基于labview的振动信号采集处理系统设计

基于labview的振动信号采集处理系统设计内容摘要：

件 的重要组成部分。 虚拟仪器技术 最主要的 是软件， 它的 结构 在软件上的体现 如图 所示。 用户可以开发自己的应用软件的各种编程所需要的软件。 现在 美国 NI 公司的软件产品 LabVIEW 和 LabWindows/CVI 是最流行的虚拟平台开发软件。 这些 NI开发平台提供了 很多 的 前面板使用 工具和各种数据 分析 工具， 另外 虚拟仪器硬件厂商 生产 的各种硬件的驱动程序模块， 使虚拟仪器的设计变得简单很多。 随着软件技术的迅速成熟，模块化，可重用的软件，模块化，标准驱动的检测仪的软、硬件，更快速的虚拟仪器软件开发。 虚拟仪器伴随着现代技术的发展，它的硬件设施也开始渐渐的完善和调整。 用户界面是最典型的代表。 用户的个人信息的安全保密工作是相对比较完善的部分。 数据处理的要求也开始变得越来越高。 速度、准确度、精度是数据处理的进一步的要求。 硬件驱动程序是相对比较重要的部分。 它实现了软件与硬件的相互连接。 南京工程学院汽车与轨道交通学院毕业设计（论文） 10 硬 件 驱 动 程 序数 据 处 理用 户 界 面 图 虚拟仪器软件结构 图 虚拟仪器的开发软件 —— Labview LABVIEW 是以程序框图为基本单元并进行绘制的软件 ，通过前面板来显示想要实现的功能。 利用调用不同控件，并将其空间的端点相互连接来实现不同的功能。 而虚拟仪器则是 接收 指令，该指令来自于程序框图。 所以，想用 labview想要实现不同功能，只需调用对应的函数方块并将它们通过规定的连接方式连接，就可以实现对应的功能，不必要局限于语法细节的编写。 前面板、程序框图、图标 /接线端口三个部分 构成了 一个 labview。 前面板是用来模拟真实仪器控制面板； 程序框图是图形语言到前面板控件的使用（分为对照组和表示两个量）控制； 图标 /接线端口用于把 LabVIEW 程序定义成一个子程序，从 而实现模块化编程。 具体界面如图 所示。 图 Labview的驱动界面 目前，基于试验和工业控制软件，上位机 LabVIEW的市场占有率仅次于 C++/C语言。 LabVIEW 具备 一系列 无可比拟 的 长处 ： 第一 ， LabVIEW 作为图形化语言编南京工程学院汽车与轨道交通学院毕业设计（论文） 11 程， 利用流程图的方式来 编程， 使用的工具 图 形 与科学家、工程师们 熟悉 的大部分图标基本 相同 ，这使得编程 程序 和思维 极为类似 ； 同时， LabVIEW 提供虚拟图书馆和仪表板材料库丰富， 库内 的近 600 种设备（扩大）如 GPIB VXI 总线设备的控制，控制，串口控制，和数据分析，显示和 存储。 因此， 越来越多工程师、科学家对 LabVIEW 有了 不少 的依赖。 Labview 软件应用介绍 所有的 LabVIEW 应用程序，即虚拟仪器 (VI)， 它包括前面板（面板），流程图（框图）和图标 /连接器（图标 /连接器）三 个部分。 ：前面板是图形用户界面，也就是 VI 的虚拟仪器面板，这一界面上有用户输入和显示输出两类对象，具体表现有开关、旋钮、图形以及其他控制和显示对象。 但并非画出两个控件后程序就可以运行，在前面板后还有一个与之对应的流程图。 ：流程图提供 VI的图形化源程序。 在流程图 中对 VI 编程， 通过控制并且定义 操纵在前面板上的输入和输出 的 功能。 流程图中包括前面板上的控件连线端子，还有一些前面板上没有，但编程必须有的东西，例如函数、结构和连线等。 /连接设计：这部分的设计突出体现了虚拟仪器模块化程序设计的思想。 在大型全自动检测系统的一步完成一个复杂的系统的设计是非常困难的设计。 而在 LabVIEW 中提供的图标 /连接工具正是为实现模块化设计而准备的。 设计者可把一个复杂自动检测系统分为多个子系统，每一个都可完成一定的功能。 这样设计的优点体现在如下几方面： ① 把一个复杂自动检测系统分 为多个子系统，程序设计思路清晰，给设计者调试程序带来了诸多的方便。 在为未来系统的维护，同时提供了一个方便的。 ② 一个 繁杂 的自动检测系统分为 好几 个子系统，每 一 个子系统是一个 完备的功用 模块， 因此检测 功能的详细，易于 完成 软件复用， 减短了 软件开发周期，提高系统设计的可靠性。 ③ 这是很容易实现的“集成测试与虚拟仪器库”的思考。 同时提供的虚拟仪器的设计灵活性的前提下实现的。 南京工程学院汽车与轨道交通学院毕业设计（论文） 12 第三章 信号采集系统硬件介绍及 应用 原理 系统硬件选择 PC机 本机配置： 处理器： Intel(R)Core(TM)i54200U CPU @ 内存 ： 4GB 硬盘： 500GB 显卡： 2GB 传感器 传感器 所用的型号是 801s 振动信号传感器。 它 的内部结构相当于一个金属球固定在一个特殊的弹簧上作为一极，他的周围是另外一极，振动达到一定的幅度后两极接通，后面的调理电路作用应该是消除干扰信号，整形输出。 具体原理如 图 所示。 图 振动传感器 801S 原理图 NI PCI6024E数据采集卡 NI PCI6024 是 NI 公司的 E 系列多功能数据采集卡， 依靠 的是一个 A/D 转换器，多路采集，实际上是分时 采集 的，所有在多路同时工作时采样率会成倍降低。 该板卡的主要性能如下： ◆ 16 路模拟信号输入通道，采样率为 200kS/s，输入范围为 10V～ +10V； ◆ 2 路模拟量输出通道，分辨率为 12 位； ◆ 8 路数字 I/O，数字触发； ◆ 2 个 32 位定时计数器； ◆ NIDAQmx 测试软件和硬件配置支持 ； 南京工程学院汽车与轨道交通学院毕业设计（论文） 13 采集系统的应用原理 现在计算机普遍运用 ，数据采集的重要性是 相当明显 的。 它是计算机与外部物理世界连接的桥梁。 各种类型信号采集的难易程度差别很大。 实际采集时，噪声也可能带来一些麻烦。 数据采集时， 要注意一些计算的准则，来解决一些实际中遇到的问题。 如果此刻 对一个模拟信号 x(t)每隔△ t间隔 采样一次。 时间间隔△ t被 叫做采样间隔或者采样周期。 它的倒数 l/△ t 被称为采样频率，单位是采样数 /每秒。 t＝ 0，△ t， 2△ t， 3△ t„„等等， x(t)的数值就被称为采样值。 所有的 x（ 0），X（△ T）， X（ 2 T）的采样值。 所以数据信息所表示的离散的点 可以用一组分散的采样值来表示： {x(0)， x(△ t)， x(2△ t)， x(3△ t)，„， x(k△ t)，„ } 单个模拟信号和它采样后的采样值如图 所示。 采样间隔是△ t，注意，采样 所得到的 点在时域 图 上 表示的 是离散的。 图 模拟信号采样图 假如 对 数据信息 x(t)采集 N 个点，那么 x(t)就可以用下面这个数列表示： X={x[0]， x[l]， x[2]， x[3]，„， x[N－ l]} 信号 x(t)的数字化或者采样显示 在此显现出来。 只是用下标变量在图 中显示，而没有表示任何关于时间间隔的信息。 以此假如 只 了解 该 数据信息 的采样值，并不能 了解 它的采样率，缺少了 （ △ t） ，也 不能够了解数据信息 x(t)的频率。 根据采样定理，最小采样频率必须两倍的信号频率。 换句话说，假如 设 定了采样 的 频率，那么能够 表现的最为准确没有发生任何改变的 最大频率叫做恩奎斯特频率，它是采样 的 频率的一半。 假如数据信息 中 有 频率 比 奈奎斯特频率 高 的成分， 数据信息 将在直流和恩奎斯特频率之间 相互交替。 图 和图 表示 了一个 数据信息 用 两种方式显示出来的结果，一种是 合适的采样率和 另一种是 过低的采样率进行 采样。 南京工程学院汽车与轨道交通学院毕业设计（论文） 14 图 合适采样率采样波形图 图 采样率过低采样波形图 采样率太低是信号频率的降低看起来不同于原始信号。 该信号称为混叠失真。 为了 防止 这种情况的 再次出现 ， 一般会 在 数据信息 被采集 (A/D)之前， 利用一个低通滤波器，将信号中高于奈奎斯特频率的 数据信息成份删 去 理论设定采样频率是 2 倍的最高频率分量的信号被收集到足够的，但事实上，项目选择的 510倍，有时为了更好地恢复波形，甚至更多。 数据采集 结构如图 所示。 在数据采集系统中，程序将初始化 该采集卡，卡和内存缓冲区中的数据采集和存储的中间环节。 