1 引言

        隨著通信技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡的普及，虛擬儀器技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，使得儀器的遠程訪問和共享成為可能。硬件平臺可通過計算機與網(wǎng)絡相連，通過對虛擬儀器軟件編程實現(xiàn)儀器的的遠程控制、數(shù)據(jù)的實時采集與網(wǎng)絡傳輸。

        在此背景下，本文設計了基于Datasoket技術(shù)的虛擬小波消噪儀，實現(xiàn)了小波消噪儀的共享。

2 DataSocket技術(shù)

        DataSocket是NI公司提供的一項網(wǎng)絡測控系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)，它基于Microsoft的COM和ActiveX技術(shù)，源于TCP/IP協(xié)議并對其進行了高度封裝，面向測量和自動化應用，用于共享和發(fā)布實時數(shù)據(jù)，是一種易用的高性能數(shù)據(jù)交換編程接口。它能有效地支持本地計算機上不同應用程序?qū)μ囟〝?shù)據(jù)的同時應用。網(wǎng)絡上不同的計算機的多個應用程序之間的數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)跨機器、跨語言、跨進程的實時數(shù)據(jù)共享。用戶只需知道數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)宿及需要交換的數(shù)據(jù)就可以直接進行高層應用程序的開發(fā)，實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，而不必關(guān)心底層的實現(xiàn)細節(jié)，從而簡化了通信程序的編寫過程，提高了編程效率。[1]

        DataSocket包括了DS Server Manager、DS Server和DS函數(shù)庫等工具，以及數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議DSTP（DataSocket Transfer Protocol）、統(tǒng)一資源定位符URL（Uniform Resource Locator）和文件格式等技術(shù)規(guī)范。利用這些工具，可大大簡化網(wǎng)絡中計算機之間數(shù)據(jù)交換的編程工作。

        DataSocket Server Manager是一個獨立運行的程序，它的主要功能是設置DS Server可連接的客戶程序的數(shù)目和可創(chuàng)建的數(shù)據(jù)項（Data Item）的數(shù)目，設置用戶和用戶組，以及設置用戶訪問和管理數(shù)據(jù)項的權(quán)限。DS Server能為用戶解決大部分網(wǎng)絡通信方面的問題，負責和用戶程序之間的數(shù)據(jù)交換，不需要用戶編寫有關(guān)網(wǎng)絡通信的底層程序。[2]

3 小波變換理論

        小波分析方法是一種窗口大小固定但其形狀可改變，時間窗和頻率窗都可改變的時頻局部化分析方法。即在低頻部分具有較高的頻率分辨率和較低的時間分辨率，在高頻部分具有較高的時間分辨率和較低的頻率分辨率，這正符合低頻信號變化緩慢而高頻信號變化迅速的特點。這一特性，便是它優(yōu)于傳統(tǒng)的傅里葉變換與短時傅里葉變換的地方。[3]

        利用MATLAB小波分析工具對信號進行消噪處理的方法主要有以下三種：

　?。?）一維信號的小波分解。選擇一個小波并確定一個小波分解的層次N，然后對信號進行N層小波分解；

　?。?）小波分解高頻系數(shù)的閾值量化。從小波消噪處理的方法上來說，閾值處理有三種方法：

　　a．強制消噪處理，該方法把小波分解結(jié)構(gòu)中的高頻系數(shù)全部變?yōu)?，即把高頻部分全部濾掉，然后對信號進行重構(gòu)處理。這種方法比較簡單，重構(gòu)后的消噪信號也比較平滑，但容易丟失信號的有用成分。

　　b．默認閾值消噪處理。該方法利用MATLAB工具箱中的ddencmp函數(shù)產(chǎn)生信號的默認閾值，然后利用MATLAB工具箱中的wdencmp函數(shù)進行消噪處理。

　　c．給定軟（或硬）閾值消噪處理。在實際的消噪處理過程中，閾值往往可以通過經(jīng)驗公式獲得，而且這種閾值比默認閾值更具有可信度。

　?。?）一維小波的重構(gòu)。根據(jù)小波分解的第N層的低頻系數(shù)和經(jīng)過量化處理后的第1層到第N層的高頻系數(shù)，進行一維信號的小波重構(gòu)。

