Создайте и интегрируйте функции спектрального анализа

Обзор

Этот пример иллюстрирует создание всестороннего дополнения Excel^®, чтобы выполнить спектральный анализ. Это требует знания Визуальных форм Basic^® и средств управления и событий рабочей книги Excel. См. документацию VBA для полного обсуждения этих тем.

Вы создаете дополнение Excel, которое выполняет быстрое преобразование Фурье (FFT) на наборе входных данных, расположенном в обозначенной области значений рабочего листа. Функция возвращает результаты БПФ, массив точек частоты и степень спектральная плотность входных данных. Это помещает эти результаты в области значений, на которые вы указываете в текущем рабочем листе. Можно также опционально построить степень спектральная плотность.

Вы разрабатываете функцию так, чтобы вы могли вызвать ее из меню Excel Tools и могли выбрать области значений ввода и вывода через пользовательский интерфейс.

Создать дополнение:

Создайте автономный COM-компонент из кода MATLAB^®.
Реализуйте необходимый код VBA, чтобы собрать вход и диспетчеризировать вызовы вашего компонента.
Создайте пользовательский интерфейс.
Создайте дополнение Excel и пакет все необходимые компоненты для развертывания приложения.

Создание компонента

Ваш компонент имеет один класс с двумя методами:

computefft — Вычислите БПФ и степень спектральная плотность входных данных, и вычислите вектор точек частоты на основе длины вводимых данных и интервал выборки.
plotfft — Выполните те же операции как computefft, но также и постройте входные данные и степень спектральная плотность в окне MATLAB Figure.

Примечание

Код MATLAB для этих двух функций находится в двух файлах MATLAB, computefft.m и plotfft.m.

Код для computefft.m:

function [fftdata, freq, powerspect] = 
                               computefft(data, interval)
    if (isempty(data))
        fftdata = [];
        freq = [];
        powerspect = [];
        return;
    end
    if (interval <= 0)
        error('Sampling interval must be greater than zero');
        return;
    end
    fftdata = fft(data);
    freq = (0:length(fftdata)-1)/(length(fftdata)*interval);
    powerspect = abs(fftdata)/(sqrt(length(fftdata)));

Код для plotfft.m.m:

function [fftdata, freq, powerspect] = plotfft(data, interval)
    [fftdata, freq, powerspect] = computefft(data, interval);
    len = length(fftdata);
    if (len <= 0)
        return;
    end
    t = 0:interval:(len-1)*interval;
    subplot(2,1,1), plot(t, data)
    xlabel('Time'), grid on
    title('Time domain signal')
    subplot(2,1,2), plot(freq(1:len/2), powerspect(1:len/2))
    xlabel('Frequency (Hz)'), grid on
    title('Power spectral density')

Создайте COM-компонент с помощью приложения Library Compiler и этих настроек:

Установка	Значение
Имя компонента	`Fourier`
ClassName	`Fourier`
Папка Project	Имя вашей папки работы, сопровождаемой именем компонента
Покажите многословный вывод	Выбранный

Для получения дополнительной информации см. инструкции в Create Дополнение Excel из MATLAB.

Где пример кода?

Для получения дополнительной информации о доступе к примеру кода из продукта, смотрите, что Файл В качестве примера Копирует.

Интегрируйте компонент Используя VBA

Создав ваш компонент, можно реализовать необходимый код VBA, чтобы интегрировать его в Excel.

Примечание

Чтобы использовать Fourier.xla непосредственно в папке xlspectral, (см., что Файл В качестве примера Копирует), добавляют ссылки на Fourier 1.0 Type Library и MWComUtil 7.X Type Library.

Выберите библиотеки

Чтобы открыть Excel и выбрать библиотеки, необходимо разработать дополнение:

Запустите Excel в своей системе.
Из главного меню Excel выберите Tools> Macro> Visual Basic Editor.
В Visual Basic Editor выберите Tools> References, чтобы открыть диалоговое окно Project References.
Выберите библиотеку типов Fourier 1.0 и библиотеку типов MWComUtil 7.x.

