基于labview的数据采集和处理系统的设计

基于labview的数据采集和处理系统的设计内容摘要：

要求逐渐增加转子速度，可从示波器上观察到不超出转子试验台操作范围的振动。 图 212 振动试验系统接线示意图 该调速器－调理器具有线路简单、可靠、调节范围宽、功率大、信号调理电路稳定等特点，完全满足模拟试验台各种试验及信号输出后续采集处理信号的需要。 11 第三 章 基于 LabVIEW 的 数据采集 和存储 系统 数据采集 理论概述 数据采集是工程应用的基础，也是 LabVIEW 的核心技术之一。 要把数据采集到计算机里并进行相应的处理，需要构建一个完整的数据采集（ Data Acquisition， DAQ）系统。 它包括传感器（或变换器）、信号调理设 备、数据采集卡（或数据采集装置）、驱动程序、硬件配置管理软件、应用软件和和计算机等。 图 31 数据采集系统的构成 传感器把被测量的物理量转换为电量；信号调理器对传感器转换的电信号进行放大、滤波、隔离等预处理； DAQ 设备主要是将模拟信号经过脉冲序列的采样后转换成离散信号，然后再经过量化，就将原来的模拟信号转换成了数字信号，以便后面用计算机对信号进行处理。 由于被测信号可以分为接地和浮动两种类型，因而测量系统可以分为差分（ Differential）、参考地单端（ RSE）、无参考地单端（ NRSE） 3 种类 型。 差分（ Differential）接方式：信号的正负极分别接入两个通道，所有输入信号各自有自己的参考点，如图 所示。 差分连接方式只读取信号两极间的差模电压，不测量共模电压，这是较理想的连接方式，可以抑止环境噪声。 当输入信号有下列情况时，使用差分 DIFF 连接方式：低电平信号 (如小于 1V)；信号电缆比较长或没有屏蔽，环境噪声较大；任何一个输入信号要求有一个单独的参考点。 图 32 差分连接方式 单端连接方式：所有信号都参考一个公共参考点，即仪 器放大器的负极，单端连接12 方式较差分连接方式多出一倍的检测通道。 当输入信号复合下列条件时，使用单端连接方式：高电平信号 (如大于 1V)；信号电缆比较短 (通常小于 5m)或有屏蔽，环境无噪声；所有信号可以共享一个公共参考点。 单端连接方式又分为参考单端（ RSE）和非参考单端（ NRSE）。 参考单端（ RSE）用于测试浮动信号，把信号参考点与仪器模拟输入地连接起来，如图 （ a） 所示。 非参考单端（ NRSE）用于测试接地信号，所有输入信号均已经接地了，所以信号参考点不需要再接地，如图 （ b） 所示。 （ a）参考单端 RSE （ b）非参考单端 NRSE 图 33 单端连接方式 在虚拟仪器采集系统的设计中，经常还需要需要同时对多路信号进行数据采集，这就需要使用多通道数据采集卡来实现。 多通道数据采集卡有两种工作方式： (1)共用 A/D 转换器的模拟多路转换 (AMUX)，如图 (a)所示； (2)各通道独立 A/D 转换器的数字多路转换 (DMUX)，如图 (b)所示。 这两种方式各有其优缺点：模拟多通道转换共用 A/D 的优点是通道成本低、结构简单，但各通道间转换有时间差，因而采样频率要低一些；各通道独立 A/D 转换、数字多路转换采样频率高，且各通道可以同时采集和转换，没有时间差，但其成本比较高。 (a)模拟多路转换共用 A/D (b)单独 A/D、数字多路转换 图 34 两种多通道数据采集形式 数据采集设备一般会涉及到一下概念及参数： 1. 采样周期：采样脉冲相邻 两个脉冲的时间差，一般用 Ts 表示。 2. 采样率：采样率就是采样周期的倒数，即 Fs=1/Ts，也就是 A/D 转换的速率，一般根据信号类型进行适当选取。 在实际的测试系统中，如果有多个信号通过独立的通道进入数据采集卡，而一般的数据采集卡是多个通道共用一个 A/D 转换器，在这种情况下，采集卡的采样率就被所用的各个通道进行平分；如果数据采集卡给出的采样率指标是单通道的，则各个通道就是同步采样，各自使用独立的 A/D转换器。 如 NI公司的 PCI6036E采集卡的采样率为 200kS/s， DAQCard6062E 采集卡的采样 率为 500kS/s。 ：是数据采集设备的精度指标，用 A/D 转换的数字位数来表示。 数据采集13 设备 A/D 转换的数值位数越多，分辨率就高，精度也越高。 一个 16 位的采集卡，对于一个振幅为 5V的信号，能区分 V的小变化。 4. 通道数：数据采集设备能输入或输出信号的路数。 一般为 16通道或 64通道。 PCI6024E采集卡概述及 采集卡组态 方案 数据采集设备包括插卡式 (PCI 卡或 PCMCIA 卡 )的数据采集卡、分布式数据采集设备 (以 NI 公司的 Filed Point 和 Compact Field Point 为代表 )、 VXI 与 PXI 设备、 GPIB 或串口设备等。 根据信号的采集通道数和采集速率、控制点数、总线类型等要求， 本课题的数据采集系统选用的是 National Instruments的 PCI6024E数据采集卡 ，如图 （ a）所示。 它的主要性能参数如下： PCI 总 线； 8 通道 12 位 模拟输入 ； 采样率 200 kS/s； 最大电压范围 10V10V； 2 通道 12 位 模拟输出 ； 最大 输出 电压范围 10V10V 频率范围 10 kS/s （ a） PCI6024E数据采集卡 （ b） BNC2120屏蔽式接线盒 图 35 数据采集设备 双向 8 通道数字 I/O； 单通道电流驱动能力： 24 mA 最大输出范围 05V 14 2 通道计数 /定时器 最大量程： 05V 最大信号源频率： 20 MHz 在 本课题的 数据采集系统硬件组态过程中，用于 I/O 连接、并与 PCI6024E 相匹配的接线盒为 NI 的 BNC2120 屏蔽式接线盒。 如图 （ b）所示， 它主要包括 屏蔽外盒 、标有信号标签的 BNC 连接器、模拟和数字输出输出 I/O 接口、 函数发生器和正交编码器 、 温度参考和热电偶连接器。 NI BNC2120 除了标准接口外，还 有 2 个可以连接到DAQ 设备的自定义接口，同时其屏蔽的外盒确保了测量的准确性。 此外，硬件组态中还使用 NI 公司 SH6868EP 型号的 68 针屏蔽电缆。 基于 LabVIEW的 数据采集 与储存 的实现 在传统的 LabVIEW中，虚拟仪器系统的数据采集功能主要是 用 NI的硬件驱动采集模块 DAQmx— Data Acquisition 中的一些功能子模块来 实现。 如图 36 所示，实现过程为定义物理通道、设置采集信号类型、设置采样频率和采样触发时序、开始采集任务、设置采样点数和读取处理采 集信号等。 其中在物理通道选择中可以根据需要选择采集信号的特征，如电压、电流等信号。 在采样时序中也可以进行连续采样或脉冲采样等设置。 而对于单通道和多通道采样来说，只需要在前面板的通道设置中输入单个或多个物理通道的名称（多通道之间用逗号隔开）。 图 36 典型 数据采集功能的 LabVIEW实现程序 由图所示， LabVIEW提供了大量的面向数据采集的 DAQ库函数、实现了数据采集的完全图形化编程，设计者无需编写任何文本形式的代码，极大地降低了程序开发的难度，也提高了效率。 从 LabVIEW 7开始，系统 增加 了 Express VI新功能， 及 将一些常见的功能打包，封装在简单易用的，交互式的 VI程序中，从而帮助用户简化一些常用功能的开发过程。 在这 40多个功能强大的 Express VI中，就有 DAQ assistant Express VI的数据采集配置库函数，如图 37所示。 系统通过类似 Windows风格的交互式对话框使得一般的数据采集系统配置更加适合初学者和相关的工程师学习使用。 Express VI可以随时更改相应配置，但是看不到程序框图。 虽然系统可以把 Express VI转换为相应的系统图形代码，但是在转换后也 就没有配置对话框，于是相应的配置也就不能更改。 15 图 37 DAQ assistant Express VI 数据采集的对象是 ZT1 型转子振动模拟试验 台。 对于电机的转速信号， ZT1 型转子振动模拟试验台提供了三种测量方法，分别是磁阻传感器、光电传感器和编码器。 