（工程力学专业论文）动力学多功能集成试验系统的开发.pdf

浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 0 ) 摘要 p 0 3 3 3 j 7 d 本文应国家基础课程工科力学教学基地建设中实验技术与方法改革的需求， 遵照动力学基本原理，采用了应变( 应力) 测量、加速度测试方法，依托先进的 计算机软件技术，研制开发了一套多功能、集成化的动力学实验系统( m d e s - a 型) 。可进行基础力学中的悬臂梁冲击动力响应、简支梁振动特性分析，缓冲减 - - 一 一一_ _ 振试验以及用振动方法非介入式测定拉索张力四项典型实验。新设计的试验台架 力求集成化、小型化和多种用途；自行开发的软件具有通用的采集、示波、录波、 实时显示、时域以及频域分析等功能，专用程序可有效实现系列实验数据的采集、 计算和分析。其功能配置合理、软件界面友好、可扩展性强，在普通微机和a d 接口上即可运行，具有良好的性能价格比。 m d e s a 型系统的开发是2 1 世纪初工科力学教学方法和技术改革中的一项探 索性工作，对传统的力学实验教学方法作出了改进，可应用于工程力学以及机械、 土木、动力、能源等专业学生的基础力学课程实验及创意性实验。在提高学生对 动力学基本概念认知、改善学习效率，培养创意性思维以及教学与科研相结合的 素质方面具有积极的促进作用。经过对样机和研究成果的深度开发，可望形成一 种新型的教学仪器矗 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 0 、 a b s t r a c t u n d e rt h eb a c k g r o u n do ft h er e f o r m p r o j e c t so ft h e s t a t e e n g i n e e r i n gc o u r s e r e s e a r c hc e n t e ro fm e c h a n i c si nz h e j i a n gu n i v e r s i t y , t h em a i nw o r ko ft h i sp a p e ri s f o c u s e do nt h ed e s i g no fan e w d y n a m i c - s i g n a l - p r o c e s se x p e r i m e n t a le q u i p m e n t w h i c h i sn a m e da sm d e s a i tc a l le o m p l e t es e v e r a lb a s i cm e c h a n i c se x p e r i m e n t sb yu s i n gc o m p u t e ra n da d c a r da si t sm a i nd a t ac o l l e c t o ra n dp r o c e s s o r t h en e w d e s i g n e df r a m eo fm d e s ai s c o m p a c ta n dm u 6 - f u n c t i o n a l a n d ，b e s i d e st h es p e c i a le x p e r i m e n t a lf u n c t i o n so ft h e s y s t e m ，t h e s o f t w a r eo ft h i s e q u i p m e n t a l s oh a v es o m ec o m m o ns i g n a l - p r o c e s s f u n c t i o n s ，i n c l u d i n gd a t ac o l l e c t i o n , d y n a m i c w a v e - s h o w i n g ，d a t aa n a l y s i sa n d s oo n a so n eo ft h ee d u c a t i o n a le x p e r i m e n t so ft h e2 1 “c e n t u r y , t h ed e s i g no f m d e s a s y s t e m h a sm a d es o m ep r o g r e s si nt h et r a d i t i o n a lm e a s u r e m e n t t e c h n o l o g y i n m e c h a n i c s i tc a r lb eu s e da sak i n do f l a b o r a t o r ye q u i p m e n tw h i c hc a r lh e l ps t u d e n t st o g r a s pa n du n d e r s t a n d t h ec o n c c 面o i l so f d y n a m i c sb e t t e ra n dm o r ee a s i l y w ea r es u r e t h a t ，t h r o u g hf u r t h e ra n dd e e p e rw o r ki nt h i ss y s u m ，i tw i l ld e v e l o p t ob ean e wk i n d e x p e r i m e n t a le q u i p m e n t i nt h ee d u c a t i o no f m e c h a n i c s 浙江大学颈士学位论文( 2 0 0 0 ) 第一章绪论 随着高等学校工科教学改革的深入发展，对实验教学的改革和发展提出了更 高的要求。