LabVIEW的振动信测试系统设计方案

1、基于 LabVIEW 的振动信号测试系统设计摘要：虚拟仪器是现代计算机技术同仪器技术深层次结合的全新概念仪器，实质是 利用计算机的显示器的显示功能模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出测 量结果，利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析和处理，完成各种 测试功能的一种计算机仪器系统。本次设计利用了基于LabVIEW的虚拟仪器技术设计了一套振动测试系统，下位 机采用AT89C52单片机进行数据采样，并通过RS-232串口与上位机通信实现信号 数据的传输，上位机软件开发基于LabVIEW平台。其具有信号采集，波形显示，数 据处理，数据保存，信号参数检测等功能，具有操作简单，界面直观，适

2、用性强等 特点。通过设计，能够对数据进行时域显示和频域分析处理。关键词：虚拟仪器；振动测试；LabVIEW； 单片机Vibration Testing System Based on LabVIEW SignalDesignAbstract: Virtual in strume ntati on is moder n computer tech no logy comb ined with thedeep-seated in strume nt tech no logy new con cept in strume nt , in esse nce,the use of thecomputer

3、 monitor s display traditional analog instrument control panel to outputmeasurement results of various forms of expression , the use of powerful computer softwarefun cti ons the operati on data for sig nal an alysis and process ing is completed for all testfunctions of a computer system apparatus .T

4、he desig n takes adva ntage of LabVIEW -based virtual in strume nt tech no logy desig neda vibration test systems, next-bit machine using AT89C52 microcontroller for data sampling ,and to achieve data tran smissi on sig nal via RS-232 serial com muni cati on with the PC ,PC software development base

5、d on LabVIEW platform. Which has a signal acquisition,waveform display , data process ing, data storage , sig nal parameter detect ion and otherfunctions, with a simple, in tuitive in terface, applicability, and other characteristics. By design, the data can be displayed in time doma in and freque n

6、cy doma in an alysis. Keywords:VirtualIn strume nt,vibratio n test, LabVIEW, SCM目录第1章绪论01.1课题研究的背景和意义01.3论文主要设计内容0第2章虚拟仪器和LabVIEW32.1虚拟仪器32.1.1虚拟仪器的概念32.1.2虚拟仪器的组成32.1.3虚拟仪器的特点及优势42.2 LabVIEW52.2.1 LabVIEW简介52.2.2 LabVIEW的基本特点5第3章振动测试分析系统73.1振动测试分析系统的组成73.2信号测试与分析73.3振动测试系统总体设计8第4章硬件设计94.1系统总体设计方案94

7、.2压电加速度传感器94.3电荷放大器94.4 A/D转换器TLC2543性能介绍 .104.5单片机模块124.5.1 AT89C52性能介绍124.5.2 A/D转换电路 .154.6基于AT89C52单片机的串口硬件采集接口电路设计 .164.6.1串口简述.164.6.2串口硬件采集接口电路设计184.7单片机数据采集软件程序设计18第5章LabVIEW软件设计205.1 LabVIEW软件总体设计方案205.1.1系统主界面设计205.2 LabVIEW程序设计215.3数据采集模块设计215.4信号预处理模块设计215.5时域分析模块设计225.5.1信号的时域统计分析225.5.

8、2时域程序框图235.6频域分析模块设计245.6.1幅值谱和相位谱分析24 5.6.2功率谱分析255.6.3频域分析程序框图 .25第6章系统仿真调试276.1仿真系统运行原理 .276.2时域分析模块测试 .276.3频域分析模块测试.286.3.1幅度与相位谱显示286.3.2功率谱显示28总结29致谢30参考文献31附录132附录233附334第 1 章绪论1.1 课题研究的背景和意义随着计算机和软件技术的发展，虚拟仪器正在逐渐成为测试领域的发展方向，采用 虚拟仪器实现振动测试与分析也成为振动测试的发展趋势。所谓振动，就是物体或 某种状态随着时间往复变化的现象，这类现象有的源于系统内

9、部相互作用，有的是 外界干扰引起的。在现代工程技术领域，存在着大量的振动问题。 例如： 电厂中汽 轮发电机组及其它辅机设备运行时产生的振动， 车辆在凸凹不平的路面上行驶所引 起的振动；旋转机械由于质量不平衡在运行中的振动；建筑物受地面和阵风扰动所 产生的振动等。在极大多数场合，振动都是有害的，它将影响设备的正常工作和机 械的加工精度，引起机器构件的加速磨损，甚至导致急剧断裂而破坏。为了解决工 程振动问题，出现了一门集数学、力学、电子技术、计算机技术、信息处理、人工 智能等多种现代技术于一体的新兴交叉学科一一振动测试与分析。1.3 论文主要设计内容本文从虚拟仪器开发的角度，首先确定系统的总体方案

10、和硬件配置，然后从整体上 确定系统的模块组成，在论文的主体部分，分别论述了以AT89C52单片机为核心的数据采集卡及相应硬件设计电路，基于LabVIEW平台下开发一个完整的虚拟振动测 试系统，对软件的各个模块进行具体设计与实现，对开发过程中普遍存在的问题做 了一定的探讨与论述。为了实现振动测试分析系统的开发，全文主要内容如下：1、振动虚拟仪器的应用研究虚拟仪器是最近发展起来的一门崭新的学科，是仪器产业发展的一个重要方向。 本文从虚拟仪器的基本概念出发，分别介绍组成、功能及特点以及与传统仪器相比 所具备的优点等几个方面。虚拟仪器用软件编程替代传统测量仪器的硬件电路，因 此成本大大降低，介绍了用于

