基于labview的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)的設(shè)計(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 要求逐漸增加轉(zhuǎn)子速度，可從示波器上觀察到不超出轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺操作范圍的振動。 圖 212 振動試驗(yàn)系統(tǒng)接線示意圖 該調(diào)速器－調(diào)理器具有線路簡單、可靠、調(diào)節(jié)范圍寬、功率大、信號調(diào)理電路穩(wěn)定等特點(diǎn)，完全滿足模擬試驗(yàn)臺各種試驗(yàn)及信號輸出后續(xù)采集處理信號的需要。 11 第三 章 基于 LabVIEW 的 數(shù)據(jù)采集 和存儲 系統(tǒng) 數(shù)據(jù)采集 理論概述 數(shù)據(jù)采集是工程應(yīng)用的基礎(chǔ)，也是 LabVIEW 的核心技術(shù)之一。要把數(shù)據(jù)采集到計算機(jī)里并進(jìn)行相應(yīng)的處理，需要構(gòu)建一個完整的數(shù)據(jù)采集（ Data Acquisition， DAQ）系統(tǒng)。它包括傳感器（或變換器）、信號調(diào)理設(shè) 備、數(shù)據(jù)采集卡（或數(shù)據(jù)采集裝置）、驅(qū)動程序、硬件配置管理軟件、應(yīng)用軟件和和計算機(jī)等。 圖 31 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成 傳感器把被測量的物理量轉(zhuǎn)換為電量；信號調(diào)理器對傳感器轉(zhuǎn)換的電信號進(jìn)行放大、濾波、隔離等預(yù)處理； DAQ 設(shè)備主要是將模擬信號經(jīng)過脈沖序列的采樣后轉(zhuǎn)換成離散信號，然后再經(jīng)過量化，就將原來的模擬信號轉(zhuǎn)換成了數(shù)字信號，以便后面用計算機(jī)對信號進(jìn)行處理。 由于被測信號可以分為接地和浮動兩種類型，因而測量系統(tǒng)可以分為差分（ Differential）、參考地單端（ RSE）、無參考地單端（ NRSE） 3 種類 型。 差分（ Differential）接方式：信號的正負(fù)極分別接入兩個通道，所有輸入信號各自有自己的參考點(diǎn)，如圖 所示。差分連接方式只讀取信號兩極間的差模電壓，不測量共模電壓，這是較理想的連接方式，可以抑止環(huán)境噪聲。當(dāng)輸入信號有下列情況時，使用差分 DIFF 連接方式：低電平信號 (如小于 1V)；信號電纜比較長或沒有屏蔽，環(huán)境噪聲較大；任何一個輸入信號要求有一個單獨(dú)的參考點(diǎn)。 圖 32 差分連接方式 單端連接方式：所有信號都參考一個公共參考點(diǎn)，即儀 器放大器的負(fù)極，單端連接12 方式較差分連接方式多出一倍的檢測通道。當(dāng)輸入信號復(fù)合下列條件時，使用單端連接方式：高電平信號 (如大于 1V)；信號電纜比較短 (通常小于 5m)或有屏蔽，環(huán)境無噪聲；所有信號可以共享一個公共參考點(diǎn)。單端連接方式又分為參考單端（ RSE）和非參考單端（ NRSE）。 參考單端（ RSE）用于測試浮動信號，把信號參考點(diǎn)與儀器模擬輸入地連接起來，如圖 （ a） 所示。非參考單端（ NRSE）用于測試接地信號，所有輸入信號均已經(jīng)接地了，所以信號參考點(diǎn)不需要再接地，如圖 （ b） 所示。 （ a）參考單端 RSE （ b）非參考單端 NRSE 圖 33 單端連接方式 在虛擬儀器采集系統(tǒng)的設(shè)計中，經(jīng)常還需要需要同時對多路信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，這就需要使用多通道數(shù)據(jù)采集卡來實(shí)現(xiàn)。多通道數(shù)據(jù)采集卡有兩種工作方式： (1)共用 A/D 轉(zhuǎn)換器的模擬多路轉(zhuǎn)換 (AMUX)，如圖 (a)所示； (2)各通道獨(dú)立 A/D 轉(zhuǎn)換器的數(shù)字多路轉(zhuǎn)換 (DMUX)，如圖 (b)所示。