LabVIEW常用工具

MangoTree

【MangoTree】Atom-RIO的OEM版，适用于批量部署,无缝支持LabVIEW FPGA编程开发
Atom-RIO的OEM版，便于Atom-RIO的批量部署。高性价比。
程序写入后，可脱离CPU独立工作
I/O，支持2*25pin连接器。共80个用户控制DIO
Spartan-6 LX75 FPGA （选配LX150），用于自定义I/O定时、控制和处理
支持PCIe DMA，CPU和FPGA可以高速传输数据
支持用户二次开发和硬件的二次定制。集成到用户自己的系统中。
支持MT-E701扩展卡
通过MT-E301可以支持NI所有C系列模块

MangoTree

用于主动减震项目，视觉加速，运动控制，航空航天、智能电网等相关行业稳定可靠，是工业领域备受欢迎的开发神器！

CRIO可以做的事情，不要有疑问，Atom-RIO也可以。装配E701（模拟量输入输出）采集卡，解决模拟量难题。

置可选：

Intel CPU + FPGA 构架产品 无缝支持LabVIEW FPGA

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• 最高SkyLake i7 4核CPU,256GB SSD,8GB DDR4 RAM
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• Spartan-6 LX75 FPGA （选配LX150），用于自定义I/O定时、控制和处理
• 系统可选LabVIEW Real-Time实现高确定性,RT系统支持双网口或选Windows/WES7 64bit实现高灵活性
  
  

应用:

主动减震、降噪：现代工业的飞速发展，一起设备的功率越来越大，转速越来越快，振动的噪声的危害也越来越突出。振动不仅和噪声不仅影响产品质量和操作精度、缩短产品寿命、危及安全性，而且污染环境、影响人生健康。因此，掌握振动与噪声控制技术是各国工业发展面临的重大课题。

机器视觉系统：在智能化大背景下，对检测设备不断提出行的技术要求，智能检测技术也在不断的发展。 MangoTree机器视觉系统也在不断完善。技术领域包括：条码识别领域、自动化领域、缺陷检测领域、轨道佳通领域等等

实时控制系统：

Atom-RIO系列产品广泛适用于工业、飞控、轨道交通以及军工等各种高实时性控制的应用现场。

作为工业自动化控制器，用于检测各种传感器信号与控制各种电机运转。

作为飞控控制器，用于与地面站通信，控制各种电机与其他执行器工作。

作为轨道交通（地铁、轻轨等）控制器，用于检测各种传感信号与控制各种电机运转

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1. 引言

心电图（ECG）是一种由心电图仪产生的图形，提供了有关个人心脏健康的信息。ECG常在临床应用中帮助医生诊断心跳过速等心脏疾病。除了直接分析ECG信号，研究人员和医生们还可以从ECG信号中提取其他非直接的测量信息，最常见的测量之一便是心率变异（HRV）。本文描述了如何利用NI LabVIEW图形化开发环境提取并分析HRV测量结果，并同时介绍了LabVIEW HRV分析起步工具—— 一款基于LabVIEW的面向HRV分析的程序。本文所展示的HRV分析结果来自于该HRV分析起步工具。

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2. 什么是HRV？

一个正常的单周期ECG信号由若干个波组成，如图1所示。

图1. ECG信号的R波峰与RR间隔

具有最高峰值的波被称为R波。RR间隔是指两个相邻R波之间的时间间隔。波峰较小的波分别为P波、T波和U波。

心率变异（HRV）测量可以分析出这些RR间隔（它们显示了连续心跳之间的变化）是如何随时间而变化的。例如，图2展示了一个典型的成人的HRV。

图2. 一个成人的HRV

图2中的HRV分析显示了该RR间隔范围从0.6秒变化至1秒，其平均值为0.8秒。

HRV分析提供了自主神经系统（ANS）的一个定量标记，因为HRV的调节机制源自交感和副交感神经系统[5]。迄今为止，许多研究人员和工程师们都致力于发掘HRV分析中对临床应用有价值的信息。在过去的十年中，已经发表了超过2000篇关于HRV的文章[1]。这些文章考察了HRV与血压、心肌梗塞、神经系统、心律失常、糖尿病、呼吸、肾衰竭、性别、年龄、疲劳程度、药物、吸烟、酒精等因素的关系[2]。目前，多个医学学科都已经在对HRV进行研究，相信HRV分析在未来的患者图形与数据分析中的应用将越来越多。

