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基于LABVIEW的振动信号采集设计

日期:2016年3月28日 06:36

基于LABVIEW的振动信号采集设计

 

摘 要

 

   虚拟仪器是现代实验室的基础。它由计算机、软件和模块式采集设备组成,这些软硬件组合并配置后模拟了传统的硬件仪器的功能。虚拟仪器也称为LABVIEW程序。由于其功能是用户软件定义的,所以虚拟仪器功能非常灵活、强大而又经济。

如今的虚拟仪器技术还存在许多的弱点。首先,部分检测系统仍处于相对比较落后的状态,只是将各种示波器连接至计算机,通过一些繁琐的步骤对示波器的波形进行各种调整。在需要同时显示多个波形的时候,需要连接多个示波器。这样系统架构不仅复杂,而且空间占用率也比较高。在企业中,这大大提高了企业的运营成本,在开发项目的过程中也会出现各种意想不到的麻烦。其次,现有的虚拟仪器技术也是仅仅停留在数据采集与数据分析的两个单独步骤上,没有将两者很好的结合在一起。在系统运行的过程中,由于两者是独立分开工作的,增加了数据分析结果的时间,对应的工作效率也有所降低。

本设计采用了北京中泰研创科技有限公司的以太网总线采集卡EM9636BD进行数据采集,运用相关的虚拟技术知识将数据采集到电脑中,再用正版Labview软件设计的信号采集系统对采集卡所传来的数据信号进行存储、调整、显示波形、数据分析等一系列工作。同时在Labview软件的显示界面上对电机转速进行调整,调整的信号通过采集卡反馈到变频器,再通过调整变频器电压值,实现对电机的调速,以此形成了一个完整的伺服系统。本设计是虚拟仪器在测控领域的一次成功尝试。该系统将电机转速控制、数据采集、采集数据实时显示、在线分析、存储及离线分析等功能进行有机的结合在一起,形成了一个整体。本设计大大简化了振动信号采集的过程,将多个工作同时进行,缩短了分析的时间,波形显示也对应变得明朗清晰。

 

关键词:虚拟仪器;数据采集;采集卡;LabVIEW。

 

 

第一章       序  论

 

1.1引言

LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)作为一个虚拟仪器软件开发平台是目前测控行业的热门技术。测量与控制在众多领域,如工业生产、国防现代化和国防科技得到了广泛的应用,它已被认为是现代科学技术的一个重要组成部分。Labview图形化的编程语言使得虚拟仪器的开发效率的得到了很明显的提高。在20世纪70年代以来,随着计算机技术、微电子技术的快速发展,测控技术也在不断的提升。测量和控制仪表的技术进步,不断提供了智能仪器、PC仪器、VXI仪器、虚拟仪器及互换性虚拟仪器等微机化仪器和自动测控系统等多样化的工具,将计算机与现代化仪器设备间紧密的联系在一起,测控领域和范围也不断的拓宽。 LabVIEW是一种由美国国家仪器(NI)公司研制开发的程序开发环境,具备类似于C语言和BASIC语言的功能,可是LabVIEW与其他计算机语言的特别的不同之处在于:其余的计算机语言都是利用基于文字语言来写出代码,而LabVIEW是依靠图形化编写语言G编写程序,产生的程序是框图的形式。 NI设计平台是以LabVIEW软件为中心,也是开发测控系统最好的软件。 LabVIEW开发环境聚集了工程师和科学家迅速构建很多种运用所需的全部工具,旨在帮助工程师和科学家解决问题、不断创新。

 

1.2 本设计所做的工作

1.2.1电机转速的控制

本设计通过正版LabVIEW编写程序,由EM9636BD数据采集卡输出电压控制信号控制变频器,变频器再控制电机的转速。

 

1.2.2硬件系统的设计

模拟输入信号由传感器输出,经过信号调理输入到北京中泰研创科技有限公司的 EM9636BD数据采集卡,并通过以太网总线传输给上位机软件进行数据处理,可以实现波形实时显示与分析等功能。硬件系统先通过一个变频器来控制电机的转速,再通过振动传感器来将电机的振动信号转变成电信号。采集卡采集传感器输出的电信号,并将数据输送到电脑里面。计算机对信号进行处理,同时可以改变计算机的对应虚拟按钮来对变频器进行控制。

系统的总体流程如图1.1所示:

1.1 系统流程

 

