LabVIEW 신호 처리 및 생체 신호 계측

컴퓨터 기반의 제어와 계측

LabVIEW 신호 처리 및 생체 신호 계측



LabVIEW는 컴퓨터 기반의 제어와 계측 어플리케이션을 구현하는 완벽한 솔루션입니다.

본 책자는 LabVIEW 신호 처리에 대한 최초의 서적이며, 응용 사례로 생체 신호 계측 및 분석에 대하여 다루고 있습니다. 그리고 LabVIEW 시작하기에 대한 예제 따라 하기와 해설로 구성된 완벽한 해설서입니다.



1. LabVIEW 2011 버전의 기본 사용법에 대하여 다루었습니다.

LabVIEW 2011 버전의 기본 사용법에 대하여 소개합니다. 시작하기, 데이터 타입, 배열, 클러스터, 구조, 이벤트, 상태머신, 파일 입출력 등에 대하여 설명하고 있습니다.



2. 풍부한 예제를 이용하여 설명합니다.

모든 설명은 예제를 통하여 익힐 수 있도록 구성하였습니다. 기본적인 기능을 소개하는 예제에서 심도 있는 기능을 익히는 예제까지 모두 망라하고 있습니다.



3. LabVIEW 신호 처리에 대한 최초의 서적입니다.

LabVIEW에는 다양한 신호 처리 함수와 툴킷이 제공되지만 원리나 사용법을 소개하는 책자가 없었습니다. 본 책자는 신호 처리에 대한 최초의 서적입니다. 디지털 필터, Fourier 변환을 이용한 주파수 분석, Wavelet 분석, 적분과 미분 등에 대하여 설명합니다.



4. 생체 신호 계측 및 분석에 대하여 설명합니다.

의료기기 개발 및 의용 생체 공학 엔지니어를 양성하기 위한 교재로 만들어졌습니다. 관련 분야의 비전문가를 위한 입문 및 응용에 대하여 다루었으므로 초보자도 쉽게 시작할 수 있도록 구성하였습니다.



5. (부록) CLAD 견본 시험 소개

LabVIEW의 국제 공인 자격증인 Certified LabVIEW Associate Developer (CLAD) 시험의 견본 문제가 부록으로 추가되어 있습니다.



머리글



LabVIEW를 이용한 의료기기 개발이나 지능 로봇 개발, 자동화 테스트 설비 구축, 정밀 실험 및 계측 등을 수행하기 위해서는 목적에 부합하는 계측 및 제어 하드웨어 시스템을 구축하고, 이를 위한 소프트웨어 시스템을 구성하는 것이 필요합니다. 그리고 이러한 계측 및 제어를 위한 소프트웨어는 DAQmx 함수, FPGA 함수 등을 이용한 데이터 수집 프로그래밍으로 구현이 가능합니다. 또한 데이터 수집에 대한 이론과 실기, 예제에 대하여 앞서 출판한 여러 책에서 심도 있게 다루었습니다.



본 기술서에서는 정확한 방법으로 측정한 데이터에서 어떻게 원하는 정보를 얻고 활용할 것인가에 대하여 다루었습니다. LabVIEW 신호 처리는 오래 동안 검증된 알고리즘을 적합 분야에서 활용하므로써, 측정 신호에서 노이즈나 Trend를 제거하거나 원하는 정보를 추출하는 방법입니다. 가장 기본적인 디지털 필터링과 Fourier 변환을 이용한 주파수 분석에 대하여 설명하였고, 최신 신호 처리 기법으로 많이 활용되고 있는 웨이블릿 분석과 신호의 미분 또는 적분에 대하여 다루었습니다. 또한 의용생체 신호 계측 및 분석을 실제 사례로 하여 LabVIEW 신호 처리의 활용 방법에 대하여 설명하였습니다.