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3. 采集RR间隔

为了进行HRV分析，首先必须获取RR间隔。图3展示了 [url=]RR间隔的采集过程[/url]。

图3. RR间隔的采集过程

采集原始ECG信号

ECG信号可通过各种心电图仪采集获得。这些仪器的带宽并不要求很高。可以利用NI多通道DAQ设备，如NI PCI-6221，从ECG记录设备的输出端采集原始ECG信号。典型的采样率设置为125 Hz或250 Hz。所采集的ECG信号可以以NI TDMS文件类型存储以便进行离线分析。一些在线数据库（如MIT-BIH数据库database）也提供许多典型的ECG信号。该HRV分析起步工具包含一个导入MIT-BIH ECG数据的向导。

从ECG信号中提取RR间隔

从原始的ECG信号中可以提取到RR间隔。该提取过程通常包括预处理步骤和波峰检测步骤。如果原始ECG信号具有噪声和显著的基线漂移趋势，就有必要对其进行预处理。然后，您可以通过阈值设置或利用基于小波的波峰检测方法，检测R波峰，从而计算RR间隔。

请参阅NI开发者园地，获取关于ECG信号处理和特性提取的更多信息。

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4. HRV分析方法

HRV分析有不同的方法[1][2]。方法之一便是时域分析，即利用暂态的RR间隔信号提取一些特别的度量。另一个方法是频谱分析，该方法以某个特定的速率对RR间隔进行插值处理，并将该间隔信号变换到频域。针对这两种方法，目前有一些标准可供使用[1]。还有一些其他方法，如非线性分析和时频分析，也有相关讨论和研究。

图4展示了HRV分析的整个过程。

图4. HRV分析的整个过程。

LabVIEW具有多个可用于HRV分析的工具包或函数。如图5所示的HRV分析起步工具，展现了利用LabVIEW进行HRV分析的简便性。

图5. HRV分析起步工具的前面板

预处理

RR间隔信号可能存在一些基线抖动，这会导致不精确的暂态分析和频率分析。您可以选择是否在分析前对RR间隔信号进行去漂移处理，如图6所示。对RR间隔信号进行去漂移处理的方法，与使用LabVIEW进行ECG信号处理文档中所提及的方法相似。

图6. 预处理配置对话框

图7展示了去漂移处理的过程。图中的红线表示该基线漂移。

图7. RR间隔信号的预处理

分析RR间隔信号

下面描述了用于分析RR间隔信号的不同方法。HRV分析起步工具支持所有这些方法。

时域分析

对于时间序列分析，通常使用时域量度。许多量度可以从最初的RR间隔信号中提取，以展现ANS中的变化。表1列出了利用HRV分析起步工具提取的量度。

表1. HRV的时域量度[1][5]

变量	单位	描述
统计学量度
R [url=]R均值与标准差[/url]	s	所有RR间隔的均值与标准差
HR均值与标准差	1/min	所有心率的均值与标准差
RMSSD	ms	各个相邻RR间隔的差值的均方根
NN50计数		在所有测量值中，差值超过50ms的相邻RR间隔对的数目
pNN50	%	NN50计数除以所有RR间隔的总数目
几何学量度
HRV三角指数		所有RR间隔的总数除以所有RR间隔的直方图的高度
TINN	ms	对于间距为7.8125 ms（1/128 s）的离散标度所测得的所有RR间隔，对其直方图中最高峰的最小平方误差三角插值的基线宽度。