Создайте Основной Модуль Кода VB для Приложения. Дополнение требует, чтобы переменные кода инициализации и глобальные переменные содержали состояние приложения между вызовами функции. Чтобы достигнуть этого, реализуйте модуль Visual Basic кода, чтобы управлять этими задачами:

Щелкните правой кнопкой по элементу VBAProject по окну проекта и выберите Insert> Module.
Новый модуль появляется под Модулями в Проекте VBA.
В странице свойств модуля, набор свойство Name к FourierMain.

Введите следующий код в модуле FourierMain:

'
' FourierMain - Main module stores global state of controls
' and provides initialization code
'
Public theFourier As Fourier.Fourier 'Global instance of Fourier object
Public theFFTData As MWComplex   'Global instance of MWComplex to accept FFT
Public InputData As Range        'Input data range
Public Interval As Double        'Sampling interval
Public Frequency As Range        'Output frequency data range
Public PowerSpect As Range       'Output power spectral density range
Public bPlot As Boolean          'Holds the state of plot flag
Public theUtil As MWUtil         'Global instance of MWUtil object
Public bInitialized As Boolean   'Module-is-initialized flag

Private Sub LoadFourier()
'Initializes globals and Loads the Spectral Analysis form
    Dim MainForm As frmFourier
    On Error GoTo Handle_Error
    Call InitApp
    Set MainForm = New frmFourier
    Call MainForm.Show
    Exit Sub
Handle_Error:
    MsgBox (Err.Description)
End Sub

Private Sub InitApp()
'Initializes classes and libraries. Executes once
'for a given session of Excel
    If bInitialized Then Exit Sub
    On Error GoTo Handle_Error
    If theUtil Is Nothing Then
        Set theUtil = New MWUtil
        Call theUtil.MWInitApplication(Application)
    End If
    If theFourier Is Nothing Then
        Set theFourier = New Fourier.Fourierclass
    End If
    If theFFTData Is Nothing Then
        Set theFFTData = New MWComplex
    End If
    bInitialized = True
    Exit Sub
Handle_Error:
    MsgBox (Err.Description)
End Sub

Создайте форму Visual Basic

Разработайте пользовательский интерфейс для своего дополнения с помощью Visual Basic Editor. Создать новую пользовательскую форму и заполнить его с необходимыми средствами управления:

Щелкните правой кнопкой по VBAProject по окну проекта VBA и выберите Insert> UserForm.
Новая форма появляется под Forms в окне проекта VBA.
В странице свойств формы, набор свойство Name к frmFourier и свойство Caption к Spectral Analysis.

Добавьте ряд средств управления к незаполненному бланку:

Средства управления для спектрального анализа

Управляйте типом	Имя элемента управления	Свойства	Цель
`CheckBox`	`chkPlot`	Заголовок = `Plot time domain signal and power spectral density`	Постройте входные данные и степень спектральная плотность.
`CommandButton`	`btnOK`	Заголовок = `OK` Значение по умолчанию = верный	Выполните функцию, и отклоняет диалоговое окно.
`CommandButton`	`btnCancel`	Заголовок = `Cancel` Отмените = верный	Dismisse диалоговое окно, не выполняя функцию.
`Frame`	`Frame1`	Заголовок = `Input Data`	Группа все элементы управления вводом.
`Frame`	`Frame2`	Заголовок = `Output Data`	Группа все элементы управления выводом.
`Label`	`Label1`	Заголовок = `Input Data:`	Маркируйте `RefEdit` для входных данных.
`TextBox`	`edtSample`	Не применяется	Не применяется
`Label`	`Label2`	Заголовок = `Sampling Interval`	Маркируйте `TextBox` для интервала выборки.
`Label`	`Label3`	Заголовок = `Frequency:`	Маркируйте `RefEdit` для частотного вывода.
`Label`	`Label4`	Заголовок = `FFT - Real Part:`	Маркируйте `RefEdit` для действительной части БПФ.
`Label`	`Label5`	Заголовок = `FFT - Imaginary Part:`	Маркируйте `RefEdit` для мнимой части БПФ.
`Label`	`Label6`	Заголовок = `Power Spectral Density`	Маркируйте `RefEdit` для степени спектральной плотностью.
`RefEdit`	`refedtInput`	Не применяется	Выберите область значений для входных данных.
`RefEdit`	`refedtFreq`	Не применяется	Выберите выходную область значений для точек частоты.
`RefEdit`	`refedtReal`	Не применяется	Выберите выходную область значений для действительной части БПФ входных данных.
`RefEdit`	`refedtImag`	Не применяется	Выберите выходную область значений для мнимой части БПФ входных данных.
`RefEdit`	`refedtPowSpect`	Не применяется	Выберите выходную область значений для степени спектральная плотность входных данных.