11、虚拟仪器开发的集成软件包LabVIEW并重点介绍了LabVIEW在信号处理与分析方面的优势。2、振动测试与分析应用开发了解了虚拟仪器的概念和优势后，便开始了振动测试分析应用系统的开发。重点介绍了以AT89C52单片机为核心的串口通讯的数据采集模块的硬件设计。3、虚拟振动测试分析系统的软件设计确定了系统的硬件平台之后，就开始了应用软件系统的开发。通过比较多种虚拟仪器开发平台，选定了以图形化编程软件LabVIEW。然后便通过编程，将振动测试的理论算法转换成为LabVIEW的框图程序。应用软件的主要功能包括：(1)数据采集:LabVIEW与单片机串口的软件设计。(2)文件管理：存储和读取振动信号以及

12、采样参数数据。(3)信号预处理：包括数字滤波(低通、高通、带通、带阻)和加窗(可选用多种窗函 数，如矩形窗、哈宁窗、海明窗等)。(4)时域分析:对信号统计特征的计算(峰值、均值、方差、均方根值等)。(5)频域分析:对采集得到的数据作频谱分析包括FFT分析、功率谱分析。第 2 章虚拟仪器和 LabVIEW2.1 虚拟仪器2.1.1虚拟仪器的概念虚拟仪器（Virtual Instrument ,VI）的概念是由美国国家仪器公司（NI）最先提出的。所谓 虚拟仪器是基于计算机的软硬件测试平台，它可代替传统的测量仪器，如示波器、 逻辑分析仪、信号发生器、频谱分析仪等；可集成于自动控制、工业控制系统之 中

13、；可自由构建成专有仪器系统。虚拟仪器是智能仪器之后的新一代测量仪器。虚拟仪器的核心技术思想就是软件即是仪器”该技术把仪器分为计算机、仪器硬件和应用软件三部分。虚拟仪器以通用计算机和配备标准数字接口的测量仪器（包括GPIB,RS-232等传统仪器以及新型的VXI模块化仪器）为基础，将仪器硬件连 接到各种计算机平台上，直接利用计算机丰富的软硬件资源，将计算机硬件（处理器、存储器、显示器）和测量仪器（频率计、示波器、信号源）等硬件资源与计算机软 件资源（包括数据的处理、控制、分析和表达、过程通讯以及图形用户界面）有机的结合起来。如图2-1反映了常见的虚拟仪器方案。图 2-1 虚拟仪器方案2.1.2虚

14、拟仪器的组成虚拟仪器由软件和硬件两部分组成，突破了传统电子仪器以硬件为主体的模式 用具有测试软件的计算机实现传统电子仪器的功能。虚拟仪器的硬件是计算机和为其配置的各种传感器互感器信号调理器数据采集器等 计算机及其配置的电子测量仪器硬件模块组成了虚拟仪器测试硬件平台的基础。软件是虚拟仪器的灵魂。NI公司在提出虚拟仪器概念时用软件就是仪器（Softwareis Instrument） ”的口号来表达虚拟仪器的特征，强调了软件在虚拟仪器中极为重要 的位置。虚拟仪器的软件包括：虚拟仪器的前面板、信号采集模块、信号处理模块 和数据存储模块等。因此测量信号是在软件的控制下，经由电子测量硬件平台的采集，再经

15、电子计 算机的处理，得到最终的测试结果，并以数据、曲线、图形等显示在电子计算机的终端显示屏上。2.1.3虚拟仪器的特点及优势被测对象二信号测量数据采集卡数据处理:虚拟仪器面板虚拟仪器是基于计算机的功能化硬件模块和计算机软件构成的电子测试仪器， 而软件是虚拟仪器的核心。其中软件的基础部分是设备驱动软件，而这些标准的仪 器驱动软件使得系统的开发与仪器的硬件变化无关。这是虚拟仪器最大的优点之 一，有了这一点，仪器的开发和换代时间将大大缩短。虚拟仪器中应用程序将可选 硬件(如GPIB, VXI, RS-232, DAQ板)和可重复用库函数等软件结合在一起，实现了 仪器模块间的通信、定时与触发。原码库函

16、数为用户构造自己的虚拟仪器(VI)系统提供了基本的软件模块。由于VI的模块化、开放性和灵活性，以及软件是关键的特 点，当用户的测试要求变化时可以方便地由用户自己来增减硬、软件模块，或重新 配置现有系统以满足新的测试要求。这样，当用户从一个工程转向另一个工程时，就能简单地构造出新的VI系统而不丢失己有的硬件和软件资源。虚拟仪器技术的优势在于可由用户定义自己的专用 仪器系统，且功能灵活，很容易构建，所以应用面极为广泛。尤其在科研、开发、 测量、检测、计量、测控等领域更是不可多得的好工具。虚拟仪器技术先进，十分 符合国际上流行的”硬件软件化”的发展趋势，因而常被称作软件仪器。它功能强 大，可实现示波