這兩種方式各有其優(yōu)缺點(diǎn)：模擬多通道轉(zhuǎn)換共用 A/D 的優(yōu)點(diǎn)是通道成本低、結(jié)構(gòu)簡單，但各通道間轉(zhuǎn)換有時間差，因而采樣頻率要低一些；各通道獨(dú)立 A/D 轉(zhuǎn)換、數(shù)字多路轉(zhuǎn)換采樣頻率高，且各通道可以同時采集和轉(zhuǎn)換，沒有時間差，但其成本比較高。 (a)模擬多路轉(zhuǎn)換共用 A/D (b)單獨(dú) A/D、數(shù)字多路轉(zhuǎn)換 圖 34 兩種多通道數(shù)據(jù)采集形式 數(shù)據(jù)采集設(shè)備一般會涉及到一下概念及參數(shù)： 1. 采樣周期：采樣脈沖相鄰 兩個脈沖的時間差，一般用 Ts 表示。 2. 采樣率：采樣率就是采樣周期的倒數(shù)，即 Fs=1/Ts，也就是 A/D 轉(zhuǎn)換的速率，一般根據(jù)信號類型進(jìn)行適當(dāng)選取。在實(shí)際的測試系統(tǒng)中，如果有多個信號通過獨(dú)立的通道進(jìn)入數(shù)據(jù)采集卡，而一般的數(shù)據(jù)采集卡是多個通道共用一個 A/D 轉(zhuǎn)換器，在這種情況下，采集卡的采樣率就被所用的各個通道進(jìn)行平分；如果數(shù)據(jù)采集卡給出的采樣率指標(biāo)是單通道的，則各個通道就是同步采樣，各自使用獨(dú)立的 A/D轉(zhuǎn)換器。如 NI公司的 PCI6036E采集卡的采樣率為 200kS/s， DAQCard6062E 采集卡的采樣 率為 500kS/s。 ：是數(shù)據(jù)采集設(shè)備的精度指標(biāo)，用 A/D 轉(zhuǎn)換的數(shù)字位數(shù)來表示。數(shù)據(jù)采集13 設(shè)備 A/D 轉(zhuǎn)換的數(shù)值位數(shù)越多，分辨率就高，精度也越高。一個 16 位的采集卡，對于一個振幅為 5V的信號，能區(qū)分 V的小變化。 4. 通道數(shù)：數(shù)據(jù)采集設(shè)備能輸入或輸出信號的路數(shù)。一般為 16通道或 64通道。 PCI6024E采集卡概述及 采集卡組態(tài) 方案 數(shù)據(jù)采集設(shè)備包括插卡式 (PCI 卡或 PCMCIA 卡 )的數(shù)據(jù)采集卡、分布式數(shù)據(jù)采集設(shè)備 (以 NI 公司的 Filed Point 和 Compact Field Point 為代表 )、 VXI 與 PXI 設(shè)備、 GPIB 或串口設(shè)備等。 根據(jù)信號的采集通道數(shù)和采集速率、控制點(diǎn)數(shù)、總線類型等要求， 本課題的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)選用的是 National Instruments的 PCI6024E數(shù)據(jù)采集卡 ，如圖 （ a）所示 。 它的主要性能參數(shù)如下： PCI 總 線； 8 通道 12 位 模擬輸入 ； 采樣率 200 kS/s； 最大電壓范圍 10V10V； 2 通道 12 位 模擬輸出 ； 最大 輸出 電壓范圍 10V10V 頻率范圍 10 kS/s （ a） PCI6024E數(shù)據(jù)采集卡 （ b） BNC2120屏蔽式接線盒 圖 35 數(shù)據(jù)采集設(shè)備 雙向 8 通道數(shù)字 I/O； 單通道電流驅(qū)動能力： 24 mA 最大輸出范圍 05V 14 2 通道計數(shù) /定時器 最大量程： 05V 最大信號源頻率： 20 MHz 在 本課題的 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件組態(tài)過程中，用于 I/O 連接、并與 PCI6024E 相匹配的接線盒為 NI 的 BNC2120 屏蔽式接線盒。 如圖 （ b）所示， 它主要包括 屏蔽外盒 、標(biāo)有信號標(biāo)簽的 BNC 連接器、模擬和數(shù)字輸出輸出 I/O 接口、 函數(shù)發(fā)生器和正交編碼器 、 溫度參考和熱電偶連接器 。 NI BNC2120 除了標(biāo)準(zhǔn)接口外，還 有 2 個可以連接到DAQ 設(shè)備的自定義接口，同時其屏蔽的外盒確保了測量的準(zhǔn)確性。 此外，硬件組態(tài)中還使用 NI 公司 SH6868EP 型號的 68 針屏蔽電纜 。 