具体到工科力学课程的教学改革，迫切需要适合于基础力学贯通式、 创意性教学的实验新装置，以适应2 l 世纪初工科院校材料力学、理论力学、振 动力学等课程实验和学生创意性实验的需要。 1 1 创新思维和力学实验改革 当今的科技与经济发展给人们带来深刻的启示。推动生产力发展的动力是科 技的进步，其灵魂则是创新思维。创新、求新己成为2 1 世纪初国家倡导的重要 精神。在教学领域，同样必须在教学方法上不断求索改进。体现创新思维、开拓 思维和立体思维。 基础力学课程的实验教学肩负着理论验证、知识传授和极其重要的能力、素 质培养，其中包括创新思维培养的任务。阅读目前的大多数力学实验教学资料， 其经典性和知识传授、验证理论作用应该说是充分的，但一般说未强化创新意识 和重视素质教育。九十年代后期，教育部在全国设立了一批以基础课程为中心的 教育基地，其中浙江大学以学校的综合实力和力学学科的“品牌”效应，成为部 属两个力学基地之一。之后的两年多时间里，在力学实验教学改革中已取得不少 成果【l 】有如“面向2 1 世纪材料力学实验教学改革”、“自胶结叠合梁弯曲实验的 探索”、“固体实验力学教学方案初探”等实验教学研究成果发表口。“l 。这些工作 主要集中在材料力学方面，且基本对象大多是静态问题。而力学中的动态问题在 当今更应受到重视。一是因为动力学课程的概念更为抽象，内容较为复杂，不易 为学生所认知掌握：二是在工程上静力问题的求解方法已趋成熟，大量的以动力 学为学科背景的技术问题，如大型、特殊结构的抗震设计 1 、大跨度桥梁、高耸 结构的风载响应_ ”、防护工程的优化设计以及商品包装的现代缓冲防震技术i “9 等，迫切需要人们去认知、分析和解决。 作为教学基地的实验技术与方法改革方向，很有必要对新一代动力学实验系 统进行开发研究。本论文正是在这一背景下展开的。 1 2 动力学实验新系统的开发 一开发研究的期望 1 新研制的系统必须遵照动力学原理，能适应技术基础性力学课程如材料力学、 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 0 ) 理论力学、振动力学、实验固体力学等的教学要求。 2 在内容编排上应具有典型性，希望能有由浅入深的贯通式特点，系统设计应符 合学习的认知规律并体现创新精神。 3 在开发手段上要注重新技术的应用和学科交叉，如计算机信号采集分析、机电 设计以及现代测试技术的结合，使之具有先进性。 4 结构形式上力求小型化、多功能、低成本，以利推广应用。 1 3 本文的主要工作 对动力学原理、工程力学试验方法及计算机信号采集与数据分析知识进行了 较全面的研讨，经充分论证，创意性提出了一种多功能、集成化的动力学实验系 统新设计( m d e s - a ) 。主要工作有： 1 论文期间，在悬臂粱冲击动力学响应、简支梁振动特性分析、减振缓冲试验 与频率法测定拉索张力典型试验规律分析基础上，完成了集四项实验为一体 的试验台架设计与a 型样机试制。其中以电磁线圈吸持落锤高度定位和跌落 释放，以受激振动简支粱作为减振试验激振机座以及为提商精度而采用的钢 索拉力传递隔离小车均属设计中的创新思维产物，提高了技术含量和结构集 成度。 2 利用普通微机和a d 接口，开发出一套含信号触发采样、数字滤波、示波、 信号回放、时域和频域分析等通用功能的软件和系列实验数据计算分析配套 的专用软件模块( m d p s l 0 ) 。该系统可以取代光线示波器、电压表、x y 记 录仪、频率计和磁带记录仪等传统仪器。软件界面友好，具可扩展性，性能 价格比好。其中“文件标志链接法”、“自动快速调接法”的提出和采用，改 善了软件的功能。 3 ，论文工作中，重点对频率法测定拉索张力技术展开了多方面的研究，选择其 中拉索截面刚度、附加质量分布、测量传感器位置对精度的影响等目前尚未 完全解决的技术关键，进行了较深入的分析和标定性验证，对该新技术的进 步和应用作出了有益的贡献。 在以下的论文里，将阐述主要的工作进展和成果。 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 0 ) 第二章动力学信号测量技术 动力学信号的测量范围极广，包括结构的振动、冲击激励与响应以及动应力、 动位移等动态力学量与对象的特征参数测定。本章主要对在动力学信号铡量中有 重要地位的振动与结构动应力测量原理与技术作出简介。 2 , 1 振动信号的测量 测振传感器 振动的测量是通过各类振动传感器捡取的。振动传感器有压电式、应变式、 电磁式、光学式等。它们的工作机理依托了不同的物理效应。然而，其工作方式 通常可归纳成两类：一类是以空间静止点为基准的不动点振动计( f i x e dr e f e r e n c e i n s t r u m e n t ) ，另一类是利用振子的基础振动计( s e i s m i ci n s m m a e n t ) i ”l 。