LabVIEW中包含概率与统计VI，您可以利用这些VI方便地获取统计学度量，如图8所示。

图8. LabVIEW中的概率与统计VI

图9展示了一个成人的RR间隔信号样本。

图9. 利用时域分析方法获得的RR间隔信号采样

图10展示了利用HRV分析起步工具中的时域分析方法得到的这些信号的统计学结果和几何学结果。

图10. 利用时域分析方法的HRV分析

频域分析

HRV分析的频域分析方法从RR间隔信号中提取频域参数，如峰值频率和带内功率。ANS的两个组成部分——交感神经系统和副交感神经系统——会决定升高或降低心率，并影响RR间隔频谱中的不同频带。因而，可以利用频域分析监测ANS的状态。

表2展示了HRV的常见频域度量，其中包括峰值频率以及超低频（VLF）、低频（LF）和高频（HF）等频带的带内功率。

表2. HRV的频域量度[1][5]

变量	单位	描述
峰值频率	Hz	针对VLF、LF和HF频带的功率谱密度（PSD）估计的峰值频率
VLF	ms2	0–0.04 Hz [url=]频段的功率[/url]
LF	ms2	0.04–0.15 Hz频段的功率
HF	ms2	0.15–0.4 Hz频段的功率
LF归一化	无量纲	[url=]LF功率（采用归一化单位）：LF/(总功率–VLF)*100[/url]
HF 归一化	无量纲	HF功率（采用归一化单位）：HF/(总功率–VLF)*100。
LF/HF比		LF/HF（均采用ms2作为单位）

频域方法通常涉及以下三个步骤：

• 对RR间隔信号进行重采样。
• 估算该RR间隔信号的功率谱密度（PSD）。
• 根据该PSD计算频域参数。
  

从ECG信号中抽取的RR间隔信号通常不是以一个规则间隔采样所得。因此，该RR间隔信号并不是延时间轴等距离间隔。可以利用位于数学>>内插与外推函数选板中的一维插值VI，将最初的RR信号转换为均匀采样的时间序列。

对于PSD估计，LabVIEW包含可以执行非参数估计方法或参数估计方法的VI。非参数方法包括基于FFT的PSD，如周期图法和 [url=]沃尔什法[/url]。参数方法包括基于模型的PSD，如自回归（ [url=]AR）方法[/url]和自回归滑动平均（ARMA）方法。 [url=]HRV分析起步工具[/url]包含沃尔什法和AR频谱方法。LabVIEW高级信号处理工具包中则包含有其他方法。

图11展示了利用HRV分析起步工具中的频域分析方法得到的一个RR间隔信号分析结果。

图11. 利用频域分析方法的HRV分析

联合时频域分析

频域分析方法适用于随时间变化不大的RR间隔信号分析。然而，在长期HRV分析（如24小时RR间隔与药物药效学研究）等应用中，RR间隔信号会随时间显著变化。在这类情况下，您可以使用联合时-频分析（JTFA）方法分析稳态和时-频行为。

联合时频域方法（JTFA）没有标准的度量参数。因此可以利用短时傅立叶变换（STFT）、Gabor展开或连续小波VI得到时频谱图并进行定性分析。文献[8]中提到了一个利用JTFA方法的药物药效学应用案例。

高级信号处理工具包支持JTFA方法。图12显示了利用该工具包所含的LabVIEW代码，该代码可以计算得到RR间隔信号的STFT谱图。

图12. 获取RR间隔信号的STFT谱图

图13展示了利用HRV分析起步工具中的JTFA方法获得的联合时频分析结果。

图13. 利用JTFA方法的HRV分析

非线性分析

RR间隔信号是非线性的，因为它们来源于血流动力学、电生理学和体液参数、以及自主神经调节与中枢神经调节之间的复杂交互关系[1]。关于非线性分析的研究基本处于空白，所以没有任何相关标准。然而，这是一个充满希望的研究领域，我们需要在该领域开发出一种工具，从而帮助我们更好地理解人体系统的复杂性。

