（材料加工工程专业论文）基于arm微控制器及usb接口的弧焊电参数检测分析系统.pdf

中文摘要 摘要 焊接电弧的行为和状态可由焊接电流和电弧电压反映，以电压、电流信号作 为信号源进行采集和分析是实现焊接过程实时监测和焊接质量判别的有效方法。 由于电弧的不可预测性，信号的连续采集成为必要，但现有的基于数据采集卡的 连续采集系统从成本和便携性两方面制约了这一方法的广泛使用。本文对现有焊 接电参数采集和分析方法进行了较为全面的分析。在此基础上，基于3 2 位删 微处理器和u s b 接口，对使用单片微处理器构建连续采集系统、u s b 传输模式的 选择、u s b 数据流在目标硬件上的实现、连续采集系统实现的关键、基于队列模 型在处理器片上删中构建数据缓冲区，以替代f i f o 芯片( 或f p g a ) 、时间关 键任务的优先级分配和中断嵌套对采集速度的影响、以及数据流盘等进行了较为 系统的研究。使用c 语言和虚拟仪器软件l a b v i e w 分别编制了下位机采集子系统 和上位机分析系统软件，并利用示波器和分析软件对采集分析系统的工作及采集 数据的完整性与连续性进行了实验验证。最后对实际焊接信号计算了共2 2 个特征 参数，进行了波形分析、统计分析，u i 图分析等，并在传统分析方法基础上， 基于非平稳随机信号的现代分析方法，引入短时傅立叶变换和g a b o r 展开，用于 焊接电信号的分析。 研究和实验结果表明：( 1 ) 使用单片微处理器完全可以建立适用于电弧焊的 连续数据采集系统，配合工控p c 机，即可完成数据的实时显示和离线分析。相比 数据采集卡，大幅降低了成本，u s b 接口使系统具备极佳的便携性。本研究实现 的连续采样频率为双通道7 0 k ( 单通道1 4 0 k ) ，采集时长仅受计算机硬盘限制。( 2 ) 对数据采集应用，u s b 批量传输是最佳的传输模式。( 3 ) 实现连续数据采集的关 键是平衡数据输入输出系统的数据缓冲区。( 4 ) 基于队列模型，可在单片微处理 器片上r a m 中编程构建“软f i f o ”，以裁剪掉专门的f i f o 芯片( 或f p g a 芯片) ， 不仅大幅降低成本，并使系统稳定性得以提高。洲的使用量和欲实现的采样频 率及接口速度有关。( 5 ) 在适当的u s b 数据传输机制下，中断嵌套对采集速度的 影响甚小。( 6 ) 在l a b v i e w 中使用基于队列的并行循环，是数据流盘的极佳方式。 流盘性能对硬件平台有一定要求。( 7 ) 联合时频分析可以用于焊接电信号的分析。 无需对原始采集信号进行滤波，即可准确识别出燃弧点、短路点和瞬时短路。在 同样的窗宽下，g a b o r 展开的时频聚集性好于短时傅立叶变换。 。相对于独立的f i f o 芯片，软f i f o 特指本研究中用编程在r a m 中实现的先进先出的数据 缓冲区。 重庆大学硕士学位论文 关键词：电弧焊，连续数据采集，队列，u s b ，联合时频分析 英文摘要 a b s t r a c t w e l i i 啦v o l t a g ea 1 1 dc u r r e n t c a l lr e n e c tb e h a v i o r s 锄ds t a t e so f 、e l d i n ga r c ni sa i l e 腩c t i v em e m o dt h a tp i c l 【i 】唱v o l t a g ea i l dc u r r e n ts i 盟a lt oa c h j e v er e a l - t i m em o i l i t o r i n g o f w e l dp r o c e s s 锄de v d i 僦ew e l d i r 培小l a l i 够a n dc o n t i l l _ u o l l sa c q u i s i t i o ni sn e c e s s a r y b e c a l l s eo fu i l p 川i c t a b i l i t ) ro fa r cb e h a v i o r b u tc o s ta r l dp o r t a b i l i 够o fc 眦t e n t c o n 矗n l l o l l sa c q u i s i t i o ns y s t e mb 嬲e do nd