其原理如图 2 。1 、2 - 2 所示。 蚴照 凰2 一】不动煮振勐计 图2 2 基础振动计 不动点振动计可分为接触式与非接触式。前者使用方便，在现场得到了广泛 的应用，但当测量加速度超过某极限值时，触针与测量对象之间发生敲击，从而 给测量带来困难。此时，应使用根据互感应、磁效应或光电效应原理制成的无机 械反作用力的非接触式振动计。 基础振动计具有测量方法简单、测量结果稳定可靠等优越性能。它是d 1 一个 或儿个弹性元件把基础框架与质量元件连接而成的系统。系统中通常包含有阻尼 元件。测振时，把它固定在测量对象上，通过机械、光电或电学的方法，测量出 质量块m 与基础框架之间的相对运动，从而确定系统的振动状态。其运动方程可 表示为【“1 窘秘w 。d 础x 。2d 2 y ， 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 0 ) 式中 w 。2 = k m = ( 2 矾) 2 ，h = a ( 2 厮) ( 2 2 ) x 为质量块与基础框架之间的相对位移，y 为待测振动位移。 其特解为 z = 1 ( w 2 ( 1 一2 ) 2 + ( 2 h 2 ) 2 ) y 。s i n ( w t 一) ( 2 3 ) 式中卢刊w = t g 。啬 由上可得，其动态特性取决予系统的无阻尼固有频率和阻尼比。适当选取这些系 数，就可以测定其相对位移，通过相应的二次仪表进行信号放大及微分、积分变 换，获得加速度、速度和位移。 二传感器选取 振动传感器按测试物理量不同分为位移传感器、速度传感器以及加速度传感 器。选取何种类型主要依据测试对象特性、环境条件、振动计的尺寸、灵敏度以 及频谱特性要求而定f 1 2 】。从频率特性考虑，位移传感器属于低固有频率器件，尺 寸较大，在低频区有严重的相位非线性，因此使用范围较窄。而加速度计属于高 固有频率传感器，其相位线性度较好，因此在实际测试中一般用加速度传感器。 尤其是压电型传感器的尺寸小、灵敏度高，而且其灵敏度与和低频特性与传感器 的内部电容、测量导线分布电容无关( 目p 使导线长度变化也不必重新校准) 等特 性，使用最为广泛呻】。 三激振方式 结构的振动特性与其结构参数，如阻尼、刚度以及振型频率密切相关。在许 多场合，振动测量的目的就在于依据某种激励作用下结构的响应来确定系统的特 征参数忡1 。因此，选择合适的激振方式是十分重要的。在实际测试中，主要用 三种激振手段：正弦稳态激励、环境随机激励以及脉冲瞬态激振。 通常的电磁式或液压式振动试验台产生的就是正弦稳态激振。在大型试件及 结构的振动测试中常用到同步激振器，用偏心质量旋转产生周期性动载荷。其激 振力与偏心质量、转动角速度的平方成正比。测试时由较低的频率起振，以一定 的频率间隔扫描，仪表系统实时记录各测点的响应信号，得到时域和幅频曲线。 4 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 0 ) 可求得固有频率、阻尼比；判读各测点的幅值，可得系统的振型。 环境随机激励包括海浪、风、机械噪声以及地面的自然脉动振动等等。其主 要适用于大型结构平台、高层建筑等的动态性能分析f i ”。由于此类结构体量巨大， 很难对其施加足够大的可控激励，即使人为的振动激励作为输入，也因为对设备 功率要求高、试验费用昂贵及试验对影响建筑物的正常使用并可能造成结构损坏 而不切合实际。在这种条件下，环境激励输入就成为较为可行的一种激励方式。 当然，在此情况下结构响应信号强度般不高，而且组分复杂，对分析系统的 频带、抗干扰能力及灵敏度要求甚高。如用自功率谱法确定系统参数时，输入源 符合有限带宽白噪声的程度对分析精度有较大的影响。 脉冲输入激励用机械或运动流体在系统适当位置实施瞬间冲击，击发一阶或 多阶模态，从而识别系统的动态参数。它具有与一定带宽的随机激励相似的力谱 ( 图2 3 ) ，因而能一次击出在此频带杰的各阶模态。但在奈奎斯特频率内可能存 在旁瓣，由此会引起频率混叠。此种激励方式成本低、效率高。但由于其一般激 振力能量不大对大型结构不根适合。但通过对激振器件的适当设计，还是可以 应用于一些大型工程场合的，在文献 1 4 】、1 1 6 中提供了几种以脉冲激励方式测定 大型桥梁振动特性的方法与手段。 坟t ) 。 h ( w ) 。 l 一1 日 l 一、 w 7 图2 3 矩形脉冲力值谱图 本论文中的测试对象均为试验室小型装置，因此激振力由冲击脉冲与偏心电 机的正弦稳态激励实现。 2 2 动应力测量 一应变测量原理 应力应变测量是力学量测试与结构力学性能监测中的重要方法”。最常用的 方法是应变电测法。目前的应变计和相应电阻应变仪系统，可达到应变测量分辨 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 0 ) 率为1 0 6 ( 1pe ) 。电阻应变计执行变形向应变电阻间的转换，由全桥或半桥 输出包含了结构变形信息的电压或电流量。在现行材料力学和固体力学课程教学 中，应变电测技术均是重要内容。 依据应变计在桥臂中的数量，目前最常用的是单臂、半桥双臂以及全桥四臂三 神接法。由于全桥接法具有高灵敏度、高线性度以及抗温度干扰能力强等优点成 为实际测试的首选方式。在本装置的悬臂梁冲击实验中就采用了全桥接法。 二：动应力测量技术关键点 动态应力测量因信号时间特征对测试系统提出较高的要求。