17、器、逻辑分析仪、频谱仪、信号发生器等多种普通仪器全部功能，配以专用探头和软件还可检测特定系统的参数，如汽车发动机参数、汽油标号、炉 窑温度、血液脉搏波、心电参数等多种数据；它操作灵活，完全图形化界面，风格 简约，符合传统设备的使用习惯，用户不经培训即可迅速掌握操作规程；它集成方 便，不但可以和高速数据采集设备构成自动测量系统，而且可以和控制设备构成自 动控制系统。表 2-1 虚拟仪器与传统仪器的比较特性虚拟仪器传统仪器兼容性开放性、灵活性，可与计 算机技术保持同步发展圭寸闭性，仪器间相互配合 较差系统升级关键是软件，系统升级方 便，可通过网络下载升级 程序关键是硬件，升级成本 高，而且要上门进

18、行升级 服务价格价格低廉，仪器间资源可 重复利用率咼价格昂贵，仪器间一般无法共享资源体积体积较小，便于携带和野:体积较大，不便于运输夕卜工作开发和维护用户可以定义仪器功能可 以与网络及周边设备方便 连接开发与维护费用较低功能由生产商预先定义功 能单一，只能连接有限立 设备开发与维护开销高技术更新周期技术更新周期短（1-2年）技术更新周期长（5-10年）由表2-1可见，与传统仪器相比，虚拟仪器在各方面都具有明显的优势，能够满足 科技高速发展对电子测量技术提出的新要求，必然会成为电子测量仪器发展的趋 势。2.2 LabVIEW2.2.1 LabVIEW简介LabVIEW是实验室虚拟仪器集成环境（L

19、aboratory Virtual instrument Engineering） 的简称，它是美国国家仪器公司（简称NI）的创新软件产品。LabVIEW为用户构造自己的仪器系统提供了完美的解决途径。虚拟仪器软件将计 算机硬件资源与仪器硬件有机的融合为一个整体，这就把计算机中含有的强大的计 算处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起， 大大缩小了仪器硬件的成 本、 体积和开发时间。 虚拟仪器随着与计算机的发展而发展，它还与网络及其他周 边设备进行互联，我们只需改变软件程序就可以不断扩展增强虚拟仪器的测量功能，并且十分简单。LabVIEW也是一直通用的编程系统，它具有各种各样、功能强大、简单

20、易用的函 数库，这些函数库里包含着包括数据采集、 网络传输、 串行仪器控制、 数据分析、数据显示及数据存储等功能。LabVIEW也有完善的仿真、调试工具，如设置断点、 单步等，十分方便用户调试。此外LabVIEW有动态连续的跟踪方式，利用此功能可 以动态、连续地观察程序中的数据及其变化情况，这比其他语言的开发环境更加方 便、更加有效。LabVIEW采用图形化编程语言一一G语言，它所产生的程序是框图的形式，这种 形式易学易用，因为G语言可在很短时间内掌握并应用到实践中去。图形化的程序 设计编程比传统的编程语言简单直观，并且开发效率高。随着虚拟仪器技术的不断 发展，这种图形化的编程语言一定会通行的

21、标准。2.2.2 LabVIEW的基本特点1、具有良好的图形用户界面。用LabVIEW可以在计算机屏幕上产生出类似于传统仪器的面板，包括按钮、旋钮、开关、图形显示组件、控制组件等等。这些组件 都具有高仿真度。2、 比起其他的语言来说编程简单、由于米用图形化的语言G语言，用图形化 的方式编写程序。3、 具有良好的模块化和层次结构的特点。用LabVIEW编写的VI既可以作为顶 层程序使用，还可以作为其他大型程序的子程序进行调用。4、LabVIEW软件提供功能强大程序调试工具。程序调试工具可以在源代码中设 置断点，可以单步执行，也可以启动。第 3 章振动测试分析系统3.1 振动测试分析系统的组成一般

22、来说，振动测试与分析系统由两大部分组成。一部分为传感器测量系统， 它包括各种振动传感器、压力传感器以及其有关测量部分，其左右是拾取表征机器 状态的各种信号或参数，并使之变成标准的电压或电流信号；另一部分即为测量数 据采集、显示、处理及分析系统，其作用是获得信号并进行具体振动值显示，同时 进行进一步的各种分析、处理。的大小和变化规律的力，作用于激振对象，构成它的给定输入。激振对象在此激振 力的作用下产生相应的振动输出响应。振动测试系统则对激振对象的输出响应进行 测量。一个振动系统，从外界输入一定形式的激励就呈现一定形式的输出，输入通常称 为激励，输出称为响应；输出特性不仅取决于输入特性，还取决于

23、振动系统的振动 特性。输入、输出和系统的振动特性这三者之间的关系如图3-2所示。激振 响应3.2 信号测试与分析对于绝大多数数据采集和控制系统来说，传感器在连接到数据设备之前的信号必 须被转换为设备所能够识别的信号，所以信号调理非常重要。典型的系统一般都需 要信号调理硬件，用于将原始信号以及传感器输出接到数据采集卡上通过信号调理 的功能，如信号的放大、隔离、滤波、线性化处理等，提高了数据系统的可靠性等 性能。信号分析是振动测试中的一种重要方法，也是近年来测试技术的发展方向。数 字信号的测试与模拟信号的测试一样，也是由传感器来完成得。然后将模拟信号进 行转化成数字信号，在利用数字信号处理技术进行