a c( d a t aa c q u i s i t i o nc a r d ) r e 嘶c t 锄p l o y m e n to ft b i sm e t l l o d t l l i sa r t i c l e 锄a l y z e de x i s t i i 玛a c q u i s i t i o na n d 砌y s i s m e 锄so fw e l d i n ge l e c t r i c a l - p a r 锄【l e t e r sr e l a t i v ec o m p r e h e i l s i v e l y o n 廿l i sb a s i s ， 锄p l o y i l l g3 2 - b i t 删m i c r o c o n n 0 1 l e r 锄du s bi n t e r f a c e ，r e s e a r c hw e r ec o l l d u c t e d r e g 砌i i 培c o n s 臼m c t i n gc o m i l l u o u sa c q u i s i t i o ns y s t e mb a l s e do ns i l l g l em i c r o c o n 仃0 1 1 e r ； c h o i c eo fu s b 旬r a n s m i s s i o n m o d e ；a c i l i e v 锄e n to fu s bd a t a - f l o wo nt a 玛e tc l l i p ；k e y f 犯t o ro fc o n t i i l u o u sa c q u i s i t i o ns y s t e m ；c o 璐t r u c t h gq u e ：u e - m o d e lb 私e dd a 纽b u 行醯 谢mo n - c h i pi n e l o 巧i i l 锄b e d d e di i l i c r o c o n 们1 1 e rt or e p l a c ed e d i c a t e df i f oo rf p g a c l l i p ；研耐够l e v e la s s i 印m e n to ft h e c 蜥c a ln l i s s i o n 趾de 毹c to fi i l t e m i p tn e s t i n g u p o na c q u i s i t i o ns p e e d ；p e r f l o m a n c eo f 批n o wg t o 他e t c s o m v a r 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es p e e db e t 、) l ，e e nd a ：t ai 1 1a l l do u ts y s t e m ( 4 ) t h e m 重庆大学硕士学位论文 s o rf i f o ，t h a tb a s e do nq u e u em o d e l ( ac l a s s i cd a t a 咖嘶鹏o fc o m p u t e rs c i e n c e ) i sc o n s t r u c t e di i lo n c h i pm e m o 巧i i ie m b e d d e dm i c r o c o n t l o l l e rb ym e a n so fp r o g r a m t h es o rf i f oc 趾a v o i dm eu s eo f d e d i ca t i e df i f oo rf p g ac h i p a n d 廿l eu s eo f s o r f i f oc 髓1 1 0 to i l l yr e d u c et 1 1 ec o s to fa c q u i s i t i o ns y s t e m ，b u ta l s oi l l l p r 0 v en l es t a b i l 时 o fs y s t e m t h e 锄o u i 】峪o fm 锄1 0 巧l l s e dr e l a t et 0s 锄p l i l l g 舶q u e n c ya