测试时，应注意以 下几点【2 0 】： 1 应变计的选取 用应变电测法测量高应变速率的动态应变时，需考虑应变计的动态响应，长 时间交变载荷下，应选用有较高疲劳寿命的应变计。 2 动应变测试系统的组成 动应力( 应变) 测量中需得到应变随时间的变化过程。应此在测量仪器系统 中，除动态应变仪外还须配备相应的显示及记录装置。主要有磁带记录仪、x y 记录仪、光线示波器与电子示波器等。传统的记录显示设备通常具有功能单一、 数据分析处理繁琐以及使用范围狭窄的缺点。如磁带记录仪记录信号需另用专用 分析仪处理，而且商质量的磁带机价格昂贵。近年来发展起来的以计算机为核心 的信号采集处理系统克服了传统设备的缺点，必将逐步取而代之。 3 动应变的标定 动态应变测量的直接结果是记录应变的波形。为得副实际的动态应变幅值， 则须进行应变标定，其标定的方法有电标定或机械标定。在高应变速率下，动、 静态标定值差别较大1 2 i l 。 2 3 小结 随着计算机及传感技术的不断进步，动力学信号检测领域正朝着智能化、集 成化及系统化的方向发展。动力学信号测试分析技术在科研及生产中的广泛应用 对信号保真、数据快速采集与处理、建模及模型识别等方面提出了很多要求，还 有许多有待于探讨之处。本文后续的信号采集和分析软件开发，也是这方面的一 项工作。 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 0 ) 第三章实验系统总体结构与设计 本文研制的多功能动力学实验系统( m u t i - f u n c f i o n a ld y n a m i c se x p e r i m e n t a l s y s t e m ，简称m d e s ) 由集成化试验台架、传感器件、二次仪表以及通用微机信 号采集分析处理系统( 含a d 接口和自行编制开发的信号分析软件) 组成。为了 达到第一章中提出的研制目标，除了合理选用不同试验中适配的传感器件和相应 二次仪表之外，笔者依据工科力学实验教学的分层次、贯通式要求，构思出悬臂 粱冲击动力学响应分析、简支梁振动特性、缓冲减振试验和用频率法非介入测定 拉索张力四项基本实验，并创意性设计出具有集成化、小型化特征的试验台架。 同时，基于优良性能价格比的追求和进而的普及推广性，重点开发编制了一套信 号采集与处理分柝软件。m d e s 的组成框图如下示： 悬臀粱冲 击动力学响 h 动态应变仪卜- + 应 通用软 简支粱振 a d 动特性 接 件与专 口 + 非介入拉 用分析 索张力的测 叫电荷放大器卜 软件 定 减振缓冲 多功能试验 传感 二次仪表 自动化信号采集分析 ；台架 器件 l 系统l 图3 - 1m d e s 系统组成框图 3 1m d e s 系统的特点 论文预定的目标是完成国家基础课程工科力学教学基地动力学试验教学改革 的前期工作。然而，从试制的样机和系统开发的成果，已可看出i 、, f i 3 e s 系统具有 下列特点： 1 较强的包容性：该系统从试验装置到测试软件皆具有较强的包容性以及功能 上的集成性。在同一台架上可实现多项力学典型实验的操作，信号采集与分 析软件更是针对性开发编制。 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 0 ) 2 较高的通用性：系统不仅具有四项基础实验的测试分析功能，其软件可对众 多转换为电学量的模拟信号进行分析处理。 3 灵活性与先进性：同传统的笨重而操作繁琐的模拟显示处理实验设各相比， m d e s 系统依托计算机技术，具备了现代数字系统灵活性与先进性的特点。 集成化试验台架的多功能、小型化更是常规教学试验装置所无法比拟的。 4 易扩充性：在实现预定功能的前提下，软件开发环境以及编程语言选择时采 用了面向对象的编程技术与具有良好扩充能力的开发平台，充分考虑了软件 再开发与功能扩充的要求。 3 2 集成化试验台架设计 一设计思想 在历史悠久并沿用至今的力学实验，尤其是教学实验中，实验台架的设计为 配合课程某个章节的原理性内容，一般采用如悬臂粱、简支梁、框架、拉杆( 索) 等简单而力学背景明确的试件。 我们认为教学试件的简化处理是必要的。这可以由浅入深，以小见大地辅 助说明原理，以有利于学生的知识认知。然而常规的配套台架大多较为笨重，几 乎全部是单体单件结构。这无论从体积、造价方面看均不够优化，更重要的是不 利于对学生从基本知识到深入分析的思路引导。 经过慎密的论证，笔者提出了一项新的创意，即把多项典型试验的试件及其 配套件巧妙地汇集成一体，在台架上可以实行一组系列试验根据教学的不同要 求如示范或操作、学时长短、指令性基本课程实验或由学生创意性实践等，选傲 其中一项或多项实验。显然，在不同的力学课程，从科普讲座到研究生教学或相 关科研实验中，按这种思想设计的教学仪器也有一定的适应性。 二设计期望 据此提出下列设计要求。如能实现，则同时又是其特色。 1 理论上的严密性。以本文所指的四项基本实验为例，试验台架系统必须符合 每个实验所蕴含的力学原理以保证实验结果的科学性。 2 结构的合理性。主要包括集成式结构的合理和独立实验运作的非相关性。 3 较高的集成度。尽可能把较丰富的实验内容包含于同一套台架的功能之中。 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 0 ) 4 操作的便捷性。