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基于 labview 振动 信号 采集 设计

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南京工程学院 本科毕业设计（论文） 题 目： 基于LabVIEW的振动信号 采集处理系统设计 专 业： 车辆工程（车辆电子电气 ） 班 级： 车电气101 学 号： 215100409 学生姓名： 龚戌伟 指导教师： 王书林 副教授 起迄日期： 2014.3～2014.6 设计地点： 车辆工程实验中心 Graduation Design (Thesis) A LabVIEW-based Vibration Data Acquisition and Signal Processing System Design By GONG XUWEI Supervised By Assoc. Prof. WANG Shulin Department of Vehicle Engineering Nanjing Institute of Technology June2014 摘 要 仪器的技术、计算机的技术、总线的技术和软件的技术是由虚拟仪器构成并将它们紧密的联系在一起，仪器的极大一部分的功能是依靠计算机数据处理能力，不再需要传统仪器繁琐的结构，形成的一种新的仪器模式。 如今的虚拟仪器技术还存在许多的弱点。首先，部分检测系统任处于相对比较落后的状态，将各种示波器连接至计算机。通过一些繁琐的步骤对示波器的波形进行各种调整，有时候还需要同时显示多个波形时，需要连接多个示波器。其工作不仅复杂，而且控件占用率也比较高。在企业中，这也大大提高了企业的运营成本，在研究项目的过程中也会出现各种麻烦的步骤。同时，现有的虚拟仪器技术也是仅仅停留在数据采集、数据分析的单独步骤上，没有将两者很好的结合在一起。在系统运行的过程中，两者是独立分开工作的，增加了数据分析结果的时间，对应的工作效率也有所降低。 本设计采用了NI PCI-6024E采集卡进行数据采集，运用相关的虚拟技术知识将数据采集到电脑中，再用Labview软件设计的振动信号采集系统对采集卡所传来的数据信号进行存储、调整、显示波形、数据分析等一系列工作。同时在Labview软件的显示界面上对电机转速进行调整，调整的信号通过采集卡反馈到变频器，再通过调整变频器电压值，实现对电机的调速，以此形成了一个完整的循环过程。 本设计是虚拟仪器在测控领域的一次成功尝试。该系统将电机转速控制、数据采集、采集数据实时显示、在线分析、存储及离线分析等功能进行有机的结合在一起，形成了一个完整的整体。本设计大大简化了振动信号采集的过程，将多个工作同时进行，缩短了分析的时间，波形显示也对应变得明朗清晰。 关键词：虚拟仪器；数据采集；采集卡；LabVIEW ABSTRACT Instrument technology, computer technology, and software technology bus is constituted by the virtual instrument close contact with them, a great part of the function is to rely on the computer apparatus data processing capability, eliminating the need for cumbersome traditional instruments structure formation of a new model of the instrument. Today, there are many virtual instrument technology weaknesses. First, any part of the detection system is relatively backward state, various oscilloscope connected to the computer. By some tedious steps to make various adjustments oscilloscope waveforms, and sometimes also need to simultaneously display multiple waveforms, you need to connect multiple oscilloscope. Its work is not only complex, but also relatively high occupancy rate controls. In business, it also greatly increases the cost of doing business, in the course of research projects in a variety of troublesome step will appear. Meanwhile, the existing virtual instrument technology is merely data collection, data analysis on a single step, without the good combination of both. During the system operation, the two independent working separately, increasing