24、分析与处理。信号处理的基本步 骤如图3-3所示。系统振动特性图 3-2 振动系统原理图3.3 振动测试系统总体设计本次设计是基于LabVIEW和单片机的测试系统设计，其主要工作就是在机械振 动过程中通过加速度传感器把机械振动数据实时的记录下来，然后把记录下来的振 动数据送入TLC2543数据采集系统进行特殊转换处理，将带有干扰的模拟信号经过 滤波等干扰消除过程转换成单片机易于接收的数字信号，之后传送给AT89C52单片机再经过进一步的特殊处理，将接收到的数字信号通过MAX232电平转换使单片机与PC机的串行口电平匹配，把处理后的振动数据送入PC机。PC机接收单片机传送来的振动数据通过LabVI

25、EW应用软件以波形的方式显示出来以便分析振动变化情 况。系统整体框图如图3-4所示第 4 章硬件设计4.1 系统总体设计方案具体的采集系统的总体构成如图4-1所示LabVIEW软件对信号进行读取、转换和显示等。4.2 压电加速度传感器传感器是能够感受物体运动并将物体的运动转换成模拟电信号的一种敏感的换 能元件。传感器的种类很多，且有不同的分类方法，按参考坐标的不同可分为绝对 式与相对式传感器；按工作方式的不同可分为接触式和非接触式传感器；按工作原 理的不同可分为惯性式和参数式传感器；按测量参数的不同又可分为位移、速度和 加速度传感器等。本次设计采用的是机械振动测量中常用的压电式加速度传感器。加

26、速度传感器主要是用于测量振动物体的振动加速度。压电式加速度传感器， 由于体积小，重量轻，灵敏度高和频率范围宽等优点，在实际测量中应用最为普4.3 电荷放大器压电式加速度传感器输出的是电荷信号，而且比较微弱，不能直接被数据采集卡采 集，所以需要用信号放大器来把较弱的电荷信号转化成较强的能被数据采集卡采集 的电压信号。根据所用的压电式加速度传感器压电材料连接方法的不同，与之配套 的前置放大器分为电压放大器或电荷放大器。并联压电材料的压电传感器，适于选 用电荷放大器，其电路特点是放大器输出电压只与传感器产生的电荷输入量及放大 器反电容有关，而与构成电路的电缆所形成的分布电容和信号频率无关，这一特性A

27、/D 转换电路压电加速度传感器在进行数据采集过程中I,我们采集的一般为时域信号，而计算机是对数字信 进行处理的，所以需要将信号经过各种调理器和转换器来转变成数字信号。具体转 换过程从图4-1中能看出；压电加速度传感器输出的为电荷信号，因为信号非| 小，所以需要计过信号调理 理电路（本次设计选择转换荷放放大计算机、器）放大且滤机转成可以测量的电压信号，并将一部分干扰信号滤波过滤，再经由A/D转换器，将模拟信号转换成计算机可以处理的数字信号。再由单片机及通讯电路送至上位机通过使电荷放大器对传输线路的分布电容不敏感，传输距离可达数百M，因此受到普遍使用。对采用串联压电材料的压电传感器，则需要使用电压

28、放大器，当改变连接传 感器与电压放大器的电缆长度时，由于分布电容发生变化会引起测量误差，需通过 重新校正放大器灵敏度加以消除，给测试带来不便。电荷放大器是一种输出电压与输入电荷量成正比的放大器，它的核心是一个具有电容负反馈、且输入阻抗极高的高增益运算放大器。4.4 A/D 转换器 TLC2543 性能介绍TLC2543是德州仪器公司生产的12位开关电容型逐次逼近模数转换器，它具有三个 控制输入端，采用简单的3线SPI串行接口可方便地与微机进行连接，是12位数据采集系统的最佳选择器件之一。TLC2543与外围电路的连线简单，三个控制输入端为CS(片选)、输入/输出时钟(I/O CLOCK)以及串

29、行数据输入端(DATA INPUT)。片内的14通道多路器可以选择11个输入中的任何一个或3个内部自测试电压中的一个，采样-保持:是自动的，转换结束，EOC输出变高。TLC2543的主要特性如下：11个模拟输入通道66ksps的采样速率最大转换时间为10ysSPI串行接口|线性度误差最大为LSB低供电电流(1mA典型值):掉电模式电流为4AoTLC2543的引脚排列如图4-2所示U11AINOSDOA3N1SDIA1N2CSA1N3CLKXTAL1PO.O/ADOPO.1/AO1PO.2/AD2XTAL2Pa.3/AD0P0.4/AMPO.5/AD6PO.6/AD0RSTPO.7/AD7P2.