HRV分析起步工具支持 [url=]庞加莱图[/url]和 [url=]去漂移波动分析[/url]（DFA）方法。下面将分别介绍这些方法。

庞加莱图

庞加莱图是一种XY图，其X轴和Y轴表示两个连续的RR间隔。该图所用的模型是一个椭圆，该椭圆的对称线与X轴成45◦，如图14所示。

图14. RR间隔的庞加莱图

图14显示了下列数值：

• Sd1—各点到对称线距离的标准差。Sd1刻画出了短期变化，这主要是由呼吸性窦性心律不齐（RSA）引起的。
• Sd2—各点在沿着对称直线方向上的标准偏差。Sd2刻画了长期变化[2]。
  

LabVIEW包含概率与统计VI和拟合VI，以及一个前面板XY图控件，可以利用该控件创建并显示一幅庞加莱图。图15显示了拟合VI。

图15. LabVIEW所包含的拟合VI库

去漂移波动分析

去漂移波动分析（DFA）方法定量表示了RR间隔信号的分形尺度属性。该方法通过剔除不稳定的人为趋势，避免了错误的相关性。因此，相比其他方法，DFA方法能更好展示HRV长期相关性的变化情况。

DFA方法利用线性拟合对DFA图进行分析。拟合直线的斜率α表示了HRV的相关性。如果α=0.5，那么该信号为白噪声，没有任何相关性。在一些情况下，DFA图不是严格地呈线性，而是由相交于某点的两条直线组成。该情形表明存在两个因子：一个短期内的小尺度指数和一个长期时间内的大尺度指数。

图16显示了利用HRV分析起步工具中的DFA方法获得的一个RR间隔信号分析结果。

图16. RR间隔信号的DFA图

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5. 应用

HRV分析结果可以应用于临床和研究。对于统计与频域方法，HRV分析结果[1]提出了一些临床应用HRV分析以帮助诊断各种心脏疾病的标准。利用HRV分析起步工具，研究人员能够发现HRV与疾病以及药物药效学之间的有趣关联。例如，您可以发现一名吸烟者与一名不吸烟者的ANS之间的一些相关性。在频谱测量（如LF、HF或LF/HF）中，可以发现一些显著的差别，利用它们检测出吸烟对ANS的影响。如欲了解更多专题，请查阅文献[2]。

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6. 获取HRV分析起步工具

本文中提到的HRV分析起步工具包含于NI Biomedical Startup Kit 2.0。请下载该生物医学起步工具以使用HRV分析起步工具。

请致信dsp.nish@ni.com，以获取关于本文的更多信息。

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7. 参考文献

[1] 欧洲心脏病学会与北美起搏与电生理学会联合任务组，心率变异——测量、生理解释与临床使用标准，循环，1996（93），5，页：1043—1065。

[2] Rajendra Acharya U、Paul Joseph K、Kannathal N、Lim Choo Min和Jasjit Suri S，心率变异， [url=]心脏信号处理进展，[/url]Springer-Verlag Berlin Heidelberg，2007，页码：121-165。

[3] U. Rajendra Acharya、N. Kannathal、Lim Choo Min和Jasjit S. Suri，利用心率信号进行心脏健康的线性、非线性和小波分析，心脏信号处理进展，Springer-Verlag Berlin Heidelberg，2007，页码：355-375。

[4] MICHAEL J. LEWIS，科学学士、科学硕士、博士、英国皇家特许物理学家和英国物理研究所学术成员，心率变异分析：一种评估心脏自主神经功能的工具，CIN：计算机、信息学和护理，2005（23），6，页码：335-341。

[5] Juha-Pekka Niskanen、Mika P. Tarvainen、Perttu O. Ranta-aho和Pasi A. Karjalainen，面向高级HRV分析的软件，生物医学中的计算机方法与程序，2004，76，页码：73-81。

[6]  Peng CK、Havlin S和Stanley HE等，非稳定心跳时间序列中的标度指数与交叉现象的量化表示，混沌学，1995，5（1），页码：82-87。

[7] D. Singh、K. Vinod与S. C. Saxena，用于心率变异频谱分析的RR间隔时间序列的采样频率，医学工程与技术期刊，2004（28），6，页码：263–272。