变频器:通过改变电脑界面上变频器的限定电压的最大值和最小值来限定电机的最大转速和最低转速。

电机:改变振动信号采集系统的界面上电机转速旋转按钮,电脑发送信号回馈到采集卡,再由采集卡发送信号到变频器来改变实际电机的转速。

传感器:由传感器将振动信号转化成电信号采集卡:通过采集卡采集到传感器里传出来的电信号,再放入内部的缓存器,传入电脑。

PC机:通过采集卡采集振动信号,再使用采集卡控制变频器输出改变电机转速,最后对采集卡传来的数据进行处理,显示波形。

 

1.2.3 软件系统的设计

     利用LabVIEW软件制作一个(振动)信号采集系统。系统中包含(振动)信号时域波形图、功率图、自功率图、海宁窗图。同过这些图来对振动信号的分析。具体软件的内容在下面会有对应的介绍。

 

 

第二章       虚拟仪器

 

2.1 虚拟仪器技术的概述

2.1.1虚拟仪器的概念

美国国家仪器公司(National Instruments)在很早的时候就提出的虚拟仪器的概念。虚拟仪器实际上就是在计算机的软硬件测试平台基础上的,它可以替代传统的测量仪器,如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、频谱分析仪等;可将优势体现在自动控制、工业控制系统之中。

 

2.1.2虚拟仪器的特点和优势

虚拟仪器是电子测试仪器功能的硬件模块和软件基础上的计算机结构,和软件就是仪器,如图2.1所示的虚拟仪器流程。

2.1 虚拟仪器开发框图

 

软件的关键部分是设备的驱动软件程序,仪器驱动软件在这些准则的品定下使得系统的开发与仪器的硬件变化没有关联。这是一个虚拟仪器的最大的优势,在这一点上,仪器的发展和更新的时间将大大减少。在虚拟仪器中可以选择的硬件系统有(如GPIB,VXI,RS-232,DAQ板)和库函数等软件融合在一起配合使用,达到了仪器模块间的通讯、定时与触发的效果。源代码库函数在用户想要建 立自己的数据模拟模块时提供了对应的模块组成工具。

 

2.1.3虚拟仪器测试系统的组成

虚拟仪器是在计算机仪器的基础上的。计算机和仪器紧紧联合在一起是现在仪器发展的一个重要标志。有两种基本的方式存在于这种联系之中,一种是把计算机放入仪器,智能化的仪器就是它的一种在实际中的应用。伴随着计算机功能渐渐变强以及它的体积渐渐变小,这类仪器功能也愈来愈强,现在已经出现含嵌入式系统的仪器。另一种方式是将仪器装入计算机。依靠常用的计算机硬件及操作系统,完成各种仪器功能,这种形式就是虚拟仪器。虚拟仪器的构成跟随了传统仪器的结构形式,主要由数据采集与控制、数据分析和处理、成果展示三部分组成。虚拟仪器的内在组成的分解如图2.2所示。

2.2 虚拟仪器的内在组成的分解如框图

 

传统仪器,这三部分都是由硬件完成;对于虚拟仪器,硬件组成了前一部分,软件组成了后两部分。虚拟仪器比传统仪器更加具有优势,它的设计渐渐的趋向于模块化、标准化,需要人工设计的量很大程度上都减少了。

传感器部分,信号处理和信号采集组件(如外部或内部的数据卡,图像采集卡和相机,用于辅助测量的常规仪表和计算机通信等),一般的电脑、打印机也是虚拟仪器测试系统硬件的重要组成部分。

 

2.1.4虚拟仪器的软件结构

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2.3所示。用户可以使用各种编程软件开发自己的应用软件。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。

2.3 虚拟仪器软件结构图

2.2 虚拟仪器的开发软件

2.2.1虚拟仪器的开发平台——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。通过调用不同控件,并将其端点相互连接来实现不同的功能。所以,想用LabVIEW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2.4所示。

图2.4 LabVIEW启动界面

 

目前,在试验室和工业控制方面的软件,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:LabVIEW作为图形化语言编程,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,这使得编程程序和使用者思维极为类似;同时,LabVIEW提供虚拟控件和仪表板图形素材库丰富,库内的近600种设备(扩大)如GPIB VXI总线设备的控制,串口控制,和数据分析算法,显示和存储。因此,越来越多的工程师和科学家对LabVIEW有了不少的依赖。

 

2.2.2 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。

 1.前面板: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。 

2.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。

3.图标/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。

 