30、0/阳P2.1/P2.2W10PSEhlP2.3ZA11ALEP2.4/A12EAP2.5ZA13P2.6M14P2.7ZA15P1.0/T2P3.0/BX0P1.1/T2EXP3.1/TXDPl.2P3.2/INIU.3F3 3/IHT1P1.4P3.4/TOP1.5P3.5ZT1P1.6P3.8/WRP1.7一338373635曲曲333221J222324_Z2027281211121314151BJ72&31斗68ATSSCffi串行口是具有一个全双工的可编程串行通信口；具有一个数据指针DPTR;低功耗工作模式有空闲模式和掉电模式；具有可编程的3级程序锁定位；AT89C52工作

31、电源电压为5（1+0.2）V，且典型值为5V；AT89C52最高工作频率为24MHz。主要管脚有：XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz晶振。RST/Vpd（9脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。VCC（40脚）和VSS（20脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。P0P3为可 编程通用I/O脚，其功能用途由软件定义，在本设计中，P0端口（3239脚）被定义为N1功能控制端口，分别与N1的相应功能管脚相连接，13脚定义为IR输入 端，10脚和11脚定义为I2C总线控制端口，分别连接N1的SDAS（18脚）和SCLS（19脚）端口，12脚、2

32、7脚及28脚定义为握手信号功能端口，连接主板CPU的相应功能端，用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。P0口P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用 时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“1时，可作为 高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时， 要求外接上拉电阻。P1口P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输 出电流）4个TT

33、L逻辑门电路。对端口写“1,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电 平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部 信号拉低时会输出一个电流（IIL）。与AT89C51不同之处是，P1.0和P1.1还可分别作为定时/计数器2的外部计数 输入 （P1.0/T2）和输入（P1.1/T2EX）。Flash编程和程序校验期间，P1接收低8位地址P2口P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输 出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口P2写“1,通过内部的上拉电阻把端口拉到 高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被 外部

34、信号拉低时会输出一个电流（IIL）。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVX RI指令）时，P2口输出P2锁存器的内容。Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和一些控制信号。P3口P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3口输出缓冲级可驱动（吸收或 输出电流）4个TTL逻辑门电路。对P3口写入“1时，它们被内部上拉电阻拉高并 可作为输入端口。此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能P3口还

35、接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。RST复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复 位。ALE/PROG当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信 号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。 要注意的是： 每当访问外部数据存储 器时将跳过一个ALE脉冲。 对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位 置位，可禁止ALE操作。该位置位后，只有一条MO

36、VX和MOVC指令才能将ALE激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁 止位无效。PSEN程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSE N信号EA/VPP外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为OOOOHFFFFH）,EA端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器中 的指令。Flash存储器编

37、程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须 是该器件是使用12V编程电压Vpp。XTAL1振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。XTAL2振荡器反相放大器的输出端。4.5.2 A/D转换电路本部分是整个系统的核心部分，如图4-4采用单片机AT89C52与A/D转换芯片TLC2543相接。单片机是整个电路的核心，其外围电路包括复位电路、时钟电路。 复位电路采用上电自动复位电路，高电平有效。时钟电路使用外部独立时钟振荡器 所产生的时钟信号，本设计采用11.0592MHz晶振。TLC2543对输入的模拟信号进 行采集，转换结果由单片机接收。图 4-4 A/D 转换电路4.6 基于

38、 AT89C52 单片机的串口硬件采集接口电路设计4.6.1串口简述串行接口简称串口，也是串行通信接口（通常指COM接口），是采用串行通信方式的扩展接口。串行接口是指数据一位一位地顺序传送，其特点是通信线路简单，只要一对传 输线就可以实现双向通信，从而大大降低了成本，特别适用于远距离通信。一条信 息的各位数据被逐位按顺序传送的通讯方式称为串口通讯。串口通讯的特点是：数 据位的传送，按位顺序进行，最少只需要一根传输线即可完成；成本低但传送速度 慢。串口通讯的距离可以从几M到几千M;根据信息的传送方向，串口通讯可以进 一步分为单工、半双工和全双工三种。串口通信最重要的参数是波特率、数据位、停止位和

39、奇偶校验。对于两个进行 通信的端口，这些参数必须匹配：（1）波特率：这是一个衡量通信速度的参数。它表示每秒钟传送的bit的个数。例如200波特表示每秒钟发送200个bit。每当我们提到时钟周期时，我们指的就是波 特率。例如，如果协议需要4800波特率，那么时钟就是4800Hz。这意味着串口通 信在数据线上的采样率为4800Hz。（2）数据位：这是衡量通信中实际数据位的参数。当计算机发送一个信息包，实际 的数据不会是8位的，标准的值是5、7和8位。如何设置取决于你想传送的信息。 比如，标准的ASCII码是0127（7位）。扩展的ASCII码是0255（8位）。如 果数据使用简单的文本（标准ASC

40、II码），那么每个数据包使用7位数据。每个包 是指一个字节，包括开始/停止位，数据位和奇偶校验位。由于实际数据位取决于通 信协议的选取，术语 包”指任何通信的情况。（3）停止位：用于表示单个包的最后一位。典型的值为1,1.5和2位。由于数据是在传输线上定时的，并且每一个设备有其自己的时钟，很可能在通信中两台设备间 出现了小小的不同步。因此停止位不仅仅是表示传输的结束，并且提供计算机校正时钟同步的机会。适用于停止位的位数越多，不同时钟同步的容忍程度越大，但是 数据传输率同时也越慢。（4）奇偶校验位：在串口通信中一种简单的检错方式。有四种检错方式：偶、奇、 高和低。当然没有校验位也是可以的。对于偶