Когда форма и средства управления будут завершены, щелкните правой кнопкой по форме и выберите код View.
Следующий листинг кода показывает код, чтобы реализовать. Заметьте, что этот код ссылается на управление и имена переменных, перечисленные в Средствах управления для Спектрального анализа. Если вы использовали различные имена для каких-либо из средств управления или какой-либо глобальной переменной, измените этот код, чтобы отразить те различия.

'
'frmFourier Event handlers
'
Private Sub UserForm_Activate()
'UserForm Activate event handler. This function gets called before
'showing the form, and initializes all controls with values stored
'in global variables.
    On Error GoTo Handle_Error
    If theFourier Is Nothing Or theFFTData Is Nothing Then Exit Sub
    'Initialize controls with current state
    If Not InputData Is Nothing Then
        refedtInput.Text = InputData.Address
    End If
    edtSample.Text = Format(Interval)
    If Not Frequency Is Nothing Then
        refedtFreq.Text = Frequency.Address
    End If
    If Not IsEmpty (theFFTData.Real) Then
    If IsObject(theFFTData.Real) And TypeOf theFFTData.Real Is Range Then
            refedtReal.Text = theFFTData.Real.Address
        End If
    End If
    If Not IsEmpty (theFFTData.Imag) Then
    If IsObject(theFFTData.Imag) And TypeOf theFFTData.Imag Is Range Then
            refedtImag.Text = theFFTData.Imag.Address
        End If
    End If
    If Not PowerSpect Is Nothing Then
        refedtPowSpect.Text = PowerSpect.Address
    End If
    chkPlot.Value = bPlot
    Exit Sub
Handle_Error:
    MsgBox (Err.Description)
End Sub

Private Sub btnCancel_Click()
'Cancel button click event handler. Exits form without computing fft
'or updating variables.
    Unload Me
End Sub
Private Sub btnOK_Click()
'OK button click event handler. Updates state of all variables from controls
'and executes the computefft or plotfft method.
    Dim R As Range
    
    If theFourier Is Nothing Or theFFTData Is Nothing Then GoTo Exit_Form
    On Error Resume Next
    'Process inputs
    Set R = Range(refedtInput.Text)
    If Err <> 0 Then
        MsgBox ("Invalid range entered for Input Data")
        Exit Sub
    End If
    Set InputData = R
    Interval = CDbl(edtSample.Text)
    If Err <> 0 Or Interval <= 0 Then
        MsgBox ("Sampling interval must be greater than zero")
        Exit Sub
    End If
    'Process Outputs
    Set R = Range(refedtFreq.Text)
    If Err = 0 Then
        Set Frequency = R
    End If
    Set R = Range(refedtReal.Text)
    If Err = 0 Then
        theFFTData.Real = R
    End If
    Set R = Range(refedtImag.Text)
    If Err = 0 Then
        theFFTData.Imag = R
    End If
    Set R = Range(refedtPowSpect.Text)
    If Err = 0 Then
        Set PowerSpect = R
    End If
    bPlot = chkPlot.Value
    'Compute the fft and optionally plot power spectral density
    If bPlot Then
        Call theFourier.plotfft(3, theFFTData, Frequency, PowerSpect, _ 
     InputData, Interval)
    Else
        Call theFourier.computefft(3, theFFTData, Frequency, PowerSpect, _ 
     InputData, Interval)
    End If
    GoTo Exit_Form
Handle_Error:
    MsgBox (Err.Description)
Exit_Form:
    Unload Me
End Sub