n di r 删a c e s p e e d ( 5 ) h l t e 仃l l p tn e s t i n gh 硒l i t t l ee 任e c t0 ns 锄p l i n g 缸q u e n c yw h e na p p r o p r i a t e u s bn 锄s m i s s i o nm e c h a i l i s mi se i n p l o y e d ( 6 ) p a r a l l e lc 沁l ei nl a b v i e wb 嬲e do n q u e u ei s 趾e x c e l l e n tm e t l l o dt 0s t o r e 胁n o w b u tb 酬册p e r 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g m m 学位论文独创性声明 纛臆刺荣熊燕赫磊藏 学位论文作者签名： 导师签名：多恢n 1 签字日期：妒乡西刁 签字日期：，。口7p 厂z 7 学位论文使用授权书 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中 国博士学位论文全文数据库、 下简称“章程 ) ，愿意将本 提交中国学术期刊( 光盘版) 据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库以及重庆大学博硕学位论文全文 数据库中全文发表。中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论 文全文数据库可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版，并同意编入c 腿i 中国知识资源总库，在中国博硕士学位论文评价数据库中使用和在互联 网上传播，同意按“章程 规定享受相关权益和承担相应义务。本人授权重庆大 学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公开论文的全部或部分内 容。 作者签名： 阻 导师签名：至簦：l 炒7 年。厂月工1 日 备注：审核通过的涉密论文不得签署。授权书一，须填写以下内容： 该论文属于涉密论文，其密级是，涉密期限至年一月一日。 说明：本声明及授权书! 墼匾装订在提交的学位论文最后一页。 l 绪论 1 绪论 1 1 课题研究背景 焊接作为制造业的基础工艺与技术广泛应用于机械制造、航空航天、核能利 用、电子信息、海洋钻探、高层建筑等各个领域。研究和发展焊接参数的测试和 分析技术，是提高焊接质量和提高焊接生产自动化水平的重要环节，具有重要的 现实意义。 电弧焊是焊接生产中最主要的焊接方法，当工艺规范确定后，焊接过程的质 量将主要取决于电弧的行为和状态。而电弧的行为和状态可由焊接电流和电弧电 压反映，并且采用焊接过程中电弧本身的电压电流信号作为信号源进行采集相对 容易。因此，对焊接过程的焊接电流、电弧电压信号所包含的各种信息进行提取 是焊接过程实现实时监测和质量判别的有效途径。 在微型计算机自动控制领域，8 位微控制器成本低，应用广泛，但处理速度较 慢、集成度较低，组成系统时比较复杂。而3 2 位嵌入式微处理器具有较高的主频 和更强的数据处理能力，能够运行嵌入式操作系统，因而功能更强，能处理的任 务更加复杂，具有更高的性价比，因此得到了越来越多的使用。基于a r m 体系的 3 2 位微控制器，具有较高的速度和较强的数据处理能力，能够完成焊接过程参数 的大数据量采集和传输，有利于进一步改善实时采集和离线分析系统，在嵌入式 操作系统的支持下，能够以更低的成本和更简易的方式实现多点数据采集。并且 可靠性和安全性也更好。另外，通用串行总线u s b 支持热插拔、无需外接电源、 具有较高的传输速率，和极低的成本，并可以连接多个设备。二者的结合，不仅 可以实现大数据量的数据采集和分析，而且使用简单方便，便携。 建立基于计算机的在线检测及分析系统后，通过实时采集焊接过程的电流、 电压信号并经过一定的信号处理和相关的分析，可以客观的监督焊接过程的状态 和行为，及时地检测出焊接过程中的干扰或误差信号，实现对焊接质量的检测和 评估，并为全面评价焊接过程工艺，分析缺陷产生的原因提供重要的客观依据。