基于虛擬儀器的風扇故障檢測系統畢業設計說明書(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 秀的硬件模塊與軟 件產品。 比較典型的如 NI 公司的 LabVIEW，它是一種采用圖形化編程的 32 位面向計算機測控領域的軟件開發平臺公司。 LabVIEW 是一種用圖標代碼來代替編程語言創建應用程序的開發工具。在基于文本的編程語言中，程序的執行依賴于文本所描述的指令，而LabVIEW 使用數據流編程方法來描述程序的執行。 LabVIEW 用圖形語言 （ G 語言 ） 、圖標和連線代替文本的形式編寫程序。像 VB、 VC 等高級語言一樣， LabVIEW 也是一種帶有擴展庫函數程序開發系統。 LabVIEW 的庫函數包括數據采集、通用接口總 線和串口儀器控制、數據顯示、分析與存儲等。為了便于程序調試， LabVIEW 還帶有傳統的程序開發調試工具，例如可以設置斷點，可以單步執行，也可以激活程序的 ,執行過程，以動畫方式查看數據在程序中的流動。 LabVIEW 是一個通用編程系統，它不但能夠完成一般的數學運算與邏輯運算和輸入輸出功能，它還帶有專門的用于數據采集和儀器控制的庫函數和開發工具以及專門的數學分析程序包，基本上可以滿足復雜的工程計算和分析要求。在 LabVIEW 環境下開發的程序成為虛擬儀器 VI，因為它的外型與操作方式可以模擬實際的儀器。實際 上，VI 類似于傳統編程語言的函數或子程序。 VI 由前面板、框圖程序和圖標 /連線端口組成 ，類似于儀器的面板包括旋鈕、按鈕、圖形和其它控制元件與顯示元件，以完成用鼠標、鍵盤向程序輸入數據或從計算機顯示器上觀察結果。 。框圖程序用圖形化編程語言編寫，框圖程序是對具體編程問題的圖形解決方案，即 VI 的源代碼。 程序使用圖標連線端口來替代文本編程的函數參數表，每個輸入和輸出的參數都有自己的連接端口，其它的 VI 可以由此向 SubVI（ 即 VI 子程序 ） 傳遞數據。 LabVIEW的強大功能歸因于它的層次化結構，用戶可以把創建的 VI 程序當作 SubVI 來調用以創建更加復雜的 V 工，并且這種調用的遞階次數是無限制的。 LabVIEW 簡化了科學計算、過程監控和測試軟件的開發，已經在航空、航天、通信、汽車、半導體、電子、機械等世界范圍領域的眾多領域得到了廣泛的應用。由于虛擬儀器的巨大優越性，國內外已經在使用虛擬儀器進行測試方面作了一系列有益工作，目前己開發了一些成功的虛擬測試系統。如挪威的 CARDIAC 公司的基于 LabVIEW 平臺的測試北海油田石油、大氣、水流 的 MPFM 系統等。在國內，許多高等院校、研究所等也都開展了虛擬儀器技術的研究，如清華大學應用虛擬儀器技術構建的用于檢測汽 車發動機性能的出廠檢測系統，哈爾濱工業大學的 “儀器王 ”虛擬儀器系統等。 我國傳統儀器技術還比較落后，與國外相比，測量精度和可靠性均較低，且自動化程度較低。當前，各種測試軟件、專用集成電路和固化軟件的廣泛應用，使系統技術和模塊式儀器得以迅速發展，這些都給虛擬儀器的研究和應用創造了良好條件，同時也為我們提供了一個縮小與國際先進水平差距的機會。虛擬儀器在我國的研究和開發有著十分現實的意義 ，廣泛采用虛擬儀器技術有助于提高我國儀器的整體水平，節省儀器開發的人力和費用。隨著軟件業和測試技術的發展，虛擬儀器技術必將在更多、更廣泛的領域中得到應用和普及。 第二章 設計需求分析 系統的功能設計包括硬件設計和軟件設計兩部分 .考慮到市場上銷售的數據采集卡價格昂貴 ， 本系 統僅對音頻信號進行采集處理 .本系統的硬件設計 采用 PC 機自帶的聲卡作為聲音信號采集設備 .由 于聲卡采用 DMA（ 直接內存讀取 ） 方式傳送數據 ， 極大地降低了 CPU 占用率 ， 而且其具有 16 位的 A/D 轉化精度 ， 比通常 12 位 A/D 卡的精度高 ，對于許 多工 程測量和科學實驗來說都是足夠高的 ， 其價格 卻比后者便宜得多 ， 完全符合本系統設計要求 .軟件 設計部分利用 LabVIEW 軟件自帶的聲音處理模塊 配合其它常用功能模塊完成 . 硬件實現 聲卡一般有 Line In 和 Mic In 兩個信號輸入插孔，聲音傳感器 （ 本文采用通用的麥克風 ） 信號可通過這兩個插孔連接到聲卡。若由 Mic In 輸入，由于有前置放大器，容易引入噪聲且會導致信號過負荷，故推薦使用 Line In，其噪聲干擾小且動態特性良好。