基于 LabVIEW的 數(shù)據(jù)采集 與儲存 的實(shí)現(xiàn) 在傳統(tǒng)的 LabVIEW中，虛擬儀器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集功能主要是 用 NI的硬件驅(qū)動采集模塊 DAQmx— Data Acquisition 中的一些功能子模塊來 實(shí)現(xiàn)。如圖 36 所示，實(shí)現(xiàn)過程為定義物理通道、設(shè)置采集信號類型、設(shè)置采樣頻率和采樣觸發(fā)時序、開始采集任務(wù)、設(shè)置采樣點(diǎn)數(shù)和讀取處理采 集信號等。其中在物理通道選擇中可以根據(jù)需要選擇采集信號的特征，如電壓、電流等信號 。 在采樣時序中也可以進(jìn)行連續(xù)采樣或脈沖采樣等設(shè)置。而對于單通道和多通道采樣來說，只需要在前面板的通道設(shè)置中輸入單個或多個物理通道的名稱（多通道之間用逗號隔開）。 圖 36 典型 數(shù)據(jù)采集功能的 LabVIEW實(shí)現(xiàn)程序 由圖所示， LabVIEW提供了大量的面向數(shù)據(jù)采集的 DAQ庫函數(shù)、實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集的完全圖形化編程，設(shè)計者無需編寫任何文本形式的代碼，極大地降低了程序開發(fā)的難度，也提高了效率。 從 LabVIEW 7開始，系統(tǒng) 增加 了 Express VI新功能， 及 將一些常見的功能打包，封裝在簡單易用的，交互式的 VI程序中，從而幫助用戶簡化一些常用功能的開發(fā)過程。 在這 40多個功能強(qiáng)大的 Express VI中，就有 DAQ assistant Express VI的數(shù)據(jù)采集配置庫函數(shù)，如圖 37所示。系統(tǒng)通過類似 Windows風(fēng)格的交互式對話框使得一般的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)配置更加適合初學(xué)者和相關(guān)的工程師學(xué)習(xí)使用。 Express VI可以隨時更改相應(yīng)配置，但是看不到程序框圖。雖然系統(tǒng)可以把 Express VI轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的系統(tǒng)圖形代碼，但是在轉(zhuǎn)換后也 就沒有配置對話框，于是相應(yīng)的配置也就不能更改。 15 圖 37 DAQ assistant Express VI 數(shù)據(jù)采集的對象是 ZT1 型轉(zhuǎn)子振動模擬試驗(yàn) 臺 。 對于電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號， ZT1 型轉(zhuǎn)子振動模擬試驗(yàn)臺提供了三種測量方法，分別是磁阻傳感器、光電傳感器和編碼器。通過多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在低轉(zhuǎn)速狀態(tài)下光電傳感器容易丟失脈沖。由于電子每轉(zhuǎn)一圈光電傳感器受到一次電平變化，丟失脈沖導(dǎo)致測量結(jié)果誤差較大。在電機(jī)轉(zhuǎn)速超過 5000rpm時，用磁阻傳感器測量轉(zhuǎn)速時采集卡采集到的高頻率脈沖信號部分發(fā)生畸變，脈沖的高電平建立時 間過短導(dǎo)致 LabVIEW DAQ 采集程序不能準(zhǔn)確檢測。加之磁阻傳感器本身是一個開放的檢測系統(tǒng)，缺乏抗干擾措施，因而 也不使用。相對而言，光電編碼器精度高，工作穩(wěn)定不易受干擾，因此最后 采用光電編碼器。 編碼器采集到的脈沖信號如圖 38 所示。 圖 38 光電編碼器脈沖信號在 Lab VIEW中的 顯示 對電機(jī) X、 Y 方向的振動位移信號的實(shí)時采集 選用的是兩臺屬相垂直放置的電渦流傳感器。電渦流傳感器采集到的振動信號如圖 39 所示。 16 圖 39 電渦流傳感器振動信號在 LabVIEW中的顯示 對采集數(shù)據(jù)或處理結(jié)果進(jìn)行存 儲是必要的。 