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 引言 熔化极气体保护电弧焊( g m a w ) 是一种受许多随机干扰因素影响的多输入 参数的工艺过程。尽管有多种过程稳定性评价和过程控制的方法，但对能够表征 这一过程的参数进行采集，进而对采集的信号进行分析，以提取出有用信息来评 价或控制焊接过程却是各种过程稳定性评价和焊接过程控制必不可少的环节。 重庆大学硕士学位论文 总体上看，焊接过程自动化和焊接质量控制系统在组成上分为三大部分：过 程参量的传感和采集；数据处理和分析；用分析后的数据得到控制量或判据，去 控制焊接机械或判定焊接质量。 以下将对本系统涉及到的前两部分的主要内容做出综述。 1 2 2 过程参量的传感和采集 、， g m a w 焊接过程参数主要有焊接电流、电弧电压、送丝速度、焊接速度、保 护气流量等。在焊接过程参数的传感、采集方面，国内外研究机构和公司企业做 了大量的研究和探索。目前，基于计算机的焊接过程或电焊机动态参数检测和分 析系统已发展的比较完善，商业化的产品种类也很多。国内的哈尔滨工业大学、 清华大学、哈尔滨焊接研究所、船舶工业公司等，美国的梅利克公司，英国o l s 公司，德国t r u n k 公司，德国汉诺威大学等都开发了多种焊接过程测试系统。 这些系统在各自的研发阶段，和当时微处理器发展水平相适应，大都采用8 位单 片机作下位机来构建测试系统，更加高档的产品则使用1 6 位单片机，但1 6 位单 片机的数据寻址仍然是8 位的。 1 2 3 信号分类及特点 g m a w 信号的种类大致分成电、声、光、图像四种。它们在实际中的优势和 适用场合各有不同，并以电、声的使用最为普遍。 以c 0 2 短路过渡焊的焊接电流和电弧电压为例，理想的稳定的短路过渡 g m a w 过程应该是以短路过渡频率为特征的周期信号。然而现实中大量的干扰与 噪声为短路过渡g m a w 信号处理与分析带来了复杂性，也造成了分析方法的多样 性。 1 2 4 时域分析与频域分析 时域分析可以得到信号的均值、均方值、方差和概率密度，并可对信号作时 域相关分析。频域分析可以得到信号的自功率谱、互功率谱，以及进行相干分析。 时域分析通常用于电、声信号，如焊接电流、电弧电压、电弧声。 蔡艳等利用电弧电压等的时域信号提取特征参数以建立弧焊过程稳定性在线 评价模型【。l a d i s l a vg m d 等利用时、频分析对电弧声信号用于短路过渡g m a w 的在线质量监控做了可行性研究，并得出了肯定的结论【2 j 。马跃洲等对电弧声进行 了时域和频域分析，在此基础上建立了电弧声道的参数化等效电气模型【3 1 。s c a b s i 砧f 扪等利用功率谱与自相关函数分析g m a w 焊接过程的长期行为，其研究 涵盖了从短路过渡到喷射过渡的范围，谱分析的结果一方面被用来说明不同过渡 模式在稳定性方面的差别，另一方面可以被用来优化数据采集的采样率【4 】。 总的来说，时域和频域分析作为经典的信号分析方法，过去几十年来用于焊 接电信号的研究及成果已非常之多，近年来它们主要是用作其他分析的辅助分析 2 1 绪论 方法，或者应用于电弧声这样的过去研究相对较少的信号。这两种方法今后的意 义应更偏重于信号的特征量提取，实现信号分离，以用于进一步的建模工作及用 于时间序列分析。 1 2 5 联合时频分析 如前所述，焊接过程是非平稳，非确定的，因此以傅立叶分析为代表的时、 频分析所能带给我们的信息是有限的。联合时频分析( j o i n tn m e f r e q u e n c y a n a j y s i s ) 着眼于真实信号组成成分的时变特征，通过构造一种时间频率的联合密度函数， 而将一个一维的时间信号在二维的时间一频率联合域内进行表征，以揭示信号中 包含多少频率分量以及每一分量是怎样随时间变化的。 罗怡利用联合时频分析研究了c 0 2 焊接过程电流、电压信号的能量随时间变 化的分布规律，在对比了三种窗函数后，认为以2 5 6 点汉宁窗作为短时傅里叶变 换窗函数可获得较好的时频集聚性，研究认为联合时频分析能够更好地表达信号 的突变特征1 5 j 。 由于文献【5 】使用的短时傅立叶变换本质上是一种单一分辨率的信号分析方 法。因此如能把握这一方法的发展趋势，将自适应( 即多分辨率) 的短时傅立叶 变换用于焊接过程分析，将会更有利于分析和对比各种变化的g m a w 过程。 1 2 6 小波分析 与联合时频分析一样，小波分析也是适用于非平稳信号的信号表示方法。