4 網(wǎng)絡化虛擬小波消噪儀的設計

4.1小波消噪儀的功能

        小波消噪儀具有學習小波函數(shù)消噪特征和對實測試數(shù)據(jù)進行消噪處理的功能。

        在小波消噪儀的客戶端面板上有“原始信號輸入”、“保存小波處理后數(shù)據(jù)”、“小波參數(shù)設置”、“原始信號波形”和“小波處理后波形”控件?！靶〔▍?shù)設置”中有“小波類型”、“分解層次”及“小波階數(shù)”選項。“小波類型”有“sym”、“haar”、“db”、“dmey”和“coif”小波；“sym”小波階數(shù)從2~5可選，“db”小波階數(shù)從1~10可選，“coif”小波階數(shù)從1~5可選，“haar”和“dmey”小波不用選擇階數(shù)；“分解層次”對各個小波都默認在1~20之間可選。“原始信號輸入”控件導入和客戶端DLL程序打包一起的樣本文件或者實測需消噪的數(shù)據(jù)文件（該數(shù)據(jù)文件格式為以回車鍵隔開的文本文件），在“小波參數(shù)”設置中選擇不同的小波及分解層次，待消噪數(shù)據(jù)和小波參數(shù)通過DataSocket協(xié)議傳送到服務器端消噪程序進行處理、同時把處理后數(shù)據(jù)傳送到客戶端，通過客戶端“保存小波處理后數(shù)據(jù)”控件把處理后數(shù)據(jù)保存到客戶端電腦上?！霸夹盘柌ㄐ巍焙汀靶〔ㄌ幚砗蟛ㄐ巍笨丶謩e顯示消噪前后的信號波形。

        用戶通過網(wǎng)絡下載并運行客戶端的DLL程序之后，導入樣本文件，分別選用不同的小波函數(shù)、階數(shù)及分解層次，對比消噪后圖形，學習體會不同的小波函數(shù)對不同信號的消噪效果。這樣，在進行實測數(shù)據(jù)處理的時候可有針對性地選擇小波函數(shù)。

4.2 服務器端虛擬儀器設計

        LabVIEW為控制面板中的每一個控件設置了DataSocket連接對話框，通過統(tǒng)一資源定位器URL，確定數(shù)據(jù)源和控件的連接方式，進行發(fā)布和讀取數(shù)據(jù)。如果在虛擬儀器的服務器端DataSocket Connection對話框中指定URL，并選擇發(fā)布的連接方式，虛擬儀器的客戶端DataSocket Connection對話框中指定相同的URL，選擇讀取的連接方式，DataSocket的傳輸協(xié)議的網(wǎng)址依照格式：dstp://servername/data。其中，servername是服務器端計算機的網(wǎng)址； data是DataSocket連接的名稱標識，用于區(qū)別不同的DataSocket連接。

        Labview函數(shù)面板提供了“MATLAB Script”節(jié)點實現(xiàn)和MATLAB軟件的接口。在本設計中采用默認閾值消噪方法，利用MATLAB自帶小波函數(shù)實現(xiàn)消噪算法。

        服務器端的流程圖設計如圖1所示。

圖1 服務器端流程圖

4.3 客戶端虛擬儀器設計

圖2 客戶端流程圖

        在客戶端面板工具欄中選擇“Tools-Build Application or Shared Library（DLL）建立客戶端DLL運行程序。

        把服務器端和客戶端DLL程序都放在同一臺服務器上，在服務器端DS Manager中添加創(chuàng)建的數(shù)據(jù)項，設置可訪問的用戶數(shù)及權(quán)限。

5 示例

        待消噪的信號為含有白噪聲的正弦波。

        在客戶端機器上下載打包的DLL程序和樣本文件，在運行客戶端DLL程序之前，先要確定服務器上的DS Server已經(jīng)開啟、服務器程序已運行，然后導入待消噪信號，選擇不同的小波參數(shù)，觀察消噪前后圖形，對比最佳消噪效果。
對比發(fā)現(xiàn)對于含白噪聲的正弦波信號，選擇“dmey”小波、分解層次為2時的消噪效果最好，選擇“haar”小波是消噪效果很差。圖3、圖4分別為這兩個函數(shù)消噪前后波形圖。

圖3 “haar”小波消噪前后效果圖

圖4 “dmey”小波消噪前后效果圖

6 結(jié)論

        利用Labview和DataSocket技術(shù)，實現(xiàn)了儀器的共享，充分利用了資源，并提高了數(shù)據(jù)處理的靈活性。