在 LabVIEW中 可實(shí)現(xiàn)對時域波形、經(jīng)過FFT的數(shù)據(jù)、時頻域分析數(shù)據(jù)、故障診斷結(jié)果等進(jìn)行存儲。一般 可將其存儲為 lvm文件 、Excel文件 或文本文件，這幾種數(shù)據(jù)格式都可以方便數(shù)據(jù)的讀取，以便對其進(jìn)行二次分析，例如進(jìn)行離線信號處理、小波分析等，甚至可以直接讀入到一些有相同 數(shù)據(jù)文件接口的數(shù)值計算 軟件中進(jìn)行二次分析處理。 與數(shù)據(jù)采集一樣， LabVIEW不僅提供了圖形化的庫函數(shù)，在 LabVIEW 多個 Express VI配置庫函數(shù)來便于進(jìn)行 程序 的 開發(fā)。 但在 數(shù)據(jù)采集 領(lǐng)域 中 ， 為方便對大量 數(shù) 據(jù)的采集和分析以及 存儲查詢就可 不避免的涉及到數(shù)據(jù)庫 技術(shù)了。使用數(shù)據(jù)庫技術(shù) 時 用戶可以創(chuàng)建一個數(shù)據(jù)庫來管理復(fù)雜測試任務(wù) 圖 310 在 Excel中打開儲存振動和磁阻電壓信號的 lvm文件 17 、存儲測試數(shù)據(jù)并且能夠總結(jié)測試結(jié)果的自動測試系統(tǒng)。 由于數(shù)據(jù)量有限，因此只要需保存為 lvm 文件能夠在 Excel和 LabVIEW中讀寫和分析。 保存的脈沖電壓信號和振動位移電壓信號的 lvm文件如圖 310所示。由圖可見 lvm文件包含了一般數(shù)據(jù)采集的配置信息，如采集通道、采集方式、分辨率、信號單位、用戶名稱等。采集到的數(shù)據(jù) 可以在 Excel和 LabVIEW中打開和分析，還可以通過 Excel進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，從而可以在其他數(shù)值計算軟件（如 Matlab）中讀取和進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)值分析，極大地拓展了 LabVIEW數(shù)據(jù)采集的使用范圍。 18 第四章 虛擬儀器信號分析與處理 數(shù)據(jù)采集卡采集到的信號都是幅度和時間都取離散值的數(shù)字信號。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代計算機(jī)的高速處理能力為數(shù)字信號處理的廣泛應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。同模擬信號可以在時域和頻域進(jìn)行分析一樣，數(shù)字信號 也可以在離散的時域和頻域進(jìn)行分析和運(yùn)算 。相對于模擬信號的處理，計算機(jī)進(jìn)行數(shù)字信號處理的穩(wěn)定性及可靠性好，受環(huán)境影響小．抗干擾能力強(qiáng)，而且數(shù)據(jù)可以實(shí)時讀取。同時隨著硬件技 術(shù)的發(fā)展，數(shù)字系統(tǒng)的集成化成度高，體積小、功耗低、功能強(qiáng)、價格越來越便宜。 在 LabVIEW中，系統(tǒng)也提供各種時、頻域分析處理的系統(tǒng)函數(shù)。比如時域分析有：自相關(guān)分析、互相關(guān)分析 等 ；頻域中有傅立葉分析 、頻率響應(yīng)函數(shù)分析、加窗 FFT、細(xì)化功率譜、三分之一倍頻程分析等。隨著信號處理理論的發(fā)展，人們開始對信號進(jìn)行時頻域分析，發(fā)展了短時傅立葉變換（ STFT）和小波分析等。這樣在 某些信號的分析或在故障診斷中，可以同時對故障發(fā)生的時間和 和信號的 頻率區(qū)域有一定的觀察判斷 。本課題利用 LabVIEW的 MathScript節(jié)點(diǎn)編寫快速傅立葉變換（ FFT）算法，另外利用LabVIEW的數(shù)字信號處理工具包中的小波分解函數(shù)對采集到的振動信號進(jìn)行小波去噪處理。 傅立葉 變換 （ FFT） 快速 傅立葉 變換 （ FFT）原理 有限 長度為 N 的有限長序列 x(n)的 DFT 為： 10( ) ( ) , 0 , 1 , .. ., 1N knNnX k x n W k N??? ? ?? （ 41） N 點(diǎn) DFT 的復(fù)乘次數(shù)等于 2N 。當(dāng) N 較大