其 基本思想是用联合的时间一尺度平面来描述信掣6 】。 近年来小波分析在我国比较热门，也时常能见到其用于焊接过程分析。洪波 把小波变换技术应用于电弧传感器的信号处理，推导出小波变换的带通滤波公式， 在选用m o r l e t 小波作为母小波的基础上，设计了滤波带宽1h z 、中心频率可自动 调整的滤波器，并把该滤波器应用于旋转电弧的信号处理【7 l 。薛家祥将小波滤波与 小波包滤波进行了比较分析，认为小波包滤波是一种更好的滤波算法，它可以有 效地将信号和噪声区别开来1 8 】。文献将基于软阈值的小波包滤波应用于c 0 2 弧焊过 程电信号的实际测试过程，改善了信号特征信息的提取。与文献 7 】的工作相对应， 杨立军等则用软阈值小波滤波的方法对c 0 2 焊普通短路过渡和波形控制短路过渡 的电信号进行了处理和研究，并认为该方法既可以将c 0 2 焊短路过渡过程电信号 中的高频干扰滤除或降低其影响，又可以使有用的较高频率的信号不被滤除或基 本不受影响例。 除了用于滤波，小波用于焊缝检测【lo 】( 焊缝图像处理) 、提取声波能量作为表 征焊接过程状态变化的特征向量【1 1 】、提取c 0 2 焊短路过渡过程缩颈信息【1 2 】等方面 的研究也陆续呈现，体现出小波分析作为非平稳信号分析手段的力量。多尺度( 或 多分辨率) 既是小波分析的基本点，也是其强大所在，如将其更多的用于g m a w 重庆大学硕士学位论文 过程的信号分析，应是一个有意义的工作。事实上，从上面提及的文献看，小波 理论的三大典型代表一多分辨率分析、框架、滤波器组中，目前更多的工作集中 在了滤波器方面。 1 2 7 统计分析 前已提及，g m a w 过程的某些参量具有非平稳的随机过程的特点，因此作为 处理随机过程的传统工具统计分析，无疑具有特殊的优势。在这一领域也有相 当多的研究工作。 从概念上讲，1 2 4 所说的时域和频域分析的内容中有些本就属于统计分析， 例如均值是一阶统计量，功率谱密度是二阶统计量，这里之所以在章节上把它们 分开，是为了强调这些统计量作为下述的其他数值和控制方法的中间结果地位。 而在1 2 4 中它们更多的是作为最终分析的直接起点。这显然是两种不同的分析思 路。 对基于概率的统计分析，在使用加窗技术对采集的随机过程数据进行处理时， 一个必要的前提假设是：该过程是各态历经的。许多研究者基于这一假设，利用 经验和实验得到了很好的与实际相符的结果。文献 4 】在简单总结了前人的工作后， 提出一种统计分析理论，通过对实验数据的严格的统计处理，证明了电弧电压与 焊接电流是一种平稳随机过程，满足各态历经的假设。 这一结果的意义在于从理论上证实了基于窗技术的数据采集与监视系统的可 信性。 l u k 鼬用电弧电压计算短路时间、燃弧时间和短路频率，分析了这三个参数的 统计特征，研究认为两种与现象有关的电弧扰动是可以检测的：影响保护气的扰 动和影响焊丝伸出长度的扰动，电弧稳定性也是可以控制的。文章最后指出，并 非所有的信号都以相同的方式和强度反映电弧的扰动，因而同时使用所有信号以 反映电弧扰动是否有效是具有偶然性的【1 3 1 。武传松等利用统计方法研究机器人 g m a w 的未焊透和烧穿两种缺陷，将采集的电压、电流原始数据进行统计分析， 建立了一个称作“m 1 0 ”的十维数组，据此通过焊接电参数的动态行为捕获缺陷的形 成。研究最后得出结论：“m 1 0 ”可以作为反映上述两种焊接缺陷的统计特征f 】4 】。 另外，将统计分析结果用于人工神经网络或建立回归方程以监视和控制焊接 过程稳定性或检测焊接缺陷是目前研究较多的。b e n y o u i l i s 等对统计学方法和数值 方法用于焊接过程的优化情况做了较为详细的综述【1 5 1 。 1 2 8 光谱分析 焊接过程的多种干扰和噪声使得数据采集和分析变得非常复杂，对电信号和 声信号尤其如此。而视觉传感器又必须靠近熔池，在实际生产环境下同样易受干 扰。 4 1 绪论 m i r a p e i x 等提出了一种热等离子光谱分析算法用于弧焊缺陷检测，通过波长计 算等离子体的电子温度，以准确识别谱线和电子发射的峰值强度，并通过实验分 析了电子温度和常见焊接缺陷之间的联系，如保护气不足导致的氧化和电源电流 波动引起的电弧穿透不足【1 6 j 。该方法速度快，可以用于实时的焊缝缺陷监测。虽 然该实验基于t i g 焊，但对g m a w 仍有借鉴意义。