the time for analysis of data, the corresponding efficiency is decreased. This design uses the NI PCI-6024E data acquisition card collecting, using virtual technology-related knowledge will collect data to your computer, then Labview software design vibration signal acquisition system for collecting data from the card to store the signal, adjust waveform display, data analysis and a series of work. Labview software simultaneously on the display screen to adjust the speed of the motor to adjust the feedback signal to the inverter via capture card, and then by adjusting the voltage value of the inverter, the motor speed to achieve it, thus forming a complete cycle. This design is a virtual instrument in the field of measurement and control a successful attempt. The system will motor speed control, data acquisition, real-time display of data acquisition, online analysis, storage and offline analysis features such as organically combine together to form a complete whole. This design greatly simplifies the process of vibration signal acquisition, multiple work simultaneously, reducing the analysis time waveform display also corresponds became clear clarity. Key words: Virtual instrument; Data collection; Acquisition card; LabVIEW 目 录 第一章 绪论 4 1.1引言 4 1.2课题背景 4 1.2.1 我国现有测控技术的发展 4 1.2.2 未来虚拟仪器发展的形势 5 1.3 本设计所做的工作 6 1.3.1电机转速的控制 6 1.3.2硬件系统的设计 6 1.3.3 软件系统的设计 7 第二章 虚拟仪器 8 2.1 虚拟仪器技术的概述 8 2.1.1虚拟仪器的概念 8 2.1.2虚拟仪器的特点和优势 8 2.1.3虚拟仪器测试系统的组成 8 2.1.4虚拟仪器的软件结构 9 2.2 虚拟仪器的开发软件 10 2.2.1虚拟仪器的开发平台——Labview 10 2.2.2 Labview软件应用介绍 11 第三章 信号采集系统硬件介绍及应用原理 12 3.1 系统硬件选择 12 3.1.1 PC机 12 3.1.2 传感器 12 3.1.3 NI PCI-6024E数据采集卡 12 3.2 采集系统的应用原理 13 3.2.1数据采集概论 13 3.2.2采集系统的一般组成及各部分功能描述 14 3.2.3输入信号的类型 15 3.2.4输入信号的连接方式 18 3.2.5测量系统分类 18 3.2.6选择合适的测量系统 20 3.2.7数据采集卡的性能指标 22 第四章 信号采集系统软件设计及应用原理 23 4.1 程序模块化设计概述 23 4.1.1程序设计的模块化原则 23 4.1.2系统设计的软件模块划分 23 4.2 信号采集系统的软件成果 24 4.2.1电机转速控制子VI 24 4.2.2数据信号采集及保存程序 25 第五章 信号采集系统的具体实现及成果 26 5.1硬件组成 26 5.2 软件的具体实现 26 5.2.1登陆界面前面板 26 5.2.2电机转速控制前面板 27 5.2.3数据采集及保存前面板 27 5.2.4信号分析前面板 28 5.2.5模拟信号的分析实图 28 第六章 振动信号的频谱分析 30 6.1 频谱分析的理论知识 30 6.1.1功率密度函数的定义 30 6.1.2功率谱密度函数的物理意义 30 6.1.3功率谱的计算 31 6.1.4自功率谱密度 32 6.2振动信号的频谱分析结论 33 第七章 总结 37 致 谢 38 参考文献 39 第一章 绪 论 1.1引言 Labview作为一个虚拟仪器软件开发平台是目前测控行业的热门技术。测量与控制在现代科技技术的应用，在众多领域，如工业生产、国防现代化和国防科技得到了广泛的应用，它已被认为是现代科学技术的一个重要条件明显标志。Labview图形化的编程语言使得虚拟仪器的开发效率的得到了很明显的提高。