聲卡測量信號的引入應采用音頻電纜或屏蔽電纜以降低噪聲干擾。若輸入信號電平高于聲卡所規 定的最大輸入電平，則應在聲卡輸入插孔和被測信號之間配置一個衰減器，將被測信號衰減至不大于聲卡最大允許輸入電平。此外，將聲卡的 Line Out 端口接到耳機上 還可以實時的監聽聲音信號。 聲卡的工作流程如圖 所示 。 圖 聲卡的工作流程 目前市售的數據采集卡都包含了完整的數據采集電路和與計算機的接口電路，但其價格與性能基本成正比，一般比較昂貴。隨著 DSP（ 數字信號處理 ） 技術走向成熟， PC聲卡本身就成為一個優秀的數據采集系統，它同時具有 A/D 和 D/A 轉換功能，不僅價 格低廉，而且兼容性好、性能穩定、靈活通 用，軟件特別是驅動程序升級方便。 ISA 總線向 PCI 總線的過渡，解決了以往聲卡與系統交換數據的瓶頸問題，同時也充分發揮了DSP 芯片的性能。而且聲卡用 DMA（ 直接內存讀取 ） 方式傳送數據，極大地降低了 CPU占用率。一般聲卡 16 位的 A/D 轉換精度，比通常 12 位 A/D 卡的精度高，對于許多工程測量和科學實驗來說都是足夠高的，其價格卻比后者便宜得多。 如果利用聲卡作為數據采集設備，可以組成一個低成本高性能的數據采集與分析系統。當然，它只適合采集音頻域的信號，即輸入信號頻率必須處于 20~20xx0Hz 的音頻范圍內。 如果需要處理直流或緩變信號，則需要其他技術的配合。 聲卡工作原理及性能指標 聲音的本質是一種波，表現為振幅、頻率、相位等物理量的連續性變化。聲卡作為聲音 信號與計算機的通用接口，其主要功能就是將所獲取的模擬音頻信號轉換為數字信號，經過 DSP 音效芯片的處理，將該數字信號轉換為模擬信號輸出。聲卡的基本工作流程為：輸入時，麥克風或線路輸入 （ Line In） 獲取的音頻信號通過 A/D 轉換器轉換成數字信號，送到計算機進行播放、錄音等各種處理；輸出時，計算機通過總線將數字化的聲音信號以 PCM（ 脈沖編碼調制 ） 方式送到 D/A 轉換器，變成模擬的音頻信號，進而通過功率放大器或線路輸出 （ Line Out） 送到音箱等設備轉換為聲波，人耳偵測到環境空氣壓力的改變，大腦將其解釋為聲音。 衡量聲卡性能的主要技術指標有復音數量、采樣位數、采樣頻率、波表合成方式和波表庫容量、聲道數、信噪比、總諧波失真和緩沖區等。 a） 復音數量：復音數不是聲卡的 DAC（ DigitaltoAnalog Conversion，數字 /模 擬轉換器）或 ADC（ AnalogtoDigital Conversion，模擬 /數字轉換器）的轉換位數，而 是代表聲卡能同時發出多少種聲音。復音數越大，音色就越好，播放 MIDI（ Musical Instrument Digital Interface，音樂設備數字接口）時可以聽到的聲部越多、越細膩。如果一首 MIDI 樂曲中的復音數超過了聲卡的復音數，則將丟失某些聲部，但一般不會丟失主旋律。目前聲卡的硬件復音數都不超過 64 位。 b） 采樣位數：將聲音從模擬信號轉化為數字信號的二進制位數，即進行 A/D、D/A 轉換的精度。目前有 8 位、 12 位和 16 位三種，將來還有 24 位的 DVD（ Digital VideoDisk，數字視頻光盤）音頻采樣標準。位數越高，采樣精度就越高。例如， 16 位聲卡把音頻信號的大小分為 216— 65536 個量化等級來實施上述轉換。在計算機中一般的聲卡是 16 位的，信噪比可達 96dB。 c） 波表合成方式和波表庫容量：現在的 PCI 聲卡大量采用先進的 DSL（ Downloadable Sample，可下載音色庫）波表合成方式，其波表庫容量通常是 2MB、4MB、 8MB，而像 SB Live 品牌聲卡甚至可以擴展到 32MB。 d） 聲道數：聲道數是衡量聲卡檔次的重要指標之一 ，可以分為單聲道（早期聲卡采用）、準立體聲（錄音時采用單聲道，放音時用立體聲）、立體聲（錄音和放音都是立體聲）、四聲道環繞（中高檔聲卡采用）和 聲道（用于各類傳統影院和家庭影院中）等。 LabVIEW 把聲卡的聲道分為單聲道（ mono）和立體聲（ stereo）兩種。若用單聲道采樣，左右聲道信號都相同，且幅值為原信號的 1/2；用立體聲采樣，左右聲道互不干擾，可以采集兩路不同的信號，而且幅值與原信號相同。