第三章       信号采集系统硬件介绍及应用原理

 

3.1 系统硬件选择

3.1.1 PC机参数

  处理器:Intel(R)Core(TM)i5-4200U CPU @ 1.60GHz   2.30GHz

内存:4GB

硬盘:500GB

显卡:2GB

3.1.2 传感器

     加速度传感器输出的电量与振动加速度成正比。这种类型的传感器是接触式的,分为压电式和应变式,其中最常用的是压电式加速度与传感器。

     某些具有压电效应的晶体,如石英、人工陶瓷等,在承受一定压力而变形时内部会产生激化现象,在其表面产生电荷。这种将机械能转化为电能的现象称为压电效应。

3.1.3 EM9636BD数据采集卡

EM9636BD是北京中泰研创科技有限公司的以太网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。该板卡的主要性能如下:

EM9636嵌入式数据采集模块具有多种接口供您选择,以太网接口、USB接口、无线Wi-Fi接口、 RS485接口、RS232接口。(支持标准的Modbus协议,无需编程就可与各种上位机组态软件相连接)

EM9636嵌入式数据采集模块,CPU中央处理器采用ARM9核心板,内部植入了嵌入式实时操作系统linux。强大的功效,可满足不同客户的多种需求。

EM9636嵌入式数据采集模块可实现离线数据采集、存贮功能,可以脱机独立使用,将采集的数据实时存储在本地存贮器上(U 盘或SD卡上)。可脱离开计算机独立工作,增加了系统的可靠性,降低了设备成本。

EM9636嵌入式多功能数据采集模块,AD:16位、最大采样率250KHz、32路; D/A:12位,4路;可编程DIO:16CH;光隔离DO:8路;光隔离DI:8路;计数/测频:6路;编码器:2路;PWM输出:3路。

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3.2 采集系统的应用原理

3.2.1数据采集概论

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3.2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。

3.2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奈奎斯特频率,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奈奎斯特频率之间相互交替。图3.3和图3.4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。

图3.3 合适采样率采样波形图

 

图3.4 采样率过低采样波形图

采样率太低使信号频率的看起来低于原始信号频率。该信号称为混叠失真。为了防止这种情况的出现,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。

 

3.2.2数据采集卡的性能指标

 

1)采样频率 

采样频率的高低,决定了在一定时间内获取原始信号信息的多少,为了能够较好的再现原始信号,不产生波形失真,采样率必须要足够高才行。根据奈奎斯特理论采样频率至少是原信号的两倍,但实际中,一般都需要5~10倍。

 

2)采样方法 

采集卡通常都有多个数据通道,如果所有的数据通道都轮流使用同一个放大器和A/D转换器,要比每个通道单独使用各自的经济的多,但这仅适用于对时间不是很重要的场合。如果采样系统对时间要求严格,则必须同时采集,这就需要每个通道都有自己的放大和A/D转换器。但在成本的考虑,现在流行的是每个数据信道公共设置放大器和A / D转换器。

 

3)分辨率

ADC的位数越多,分辨率就越高,可在较小的电压的区别。例如,三位的A/D转换把模拟电压范围分成23=8段,每段用二进制代码在000到111之间表示。因此,数字信号不能反映原始信号,因为某些信息丢失。如果增加到十二位,代码数从8增加到2的12次方=4096,这样就可以获得就能获得十分精确的模拟信号数字化表示。

 

4)电压测量范围

电压范围指的是最大和最小ADC扫描电压。一般最好用满量程的电压范围进行测量,这样利用了最大的分辨率范围。

 

第四章 信号采集系统软件设计及应用

 

4.1系统设计的软件模块划分

4.1.1程序模块化设计概述

系统程序的主要功能为模块划分的标准,包括电机转速控制、数据采集、在线分析、数据保存、数据回放及离线分析等功能,其中数据采集及分析功能模块如图4.1所示。

 

 

 

图4.1数据采集及分析功能模块

 

4.2 信号采集系统的软件实现

4.2.1数据信号采集及保存程序

这一部分是EM9636BD数据采集卡的应用,在这一部分中,最重要的是采集参数,其中包括物理信道的选择,采样方式,采样率,采样通道数,分辨率,时钟源等设置。数据保存是把采集来的数据保存到DAT文件里,可以通过LabVIEW编写的程序回放,数据采集程序如图4.2所示、数据回放界面如图4.3所示。