본 책자는 LabVIEW 신호 처리에 대한 국내 최초의 서적입니다. 그러나 디지털 신호 처리라는 학술 분야를 다루다보니, 수학적인 공식과 설명이 많이 필요하였고, 정확한 서술을 위하여 여러 참고 서적을 활용하였습니다. 그렇지만 관련 분야의 전문가가 아닌 일반 LabVIEW 엔지니어도 이해할 수 있도록 원리에 대한 그림 및 예제를 최대한 수록하여 쉽게 접근할 수 있도록 구성하였습니다. 특히 디지털 신호 처리 알고리즘의 원리를 이해하는 것보다 필요한 분야에서 어떻게 활용할 것인가를 익히는 것을 목표로 하였기 때문에, 원리가 이해하기 힘든 부분은 예제를 익히고 활용하는 것만으로도 충분할 것이라고 판단됩니다.



1장에서 3장까지 LabVIEW에 대한 기본 사용법에 대하여 다루고 있으며, 4장에서 신호 처리에 대하여 다루었습니다. 또한 5장에서 생체 신호 계측 및 분석에 대하여 다루고 있습니다. 특히 최근 출시된 LabVIEW 2011을 기반으로 내용을 편집하면서, 최신 LabVIEW 업그레이드에서 제공되는 기능들을 소개하였습니다. 마지막으로 부록에는 11 버전을 기반으로 하는 LabVIEW 국제공인 시험 CLAD의 샘플과 해설을 수록하였습니다.