41、和奇校验的情况，串口会设置校验位（数据位后面的一位） ， 用一个值确保传输的数据有偶个或者奇个逻辑高位。 例 如， 如果数据是011,那么对于偶校验，校验位为0,保证逻辑高的位数是偶数个。 如果是奇校验，校验位为1，这样就有3个逻辑高位。高位和低位不真正的检查数 据，简单置位逻辑高或者逻辑低校验。这样使得接收设备能够知道一个位的状态， 有机会判断是否有噪声干扰了通信或者是否传输和接收数据是否不同步。RS-232（ANSI/EIA-232标准）是IBM-PC及其兼容机上的串行连接标准。可用 于许多用途，比如连接鼠标、打印机或者Modem，同时也可以接工业仪器仪表。用于驱动和连线的改进，实际应用中

42、RS-232的传输长度或者速度常常超过标准的值。RS-232只限于PC串口和设备间点对点的通信。RS-232串口通信最远距离是50英5196尺。图 4-5 DB-9 针连接头RS-232针脚的功能：数据：TXD（pin 3）：串口数据输出（Transmit Data）RXD（pin 2）:串口数据输入（Receive Data）握手：RTS（pin 7）:发送数据请求（Request to Send）CTS（pin 8）:清除发送（Clear to Send）DSR（pin 6）：数据发送就绪（Data Send Ready）DCD（pin 1）:数据载波检测（Data Carrier Det

43、ect）DTR（pin 4）：数据终端就绪（Data Terminal Ready）地线：GND（pin 5）:地线其他RI（pin 9）:铃声指示462串口硬件采集接口电路设计该硬件接口电路由振动传感器、AT89C52单片机、晶振电路、复位电路、A/D转换电路、串行接口电路组成。如图4-6所示。图 4-6 硬件采集接口电路该数据采集硬件电路设计以单片机AT89C52为控制核心，通过RS-232与PC机 通讯，实现整个数据采集系统的数据采集控制以及数据处理和存储。单片机通过指 令来控制启动TLC2543，配置TLC2543的控制字，按位读取数据，完成数据转换， 并将读来的数据通过自身的全双工串

44、口发送出去。由RS-232串口送给计算机处理。上位机用PC机，软件采用LabVIEW，通过它读串口的数据并分析、显示。由于单 片机输出的TTL电平与串口发送的电平不一致。因此，需要一个电平转换器，这里 选用MAX232，完成TTL电平到RS232电平的转换。通过串口下位机与计算机建立 了通信。4.7 单片机数据采集软件程序设计系统软件由主程序和部分子程序构成，有A/D转换子程序、串口通讯程序组成。程序流程框图如图4-7所示ilFDWMCFD.UPUI1MNAKZPDJAOPSPDSA.WPD.SA.*PD.T.#TF2a*xs任侶P2JF.H.C ?2JFAl1P2.AGEFZADP3W1*F

45、MHA塔P3.1伽町MH门鼻伽AimAINZAHOAlMb.AJN$.AJN6AJNT/iJHBMN 92if J:计3亍 g-2dRF-msnciIfrr.npii061ufiIXr：、 .FpXTAUKT佃1STC2Z3u壬UR卫PUf 1EF1ZMF12M2T?Fin31 F3Up P7a, r*jFT1zr pz.i：k帀djIB 2口1Hr isF1 P1 7amF3jGfl71TFiiiTtTF P2.eI? Pj.7I+CUKtg.ZLZe卜CkUTN UTWlfT H.IIITBJUTRSHiKQp wQ EP.P.OR 图 4-7 皐序流本次设计是硬件电路和软件编程结合的设计

46、方案，选择合适的编程语言是重要的环节。在单片机的应用系统程序设计时厂常用的是汇编和C语言。汇编语言的特点是占用内存单元少 序可读行和可移植性比较差。而C语言虽然执行效率没有汇编语言高，但语言简 洁，使用方便，灵活，运算丰富，表达化类型多样化，数据结构类型丰富，具有结 构化的控制语句，程序设计自由度大，有很好的可用性和可移植性等特点。由于单片机的发展已达到很多高的水平，内部的各种资源相当的丰富，CPU的 处理速度非常快。用C语言控制单片机是最理想的选择。所以本次设计采用C语言 编写软件程序。系统开机后，首先执行主程序，完成系统初始化工作，然后调用A/D转换子程序，调用中断子程序，将单片机的数据传

47、输到PC机上，然后循环执行。开始第 5 章 LabVIEW 软件设计5.1 LabVIEW 软件总体设计方案本次设计的主要任务是在LabVIEW平台上设计一套振动信号采集分析虚拟仪器系统。其主要功能有：数据采集、数据读取和存储、信号分析和处理。由于LabVIEW是基于模块化程序设计思想，因此在设计过程中也是基本遵循这一基本思想，在总 体的方案确定后，根据所需的不同功能分别组建各种功能模块，最后在进行调试。根据振动测试的需要，本文把整个系统分为以下模块：数据采集、信号预处理、时 域分析、频域分析等模块。总体方案如图5-1所示。5-振软件试系统本方案5.1.1系统主界面设计5-2所示。STS包括串