在第二十世纪，70年来，随着计算机技术的发展，微电子技术和高新技术的快速发展，在不断的提升，测量和控制仪表的技术进步，接踵呈现了智能仪器、PC仪器、VXI仪器、虚拟仪器及互换性虚拟仪器等微机化仪器和其自动测控系统，计算机与现代化仪器设备间紧密的连系在一起，测控领域和范围不断拓宽。 LabVIEW是一种由美国国家仪器（NI）公司研制开发的程序开发环境，，类似于C语言和BASIC语言的开发环境，可是LabVIEW与其他计算机语言的特别的不同之处在于：其余的计算机语言都是利用基于文字语言来写出代码，而LabVIEW是依靠图形化编写语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。 NI设计平台是以LabVIEW软件为中心，也是开发测控系统的最好的软件。 LabVIEW开发环境聚集了工程师和科学家迅速构建很多种运用所需的全部工具，旨在帮助工程师和科学家解决问题、不断创新。 1.2课题背景 1.2.1 我国现有测控技术的发展 1）自动化测试在中国经历了这样的阶段，（线性脚本，脚本编辑器，关键字和数据驱动脚本，事实上，其技术的发展是提高自动化测试技术的可重用性和可维护性），而此过程中，虽然自动化测试得到了很大的发展，但是却很难在国内大规模化。 2）具体问题如下： a、国内企业风格的复杂，和自动测试本身是一个技术需求较大的领域，即，它不是简单的复制技术可以成功的，需要分析并结合企业的实际情况和具体需求，才能有所建树的。 b、关于层出不穷的自动化测试工具，很多公司把自动化定位检测系统当做一个测试的工具来使用，因此太依附于与自动化测试工具，形成了自动化测试技术的停留，从而对自动化测试失去信心。 c、不适合自动化测试的测试自动化人才，人才不仅需要强大的技术能力，更多的专业能力和流程管理能力的需要。 3）其发展情况： 事实上，在一般情况下，自动化测试技术在国内发展速度很快，从以前的不重视自动化测试技术，现在致力于他们的测试自动化测试部一些大型企业和中小型企业的成功范例，是加强自动化测试技术（类似百度的信心，搜狐，电信公司，华为，如中兴有自己的自动化测试平台，并真的带来了效益），所以自动化测试在中国的发展还是很乐观的。个人觉得，自动化测试是一个平稳的发展时期，但在过去的十年中，有一个快速发展的时期，由于许多公司都根据以往的自动化测试经验，而试验之后就是广泛的使用。 网络化的测控技术在国外最先实现，表现了计算机网络技术、通信技术快速兴起，主要可分为下面几个阶段。 第一阶段： 在20世纪70年代通用仪器总线(GPIB)开始兴起，GPIB实现了计算机与测控系统的初次有机的融合在一起，使得测量仪器从单独的手动操作一台仪器开始走向多台仪器在计算机的控制之下同时运行的测控系统。这一阶段是胚胎和网络测量和控制系统的初始阶段。 第二阶段： 在20世纪80年代VXI标准化仪器总线开始实现，VXI系统能够将大型计算机是非常昂贵的，VXI周边设备，通讯线路，硬件资源和软件资源数据库应用到网络，使人们可以分享这些设备。这一阶段是网络控制系统发展的初始阶段。 第三阶段： 伴随着技术的完善，现场总线技术的发明推动了现场总线控制系统(FCS)的迅速完善，因此可以通过总线范围的工厂的智能传感器/变送器数以万计，智能仪表组成的网络测量和控制仪表系统，这个阶段是快速发展的网络测控系统。 第四阶段： 在高场现代化的要求，传统的控制系统已经不能满足用户的要求。许多部门或大型企业需要的网络测量与控制系统的建设基于Internet或局域网。 1.2.2 未来虚拟仪器发展的形势 微电子、通讯、计算机等现代科学技术伴随着虚拟仪器的高速发展而渐渐的产生。自1785以来，使静电库仑扭秤，后1834哈里斯提出了静电计的结构，改善和进步，电子测量仪器和电子仪器仪表零件的质量和相关技术测量理论和方法得到了迅速的发展。有一种较广泛地说法将测量仪器的发展分为五个阶段，测试技巧的发展的五个阶段如图1.1所示。 图1.1测量技术的发展图 社会是一个快速发展的国家，为了实现大量的有限空间内的信息交换，其次是急剧的信息密度的增加，所以数据采集系统对数据信号的分析速度在研究和生产的过程中的需求也愈来愈高，功能愈来愈强。设备的独自数据采集和他们之间能够相互联系实数据采集系统发展的一个重要的标志，形成的数据采集系统，甚至是测试网络系统，实现数据信号的传播和使用，作为比较，综合和自动分析，以获得测量信号数的准确判断。但是传统的数据采集仪器在这些方面有很大的局限性。 虚拟仪器的研制成功推动了仪器的发展，表现出了仪器发展的最新的趋势和新的方向，并且是信息技术在一些重要领域的补充，对科学技术的发展和工业生产将产生举足轻重的作用。 1.3 本设计所做的工作 1.3.1电机转速的控制 本设计通过LabVIEW编写程序，然后由PCI-6024E数据采集卡输出电压控制信号给三菱变频器（FR-S540SE-0.4）控制电路，再利用BNC-2120信号调理器调理信号从而达到控制主电路中的电机的目的。 1.3.2硬件系统的设计 3通道的设计是设计从模拟输入信号从传感器，信号调理，输入到NI PCI-6024E数据采集卡，并通过PCI总线把上位机软件，数据处理，包含采样波形的实时显示、分析等 分析的硬件有一个相对的流程，先通过一个变频器来控制电机的转速，在通过振动传感器来将电机的振动信号转变成电信号。采集卡采集传感器传来的电信号进行采集，并将数据输送到电脑里面。计算机对信号进行处理，同时可以改变计算机的对应虚拟按钮来对变频器进行控制。 系统的总体流程如图1.2所示： 变频器 电机 传感器 采集卡 PC 图1.2系统的总体流程图 变频器：通过改变电脑界面上变频器的限定电压的最大值和最小值来限定电机的最大转速和最低转速。 