Добавьте пункт меню спектрального анализа в Excel

Добавьте пункт меню в Excel так, чтобы можно было открыть инструмент из меню Excel Tools. Для этого добавьте обработчики событий для событий AddinInstall и AddinUninstall рабочей книги, которые устанавливают и удаляют пункты меню. Пункт меню вызывает функцию LoadFourier в модуле FourierMain.

Реализовывать пункт меню:

Щелкните правой кнопкой по элементу ThisWorkbook по окну проекта VBA и выберите код View.

Поместите следующий код в ThisWorkbook.

Private Sub Workbook_AddinInstall()
'Called when Addin is installed
    Call AddFourierMenuItem
End Sub

Private Sub Workbook_AddinUninstall()
'Called when Addin is uninstalled
    Call RemoveFourierMenuItem
End Sub

Private Sub AddFourierMenuItem()
    Dim ToolsMenu As CommandBarPopup
    Dim NewMenuItem As CommandBarButton
    
    'Remove if already exists
    Call RemoveFourierMenuItem
    'Find Tools menu
    Set ToolsMenu = Application.CommandBars(1).FindControl(ID:=30007)
    If ToolsMenu Is Nothing Then Exit Sub
    'Add Spectral Analysis menu item
    Set NewMenuItem = ToolsMenu.Controls.Add(Type:=msoControlButton)
    NewMenuItem.Caption = "Spectral Analysis..."
    NewMenuItem.OnAction = "LoadFourier"
End Sub

Private Sub RemoveFourierMenuItem() 
Dim CmdBar As CommandBar 
Dim Ctrl As CommandBarControl 
On Error Resume Next 
'Find tools menu and remove Spectral Analysis menu item 
Set CmdBar = Application.CommandBars(1) 
Set Ctrl = CmdBar.FindControl(ID:=30007) 
Call Ctrl.Controls("Spectral Analysis...").Delete 
End Sub

Сохраните дополнение в <project-folder>\for_testing.
<project-folder> относится к папке проекта, что Library Compiler раньше сохранял проект Фурье.
Назовите дополнение Spectral Analysis.
1. Из главного меню Excel выберите File> Properties.
2. В диалоговом окне Workbook Properties кликните по вкладке Summary и введите Spectral Analysis как заголовок рабочей книги.
3. Нажмите ОК, чтобы сохранить редактирования.
4. Из главного меню Excel выберите File> Save As.
5. В диалоговом окне Save As выберите Microsoft Excel Add-In (*.xla) как тип файла и обзор к <project-folder>\for_testing.
6. Введите Fourier.xla как имя файла и нажмите Save.

Протестируйте дополнение

Прежде, чем распределить дополнение, протестируйте его с демонстрационной проблемой. Спектральный анализ обычно используется, чтобы найти частотные составляющие сигнала проложенными под землей в шумном сигнале области времени. Создайте представление данных сигнала, содержащего два отличных компонента, и добавьте в него случайный компонент. Эти данные наряду с выводом хранятся в столбцах рабочего листа Excel, и вы строите сигнал временного интервала наряду со степенью спектральная плотность.

