基于虚拟仪器的信号采集与分析系统_图文

1、文章编号:100021573(20020320084203基于虚拟仪器的信号采集与分析系统关贞珍,霍晓静,钱东平,杨世凤(河北农业大学机电工程学院,河北保定071001摘要:介绍了在Windows 环境下,利用虚拟仪器开发工具LabWindows C VI 开发的信号采集与分析系统的软件结构、功能和特点。实验表明,应用虚拟仪器技术开发测试与分析系统,界面友好,并可大大提高开发效率。关键词:虚拟仪器;信号采集;数据分析中图分类号:TP 274文献标识码:ASignal acquisition &data analysis system based on virtualinstrumentatio

2、n techniqueG UAN Zhen 2zhen ,HUO X iao 2jing ,QI AN Dong 2ping ,Y AN G Shi 2feng(C ollege of Machinery and E lectronics ,Agricultural University of Hebei ,Baoding 071001,China Abstract :signal acquisition and data analysis system based on the conception of virtual instrumentationis developed in the

3、environment of LabWindows C VI.The con figuration of hardware ,the structure of s oft 2ware ,alg orithm and result of analysis are introduced.K ey w ords :virtual instrumentation ;signal acquisition ;data analysis收稿日期:2001-03-27作者简介:关贞珍(1975-,女,河北省迁西县人,硕士,主要从事计算机信号采集与分析的研究.在机电设备运行过程中,信号的采集与分析是实现设备状态

4、监测、性能分析和故障诊断的主要手段。目前,国外已有分析精度高、功能多的专用测试分析仪器,但价格昂贵,操作比较复杂。而国内分析仪器大多是模拟式和数字式仪表,且功能单一。随着电子技术的发展和PC 技术的广泛应用,虚拟仪器应用于测试与分析领域已成为发展趋势。与普通的分析仪器相比,虚拟仪器具有分析功能强大,图形化界面,操作直观方便,开放性能好,价格便宜,即插即用的优点。所以,结合目前教学实验与科研的需要,笔者采用先进的虚拟仪器技术,在LabWindows C VI 环境下,开发了可进行多路信号采样、数据预处理、时域分析、频域分析和幅值域分析的可视化软件系统。 1系统总体设计方案系统的总体设计框图如图1

5、所示。主要包括硬件和分析软件两部分。由传感器将被测信号转换成电压或电流信号,经数据采集卡处理后,送到计算机总线,应用LabWindows C VI 虚拟仪器开发工具,通过软件编程,对信号进行时域、频域、幅值域中的各种分析,并对信号进行存储、显示和打印。图1系统总体设计框图Fig.1Diagram of the system第25卷第3期河北农业大学学报Vol 125No 132002年7月JOURNA L OF AG RIC U LT URA L UNI VERSITY OF HE BEI J ul.20022系统主要硬件介绍信号采集系统的硬件基础是486以上的微机和插入主机扩展槽的高性能数据

6、采集卡,信号可通过各种传感器,经电荷放大器放大后输入系统。数据采集卡是本系统的硬件核心部分,它主要完成数据的采集、A D 转换和存储。考虑采样频率、输入精度、A D 转换速度与分辨率等技术指标,本系统采用美国NI (National instruments 公司的PCI -6024E 型数据采集卡,其模拟输入部分由模拟通道开关、缓冲放大器、A D 转换芯片、通道控制电路、数据接口电路、A D 触发电路组成,能连续、高速地获取数据,并大批量无遗失地传输数据。PCI -6024E 型数据采集卡采用PCI 总线,12位模数、数模转换器,采样频率为200kH z ,输入信号电压范围为5V 或10V ,

7、输入增益可选择1、10或100。此采集卡包括16路模拟输入通道,2路模拟输出通道,8个数字I O 和2个计数定时器。3系统软件设计软件是虚拟仪器的核心, 利用软件可以定义和开发各种测试分析仪器。本系统采用NI 公司1Lab 2Windows C VI 作为开发工具。LabWindows C VI 是一种交互式的ANSI C 程序设计环境,并把C 语言的有力与柔性同虚拟仪器的软件工具库结合起来,包含了G PI B 、RS -232、VXI 总线、数据采集和分析库。同时,LabWindows C VI 软件提供了很多厂家生产的多达300多种仪器驱动程序。LabWindows C VI 以其集成的开