[8] H G Adelmann，采用时频联合分析方法的临床药理学中的心率变异分析，心脏病学计算机技术，1999，26，页码：643-645。

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Atom-RIO无缝兼容LabVIEW FPGA开发

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在LabVIEW等图形化编程语言中，鼠标是主要的编程环境交互工具，即各种操作任务通过鼠标完成，如选择、连线、高亮文本等。本节主要探讨鼠标在LabVIEW中的功能以及如何使用鼠标完成各种任务。

此外，本节还介绍了快捷菜单、属性对话框和工具栏等修改VI的重要途径。

选择工具

LabVIEW提供新建、修改和调试VI的一系列工具。工具是鼠标光标的一种特殊操作模式。选择了一个工具后，鼠标光标就变成了该工具的图标和操作模式。LabVIEW可根据鼠标当前的位置自动选择相应的工具。

图1. 工具选板

在工具选板中可手动选择所需工具。要打开工具选板，请选择查看»工具选板选板。

自动工具选择器

在工具选板的顶部有一个“自动选择工具”按钮。选中该按钮后，LabVIEW将根据鼠标当前的位置自动选择相应的工具。如要关闭自动选择工具，请取消选择该按钮或者选择选板中的其他项。

如果将选板中的各项工具比喻成家庭常备工具中的螺丝刀、刀片、螺丝锥，那么自动工具选择器就像是一把能够完成所有任务的瑞士军刀。

图2. 各个工具和自动工具选择器

以下是LabVIEW中的一些常见工具。启用“自动选择工具”后，鼠标会变成下列工具之一来完成LabVIEW中的常见任务。

操作工具

操作工具用于改变控件的值。图3中使用了操作工具来移动水平指针滑动杆。鼠标移至指针上方时，光标自动变为操作工具。

图3. 使用操作工具

操作工具大多用于前面板窗口，但也可用于在程序框图窗口中改变布尔常量的值。

定位工具

定位工具用于选择或调整对象大小。图4 中使用了定位工具来选择Number of Measurements数值控件。选中对象后，您可以移动、复制或删除该对象。鼠标移至一个对象的边界时，光标会自动变成定位工具。

图4. 使用定位工具选择对象

如鼠标移至对象的调节尺寸节点上，光标将显示为重新调整大小模式，如图5所示。请注意，悬停在XY图左上角尺寸节点上的鼠标变成了双箭头模式。

图5. 使用定位工具改变对象大小

定位工具在前面板和程序框图中皆可使用。

标签工具

标签工具用于在输入控件中输入文本、编辑文本和创建自由标签。图6中使用了标签工具在Number of Measurements控件中输入文本。鼠标移至控件内部时，光标会自动变成标签工具。单击鼠标使光标位于控件内部，双击鼠标选中当前文本。

图6. 使用标签工具

如鼠标位于前面板或程序框图中不可使用工具的位置，光标显示为十字线。如启用了自动选择工具，双击任意空白处可打开标签工具来创建自由标签。

连线工具

连线工具用于连接程序框图上的对象。图7中使用了连线工具将Number of Measurements接线端连线至For循环的计数接线端。鼠标移至接线端的输出/输入端或连线上时，光标自动变为连线工具。

图7. 使用连线工具

连线工具主要用于程序框图窗口，以及在前面板窗口中创建连线板。

工具选板中的其他工具

工具选板中还包含下列工具：

“对象快捷菜单”工具，用于通过单击鼠标左键打开对象的快捷菜单。在LabVIEW中，右键单击对象也可打开对象的快捷菜单。

“滚动窗口”工具，用于在不使用滚动条的情况下滚动窗口。

断点工具，用于在VI、函数、节点、连线和结构中设置断点，使其在断点处暂停运行。

探针工具，用于在程序框图的连线上创建探针。使用探针工具可即时查看出现问题或意外结果的VI中的值。

上色工具，用于为对象上色。同时，该工具还显示当前的前景和背景色。

取色工具，用于获取颜色，然后通过上色工具上色。

快捷菜单

所有LabVIEW对象都有快捷菜单，它也叫即时菜单、弹出菜单，或右键单击菜单。创建VI时，快捷菜单上的选项可以改变前面板和程序框图上对象的外观或运行方式。要打开快捷菜单，请右键单击对象。