础缸i o 等针对f e 元素和m n 元素的电子发射做了类似的探索性研究，该研究以g m a w 为对象，同样用于焊接 缺陷的检测【l 。 以上对近两年用于g m a w 的信号分析方面的发展情况做了简要的介绍。在各 种分析方法中，以傅立叶变换对为代表的时域、频域分析方法用于平稳的周期信 号是最合适的，但仍能被用于g m a w ，以提供基础的数据或用作对比分析。联合 时频分析和小波分析是典型的适用于非平稳信号的分析方法( 所不同的是，联合 时频分析是在时间一频率平面上表达信号，而小波分析是在时间一尺度平面上) 。 还有几种适用于非平稳信号的分析方法，如向d n - 谢驴e r 变换、分数阶f o u r i e r 变 换等，可以尝试将它们用于焊接过程分析，以丰富分析手段，并从中选择更好的 分析方法。在所有分析方法中，统计分析和光谱分析是最吸引人的。前者本身就 是因随机过程分析而发展起来的，更可以和神经网络、回归分析等模型化的方法 结合以寻求焊接过程的最优化，后者则是非接触的采集分析方法，如能解决抗干 扰问题，必能发挥强大的力量。 1 3 本文的研究目的、研究内容与创新点 1 3 1 研究目的 本课题的研究目的是结合先进的3 2 位删微控制器、u s b 总线结构、面向 科学研究和工程的虚拟仪器开发平台l a b v i e w ，开发一种用于弧焊参数采集分析 的，能够替代插卡式数据采集系统的低成本、便携、易于配置的弧焊电参数数据 采集分析系统。 低成本、便携、易操作性、可靠性是系统设计的主导思想，满足项目需求的 最小硬件资源是系统的设计目标。 1 3 2 研究内容 本课题的基本内容是采用p h i l i p s 公司的3 2 位a r m 微控制器l p c 2 1 4 2 为硬 件核心，由电流、电压传感器获取焊接过程的电信号，经信号调理后由l p c 2 1 4 2 微控制器的a d 模数转换器进行两通道数据采集及处理，然后利用l p c 2 1 4 2 内置 的u s b2 0 ( u m v e r s a ls 甜a jb l l s 通用串行总线) 全速设备控制器，将数据通过u s b 总线传输给上位的工控计算机机。工控计算机以虚拟仪器软件l a b v i e w 为开发平 台，对采集的数据进行分析及处理。包括焊接电流、电压波形实时显示、电弧特 重庆大学硕士学位论文 征参数提取、数据统计分析、联合时频分析等，并对焊接过程的稳定性作出评估， 以及对焊接质量进行预测。 1 3 3 本文的创新点 到目前为止，基于计算机的数据采集系统或者是进行断续采集，或者是使用 专门的f i f o f p g a 芯片作为数据缓存实现连续采集。而仅使用单片微控制器实现 上百k 的连续采集则未见有相关文献。 本研究的主要创新点就是不使用扩展的f i f o f p g a 芯片，仅在在单片a r m 上通过软件设计构造一块数据缓冲区，实现采样率为双通道7 0 k ，单通道1 4 0 k 的 连续采集，采集时长仅受计算机硬盘限制。 本研究的第二个创新点是将u s b 批量传输用于数据采集，在l p c 2 1 4 2 和p c 机之间通过u s b 批量传输实现1 4 0 列s 的数据传输。 最后，本研究将联合时频分析引入弧焊电参数采集分析系统，用于焊接电信 号的分析。 6 2 测试技术与非平稳信号处理、分析 2 测试技术与非平稳信号处理、分析 2 1 测试技术基础 基于计算机的测试系统处理的是离散时间信号，然而现实中的绝大多数信号 是连续时间信号，如语音，音乐和图像。离散时间信号处理算法用于处理这些连 续时间信号，其算法可以通过离散时间的模拟系统或数字系统来实现。通过数字 系统进行信号处理时，离散时间信号以数字形式表示，即每个离散时间的抽样值 表示为一个二进制数。因此，需要模数和数模的接口电路来实现连续时间信号到 数字信号和数字信号到联系时间信号的转换【l 引。 实现连续时间信号到数字信号转换的接口电路称为模数( a d ) 转换器。要实 现连续时间信号的数字处理，除了a d 转换器外，还需要其他的附加电路。由于 模数转换通常需要一定的时间，所以必须保证a d 转换器输入端的模拟信号在转 换完成之前保持幅度恒定，这样可以使d 转换器的表示误差最小。这可以通过 抽样和保持( s h ) 电路来实现。