通过多次试验发现，在低转速状态下光电传感器容易丢失脉冲。 由于电子每转一圈光电传感器受到一次电平变化，丢失脉冲导致测量结果误差较大。 在电机转速超过 5000rpm时，用磁阻传感器测量转速时采集卡采集到的高频率脉冲信号部分发生畸变，脉冲的高电平建立时 间过短导致 LabVIEW DAQ 采集程序不能准确检测。 加之磁阻传感器本身是一个开放的检测系统，缺乏抗干扰措施，因而 也不使用。 相对而言，光电编码器精度高，工作稳定不易受干扰，因此最后 采用光电编码器。 编码器采集到的脉冲信号如图 38 所示。 图 38 光电编码器脉冲信号在 Lab VIEW中的 显示 对电机 X、 Y 方向的振动位移信号的实时采集 选用的是两台属相垂直放置的电涡流传感器。 电涡流传感器采集到的振动信号如图 39 所示。 16 图 39 电涡流传感器振动信号在 LabVIEW中的显示 对采集数据或处理结果进行存 储是必要的。 在 LabVIEW中 可实现对时域波形、经过FFT的数据、时频域分析数据、故障诊断结果等进行存储。 一般 可将其存储为 lvm文件 、Excel文件 或文本文件，这几种数据格式都可以方便数据的读取，以便对其进行二次分析，例如进行离线信号处理、小波分析等，甚至可以直接读入到一些有相同 数据文件接口的数值计算 软件中进行二次分析处理。 与数据采集一样， LabVIEW不仅提供了图形化的库函数，在 LabVIEW 多个 Express VI配置库函数来便于进行 程序 的 开发。 但在 数据采集 领域 中 ， 为方便对大量 数 据的采集和分析以及 存储查询就可 不避免的涉及到数据库 技术了。 使用数据库技术 时 用户可以创建一个数据库来管理复杂测试任务 图 310 在 Excel中打开储存振动和磁阻电压信号的 lvm文件 17 、存储测试数据并且能够总结测试结果的自动测试系统。 由于数据量有限，因此只要需保存为 lvm 文件能够在 Excel和 LabVIEW中读写和分析。 保存的脉冲电压信号和振动位移电压信号的 lvm文件如图 310所示。 由图可见 lvm文件包含了一般数据采集的配置信息，如采集通道、采集方式、分辨率、信号单位、用户名称等。 采集到的数据 可以在 Excel和 LabVIEW中打开和分析，还可以通过 Excel进行格式转换，从而可以在其他数值计算软件（如 Matlab）中读取和进行相应的数值分析，极大地拓展了 LabVIEW数据采集的使用范围。 18 第四章 虚拟仪器信号分析与处理 数据采集卡采集到的信号都是幅度和时间都取离散值的数字信号。 随着计算机技术的发展，现代计算机的高速处理能力为数字信号处理的广泛应用打下坚实的基础。 同模拟信号可以在时域和频域进行分析一样，数字信号 也可以在离散的时域和频域进行分析和运算。 相对于模拟信号的处理，计算机进行数字信号处理的稳定性及可靠性好，受环境影响小．抗干扰能力强，而且数据可以实时读取。 同时随着硬件技 术的发展，数字系统的集成化成度高，体积小、功耗低、功能强、价格越来越便宜。 在 LabVIEW中，系统也提供各种时、频域分析处理的系统函数。 比如时域分析有：自相关分析、互相关分析 等 ；频域中有傅立叶分析 、频率响应函数分析、加窗 FFT、细化功率谱、三分之一倍频程分析等。 随着信号处理理论的发展，人们开始对信号进行时频域分析，发展了短时傅立叶变换（ STFT）和小波分析等。 这样在 某些信号的分析或在故障诊断中，可以同时对故障发生的时间和 和信号的 频率区域有一定的观察判断。 本课题利用 LabVIEW的 MathScript节点编写快速傅立叶变换（ FFT）算法，另外利用LabVIEW的数字信号处理工具包中的小波分解函数对采集到的振动信号进行小波去噪处理。 傅立叶 变换 （ FFT） 快速 傅立叶 变换 （ FFT）原理 有限 长度为 N 的有限长序列 x(n)的 DFT 为： 10( ) ( ) , 0 , 1 , .. ., 1N knNnX k x n W k N   （ 41） N 点 DFT 的复乘次数等于 2N。 当 N 较大。