需要注意的两个问题是： 是否使用缓冲，是否使用外触发启动、停止或同步一个操作。 B u f f e r( F I F O )驱动程序L a b v i e w程 序信 号D A Q 板 卡A / D外 触 发内 存B u f f e r硬 件显 示 图 数据采集结构图 1．缓冲 (Buffers) 南京工程学院汽车与轨道交通学院毕业设计（论文） 15 这里的缓冲指的是 PC内存的一个区域 (不是数据采集卡上的 FIFO 缓冲 )，它用来临时存放数据。 例如，你需要收集第二收集数以千计的数据，在第二显示或图形数据是困难的。 但采集卡的数据缓冲区，你可以下载他们的快速存储，稍后再取回它显示和分析。 请注意，缓冲和收集的运行速度 和容量。 不要使用缓冲装置的每个数据必须及时处理（图形分析等）。 下列情况需要使用 Buffer I/O： ① 需要收集或产生许多样品，率超过实际的显示，存储硬件，速度和实时性分析。 ② 需要不断收集或产生交流数据（ 10 样本 /秒），并在同一时间或表现出一定的数据分析。 ③ 采样周期必须准确，一致通过样本数据。 下列情况可以不使用 Buffer I/O： ① 数据组短小，例如每秒只从两个通道之一采集一个数据点。 ② 需要缩减存储器的开支。 2．触发 (Triggering) 触发 有关于 初始化、终止或同步采集事件 的方式得到了有关应用。 触发器 一般都是由数字或模拟信号组成的 ， 它的显示可以来表明 状态的触发。 软件触发最容易，你可以使用该软件，如布尔控制面板的使用启动 /停止数据采集。 硬件触发让板卡上的电路管理触发器，控制了采集事件的时间分配，有很高的精确度。 硬件触发可进一步分为外部触发和 在内部 触发。 当模拟信号输出一个指定的输出电压时，该电压让采集卡输出一个固定脉冲， 这 就 是内部 的 触发。 采集卡等外部设备，数字脉冲到达初始化数据采集卡，这是一个外部触发。 很多 仪器 表示 数字输出用于触发特定的仪器，在这里， 便是 数据采集卡。 下列情况使用 软件触发： 用户需要的所有集合操作的显式控制，和事件的时间不需要很精确的。 下列情况使用硬件触发： ① 采集事件定时需要非常准确。 ② 用户需要削减软件开支。 ③ 采集事件需要与外部装置同步。 在进行数据采集前，必须对要采集的信号有所了解，因为不同信号的测量方式和对采集系统的要求是不同的，只有了解被测信号，才能选择合适的测量方式和采集系统。 一个任意的信号在时间上是一个物理量的变化。 在正常情况下，携带信息的南京工程学院汽车与轨道交通学院毕业设计（论文） 16 信号是非常广泛的， 比如：状态 (State)、速率 (Rate)、电平 (Level)、形状 (Shape)、频率成分 (Frequency Content)。 通过对数据信息的传播方式的不同， 信号 可以被分成 模拟 信号和 数字信号 两种。 数字信号 还包含两种不同的类别，它们是 开关信号和脉冲信号。 模拟信号 就可以表现为 为直流、时域、频域信号。 1．数字信号 (Digital) 第一类数字信号是开关信号 (OnOff)，开关信号如图 所示。 一个开关信号携带的信息和信号的瞬时状态。 TTL 信号是一个开关信号， TTL 信号如果 至 的，我们把它定义为逻辑高，如果是 0到 之间，被定义为逻辑低。 O nO f ftS t a t e 图 开关信号 图 第二类数字信号是脉冲信号（脉冲），脉冲信号，如图 所示。 很大一部分的状态分析都包含在这些数据信号里面 ，信息就包含在状态转化发生的数目、转换速率、一个转换间隔或多个转换间隔的时间里。 tR a t e 图 脉冲信号 图 2．模拟信号 (Analog) 模 拟直流信号（直流）是一个模拟信号在休息或变化很慢，模拟直流信号 如图 所示。 南京工程学院汽车与轨道交通学院毕业设计（论文） 17 tL e v e l 图 模拟直流信号 图 在给定的区域内图形所显示的幅度是直流信号所表现出来的最重要的额信息。 温度，速度，压力， 应变共同的直流信号 等。 采集系统在采集模拟直流信号时， 对应的精度要足够高才能得到精确地电平信号。 模拟时域信号 (Time Domain)运载的信息不仅有信号的电平，还有电平随时间的变化，模拟时域信号如图 所示。 在一个时域信号或。