一般聲道數為 2，需要時還可選用多路輸入的高檔聲卡或配置多塊聲卡。 e） 信噪比：以 dB（ Decibel，分貝）計算的信號最大保真輸出與不可避免的電子噪音的比率。該值越大越好，低于 75dB，噪音在寂靜時有可能被發現。 f） 總諧波失真：英文全稱為 Total Harmonic Distortion，簡稱 THD，是指用信號源輸入信號時，輸出信號（諧波及其倍頻成分）比輸入信號多出的額外諧波成分，通常用百分數來表示。一般來說， 1000H 頻率處的總諧波失真最小，因此不少產品均以該頻率的失真作為它的指標。所以測試總諧波失真時，是發出 1000Hz 的聲音來檢測，這個值越小越好。 g） 緩沖區：與一般 DAQ 卡不同，聲卡的 D/A 功能是連續狀態的，為了節省資源，聲卡的 D/A 或 A/D 都對某一緩沖區進行操作，待緩沖區數據操作完畢時產生中斷， CPU 響應中斷信號進行處理。一般聲卡的緩沖區是 8KB（ 8192）。用戶可以通過測試 聲 卡 的 性 能指 標 來 評 價聲 卡 的 好 壞， 聲 卡 性能 指 標 的 測試 主 要 有 3D（ ThreeDimensional，三維圖形）定位精度測試、波形回放與錄音測試、多音頻流播放測試、全雙工通訊模式測試、 MIDI 音效測試和 CPU 占用率測試等。 LabVIEW 對聲音采集的設置默認于其所處的操作系統，本文 使用的是最普通的聲卡，對于高級的聲卡采集信號時，要注意關閉如混響之類的一些特效，避免影響測量結果的真實性。 前置放大器 ， 容易引入噪聲且會導致信號過負荷 ， 故本系統使用 ， 噪聲干擾小且動態特性良好的 Line In。 聲卡測量信號的引入采用音頻電纜或屏蔽電纜以降低噪聲干擾 .由于該傳感器沒有前置濾波去噪功能 ， 可能在采集時帶來部分噪聲信號 ， 但對一般的實驗性研究不會帶來太多影響 ， 在后面可以通過軟 件濾波消噪 達到良好的效果 。 信號分析理論 聲卡數據采集理論基礎 數據采集系統中以計算機作為處理機。眾所周知，計算機內部參與運 算的信號是二進制的離散數字信號，而被采集的物理量一般是連續的模擬信號。因此，在數據采集系統中同時存在兩種不同形式的信號：連續模擬信號和離散數字信號。連續的模擬信號轉換為離散的數字信號，經歷兩個斷續過程： 1） 時間斷續 對連續的模擬信號 x（ t） ，按一定的時間間隔 Ts，抽取相應的瞬時值 （ 也就是通常所說的離散化 ） ，這個過程稱為采樣。連續的模擬信號 x（ t） 經過采樣過程后轉為時間上離散的模擬信號 xs（ nTs） （ 即幅值仍是連續的模擬信號 ）， 簡稱為采樣信號。 2） 數值斷續 把采樣信號 xs（ nTs ） 以某個最小數量單位的 整數倍來度量 ， 這個過程稱為量化。采樣信號 xs（ nTs ） 經量化后變換為量化信號 xq（ nTs ） ，再經過編碼，轉換為離散的數字信號 x（ n）（ 即時間和幅值是離散的信號 ） ，簡稱為數字信號。在實際工作中，信號的抽樣是通過 A/D 芯片來實現的。 圖 A/D 轉換原理 通過 A/D，將連續信號 x（ t） 變成數字信號 x（ nTs） ， x（ t） 的傅立葉變換 X（ jΩ）變成 X（ ejw） 。模擬信號經過 （ A/D） 變換轉換為數字信號的過程稱之為采樣，信號采樣后其頻譜產生了周期延拓，每隔一個采樣頻率 fs，重復出現一次。為保證采樣后信 號的頻譜形狀不失真，采樣頻率必須大于信號中最高頻率成份的兩倍。這稱之為采樣定理。如圖 所示。 圖 信號正常采樣和欠采樣 聲卡的可行性分析 數據采集卡的功能是對數據進行采集，把模擬信號轉換成數字信號，便于對數據進行分析。目前市場上出售的數據采集卡一般包含了完整的數據采集電路、與計算機的接口電路和驅動程序，并且功能強大，性能良好。然而，其性能與價格基本成正比，少則幾百、多則上萬元的價格使得系統開發成本大大增加，系統性價比（性能 /價格）大大減小。此外，數據采集卡種類繁多、良莠不齊，普通用戶 在選擇的時候會無所適從。隨著DSP 技術的成熟，現在的 PC 聲卡本身就是一個優秀的數據采集系統。幾乎每臺計算機都有一個內置聲卡。聲卡通常被用來作為音頻輸入、輸出設備，用于記錄、合成和回放語言、音樂和歌曲。然而，聲卡其實可以做得更多，從測控的角度來看，聲卡是一個具有雙通道 A/D 和雙通道 D/A 的信號采集和輸出設備。它在音頻范圍內有很平滑的頻率響應，采樣頻率可達 192KHz，采樣深