实验装置部件的更换应当是方便的，最好能达到不换部件的 条件下依次可进行各项实验。 5 关于造型、投资、体积等要求。 显然，上述几方面除i 是必要条件外，其余各项都有个实现程度问题。这给 我们设计提供了很大的空间。此外，各项要求均有关联。在本文设计中，着重考 虑了1 - - - 4 项要求，而最后一项也已形成具体的构思方案。 三台架结构 1 电磁定位机构：2 冲击落锤：3 应变电桥；4 墒臂梁：5 简支粱： 6 - 偏心电机：7 牵引器；8 标定力传感器：9 隔离车：1 0 钢丝索；1 1 ，结构框架 图3 - 2n 口隐s a 型试验台架样机结构示意图 论文中进行的大量实验表明，新设计的台架样机，己能很好地实现m d e s 系 统的要求功能。鉴于系统属起步性的样机，之后将有改进推广的要求，故称之为 m d e s a 型。图3 2 为试验台架样机的结构示意图。 3 3 传感器僻与二次仪表 一主要仪器 d m e s 整套仪器系统以微机及采集卡为核心，使用了通用的应变和电荷放大 器及配套传感器件。图3 1 中的传感器件和二次仪表的规格、型号如下： 9 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 0 ) 1 i n v d l f 3 双通道电压滤波积分放大器； 2 b l r l 型拉力传感器与力值显示仪；b x 1 2 0 型电阻应变计； y d 1 型加速度传感器； 3 y d 2 1 型动态电阻应变仪。 二：采样板a d 卡 作为数据采样处理系统，计算机及采集板卡占据核心地位。本系统中的a d 采集扳卡为p c l 一8 1 2 卡。它是一种适合于普通微机的数据采集卡，可应用于数据 采集、过程控制、自动测试以及工厂自动化等，目前价格甚低。 主要特性有： 1 6 模拟输入通道； 1 2 位逐次逼近a d 转换器h a d c 5 7 4 z 。最大采样频率可达3 0 k 。 模拟输入转换域值电压级次 | 一l v + - 2 v , + i - 5 v , 七l - 1 0 v 触发模式：软件触发模式、可编程计数器触发模式以及外激励触发方式。 两个1 2 位d a 输出通道。输出幅值o + 5 v ( 使用内部基准电压) ，也可使 用外部基准电压，此时幅值依外部基准电压而定。 1 6 位t t l t l 可兼容数字输入通道，以及1 6 位数字输出通道。 采用编制的板卡驱动程序，在微机上进行相应操作就可从外界输入模拟测试 信号，并将其转化为数字信号，送入内存供数据转换与处理分析。 3 4 软件设计思想 开发环境选择 开发软件首先涉及的就是选用何种开发环境以及编程语言。由于动力学信号 采集处理系统不仅需要用户界面程序编制与数据文件操作，同时还要对硬件板卡 进行操作，因此采用了当前主导性软件设计语言c + + 【”1 - 1 2 ”。 在本文开发的软件中，v i s u a lc + + 提供了一个由许多组件构成的完整的集成 开发环境( m i c r o s o f td e v e l o p e rs t u d i o ) 。它提供的资源编辑器、a p p w i z a r d 以及 c l a s sw i z a r d 使用户程序的编制更为简便。同时还提供了强有力的集成调试器， 极大地方便了系统的调试与程序故障的诊断。具有良好的程序扩充功能有利于程 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 0 ) 序升级开发与改进。 二软件总体结构 本文中开发的动力学信号分析软件由两部分组成：通用信号处理及专用动力 学实验数据分析。其总框图示于图3 - 3 。 图3 - 3系统软件总体结构框图 通用功能包括： 1 信号采集功能：有随机方式与触发两种方式； 2 动态示波与录波功能： 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 0 ) 3 高通、低通、带通数字滤波； 4 频谱分析：幅频、相频、自相关、互相关功率谱分析等功能； 专用功能包括： 1 悬臂梁的冲击动力响应测定与分析； 2 简支粱系统振动特性的测试； 3 非介入式索力测定分析： 4 减振缓冲试验； 鉴于软件开发为第一阶段，故将新编软件命名为m d p s l 0 ( m u t i - f u n c t i o n a l d y n a m i c s i g n a lp r o g r a m m i n gs y s t e m ) 。 3 5 小结 本章介绍了论文期间开发研制的m d e s - a 型系统的总体结构与设计思想，其 中集四项基本实验于一体的试验台架体现了小型化、集成化的特色，在教学实验 装置设计中是一种新创意。 介绍了实验中采用的常规仪器，并对p c l 8 1 2 a d 卡的性能参数作了描述。最 后具体指出m d p s l 0 版软件能达到的通用及专用功能。 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 0 ) 第四章信号采集与分析通用软件的开发 4 1 概述 在工程测试与科学研究中，通常需进行信号采集及分析、变换、综合、识别 等处理。数据处理可分为模拟和数字系统两大类。与模拟处理系统相比，数字信 号处理具有高精度、高稳定性、高灵活性等明显的优点。随着数字信号处理理论 的完善及计算机技术的快速发展，近年来数字信号处理技术在许多领域得到了进 展与应用。 