电机：改变振动信号采集系统的界面上电机转速旋转按钮，电脑发送信号回馈到采集卡，再由采集卡发送信号到变频器来改变实际电机的转速。 传感器：在电机上装有一个偏心轮，由传感器将振动信号转化成电信号 采集卡：通过采集卡采集到传感器里传出来的电信号，再放入内部的缓存器，传入电脑。 PC机：通过提起那做好的振动信号采集系统，改变电机转速，再对采集卡传来的数据进行处理，显示波形。 1.3.3 软件系统的设计 利用labview软件制作一个振动信号采集系统。系统中包含振动信号时域图、时频图、功率图、自功率图、hanning图。同过这些图来对振动信号的分析。具体软件的内容在下面会有对应的介绍。 第二章 虚拟仪器 2.1 虚拟仪器技术的概述 2.1.1虚拟仪器的概念 美国国家仪器公司（National Instruments）在很早的时候就提出的虚拟仪器的概念。虚拟仪器实际上就是在计算机的软硬件测试平台基础上的，它可以替代传统的测量仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、频谱分析仪等；可将优势体现在自动控制、工业控制系统之中。虚拟仪器是智能虚拟仪器以后新的一代测量仪器。 2.1.2虚拟仪器的特点和优势 虚拟仪器是电子测试仪器功能的硬件模块和软件基础上的计算机结构，和软件就是仪器，如图2.1所示的虚拟仪器流程。 图2.1虚拟仪器开发框图 软件的关键部分是设备的驱动软件程序，仪器驱动软件在这些准则的品定下使得系统的开发与仪器的硬件变化没有关联。这是一个虚拟仪器的最大的优势，在这一点上，仪器的发展和更新的时间将大大减少。在虚拟仪器中可以选择的硬件系统有（如GPIB，VXI，RS-232，DAQ板）和库函数等软件融合在一起配合使用，达到了仪器模块间的通讯、定时与触发的效果。源代码库函数在用户想要建立自己的数据模拟模块时提供了对应的模块组成工具。 2.1.3虚拟仪器测试系统的组成 虚拟仪器是在计算机仪器的基础上的。计算机和仪器紧紧联合在一起是现在仪器发展的一个重要标志。有两种基本的方式存在于这种联系之中，一种是把计算机放入仪器，智能化的仪器就是它的一种在实际中的应用。伴随着计算机功能渐渐变强以及它的体积渐渐变小，这类仪器功能也愈来愈强，现在已经出现含嵌入式系统的仪器。另一种方式是将仪器装入计算机。依靠常用的的计算机硬件及操作系统，完成各种仪器功能，这种形式就是虚拟仪器。虚拟仪器的构成跟随了传统仪器的结构形式，主要由数据采集与控制系统、数据分析和处理系统、成果展示三部分组成。虚拟仪器的内在组成的分解如图2.2所示。 图2.2 虚拟仪器的内在组成的分解如框图 传统仪器，这三部分都是由硬件完成；对于虚拟仪器，硬件组成了前一部分，软件组成了后两部分。虚拟仪器比传统仪器更加具有优势，它的设计渐渐的趋向于模块化、标准化，需要人工设计的量很大程度上都减少了。 传感器部分，信号处理和信号采集组件（如外部或内部的数据卡，图像采集卡和相机，用于辅助测量和常规仪表和计算机通信等收购），一般的电脑，打印机，是虚拟仪器测试系统的硬件的重要组成部分。 2.1.4虚拟仪器的软件结构 虚拟仪器技术最主要的是软件，它的结构在软件上的体现如图2.3所示。用户可以开发自己的应用软件的各种编程所需要的软件。现在美国NI公司的软件产品LabVIEW和LabWindows/CVI是最流行的虚拟平台开发软件。这些NI开发平台提供了很多的前面板使用工具和各种数据分析工具，另外虚拟仪器硬件厂商生产的各种硬件的驱动程序模块，使虚拟仪器的设计变得简单很多。随着软件技术的迅速成熟，模块化，可重用的软件，模块化，标准驱动的检测仪的软、硬件，更快速的虚拟仪器软件开发。 虚拟仪器伴随着现代技术的发展，它的硬件设施也开始渐渐的完善和调整。用户界面是最典型的代表。用户的个人信息的安全保密工作是相对比较完善的部分。数据处理的要求也开始变得越来越高。速度、准确度、精度是数据处理的进一步的要求。硬件驱动程序是相对比较重要的部分。它实现了软件与硬件的相互连接。 图2.3 虚拟仪器软件结构图 2.2 虚拟仪器的开发软件 2.2.1虚拟仪器的开发平台——Labview LABVIEW是以程序框图为基本单元并进行绘制的软件，通过前面板来显示想要实现的功能。利用调用不同控件，并将其空间的端点相互连接来实现不同的功能。而虚拟仪器则是接收指令，该指令来自于程序框图。所以，想用labview想要实现不同功能，只需调用对应的函数方块并将它们通过规定的连接方式连接，就可以实现对应的功能，不必要局限于语法细节的编写。前面板、程序框图、图标/接线端口三个部分构成了一个labview。前面板是用来模拟真实仪器控制面板；程序框图是图形语言到前面板控件的使用（分为对照组和表示两个量）控制；图标/接线端口用于把LabVIEW程序定义成一个子程序，从而实现模块化编程。具体界面如图2.4所示。 图2.4 Labview的驱动界面 目前，基于试验和工业控制软件，上位机LabVIEW的市场占有率仅次于C++/C语言。LabVIEW具备一系列无可比拟的长处：第一，LabVIEW作为图形化语言编程，利用流程图的方式来编程，使用的工具图形与科学家、工程师们熟悉的大部分图标基本相同，这使得编程程序和思维极为类似；同时，LabVIEW提供虚拟图书馆和仪表板材料库丰富，库内的近600种设备（扩大）如GPIB VXI总线设备的控制，控制，串口控制，和数据分析，显示和存储。因此，越来越多工程师、科学家对LabVIEW有了不少的依赖。 2.2.2 Labview软件应用介绍 所有的LabVIEW应用程序，即虚拟仪器(VI)， 它包括前面板（面板），流程图（框图）和图标/连接器（图标/连接器）三个部分。 1.