48、口通-zC以吋皆炉处理模块数据O皿时域分析模块侧为数据采信号分析区频域分析模块|OJCWQJO6均方很也FJ5S均必|OJOO|ow系统的主界面如图信设置、数字滤波器域，主要包括信号jLDrtpjiSl2014-5-418:13分析采集模块置、窗 函数选吉纭3ED&005T0图 5-2 系统主界面设计5.2 LabVIEW 程序设计在设计中，LabVIEW作为上位机数据处理系统，完成对单片机采集的数据信号进 行一系列的变换处理。首先，LabVIEW创建串口对象并初始化，然后向单片机命令 并接收处理单片机发回的相应数据。程序流程框图如图5-3所示。图 5-3 程序程序开始5.3 数据采集

49、模块设计卜测试分析系统的数据来源；是虚拟仪器的基本组成部分。数创建串口对象并初始化机控制A/D芯片来完成对传感器数据的读取，然后数据通过串口传到PC机。P以对串行端口、波特率、数据位、校验位和停止位进行设置，根据本系统上位机和下位机的通讯协议，波特率设为9600,数据位设为8，校验位设为none,停止位设为1。5.4 信号预处理模块设计经数据采集卡采集的原始信号常常包含着不利于分析的成分，其中之一是在取得 数据时混入各种噪声，这些高频干扰成分可能对最终的分析结果产生很大的影响。因此，在信号处理分析之前需要进行预处理，以提高数据的可靠性和真实性。信号 预处理设计主要采用预滤波或抗混叠滤波技术。根

50、据需要选择信号的最高频率，而 对高于此频率以上的部分用低通滤波器滤掉，从而降低了信号中的最高频率。本设计采用了巴特沃斯低通滤波器。这种滤波器的特点是通频带内的频率 响应曲线最大限度平坦，数据采集提供了整个据采集部分主要以单丿C机利用LabVIEW软件对收到的数据进行转换处理、分析、显 示等。LabVIEW数据采集程序如图5写所示发送命令）_图 5-4 数据采集程序关闭串口在采集开始之前需要先对VISA模块串口进行初始化设置，串口初始化设置可没有起伏。振幅对角频率单调下降，并且是唯一的无论阶 数，振幅对角频率曲线都保持同样的形状的滤波器。5.5 时域分析模块设计所谓信号的时域分析就是求取信号在时

51、域中的特征参数包括峰值、峰-峰值、均值、方差、均方值、有效值等)及信号波形在不同时刻的相似性和关联性(如自相关 函数、互相关函数)。5.5.1信号的时域统计分析对信号进行时域统计分析，可以求得信号的均值、方差、均方根值等参数。1、峰值峰值指波形上与零线的最大偏离量，其表达式为Xp=X(t)max(5-1)在振动测试分析系统中，采用时域振动信号的数字序列峰值作为其峰值的估计。几=maxx(n)(5-2)意义:考核机器强度时，尤其是低频段，结构的破坏直接与峰值有关。2、均值均值Ex(t)表示集合平均值或数学期望值，用Ux表示。基于随机过程的各态历经性，可用时间间隔T内的幅值平均值表示，其表达式为1

52、T以二Hm0 x(t)dt(5-3)TTT0在振动测试分析系统中，采用时域振动信号的数字序列均值作为其均值的估计1N J?x=書、x(n)(5-4)Nn=0意义:均值描述了振动信号的静态分量。3、方差信号X(t)的方差表示信号偏离均值平方的均值，其表达式为21T2二广limTx(t)一心dt(5-5)在振动测试分析系统中，采用时域振动信号的数字序列方差作为其方差的估计1N A2? =vx(n) -U?x(5-6)Nn意义:方差描述随机信号在其均值附近的分布情况，反映信号的波动分量。4、均方根值均方根值也称为信号的有效值，是信号平均能量的一种表示，如振动测量中位 移信号的有效值代表了振动系统的势

53、能含量，速度的有效值体现了振动系统的动能 含量，而加速度的有效值则是振动系统功率的反映，其表达式为1T2limT 0 x (t)dt(5-7)T_.在振动测试分析系统中，采用时域振动信号的数字序列均方根值作为其有效值的 估计意义:均方根值用来表达振动的实际强度。本文设计的虚拟振动测试分析系统通过软件实现了时域统计信息的计算。其中，峰值X，描述了信号的最大值，对应振动的最大幅值。均值Ux描述了信号的静态量，对应振动信号的直流成分。方差 匚2描述了信号的波动量，对应电信号中交流成 分的功率。均方根值X描述了信号平均功率平方根的大小，对应电信号中的有效值5.5.2时域程序框图时域统计分析就是对信号统

54、计特征的计算，包括峰值、均值、方差、均方根值x2(n)(5-8)等，如图5-5所示图 5-5 时域统计分析开始平均的值为TRUE，VI将重新启动所选平均过程图 5-7 FFT 频谱选板重新开始平均新启动所选平重新开贻平均重新开贻平均) ) 时时间信号间信号 窗窗 査看査看 错错误输入误输入( (无错误无错误) ) 平平均参数均参数 1曲九2FfT已完成平均已完成平均数数(幅度-相位)函数指定VI是否重均过程。如重新5.6 频域分析模块设计在动态测试技术中，光有振动信号的时域特征往往很难对信号的特征做出有效判 断，所以就需要将信号从时间域变换到频率域上来加以分析，从频率的角度反映和 揭示信号的变