 

4.2 数据采集数据流程序框图

 

4.3 数据回放波形显示

 

4.2.2电机转速控制子VI

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。控制电机方向、调速控制程序如图4.4所示。

图4.4电机转速控制程序图

 

4.3 软件具体实现

本设计的前面板由登录界面、电机转速控制、数据采集及在线分析、回放及离线分析几个页面组成,完美展现了一个数据采集与处理系统的功能和实际应用。下面分别介绍各个部分。

 

4.3.1登陆界面前面板

     登陆界面主要提供了用户的登录、密码修改以及必备按钮,其中涉及了数据库(DataBase)技术、ADO与数据库的交互技术以及ACCESS数据库(小型关系型数据库管理系统),具体前面板如图4.5所示。

 

 

图4.5 前面板登陆/用户管理界面

 

     利用LABSQL访问数据库,它是一个免费的、跨平台的labview数据库访问工具包。LABSQL利用Microsoft ADO对象和SQL语言来完成数据库访问,将复杂的底层ADO及SQL操作封装成一系列的LABSQL Vis,简单易用。

 

4.3.2数据采集前面板

该面板包含了采集的启动以及停止按钮、采集通道(即传感器输出信号的本系统设置了2个通道)、采样率输入、每通道采样数的设置、每通道缓冲区的设置以及实时波形显示,具体前面板如图4.6所示。

 

图4.6数据采集保存前面板图

 

4.3.3模拟信号的分析实图

在线分析用做数据的频谱分析,在线分析是依据此次的振动信号分析设计 的单通道数据分析,具体前面板如图4.7所示。

 

图4.7信号功率谱(线性)

 

第五章 振动信号的频谱分析

 

5.1 FFT的理论知识

FFT(Fast Fourier Transformation),即为快速傅氏变换,是离散傅氏变换(DFT)的快速算法,它是根据离散傅氏变换的奇、偶、虚、实等特性,对离散傅立叶变换的算法进行改进获得的。

FFT算法可分为按时间抽取算法和按频率抽取算法,先简要介绍FFT的基本原理。从DFT运算开始,说明FFT的基本原理

DFT的运算为:

 

5.2振动信号的频谱分析结论

通过对频谱分析的理论知识以及LabVIEW中频谱分析模块的认真学习,通过编程进行了几种谱分析,并得出结论。

 

1.      当给定转速理论值为480rpm时,功率谱分析如图5.1所示

 

图5.1功率谱波形图(转速480rpm)

 

2.当给定转速理论值为960rpm时,功率谱分析如图5.2所示

图5.2功率谱波形图(转速960rpm)

 

 

3.当给定转速理论值为1440rpm时,功率谱分析如图5.3所示

图5.3功率谱波形图(转速1440rpm)

 

从图5.1中可以看出当理论转速为480rpm时,频率在8Hz左右的能量最大;图5.2中可以看当理论转速为960rpm时,频率在16Hz左右的能量最大;从图5.3中可以看当理论转速为1440rpm时,频率在20Hz左右的能量最大。 

 

综上所述,转速及振动的频率与产生的能量大小成正比关系。因此,如果需要减小振动影响,就必须研究产生振动的频率,通过实时的振动频率检测,再使用合适的减振设备,最终达到减振的效果。

 

第六章 总 结

 

本设计是基于虚拟仪器技术的研究。结合数据库技术和软件技术的发展,虚拟仪器技术实现多路数据采集,通过DAT文件保存,进一步分析振动信号,最终实现了一个多通道数据采集及分析系统。

本设计在数据库的基础上构建了多通道数据采集系统,其中包括用户登录,采集的数据保存,历史数据的回放以及分析。整个系统从硬件到软件的充分结合,完美的表达了一个数据采集系统的功能和实际应用。

在设计过程中,使用模块化的编程方法,所以程序调试阶段非常顺利。网络技术的飞速发展,使驱动虚拟仪器向着网络化的方向发展。以PC机或工作站为平台,采用虚拟仪器技术的测量与控制系统将成为一个重要的发展方向,未来测控应用中将会越来越多的使用虚拟仪器技术

这样的设计,体现了虚拟仪器技术的精髓。虚拟仪器所展现的新的模式和强大的功能必将赢得人们的青睐。随着计算机和信息技术的发展,虚拟仪器将扩展到各个领域,这将带来测量和控制仪表行业的巨大变革。

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