前面板：前面板是图形用户界面，也就是VI的虚拟仪器面板，这一界面上有用户输入和显示输出两类对象，具体表现有开关、旋钮、图形以及其他控制和显示对象。但并非画出两个控件后程序就可以运行，在前面板后还有一个与之对应的流程图。 2.流程图：流程图提供VI的图形化源程序。在流程图中对VI编程，通过控制并且定义操纵在前面板上的输入和输出的功能。流程图中包括前面板上的控件连线端子，还有一些前面板上没有，但编程必须有的东西，例如函数、结构和连线等。 3.图标/连接设计：这部分的设计突出体现了虚拟仪器模块化程序设计的思想。在大型全自动检测系统的一步完成一个复杂的系统的设计是非常困难的设计。而在LabVIEW中提供的图标/连接工具正是为实现模块化设计而准备的。设计者可把一个复杂自动检测系统分为多个子系统，每一个都可完成一定的功能。这样设计的优点体现在如下几方面： ① 把一个复杂自动检测系统分为多个子系统，程序设计思路清晰，给设计者调试程序带来了诸多的方便。在为未来系统的维护，同时提供了一个方便的。 ② 一个繁杂的自动检测系统分为好几个子系统，每一个子系统是一个完备的功用模块，因此检测功能的详细，易于完成软件复用，减短了软件开发周期，提高系统设计的可靠性。 ③ 这是很容易实现的“集成测试与虚拟仪器库”的思考。同时提供的虚拟仪器的设计灵活性的前提下实现的。  第三章 信号采集系统硬件介绍及应用原理 3.1 系统硬件选择 3.1.1 PC机 本机配置： 处理器：Intel(R)Core(TM)i5-4200U CPU @ 1.60GHz 2.30GHz 内存：4GB 硬盘：500GB 显卡：2GB 3.1.2 传感器 传感器所用的型号是801s振动信号传感器。它的内部结构相当于一个金属球固定在一个特殊的弹簧上作为一极，他的周围是另外一极，振动达到一定的幅度后两极接通，后面的调理电路作用应该是消除干扰信号，整形输出。具体原理如图3.1所示。 图3.1 振动传感器801S原理图 3.1.3 NI PCI-6024E数据采集卡 NI PCI-6024是NI公司的E系列多功能数据采集卡，依靠的是一个A/D转换器，多路采集，实际上是分时采集的，所有在多路同时工作时采样率会成倍降低。该板卡的主要性能如下： ◆ 16路模拟信号输入通道，采样率为200kS/s，输入范围为-10V～+10V； ◆ 2路模拟量输出通道，分辨率为12位； ◆ 8路数字I/O，数字触发； ◆ 2个32位定时计数器； ◆ NI-DAQmx测试软件和硬件配置支持； 3.2 采集系统的应用原理 3.2.1数据采集概论 现在计算机普遍运用，数据采集的重要性是相当明显的。它是计算机与外部物理世界连接的桥梁。各种类型信号采集的难易程度差别很大。实际采集时，噪声也可能带来一些麻烦。数据采集时，要注意一些计算的准则，来解决一些实际中遇到的问题。 如果此刻对一个模拟信号x(t)每隔△t间隔采样一次。时间间隔△t被叫做采样间隔或者采样周期。它的倒数l/△t被称为采样频率，单位是采样数/每秒。t＝0，△t，2△t，3△t……等等，x(t)的数值就被称为采样值。所有的x（0），X（△T），X（2 T）的采样值。所以数据信息所表示的离散的点可以用一组分散的采样值来表示： {x(0)，x(△t)，x(2△t)，x(3△t)，…，x(k△t)，…} 单个模拟信号和它采样后的采样值如图3.2所示。采样间隔是△t，注意，采样所得到的点在时域图上表示的是离散的。 图3.2 模拟信号采样图 假如对数据信息x(t)采集N个点，那么x(t)就可以用下面这个数列表示： X={x[0]，x[l]，x[2]，x[3]，…，x[N－l]} 信号x(t)的数字化或者采样显示在此显现出来。只是用下标变量在图中显示，而没有表示任何关于时间间隔的信息。以此假如只了解该数据信息的采样值，并不能了解它的采样率，缺少了（△t），也不能够了解数据信息x(t)的频率。 根据采样定理，最小采样频率必须两倍的信号频率。换句话说，假如设定了采样的频率，那么能够表现的最为准确没有发生任何改变的最大频率叫做恩奎斯特频率，它是采样的频率的一半。假如数据信息中有频率比奈奎斯特频率高的成分，数据信息将在直流和恩奎斯特频率之间相互交替。图3.3和图3.4表示了一个数据信息用两种方式显示出来的结果，一种是合适的采样率和另一种是过低的采样率进行采样。 图3.3 合适采样率采样波形图 图3.4 采样率过低采样波形图 采样率太低是信号频率的降低看起来不同于原始信号。该信号称为混叠失真。为了防止这种情况的再次出现，一般会在数据信息被采集(A/D)之前，利用一个低通滤波器，将信号中高于奈奎斯特频率的数据信息成份删去理论设定采样频率是2倍的最高频率分量的信号被收集到足够的，但事实上，项目选择的5-10倍，有时为了更好地恢复波形，甚至更多。 3.2.2采集系统的一般组成及各部分功能描述 数据采集结构如图3.5所示。在数据采集系统中，程序将初始化该采集卡，卡和内存缓冲区中的数据采集和存储的中间环节。需要注意的两个问题是： 是否使用缓冲，是否使用外触发启动、停止或同步一个操作。 图 3.5 数据采集结构图 1．缓冲(Buffers) 这里的缓冲指的是PC内存的一个区域(不是数据采集卡上的FIFO缓冲)，它用来临时存放数据。例如，你需要收集第二收集数以千计的数据，在第二显示或图形数据是困难的。但采集卡的数据缓冲区，你可以下载他们的快速存储，稍后再取回它显示和分析。请注意，缓冲和收集的运行速度和容量。 不要使用缓冲装置的每个数据必须及时处理（图形分析等）。 下列情况需要使用Buffer I/O： ① 需要收集或产生许多样品，率超过实际的显示，存储硬件，速度和实时性分析。 ② 需要不断收集或产生交流数据（> 10样本/秒），并在同一时间或表现出一定的数据分析。 ③ 采样周期必须准确，一致通过样本数据。 下列情况可以不使用Buffer I/O： ① 数据组短小，例如每秒只从两个通道之一采集一个数据点。 ② 需要缩减存储器的开支。 2．触发(Triggering) 触发有关于初始化、终止或同步采集事件的方式得到了有关应用。触发器一般都是由数字或模拟信号组成的，它的显示可以来表明状态的触发。软件触发最容易，你可以使用该软件，如布尔控制面板的使用启动/停止数据采集。硬件触发让板卡上的电路管理触发器，控制了采集事件的时间分配，有很高的精确度。硬件触发可进一步分为外部触发和在内部触发。当模拟信号输出一个指定的输出电压时，该电压让采集卡输出一个固定脉冲，这就是内部的触发。采集卡等外部设备，数字脉冲到达初始化数据采集卡，这是一个外部触发。很多仪器表示数字输出用于触发特定的仪器，在这里，便是数据采集卡。 下列情况使用软件触发： 用户需要的所有集合操作的显式控制，和事件的时间不需要很精确的。 下列情况使用硬件触发： ① 采集事件定时需要非常准确。 ② 用户需要削减软件开支。 ③ 采集事件需要与外部装置同步。 3.2.3输入信号的类型 在进行数据采集前，必须对要采集的信号有所了解，因为不同信号的测量方式和对采集系统的要求是不同的，只有了解被测信号，才能选择合适的测量方式和采集系统。 一个任意的信号在时间上是一个物理量的变化。在正常情况下，携带信息的信号是非常广泛的，比如：状态(State)、速率(Rate)、电平(Level)、形状(Shape)、频率成分(Frequency Content)。通过对数据信息的传播方式的不同，信号可以被分成模拟信号和数字信号两种。数字信号还包含两种不同的类别，它们是开关信号和脉冲信号。模拟信号就可以表现为为直流、时域、频域信号。 1．数字信号(Digital) 第一类数字信号是开关信号(On-Off)，开关信号如图3.6所示。一个开关信号携带的信息和信号的瞬时状态。TTL信号是一个开关信号，TTL信号如果2.0V至5.0V的，我们把它定义为逻辑高，如果是0到0.8V之间，被定义为逻辑低。 图 3.6 开关信号图 第二类数字信号是脉冲信号（脉冲），脉冲信号，如图3.7所示。很大一部分的状态分析都包含在这些数据信号里面，信息就包含在状态转化发生的数目、转换速率、一个转换间隔或多个转换间隔的时间里。 图 3.7 脉冲信号图 2．模拟信号(Analog) 模拟直流信号（直流）是一个模拟信号在休息或变化很慢，模拟直流信号如图3.8所示。 图 3.8 模拟直流信号图 在给定的区域内图形所显示的幅度是直流信号所表现出来的最重要的额信息。温度，速度，压力，应变共同的直流信号等。采集系统在采集模拟直流信号时，对应的精度要足够高才能得到精确地电平信号。 模拟时域信号(Time Domain)运载的信息不仅有信号的电平，还有电平随时间的变化，模拟时域信号如图3.9所示。在一个时域信号或波形的测量，需要把重点放在波形特征，如坡度，峰值等。为了测量一个时域信号，必须有一个精确的时间序列，间隔也要合适，以保证信号的有用部分被采集到。现实中存在许多不同的时间域信号，如心脏跳动信号，视频信号，测量它们通常由于利益的波形特征。 图 3.9 模拟时域信号图 频域信号仿真（频域）与时域信号类似，频域提取信号中的信息的频率内容信号，不浪的形状，性质不随时间的变化，模拟频域信号如图3.10所示。用于测量一个频域信号的系统必须有必要的分析功能，用于从信号中提取频域信息。为了实现数字信号处理等，可以使用或专用DSP硬件的应用软件，快速有效地分析信号。模拟频域信号也很多，譬喻声音信号、地球物理信号、传输信号、振动信号等。 图 3.10 模拟频域信号图 现实中的信号并不是相互排斥的，一个信号可以携带超过一种的信息，可以使用几种方法来定义和测量的信号，与不同类型的系统测量同一信号，从信号中取出需要的各种信息。 3.2.4输入信号的连接方式 电压信号包含两种形式，即接地和浮动两种。该测量系统可分为差（差），引用一个单端（RSE），没有一个单端（NRSE）的三种类型。 1.接地信号 接地信号，该信号的一端连接和系统，如土地或建筑物由于信号是用系统，和数据采集卡的共同点 2.浮动信号 浮动信号是不连接到建筑物地等绝对参考点的电压信号。浮动信号源常见的例子有电池及其他的供电设备、热电偶、变压器、隔离放大器等设备。如果使用DAQ板作为信号源，它输出的也是浮动信号。 3.2.5测量系统分类 1.差分测量系统(DEF) 差分测量系统，信号输入端和一个模拟输入通道连接。具有放大器的数据采集卡可配置成差分测量系统。八通道差分测量系统如图3.11所示，用一个放大器通过模拟多路转换器进行通道间的转换。标记AIGND（模拟输入）引脚测量系统。 2.参考地单端测量系统(RSE) 一个RSE测量系统，也叫做接地测量系统，被测信号的一端接模拟输入通道，另一端连接系统地AIGND。十六通道RSE测量系统如图3.12所示。 3.无参考地单端测量系统(NRSE) 在NRSE测试系统中，数据信息的一端接模拟输入通道，另外一端接一个公用参考端，但这个参考端电压相对测量系统的地来讲是不断改化的。十六通道NRSE测量系统如图3.13所示，在AISENSE是衡量公共参考端，AIGND是接地系统。 图 3.11 八通道差分测量系统图 图 3.12 十六通道RSE测量系统图 图 3.13 十六通道NRSE测量系统图 3.2.6选择合适的测量系统 两种信号源，由三个总六连接，测量系统连接方式如表3.1所示。 表3.1 测量系统连接方式表 接地信号 浮动信号 DEF ☆ ☆ RSE ☆☆ NRSE ☆ ☆ 其中，推荐使用☆方式。