Создайте тестовую задачу

Запустите новый сеанс Excel с пустой рабочей книгой.
Из главного меню выберите Tools> Add-Ins.
В диалоговом окне Add-Ins нажмите Browse.
Просмотрите к папке <project-folder>\for_testing, выберите Fourier.xla и нажмите ОК.
Дополнение Спектрального анализа появляется в доступном Дополнительном списке и выбрано.
Нажмите ОК, чтобы загрузить дополнение.

Это дополнение устанавливает пункт меню в соответствии с меню Excel Tools. Чтобы отобразить Спектральный анализ пользовательский интерфейс, выберите Tools> Spectral Analysis. Прежде, чем вызвать дополнение, создайте некоторые данные, в этом случае сигнал с компонентами на уровне 15 Гц и 40 Гц. Выберите сигнал в течение 10 секунд на уровне выборки 0,01 с. Поместите моменты времени в столбец A и точки сигнала в столбец B.

Создайте данные

Введите 0 для ячейки A1 в текущем рабочем листе.
Кликните по ячейке A2 и введите формулу "= A1 + 0.01".
Кликните и содержите нижний правый угол ячейки A2 и перетащите формулу вниз столбец к ячейке A1001. Эта процедура заполняет область значений A1:A1001 с интервалом 0–10 постепенно увеличенных 0,01.
Кликните по ячейке B1 и введите следующую формулу
"= SIN(2*PI()*15*A1) + SIN(2*PI()*40*A1) + RAND()"
Повторите процедуру перетаскивания, чтобы скопировать эту формулу во все ячейки в области значений B1:B1001.

Запустите тест

Используя столбец данных (столбец B), протестируйте дополнение можно следующим образом:

Выберите Tools> Spectral Analysis из главного меню.
Кликните по полю Input Data.
Выберите диапазон B1:B1001 от рабочего листа или введите этот адрес в поле Input Data.
В поле Sampling Interval введите 0.01.
Выберите сигнал области времени Plot и степень спектральная плотность.
Введите C1:C1001 для частотного вывода, и аналогично введите D1:D1001, E1:E1001 и F1:F1001 для БПФ действительные и мнимые части и спектральная плотность.
Нажмите ОК, чтобы запустить анализ.

Следующие данные показывают вывод.

Степень спектральная плотность показывает два сигнала на уровне 15 Гц и 40 Гц.

Пакет и распределяет дополнение

Группируйте дополнение, COM-компонент и все библиотеки поддержки в самораспаковывающийся исполняемый файл. Этот пакет может быть установлен на других компьютерах, которые используют дополнение Spectral Analysis.

На разделе Main File панели инструментов выберите одну из этих двух опций.

Опция	Что делает эта опция?	Когда я должен использовать эту опцию?
Runtime downloaded from web	Инсталлятор MATLAB Runtime загружает MATLAB Runtime с веб-сайта MathWorks.	У вас есть многие конечные пользователи, которые часто развертывают приложения У ваших пользователей есть доступ в Интернет Ресурсы, такие как дисковое пространство, производительность, и время вычислений являются значительными опасениями за вашу организацию
Runtime included in package	MATLAB Runtime включен в сгенерированный инсталлятор, который использует включенный MATLAB Runtime.	У вас есть ограниченное количество конечных пользователей, которые развертывают несколько приложений в спорадических интервалах У ваших пользователей нет доступа в Интернет Ресурсы, такие как дисковое пространство, производительность, и время вычислений не являются значительными проблемами Примечание Распределение MATLAB Runtime с приложением требует большего количества ресурсов.

Добавьте файлы других, которые были бы полезны для конечных пользователей.
Чтобы группировать дополнительные файлы или папки, добавьте их в поле Files installed for your end user. Смотрите Задают Файлы, чтобы Установить с Приложением.
Нажмите Package.

Установите дополнение

Чтобы установить это дополнение на другом компьютере, скопируйте пакет Fourier_pkg.exe в ту машину, запустите его от командной строки и следуйте инструкциям в файле readme.txt, который автоматически сгенерирован с вашим группированным выводом.

Документация