本文提出的动力学多功能集成化实验系统中，在试验台架、信号传感、二次 仪表放大环节之后。就采用了由通用微机和a d 接口组成的数字信号采集处理系 统。m d p s l 0 保证了m d e s 系统预定各项功能的实现。m d p s l 0 设计主要包含 四个方面：硬件板卡的采样驱动、用户系统程序的构建、通用信号处理以及专用 试验处理与分析功能。传统的信号采集处理软件系统运行环境通常基于d o s 操作 系统，用户在使用过程中，必须依赖大量繁琐而难以记忆的的各种命令与快捷键， 而且d o s 系统下应用程序具有顺序执行的特点，用户对程序执行过程的控制极为 不便。即使采用图形化界面程序形式，也无法克服以上缺点。本软件基于w i n 3 2 编程，其用户界面友善。操作简便，有其丰富的对话框及各类注释按纽，能有效 帮助用户在短时间内掌握软件的使用方法。可在保持运行界面不变的条件下，方 便地选择功能、重置参数，这是基于d o s 操作系统的软件无法达到的。 此外，系统中引入了多种处理手段与相应机制。如在动态显示功能中采用了 优化重绘机制以提高程序运行速度、多线程处理计算工作、兼容内存绘图以降低 屏幕闪烁以及采用控制权递交机制加强用户对系统响应的控制等。从而很好地实 现了系统各项功能。提高了软件的实用性， 4 2 用户程序构建 m d p s l 0 处理软件的用户程序是指与用户使用直接相关的界面程序以及将各 种功能及信号处理模块有机融合的相关程序处理，是应用软件系统不可缺少的部 分。程序编制时较侧重于计算机各类设备的操作等技术性工作，如屏幕显示、内 存处理、数据存储以及用户指令响应等。由于其固有的特点，程序语言在用户程 序的编制中相当重要。本系统主要采用v i s u a lc + + 编制。基于v i s u a lc + + 强大的 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 0 ) 功能以及开发中比较周密的构思与设计，较好地实现了设定的开发目标。以下论 述在程序处理中占有重要地位并具有一般意义的几个问题。 用户消息种类及消息处理的过程 用户程序是在w i n d o w s 环境下运行的。w i n d o w s 程序是一种基于事件驱动 的编程模式，其应塌程序中的大部分工作依据用户或系统发出的消息而进行相应 变化口q 。用户程序中的消息主要有三类：常用w i n d o w s 消息、控件通知以及命 令。常用消息主要是应用程序中的窗口和视图处理消息。控件消息主要是由子窗 口传向主窗口的w mc o m m a n d 消息。命令指由菜单、按扭和快捷键传递的消 息，如系统中示波器功能下的操作暂停按纽时向主窗口发出的消息等。在m f c 中为第一类消息的绝大部分提供了缺省操作。而控件消息和命令则依据用户程序 具体要求有截然不同的处理功能。其中控件通知通常由窗口对象来处理。 二信号处理动态链接库的创建与调用 由于信号分析需要，系统的各项检测及处理程序进程会不断地调用频谱分析、 滤波、数值计算等功能，软件中需建立相应的信号处理动态键接库( d l l ) 。动 态链接摩指一个库中函数的集合，它不直接连入可执行文件，而通过包含在可执 行文件中的信息检索后使用。库中代码在程序运行时才加载。这就允许不同的进 程在内存中共享库，使应用程序对内存的需求大大减少，同时其e x e 文件更易 于管理。 d l l 中的每个函数都应在索引表上有相应的地址。我们的软件中采用了两种 实现方式。其一、在每个函数的开始处增加- d e c l s p e “d 】l p o r t ) ；或者用与其相联系 的宏，如a f xc l a s s - e x p o r t ，a f xd a t ae x p o r t 等。其二、采用模块定义 文件( d e f ) ，这样可操作更多的控制。应用程序调用分动态加载和静态加载两种 形式。 在使用普通型m f cd l l 时，由于m f c 进程的每一模块都保存着状态信息， 因此用户d l l 和调用程序具有不同的状态信息。直接被应用程序调用的函数都 应通知m f c 所要使用的状态，否则将可能出现谬误。对此问题，采取的方法是 在每个调用函数之前，加上语句： a f x m a m a g e s t a t e ( a f x g e t s t a t i c m o d u l e s t a t e ( ) ) ； 值得注意的是，当d l l 采用静态加载方式时，重新编译的d l l 必须及时替 浙扛大学硕士学位论文( 2 0 0 0 ) 代原有d l l ，否则应用程序仍将调用原有系统目录下d l l ，调试时将依旧出现原 有问题。 三线程创建与使用 w i r d 2 系统支持多进程编程每个进程都有自己的内存地址空间，同时它还 支持同一进程的多线程。任一应用程序都有唯一的原进程，该进程单独执行并可 以启动其它进程，。所有进程可共享其它进程的内存空间。 线程有工作线程与用户界面线程两种。本系统采用了工作线程。实现时可先 在线程中建立运行函数，然后用a f x b e g i n t h r e a d ( ) 创建该线程。其格式如下。 