przycisk OK, aby zapisać zmiany. f. Zapisz VI. W zakładce Operation możesz ustawić, w jaki sposób ma reagować przycisk po naciśnięciu. Aby sprawdzić różne opcje, wypróbuj podgląd przycisku w sekcji Preview Selected Behavior. 16
14. Zapis danych na polecenie użytkownika. Wykonaj poniższe kroki, aby VI zapisywał wartość do pliku po kliknięciu przycisku na panelu przednim: a. W oknie diagramu blokowego kliknij podwójnie na bloczek Write To Measurement File, aby wyświetlić jego właściwości. b. Zmień nazwę pliku, do którego będą zapisywane dane na Selected Samples.lvm. c. Wciśnij przycisk OK, aby zapisać zmiany. d. Kliknij prawym przyciskiem myszy na wejście Signals w bloczku Write To Measurement File i wybierz z listy Insert Input/Output. Dodasz w ten sposób nowe wejście Comment. e. Kliknij prawym przyciskiem myszy w nowe wejście Comment i wybierz z menu Select Input/Output Enable. W miejscu Comment pojawi się wejście Enable. Wejścia i wyjścia pojawiają się w zdefiniowanej kolejności. Żeby dodać wybrane wejście/wyjście, możesz dodać nową pozycję wybierając Insert Input/Output, a następnie zamienić go na wybrane z listy wybierając Select Input/Output z menu kontekstowego. f. Przesuń bloczek przycisku Write to File na lewo od bloczku Write To Measurement File. g. Połącz wyjście z przycisku Write to File do wejścia Enable na bloczku Write to Measurement File. 17
15. Odczyt zapisanych danych Wykonaj poniższe kroki, aby odczytać dane zapisane w pliku Selected Samples.lvm: a. Przejdź do okna panelu przedniego i uruchom VI. Wciśnij przycisk Write to File kilkukrotnie. b. Wciśnij przycisk STOP. c. Otwórz plik Selected Samples.lvm przy pomocy arkusza kalkulacyjnego lub edytora tekstu. Do pliku Selected Samples.lvm zapisywane są dane jedynie po wciśnięciu przycisku Write to File. W pliku test.lvm były zapisywane wszystkie dane. d. Zamknij plik. e. Zapisz projekt i wyjdź z VI. 18