s h 电路有两个作用，它不仅可以在周期间隔内 对输入的连续时间信号进行抽样，而且可以在足够的时间内保持输出的模拟抽样 值恒定，以便保证a d 转换器精确的转换。最后还需要抗混叠滤波器，因为在大 多数应用中，所处理的连续时间信号的带宽通常要比离散时间信号处理器的带宽 大，所以为了避免混叠效应的影响，在s h 电路之前通常放置模拟抗混叠滤波器。 连续时间信号的离散时间数字处理完整框图如图2 1 所示。 图2 1 连续时间信号的离散时间信号处理框图 f i g2 1d i s c i i e t e - t i m es i 鄹i a lp r o c e s s i i l gb 1 0 c kd i a 鲫lo fc o n t m u o u s - t i i i l es i 印a 1 抽样定理。设g 口o ) 是一个带限信号，当i 剑 q 。时，有g 口) = o 。则g 口( f ) 可 以通过它的抽样唯一地确定，一 刀 ，若 q 7 2 q 肘 ( 2 1 ) 式中， q r = 2 州丁 ( 2 2 ) r 为抽样周期，式( 2 1 ) 称为奈奎斯特条件。 7 重庆大学硕士学位论文 通过一个增益为r 且截止频率q 。大于q 肿小于q r q 朋的理想低通滤波器可 以完全恢复p ) ，即 q 肼 q 。 恤7 一q 。j( 2 3 ) 包含在g 。o ) 中的最高频率q ，称为奈奎斯特频率，它用来确定最小抽样率 q r = 2 q 。，以保证可以从& o ) 的抽样数据中完全恢复出g 口q ) 。频率2 q 。称为奈 奎斯特率。 若抽样率高于奈奎斯特率，抽样运算称为过抽样；抽样率低于奈奎斯特率， 抽样运算称为欠抽样；若抽样率恰好等于奈奎斯特率，则抽样运算称为临界抽样。 抽样和保持电路。从图2 1 已经知道，模拟抗混叠滤波器是连续时间域和离散 时间域之间的第一个接口电路。抗混叠滤波器的带限输出将被送到一个抽样和保 持电路( s h ) 中，该电路是模拟时间域和离散时间域的第二个接口电路。它以均匀 间隔对模拟信号进行抽样，并在每个抽样运算后，在足够的时间内保持抽样值恒 定，以保证加转换器的精确转换。 图2 2 所示是一个s h 电路模型，借以简述其工作原理。 保持 输入。是新 时钟叫) 一 图2 2s h 电路模型 f i g2 2m o d a lo f s hc i r c u i t 输出 基本s h 电路模型操作如下：在抽样阶段，周期操作的模拟开关s 保持闭合， 以便允许电容c 跟踪输入模拟信号并且充电到其两端的电压等于输入的电压。在 保持阶段，开关打开，允许充电电容维持其两端的电压直到下一个抽样阶段的开 始。开关的操作由一个数字时钟信号控制。在s h 电路的输出处的电压跟随器充 当电容和a d 转换器的输入阶段之间的缓冲。 逐次逼近式a 巾转换器。这种转换器通过连续的使用试错法来得到输入模拟 电压的数字表示。图2 3 是它的结构图。转换过程是一个迭代过程。在迭代的第七 步，存储在移位寄存器中的数字逼近值通过系统中的d a 转换器转换成一个模拟 电压。若圪 圪，则通过将第詹位设为o 来减少数字值，并且将 第 + 1 ) 位设为1 。对于七= 1 ，2 ，的所有七，重复上面的过程。在对第位进行 8 2 测试技术与非平稳信号处理、分析 处理以后，转换过程终止，移位寄存器的内容为与输入模拟电压等效的数字表示。 在实际中，为了将逼近值取整到最近的离散值，在变换开始以前，将l s b ( 最低 有效位) 的值的一半对应的模拟数值加到模拟输入信号。 v 暑 模拟输入 开始 数字输出 考电压 图2 3 逐次逼近式a d 转换器框图 f 培2 3b 1 0 c kd i a g r a mo fs u c c e s s i v e 印p r o x i l n a t i o na dc o n v e n c r 实际的加转换器是一个非理想设备。它表现出各种不同的误差，误差通常 由输入的模拟值确定，因为在这些模拟值上转换输出数字值，而这些模拟值上的 转换可以精确地度量。一个理想a d 转换器引入的误差简单地表示为模拟输入值 和数字表示对应的模拟值之差；这个差值称为量化误差。量化误差p m 满足 一昙 p k 】昙 ( 2 4 ) 二么 万称为量化阶，它恰好是l s b 的值，对于位字长万表示为 万= 2 州 ( 2 5 ) 实际的a d 转换器还有其他的误差，如线性误差、微分非线性( d n l ) 误差、 增益误差、偏移误差、尺度因子误差等。 