c w i n t h r e a d a f x b e g i n t h r e a d ( a f x _ t h r e a d p r o cp f nt h r e a d p r o c ，l p v o i dp p a r m ， m t n p r i o r i t y = t h r e a d _ p r i o r i t y o r m a l ，u n i tn s t a c k s i z e = 0 ，d w o r d d w c r e a t e f l a g s = 0 ，l p s e c u r i t y _ a t t r i b u t e sl p s e c u r i t y a t t r s = n u l l ) ； 其中线程函数原型为： u n i t m y t h r e a d p r o c ( l p v o i dp p a r a r n ) ； 为了防止线程间通讯时破坏对方的数据，使用了c c n t i c a l s e k , c t i o n 对象来处 理意外情形。每当应用程序线程进入代码关键段之前，调用该对象的l o c k ( ) 成 员函数，假如没有其它线程锁定关键段，l o c k ( 浍锁定并返回，允许所调用的 线程继续至关键段，并在合适时候操作数据。如果第二个线程试图锁定相同的关 键段，l o c k ( 涵数会被挂起，直至该段开锁。这发生于第一个线程调用u n l o c k ( ) 函数后。这样就可有效地避免线程间数据通讯的冲突。 四冗长程序控制权的处理 在许多场合，系统由于程序运行的需要有可能进入冗长运行阶段，如进行大 量数据的循环操作处理以及等待信号的触发采集等，系统对用户的指令操作将不 再发生响应直至脱离或完成其所设定的功能。从而造成“死机”现象。但由于操 作需要，用户通常希望能有效地中止或暂停该类操作，恢复对系统响应的控制。 为达此目的，笔者在系统软件设计中采用了图4 1 所示的控制权递交机制。对用 户掌握与使用程序控制权是有效的。 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 0 ) 圈4 - 1 控制权递交机制示意图 五动态显示模块优化机制 波形动态显示时必定涉及屏幕的重绘问题。优化绘图机制通过对绘制区间大 小的判别，使图形绘制限制于指定区域内，而不再对其它区域进行重绘从而提 高了程序运行速度。另外，在波形更新速度较快时屏幕具有较强的闪烁。其原 因在于当一变化的波形曲线直接在屏幕上显示时导致屏幕刷新过于频繁。对此， 系统采用了兼容内存绘图处理方法。此时波形首先在兼容内存位图上绘制，再将 位图拷贝至屏幕，从而达到降低屏幕闪烁的效果。 六数据文件的灵活操作 在采样信号处理系统中，需用一组具有一定联系的数据文件作为不同功能子 块的通讯媒介。以采样子模块与频谱分析模块的关系为例，后者不仅需要由采样 模块获得采样数据文件，而且也需要参数数据文件及获得输出数据文件。人们希 望输入一个标识文件名就可代表一组数据文件，并为系统所识别。在此，本文提 出了“文件标志链接法”。其思路为利用c s t r i n g 类的可运算特性以及c f i l e 类的 标志特性使该组数据文件具有相同的文件头而具有不同的文件尾。文件头可由用 户输入并通过数据交换机制( d d x ) 获得，用于区别不同的数据文件组。文件尾 由程序依据事先确定的协议确定，并将不同性质的数据分别保存于同一组中不同 类型的数据文件中。 4 3 采样及预处理程序编制 6 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 0 ) 一基本采样程序 采样程序通常与系统硬件紧密结合在一起，不同的硬件系统对应的具体程序 结构也互不相同。但无论系统如何存在差异，选用合适的数据传送方式始终是一 关键问题。本系统采用了程序控制数据传送方式、其流程图示于图4 2 。 图4 2 程序控制数据传送基本子程序框图 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 0 ) 二边采边存技术及大容量数据采集的实现 图4 3 大容鼍数据采集程序实现示意框图 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 0 ) 在实际应用中，通常要求较高的采样频率以满足时域信号的识别精度；许多 场合也希望提供较长的采集时间。数据采样后直接进入指定内存缓冲区，在连续 采集条件以及采集传送速度匹配的情况下，可以将该段时域中的信息完整地存储 并处理。为此要求扩充内存以加大缓冲区容量。然而在系统有限的内存中很大一 部分为操作系统及其它资源所占用，这就使采集容量、采集速度以及采集时间形 成矛盾。为解决此问题，较经济高效的方法是利用外部存储机构直接介入数据采 集过程，实现边采边存。本文采用的方法是在内存中设置一组数据缓冲区，通过 轮流使用缓冲区，并将数据连续存储于硬盘空问。其程序结构如图4 - 3 示。 三，带恢复信息的“预触发”采样功能实现 在对冲击脉冲信号分析等场合，需了解信号达到触发电平前一段时间内的信 息。据此要求，在系统软件中采用了带恢复信号的“预触发”方式。其实现 思路为：在信号触发功能中添加一数据结构队列，数据流遵循“f i f o ”( 先进先 出) 原则。当信号高于触发电平，正式采样开始后，数据流不再进入队列，而进 入保存缓冲寄存区。从而在队列中保留了信号的触发前沿信息。其程序实现过程 如图4 - 4 示。 