제 1 장 LabVIEW 시작하기



가. LabVIEW 시작하기 13

연습 1-1. 숫자의 더하기와 빼기 22

연습 1-2. 섭씨온도를 화씨온도로 바꾸기 29

나. LabVIEW의 데이터 타입 32

연습 1-3. 불리언 연산 37

연습 1-4. 문자열과 문자열 함수 42

연습 1-5. 숫자형 데이터를 문자열로 바꾸기 46

연습 1-6. 문자열 데이터를 숫자형으로 바꾸기 48

다. 배열 50

연습 1-7. For 루프를 이용하여 배열 만들기 53

연습 1-8. 2차원 배열을 만들기 57

연습 1-9. 배열 함수와 연산 66

연습 1-10. 원 그리기 69

라. 클러스터 71

연습 1-11. 클러스터를 만들고 다루는 법 76

마. SubVI 만들기 79

연습 1-12. SubVI 만들기 80

연습 1-13. VI의 일부만 SubVI로 만들기 83

바. 사용자 컨트롤 90

연습 1-14. 불리언의 사용자 컨트롤 편집 95

사. VI의 디버깅 97

ㆍ 요약정리 104



제 2 장 구조 및 파일 입출력



가. While 루프 109

연습 2-1. While 루프의 속도 111

연습 2-2. 난수 발생 및 일치되는 실수 값 찾기 113

연습 2-3. 시프트 레지스터 만들기 120

연습 2-4. While 루프를 이용한 난수 발생 및 플롯 123

나. 웨이브폼 차트 125

연습 2-5. 차트에 여러 개의 데이터를 동시에 그리기 131

다. Timed 루프 133

연습 2-6. While 루프와 Timed 루프의 타이밍 차이 135

라. For 루프 139

마. 케이스 구조 144

연습 2-7. 케이스 구조 (불리언 조건 입력) 146

연습 2-8. 케이스 구조 (링 조건 입력) 152

연습 2-9. 로컬 변수를 이용한 케이스 구조 160

바. 복잡한 수식 연산 164

연습 2-10. 수식 노드 166

연습 2-11. MathScript 노드 (옵션) 171

사. 이벤트 구조 176

연습 2-12. 사용자 인터페이스 이벤트 179

아. 시퀀스 구조 186

연습 2-13. VI 실행 시간 측정 187

자. 상태 머신 194

연습 2-14. 상태 머신 196

차. 파일 입출력 202

연습 2-15. 텍스트 파일에 저장하기 204

연습 2-16. 문자열 타입으로 저장된 파일을 읽기 208

연습 2-17. While 루프와 파일 입출력 214

ㆍ 요약정리 217



제 3 장 데이터 수집



가. 아날로그와 디지털 신호 221

나. 데이터 수집 보드 225

다. 아날로그 입력 연결 방식 233

라. DAQmx 드라이버와 MAX 240

연습 3-1. 아날로그 전압 출력 태스크 생성 246

마. DAQ 어시스턴트를 이용한 아날로그 입력 251

바. DAQmx 함수를 이용한 아날로그 입력 255

연습 3-2. 웨이브폼 측정 258

연습 3-3. 연속적인 웨이브폼 측정 262

연습 3-4. 다 채널 웨이브폼 측정 266

연습 3-5. 외부 Clock을 이용한 웨이브폼 측정 269

사. 소프트웨어 타임 271

연습 3-6. 소프트웨어 타임을 이용한 아날로그 입력 272

연습 3-7(옵션). 소프트웨어 타임을 이용한 여러 채널 측정 277

ㆍ 요약정리 279



제 4 장 신호처리



가. 신호 처리 283

나. 디지털 필터 284

연습 4-1. 필터 익스프레스 VI 294

연습 4-2. 디지털 FIR 필터 및 FIR 윈도우된 필터 296

연습 4-3. IIR 버터워스 필터 303

다. Fourier 분석 305

연습 4-4. FFT 함수 307

연습 4-5. 웨이브폼 측정 함수를 이용한 FFT 311

라. 웨이블릿 분석 314

연습 4-6. 웨이블릿에 대응하는 Mother Wavelet function 321

연습 4-7. Detrend 분석 327

연습 4-8. Scalogram 분석 334

연습 4-9. Multiresolution Analysis 익스프레스 VI 342

연습 4-10. MIT-BIH 데이터베이스에서 ECG 신호 분석 357

마. 적분과 미분 함수 362

ㆍ 요약정리 372



제 5 장 생체 신호 측정



가. CG 측정 377

연습 5-1. MIT-BIH 데이터베이스 ECG 신호 분석 - Detrend 381

연습 5-2. ECG 신호 분석 - Denoise 387

연습 5-3. ECG 신호 분석 - Peak과 Valley 검출 392

연습 5-4. ECG 신호 측정, 저장, 그리고 분석 395

나. Blood Pressure 측정 404

연습 5-5. Blood Pressure 측정 및 저장 407

연습 5-6. Blood Pressure 분석 411

연습 5-7. Blood Pressure 분석 - MAP 414

다. Hand Dynamometer 근육 피로 측정 418

연습 5-8. Hand Dynamometer 측정 및 분석 421

라. Heart Rate 측정 425

연습 5-9. Heart rate 측정 및 분석 427

마. 폐활량 측정 432

연습 5-10. Spirometer 측정 및 분석 435

ㆍ 요약정리 439



부록 CLAD 견본 시험 소개



가. 견본 시험 첫 번째 443

나. 견본 시험 두 번째 456

다. 첫 번째 견본 시험 해답 472

라. 두 번째 견본 시험 해답 483

곽두영 저자 곽두영은 1974년 경남 밀양 출생. 1993년 밀양고등학교 졸업. 1999년 연세대학교 이과대학 물리학과 졸업. 2001년 포항공대 물리학과 석사. 2001년 3월 한국내쇼날인스트루먼트 기술지원부 입사. 2002년 4월 LabVIEW 컴퓨터 기반의 제어와 계측 Solution - Ohm사. 2003년 9월 LabVIEW Express - Ohm사. 2003년 12월 한국내쇼날인스트루먼트 경북 담당 Field Sales Engineer 2004년 8월 LabVIEW 컴퓨터 기반의 제어와 계측 - Ohm사. 2006년 11월 LabVIEW 한글판 - Ohm사. 2008년 10월 LabVIEW 8.6 한글판 - Ohm사. 2009년 10월 LabVIEW 2009 - Ohm사. 2011년 3월 LabVIEW 데이터 수집 및 CompactRIO - Ohm사. 현재 한국내쇼날인스트루먼트 기술지원부 본부장.