55、化规律，即对信号进行频谱分析。通过对振动信号进行频谱分析，可 以获得更多的有用信息，如求得动态信号的各个频率成分和频率分布范围，求出各 个频率成分的幅值分布和能量分布，从而得到主要幅度和能量分布的频率值。频谱 分析方法有FFT分析、功率谱分析。设计原理框图如图5-6所示。其中，a(k)、b(k)分别表示FFT谱中复数的实部和虚部。在求出信号的幅值谱和相位 谱后，根据基波频率的测量可以找出基波信号对应的谱线号，然后找出该谱线号对 应的幅值和相位即为信号基波的幅值和相位。2、LabVIEW中的FFT频谱(幅度-相位)函数在LabVIEW程序框图中，执行 函数一信号处理一波形测量一FFT频谱(幅度-

56、相 位)”选板，如图5-7所示。5.6.1幅值谱和相位谱分析1、幅值谱和相位谱分析的原理在虚拟频谱分析仪中，不仅更重要的是还要测量信号各次谐波的幅值和相位。而计算信号基波和谐波的幅值和要测量信号基波的频率还需要测量基波的幅值和相位,相位首先应计算信号的幅值谱和相位谱。在测量信号的幅值和相位时，主要利用快速傅里叶变换，得出j信号的FFT谱,然后根据FFT谱计算出幅值谱和相位谱。幅值谱的计算公式为示：A(k) =+b(k)2(5-9)a位谱显示 -相位谱的计算公式为：?(k)二arctgb(k)(5-10)a(k)功率谱显示图 5-6 频域域析原理框图完成平均完成平均幅度幅度过功率谱分析即可得到对

57、应的功率谱。如图5-9所示时间信号是输入的时域波形。窗是用于时间信号的时域窗。LabVIEW8.5中的窗函数重要有以下几种:表 5-1 LabVIEW8.5 中的窗函数0矩形2三角4Hammi ng1Hanning3咼斯5Blackma n562功率谱分析1功率谱分析的原理功率谱表示随机信号频域的统计特性，有明显的物理意义。功率谱密度函数的计算 方法有两种：一是根据平稳随机信号的自相关函数和功率谱是一对傅里叶变换对的 关系，通过相关函数做傅里叶变换求得，称为间接法；二是对原始数据直接进行快 速傅里叶变换，求得DFT谱后再求功率谱密度，称为直接法。先介绍直接法计算功率谱密度，功率谱密度函数为：2

58、P（f）x（f）（5-11）N式中P（f）输出序列功率谱；X（f）输入序列的傅里叶变换；N信号序列的 点数。2、LabVIEW中的FFT功率谱函数在LabVIEW程序框图中，执行 函数一信号处理一波形测量一FFT功率谱”选板，如 图5-8所示。过功率谱分析即可得到对应的功率谱。如图5-9所示和相频谱；将采集到得数据先加Hanning窗在FFT变换即可得到加窗后的幅频谱；将采集到得数据经图 5-8 FFT 功率5.6.3频域分将采集到的波重新开始平均重新开始平均（F）.时间信号时间信号显示为曲显示为曲错误输入（无错错误输入（无错平均参数平均参数一一iChah.-芫成平均芫成平均功率诸功率诸己完成

59、平均己完成平均数数 : :珂昔俣输珂昔俣输出出谱函数选板析程序框图形经过FFT变换即可得到幅频谱第 6 章系统仿真调试6.1 仿真系统运行原理因为加速传感器在检测振动信号时输出来的信号是电压信号，而本次设计在仿 真时使用的是Proteus ISIS软件，所以在仿真时振动信号由30Hz的正弦波代替，单 片机采集到电压信号后，将数据发送至串口。运行虚拟串口软件VPSD，在软件中创造一对串口如COM1和COM2。其中，COM1指定给单片机串口，COM2指定给上位机。打开上位机软件，选择COM2，运行软件，采集到信号，在LABVIEW软件中 分析显示和存储。6.2 时域分析模块测试时域分析功能主要对采

60、集到的信号进行基本直流-均方根的计算和波形显示，以及特征值如最大值、最小值、峰峰值、平均值和均方根的计算和显示等。图 6-1 时域统计分析结果显示6.3 频域分析模块测试6.3.1幅度与相位谱显示在FFT幅频图中，频率在30Hz时线谱最高，其振动幅值越大，由此可得系统 的主要的主要振动频率为30Hz。6.3.2功率谱显示图 6-2 频谱分析显示FFT-您率谱您率谱颇率曲址颇率曲址图中在频率30Hz是出现了峰值线谱，由此可得振动频率为30Hz，这与FFT分析基本一致。总结本文对振动的测试和分析技术做了分析和探讨，又分析了虚拟仪器在振动测试 领域的应用。在此基础上，完成了一套振动测试的虚拟分析系统。论文主要具有以