图8. Meter的快捷菜单

属性对话框

前面板窗口的对象也有属性对话框，用于改变前面板对象的外观或者动作。要打开属性对话框，请右键单击对象，从快捷菜单中选择属性。图9显示了图8所示Meter的属性对话框。对象属性对话框中的选项与该对象快捷菜单中的选项类似。

图9. Meter的属性对话框

您可在前面板或程序框图上一次选择多个对象，编辑其共同属性。要选择多个对象，请使用定位工具拖曳矩形方框来选定这些对象，或在按下<Shift>键的同时单击对象。 然后右键单击对象，从快捷菜单中选择属性，打开属性对话框。此时属性对话框仅显示所选对象的共同属性。如所选对象相似，则对话框中的选项卡和属性较多。如所选对象无共同属性，则属性对话框中不会显示任何选项卡或属性。

前面板窗口工具栏

每个LabVIEW窗口都有一个工具栏。前面板窗口的工具栏按钮用于运行和编辑VI。

下图是前面板窗口显示的工具栏。

运行按钮，单击该按钮运行VI。如有需要，LabVIEW将对VI进行编译。如运行按钮显示为上图所示的白色实心箭头，则说明VI可以运行。同时，白色实心箭头也说明如果为该VI创建一个连线板，该VI可作为子VI使用。

VI运行时，如运行按钮如上图所示，说明该VI是一个顶层VI，即没有调用它的调用方。

如运行中的VI是一个子VI，则运行按钮如上图所示。

如创建或编辑中的VI包含错误，运行按钮显示为断开。如在程序框图中完成连线后，运行按钮仍显示为断开，说明该VI不能运行。请单击该按钮打开错误列表窗口，查看窗口中列出的错误和警告。

连续运行按钮，单击该按钮使VI连续运行，直至中止或暂停执行。再次单击该按钮可以停止连续运行。

中止执行按钮，该按钮在VI运行后激活。当没有其他方法停止VI时，单击该按钮可立即停止VI。如多个调用该VI的顶层VI正在运行，该按钮显示为灰色。

注意：按下中止执行按钮将立即停止VI，而不论VI是否完成了当前循环。如VI使用了外部资源，如连接了外部硬件，中止VI可能使资源处于未知状态，既不能重置，也不能释放。因此，建议为VI设计一个停止按钮来防止这种问题。

暂停按钮，单击该按钮暂停运行VI。单击暂停按钮后，程序框图高亮显示暂停的节点，同时暂停按钮变成红色。再次单击暂停按钮可继续运行VI。

文本设置下拉菜单，用于改变所选VI部分的字体设置，如大小、样式和颜色等。

对齐对象下拉菜单，用于按轴（包括垂直边缘、上边缘、左边缘等）对齐对象。

分布对象下拉菜单，用于均匀分布或压缩对象之间的间隔等。

调整对象大小下拉菜单，用于将多个前面板对象设置为同样大小。

重新排序下拉菜单，用于确定重叠对象的前后关系。请先用定位工具选择其中一个对象，然后在下拉菜单中选择向前移动、向后移动、移至前面或移至后面。

LabVIEW搜索，用于在LabVIEW帮助、控件和函数选板以及ni.com中的NI技术支持、社区支持、下载和的产品信息页面中查找相关信息。如要配置LabVIEW搜索的类别，请点击工具»选项，在类别中选择搜索进行配置。

显示即时帮助窗口按钮，单击该按钮可启用即时帮助窗口。

确定输入按钮，用于提醒用户有一个新值可以替换旧值。单击确定输入按钮、按<Enter>键，或单击前面板或程序框图工作区，该按钮即消失。

程序框窗口图工具栏

整理程序框图按钮，单击该按钮重新整理程序框图上的已有连线和对象，使布局更加清晰。要配置整理选项，请点击工具»选项，在类别中选择程序框图设置。

程序框图工具栏上的其他按钮主要用于调试，关于这些按钮的说明在“调试工具”一节中有详细介绍。