从表中可以看出，浮动信号和微分系统的连接方式更好。 1.测量接地信号 测量接地信号最好采用差分或NRSE测量系统。如果RSE测量系统，会给测量带来误差结果。图3.14显示了一个RSE测量系统测量接地信号源的问题。在本例中，测量电压Vm是测量信号电压Vs和电位差DVg之和，其中DVg是信号地和测量地之间的电位差，这个电位差来自于接地回路电阻，可能会造成数据错误。接地回路通常是在测量数据中的工频交流和直流偏置扰动频率。一种避免接地回路形成的办法就是在测量信号前使用隔离方法，测量隔离之后的信号。 图3.14 RSE测量系统测量浮动信号图 2.测量浮动信号 测量浮动信号可以采用DEF、RSE、NRSE方式测量浮动信号。在微分测量系统，应该首先确保信号测量的共模电压范围内的设备允许的测量系统。如果采用差分或NRSE测量系统，放大器输入偏置电流会导致浮动信号电压偏离数据采集卡的有效范围。为了稳住信号电压，需要在每个测量端与测量地之间连接偏置电阻，测量浮动信号的连接方式如图3.15所示。这对放大器的输入放大器提供一个直流路径。这些偏置电阻的阻值应该足够大，这样使得信号源可以相对于测量地浮动。低阻抗信号源，10K电阻到100KΩ更合适。 图3.15 测量浮动信号图 如果输入信号是直流，只是用一个电阻（-）的连接端和测量系统。然而，如果阻抗信号源是比较高的，避免干扰的角度考虑，这种连接会导致不平衡的系统。当信号源阻抗足够高，应该选择两个等效电阻，连接信号高点评（+）到地面，低水平的连接信号（-）到地面。如果输入信号是交流，需要两个偏置电阻，以实现直流偏置通道放大器的要求。 一般来说，无论在地面或浮动信号测量，微分测量系统是一个很好的选择，因为它不仅避免了地环路干扰，也避免了环境干扰。相反，RSE系统却允许两种干扰的存在，在所有输入信号都满足以下指标时，可以采用RSE测量方式：输入信号是高电平(一般要超过1V)；连接短（小于5米）和环境干扰小、屏蔽；所有的输入信号的信号源是更多。当一个不符合要求，我们应该考虑差动测量模式的使用。值得注意的是，信号源阻抗的大小。电池、RTD、应变片、热电偶等信号源的阻抗很小，可以将这些信号源直接连接到数据采集卡上或信号调理硬件上。为了更好的测量，输入信号源的阻抗与插入式数据采集卡的阻抗相匹配。 3.2.7数据采集卡的性能指标 1）采样频率 采样频率的高低，决定了在一定时间内获取原始信号信息的多少，为了能够较好的再现原始信号，不产生波形失真，采样率必须要足够高才行。根据奈奎斯特理论采样频率至少是原信号的两倍，但实际中，一般都需要5～10倍。 2）采样方法 采集卡通常都有好几个数据通道，如果所有的数据通道都轮流使用同一个放大器和A/D转换器，要比每个通道单独使用各自的经济的多，但这仅适用于对时间不是很重要的场合。如果采样系统对时间要求严格，则必须同时采集，这就需要每个通道都有自己的放大和A/D转换器。但在成本的考虑，现在流行的是每个数据信道公共设置放大器和A / D转换器。 3）分辨率 ADC的位数越多，分辨率就越高，可在较小的电压的区别。。例如，三位的A/D转换把模拟电压范围分成23=8段，每段用二进制代码在000到111之间表示。因此，数字信号不能反映原始信号，因为某些信息丢失。如果增加到十二位，代码数从8增加到212=4096，这样就可以获得就能获得十分精确的模拟信号数字化表示。 4）电压动态范围 电压范围指的是最大和最小ADC扫描电压。一般最好能进的电压范围内采集卡只与她见面，利用可靠的分辨率范围。例如，一个12位多功能DAQ卡，其可选的范围从0到10V，或－5到＋5V，其可选增益有1，2，5，10，20，50或100。电压取值范围从0到10V，增益为50，则理想分辩电压是： 10/(50*212)=48.8μV。 5.I/O通道数 该参数指示收集大部分的信号通道的数据采集卡。 第四章 信号采集系统软件设计及应用原理 4.1 程序模块化设计概述 应用软件的研究与开发在很大的程度上对数据采集系统的结构起着决定性的功用，因此在确定了系统设计方案之后，应当采用好的程序开发的方式，如结构化设计方式、模块化思维、多线程和软件环境的评估准则等等。 4.1.1程序设计的模块化原则 模块化结构是所有的软件系统设计的基本特征，任何一个大型的软件系统，是由几个独立的功能模块组成的。好的软件构造应体现从上而下的控制形式，模块之间的控制体现为总领和隶属的关系。 模块独立性由两个定性的准则来衡量：即块内联系(内聚)与块间联系(耦合)，模块化结构如图4.1所示。块间联系是指模块与模块之间的联系，块间联系越小，模块独立性越高。块内联系是指一个模块内部的各成分(语句与语句段)之间的联系。一个模块的块内联系大，模块独立性会提高。为了实现模块结构的最佳状态，块间联系应尽可能小，块内联系应尽可能大。 图4.1 模块化结构图 4.1.2系统设计的软件模块划分 系统程序的主要功能为模块划分的标准，包括电机转速控制、数据采集、在线分析、数据保存、数据回放及离线分析等功能，其中数据采集及分析功能模块如图4.2所示。 数据采集及分析功能模块 系统管理 采集滤波 实时数据显示 在线分析 创建用户 修改密码 删除用户 FFT 功率谱 倒频谱 对数谱 图4.2数据采集及分析功能模块图 4.2 信号采集系统的软件成果 4.2.1电机转速控制子VI 这部分子VI采用的是NI PCI-6024E采集卡，由于该卡支持DAQmx驱动程序，这样的设计是DAQmx-Data Acquisition测试系统数据采集的发展直接使用，控制电压通过理论速度算法，电机，电机调速控制程序如图4.3所示。 