逐次逼近式a d 转换器的字转换时间等于位转换时间乘以字长。 需要注意的是，若输入模拟信号圪超过了a d 转换器的动态范围，就会发生 溢出错误。因此保证圪在送入a d 转换器之前进行适当的缩放是非常重要的。 2 2 非平稳信号分析与处理 2 2 1 统计分析 随机信号为非确定性信号，任一时刻的幅值和相位是不确定的，不可能用单 个幅值或者峰值来描述。在一般情况下，随机信号的特性是随时间t 而变化的， 9 重庆大学硕士学位论文 这类随机信号称为非平稳随机信号( 或非平稳随机过程) 。非平稳随机信号在任一 时刻的特性要用其所有样本函数集合的平均值来描述，所有样本函数的集合称为 总体，其平均值称为总体平均。另一类随机信号为平稳随机信号，其主要特性不 随测量起始时间的不同而呈明显的变化，它的总体均值为常数，但是不一定等于 其单个样本的时间平均( 称为子样均值) 。对于总体均值等于子样均值的平稳信号 称为各态历经随机信号，由于具有各态历经性，可用其单个样本记录的时间平均 来描述其时域特性，工程界大多数测试所得的随机信号都属于或接近这种类型， 从而使得随机信号的分析处理工作得以简化。随机信号的主要统计特征参数有： 均值、均方值、方差、概率密度函数、概率分布函数和自相关函数等1 1 9 】。 设测试所得的各态历经随机时间序列为k ，用随机函数表示如下： l，、， x = x 。，js i n p 7 驯+ 丸，jg = o ，1 ，2 一1 ) ( 2 6 ) 疗= l 其中，丸，为随机信号。从式中可以看出，随机信号在某一瞬时的值是由 无数个频率从零到无穷大的谐波组成的。也就是说，随机信号为非确定性信号。 它的频谱是一个连续谱，其周期为无限长，因此要精确地描述一随机过程，在时 域内需要对样本作无限长的测量，这是不可能的，实际上只能用测量所得的有限 长样本进行统计分析，求得各参数的估计。 统计学是数据处理的科学和艺术，旨在通过收集、分析、解释和表达数据来 探求事物中所蕴含的规律，达到发现新知识的目的。由于系统的输入信号、输出 信号及系统特征信号的随机性，所以从实测信号中提取特征时必须采用统计方法 才能反映被诊断对象的实时状态。在短路过渡c 0 2 弧焊的电流电压信号中，不论 是在时域和频域内，都存在大量的统计参数，这些参数从不同的侧面反映了焊接 过程。时域中应用较多的无量纲统计参数有：均值、峰值、均方幅值、波形指标、 峰值因子、脉冲指标、峭度系数、自相关函数、互相关函数等。频域中常用参数 有：频率和频率下降率、幅值谱、功率谱、自功率谱密度函数、互功率谱密度函 数、频响函数等。 其中：均值描述了随机信号的静态( 直流) 分量，它不随时间而变化。若连 续随机信号是各态历经的，则随机信号x ( f ) 的均值可表示为： 1，、 研x ( f ) 】- 段= 素【x q 皿 ( 2 7 ) ” 随机信号x ( f ) 的均方值表示信号的强度或功率，其表达式为： 1 甲2 = 婴ml x 2 ( f ) 防( 2 8 ) 。； 随机信号x ( 尹) 的均方根值，也是信号能量的一种描述，其表达式为 l o 2 测试技术与非平稳信号处理、分析 _ = 厄卜2 ( f ) ( 2 9 ) 随机信号x o ) 的方差是信号的幅值相对于平均值分散程度的一种表示，也是信 号纯波动( 交流) 分量大小的反映。其表达式为 研 一以) 】2 = 舰亭且x ( ，) 一，】2 衍 ( 2 1 0 ) 随机信号x o ) 的均方差( 标准差) 和方差的表示意义相同，可表示为 c r 22 ( 2 1 1 ) 在幅值域内分析电弧电压和焊接电流，绘制电弧电压概率密度分布图和焊接 电流概率密度分布图，可以从中分析出有关焊接过程中电流电压信号的分布情况。 能为我们分析研究焊接过程的稳定性和评判焊接质量提供统计参考。 随机信号的概率密度函数p g ) 是表示瞬时数据落在指定区域的概率密度，是 随机变量幅值的函数。 m h 墨南善她 ( 2 1 2 ) 式中：w 为指定的窄区间宽度；t 为总观察时间( 样本长度) ；出为信号落在 w 内的时间。 对于长度为n 的一组经零均值化处理的离散随机信号薯o = 1 ，2 ，) ，其概率 密度函数估计为 允 m p ( x ) 2 南 ( 2 1 3 ) 式中：w 为中心为x 的小区间的宽度，n 为数据序列总个数。m 为在小区间 x 中出现的数据个数。 z 具体的算法是将_ 的幅值范围分成k 个等间