8、发平台、交互式编程方法、简单直观的用户图形设计、功能强大的函数库等特点,使用户能够很容易地生成各种应用程序。本系统软件结构框图如图2所示。图2系统软件结构Fig.2Structure of the softw are311信号选择模块信号选择模块可实现模拟信号发生和实际信号采集两项功能。模拟信号发生部分的功能,相当于信号发生器,可产生正弦波、方波、三角波、噪声等信号,并且信号幅值、频率、相位等均可自由设置。实际信号采集部分,可实现信号的输入通道选择、输入范围、采样频率、程控放大倍数、采样数据长度、触发方式等采集参数设置。数据采集参数设置面板如图3所示。312数据分析模块数据分析模块支持单通道和

9、多通道的信号分析。在对信号进行各种分析之前,本系统提供软件滤波方法,以消除混在被测信号中的环境噪声和A D 转化引起的量化噪声。由于信号的时间历程是无限的,58第3期关贞珍等:基于虚拟仪器的信号采集与分析系统图3数据采集参数设置Fig.3Configure of signal acquisition 而用计算机处理数据时,只能截取信号的一部分进行分析,本软件在信号的截取过程中设置5种窗函数以供选择,这5种窗函数为:矩形窗、海明窗、汉宁窗、三角窗、余弦窗。在各种分析算法的支持下,通过软件编程,可对信号进行时域、频域、幅值域的各种分析,完成信号分析仪的基本功能,其主要分析算法如下。系统的信号分析结

10、果见图4、5、6。31211时域分析算法1对时域信号x (t 进行傅立叶变换,求频域信号x (f ,即x (f =+-x (t exp (-j 2tft d t ,再利用S plit -Radix 算法在计算机上实现快速傅立叶变换2。2根据傅立叶变换求信号的双边功率谱密度函数:S x (f =+-R x (exp (-j 2f d 3;由物理意义得到单边功率谱密度函数:G x (f =2S x (f 。3对功率谱进行IFFT 变换,即可求得相关函数。若x (t =y (t 为自相关函数;若x (t y (t ,则为互相关函数。4由单边功率谱密度函数,求得凝聚函数:2xy (f =G xy (f

11、 2 G x (f G y (f 。31212频域分析算法1对x (t 作FFT 变换,求得其频谱x (f ;2利用式S x (f =+-R x (exp (-j 2f d ,求信号的自功率谱;图4系统主界面及概率密度分析Fig.4Main interface and analysis of prob ability density 图5相关分析Fig.5Analysis of correlation图6功率谱分析Fig.6Analysis of pow er spectrum(下转第109页68河北农业大学学报第25卷5三跨两塔体系跨中处最外层拉索与纵梁的夹角应大于21(一般2130,这样索

12、比较经济,受力较合理,夹角过小会减弱对纵梁挠度控制的结论相吻合。而主跨在180m 时,结构的挠度和内力都迅速增加,拉索对槽体的位移控制比较困难,槽身挠度较大,既不安全又不经济,故在实践中不宜采用。另外,在塔柱与槽身连接处,槽身弯矩急剧增加,因此,在工程实践中,此处应加强配筋或采取有效措施以减小弯矩。参考文献:1郝文秀1大流量斜拉渡槽结构研究D.保定:河北农业大学.2000.2何英明,王长德,雷声昂,等.多厢互联预应力混凝土渡槽设计方法J .水利水电技术,1999(2:1-3.3张晓壳,陈宁,王应良,等.斜拉桥的数学建模J .国外桥梁,1998(2:52-56.4NAZ MY A S ,ABDE

13、 L -G H AFFAR M A.Three dimensional nonlinear static analysis of cable -stayed bridgesJ .C omputer and S truc 2tures ,1990(34:257-271.5凌均忆.斜拉渡槽设想J .吉林水利,1984(5:11-29.(编辑:祁振声(上接第86页3对S x (f 进行对数运算,即求得lgS x (f ;4对上式所得进行傅立叶逆变换,即可求得倒频谱,即C x (=F lgS x (f 。31213幅值域分析算法1根据采样点数N ,用式k =1187(N -125计算分组数;2由数据值

14、的极差(测量值上、下限之差,除以分组数k 得组距R ;3计算落在每个子区间内的频数B (k -1,根据B 值即可作出概率密度函数f (x 图。4由概率密度函数求得概率分布函数F (x =x -f (x d x4结论本文开发的微机信号采集与分析系统,基于普通微机和高性能数据采集卡的硬件基础,采用国际流行的“虚拟仪器”概念,应用LabWindows C VI 开发平台,通过各种分析算法,实现了多路信号的采集和信号时域、频域、幅值域的各种分析,完成了多通道示波器、多通道信号分析仪的基本功能,并将二者集成为一体。目前,该系统已成功地安装在河北农业大学机电工程学院振动实验室。实践证明,该系统界面友好、操作方便、结果可靠,可广泛应用于各科研院所的实验与教学。参考文献:1US National Instr