图4.3电机转速控制程序图 4.2.2数据信号采集及保存程序 这一部分是Ni PCI-6024E数据采集卡的应用，由于卡支持DAQmx驱动，这样的设计是DAQmx数据采集生产直接使用，在这一部分中，最重要的是参数的采集卡，其中包括物理信道的选择，采样方式，采样率，采样数的每个通道，分辨率，最大和最小取样面积的设置。数据保存是把采集来的数据保存到TDMS文件里，可以通过LabVIEW编写的程序回放，也可以通过专业数据处理软件OriginPro8.SR5打开，显示成表格形式，数据采集及保存程序如图4.4所示。 图4.4数据采集及保存程序图 以上就是汽车悬架振动信号采集处理系统的关于程序框图方面的描述。每个子程序都置于一个While循环中，以保证程序的自检。另外，所有子程序都已放入一个外围的While循环，使程序处于正常的运行状态。 第五章 信号采集系统的具体实现及成果 5.1硬件组成 硬件部分包括电机转速控制系统以及振动信号采集系统。 电机转速控制系统由电机、FR-S540SE-0.4变频器、BNC-2120接线板（模拟信号输出端口）、PCI-6024E数据采集卡及PC机组成。 振动信号采集系统包括振动传感器、信号调理设备、BNC-2120接线板、数据采集卡和计算机软件。首先采用振动传感器检测产品特征节点的振动速度信息；通过信号调理设备完成对振动传感器信号的振动信号的调理，然后通过PNC-2120上的模拟输入端口传输给数据采集卡PCI-6024E；“数据采集与分析”用LabVIEW自带子VI进行频域分析，给出不同振动状态下的频域分析曲线。系统硬件设备如图5.1所示。 图5.1 系统硬件设备图 5.2 软件的具体实现 本设计的前面板由登录界面、电机转速控制、数据采集及在线分析、回放及离线分析几个页面组成，完美展现了一个数据采集与处理系统的功能和实际应用。下面分别介绍各个部分。 5.2.1登陆界面前面板 登陆界面主要提供了用户的登录、密码修改以及备用按钮，其中涉及了数据库(DataBase)技术、ADO与数据库的交互技术以及MYSQL数据库（小型关系型数据库管理系统），由于时间仓促这部分工作没有完善，只有理论知识，以及用户登录。具体前面板如图5.2所示。 5.2前面板登陆界面 5.2.2电机转速控制前面板 电机转速控制前面板主要包括控制通道（即输出给变频器的控制电压通道）、控制电压范围输入（根据变频器的的控制电路电压设定，本设计设定为0～5V）、电机启动按钮、转速输入旋钮，以及振动频率显示，具体前面板如图5.3所示。 5.2.3数据采集及保存前面板 该面板包含了采集的启动以及停止按钮、采集通道（即传感器输出信号的接受通道，本系统设置了三个通道，即最多可以同时接收三个传感器的信号）、采样率输入、每通道采样数的设置、每通道缓冲区的设置以及实时波形显示，具体前面板如图5.3所示。 图5.3　电机转速控制及数据采集保存前面板图 5.2.4信号分析前面板 在线分析用做数据的频谱分析，在线分析是依据此次的振动信号分析设计的单通道数据分析，具体前面板如图5.4。 图5.4　信号分析前面板图 5.2.5模拟信号的分析实图 由于身边的资源有限，没有型号为FR-S540SE-0.4的变频器和PCI-6024E采集卡，所以在设计的过程中只能有一个模拟信号来代替采集到的振动信号。对模拟信号进行了对应频谱的分析以后，产生波形图如图5.5和5.6所示。 5.5正弦信号功率谱 5.6随机模拟信号的自功率谱和时频谱 第六章 振动信号的频谱分析 6.1 频谱分析的理论知识 首先，通过图书馆以及网络资源，学习了相关频谱分析的理论知识，由于时间有限，只摘要了几种频谱分析的理论知识，对其进行简单的数学原理解释。 6.1.1功率密度函数的定义 随机信号的自功率谱密度函数是该随机信号自相关函数的FT变换，记为Sx(f): Sx(f)=-∞∞R(τ)e-j2πfτdτ 其逆变换为： Rxτ=-∞∞Sx(f)ej2πfτdf （6.1） 两个随机信号的互功率谱密度函数为: Sxyf=Rxy(τ)e-j2πfτdτ 其逆变换为： Sxy (τ)=-∞∞Sxy(f)ej2πfτdf 因为S（f）和R（τ）是两者之间的关系的傅立叶变换，两者是唯一相应的。S (f)中包含着R (τ)的所有数据信号。由于Rxτ为实偶函数，Sx (f)亦为实偶函数，互相关函数 Rxy (τ)并非偶函数，因此Sxyf具有虚的部分和实的部分，类似的，Sxyf保存了Rxy (τ)的所有数据信号。 6.1.2功率谱密度函数的物理意义 Sx(f)和Sxyf的频域描述表达成函数时时一个随机信号。Sx(f)表示信号的功率密度沿频率轴的分布，故又称Sx(f)为功率谱密度函数。 Sx(f)和Sxyf的频域描述表达成函数时时一个随机信号。由于整体随机信号不收敛，不符合条件，所以它的傅立叶变换是不存在的，是不能直接获得谱。但均值为零的随机信号的相关函数在 时是收敛的，即可满足(FT)的条件,根据FT理论，自相关函数Rxτ是绝对可积的。 对于式（6.1）当T=0时，有: Rx0=limT→∞1T0Tx2tdt=-∞∞Sx(f)df (6.2) 根据相关函数的定义，当T=0时，有: Rx0=limT→01T0Txtxt+0dt =limT→∞1T0Tx2tdt=limT→∞0Tx2(t)Tdt 比较以上两式可得: -∞∞Sx(f)df=limT→∞x2(t)Tdt 上式表现了Sx(f)弧线下的总面积与x2(t)/T弧线下的总体面积相等，在物理意义方面上看来，x2(t)是信号x(t)的能量，x2(t)/T是信号x(t)的功率， -∞∞Sx fdf=limT→∞0Tx2(t)Tdt 是信号x(t)的总功率。Sx(f)弧线

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