图4 - 4 带恢复信息的触发功能示意图 信 息 抛 弃 四采样频率选择 信号采样是通过模数转换器( a d 转换器) 实现的。其工作原理在文献【2 8 中有详尽的介绍。常见类型为逐次遥近法。 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 0 ) 采样频率选择相当重要设信号的最高不可忽略频率分量为f ，信号总能量 的9 8 在频率范围( f ，f ) 内，则采样频率f 。应大于2 f ，否则就会丢失信号的 频谱信息。当采样频率过高，在短时间序列计算时，会降低系统频率识别精度， 而加长时间序列则会导致处理过程计算量过大，从而降低了信号处理以及显示的 实时性。对于带限信号系统，在w c z 5 w 对采样频率增加并不能有效地改善信 号质量。 为灵活地操作采样功能。在系统中可自行设置和选取所需的采样频率与采样 方式。但其频率受p c l 8 1 2 板昔本身最大采样频率的限制，一旦设置超出上限 2 6 k h z ，系统将提示错误信息，并自动调节其采集频率至极限值。 五信号预处理 信号预处理目的是尽可能减少测试信号中的各种嗓音与系统误差的影响，提 高分析精度。预处理的一般过程如图4 5 质示。 数据采样 防混迭滤波 数据坐标尺度 大小及方向的 ；转换 + 奇点的识别消 除与补正 平滑性修正 时间滞后修正 数据保存待处 理 图4 5 信号预处理流程图 数据坐标尺度转换包括电平转换以及e g j r n j - ：学量的转换。原始数据经 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 0 ) p c l 8 1 2 卡采样转换送入内存时，仍保留原有的数据格式，须将其转换为相应电 压量才有实际价值。可以依据采样实际数值、a d 位数以及电平测试量程得到相 应的电压值。从电量到力学量的转换，可通过适当的标定，赋予测量物理量的量 化意义。 在环境干扰下，数据中有时会出现不合理的跳跃点，即“测量奇点”，应加以 消除。“奇点”消除应非常谨慎，以免误删信息。但转换电压大干p c l 8 1 2 采样卡 “门限”电压的数据必为“奇点”( 图4 - 6 ) 。在程序中可通过转换电平判断来消 除此类“奇点”的出现( 图4 7 ) 。另外，可采用低阶多项式滑动拟合算法口”来判 断和消除奇点。即满足公式( 4 1 ) 者为奇点，宜采用插值公式求出相应的补正 值。 y 。一负l 2 2 = e( 4 1 ) 当测试波形基线出现非正常偏移时( 如二次仪表的零漂等) ，对测量值幅度精 度影响很大，补偿方法有常量修正法、一次修正法、二次修正法等m 3 。 应用中可按具体识别信号状态选用有关的环节。如在m d p s l 0 的通用采集以 及动态示波功能中就只使用了防混滤波、信号转换以及去“奇点”处理。 f 曜慷i a 【v j - 2 7 3 3 5 童频w 。( k h z l ： 0 了s 1 6 、一 t| j| 、 t ii i 图4 - 6 含。奇点“波形图( 部分)图4 7 去“奇点”处理后波形图 4 4 数字滤波程序设计 实际信号不可避免地夹杂有背景噪声或其它干扰信号。为有效提取取我们感 必趣的信号，滤波是不可少的手段。数字滤波器可以对一数字信号按一定的要求 一6一 一 一 万 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 0 ) 进行运算，摈弃其不需要的分量然后以数字形式输出有用的部分。 数字滤波器有软件实现和硬件实现两种。前者利用计算机选择相应的算法， 编制出高质量的程序。后者则采用加法器、常数乘法器及延迟器等器件装配成专 门设备( 数字信号处理器d i 每m ls i g n a lp r o e e s s e r - d s p ) 。硬件实现由于其针对性 以及高效性，具有高性能的特点，但其造价相对昂贵；本论文中采用的是软件滤 波方法。 l 双线性反变换求得 l 数字滤波器传函 图4 提滤波设计主框架及低通滤波设计程序流程图 常见的数字滤波嚣分两种：无限长单位脉冲响应数字滤波器( i 承) 及有限长 单位脉冲数字滤波器( f i r ) 。 i r 数字滤波器保留了模拟滤波器的一些优良特性， 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 0 ) 具有逼近理想的幅频特性，在实现锐截止频率时，t i r 滤波器要比f i r 滤波器有 效几个量级 3 1 】。 据此，本系统采用了级联型i 取滤波器，并采用双线性变换法实现。其主框 架及低通滤波实现框图如( 4 8 ) 所示。高通、带通与带阻同低通滤波实现具有相 类似的结构，不同在于参数数目与双线性转换公式的差别。 图4 - 9 为频率3 6 h z 的方波信号在采样频率为1 0 0 0 h z 时的低通数字滤波信 号( 设置低通通带上限为1 0 0 h z ，阻带下限为1 5 0 h z ) 以及高通数字滤波信号( 设 雹高通通带下限2 0 0 h z ，阻带上限为1 5 0 h z ) 波形图。同未经滤波处理的信号 相比，由频域曲线可以看出低通数字滤波时，频谱中高于1 0 0 h z 谱线消失；高 通滤波时，频谱中去除了低于2 0 0 h z 的谱线。 1 lil i ijii - 1 j lll li1l1i i l1li1li lll ll1fi1 if i 1jiiif l