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虛擬儀器是現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)。它由計(jì)算機(jī)、軟件和模塊式采集設(shè)備組成，這些軟硬件組合并配置后模擬了傳統(tǒng)的硬件儀器的功能。虛擬儀器也稱為L(zhǎng)ABVIEW程序。由于其功能是用戶軟件定義的，所以虛擬儀器功能非常靈活、強(qiáng)大而又經(jīng)濟(jì)。

如今的虛擬儀器技術(shù)還存在許多的弱點(diǎn)。首先，部分檢測(cè)系統(tǒng)仍處于相對(duì)比較落后的狀態(tài)，只是將各種示波器連接至計(jì)算機(jī)，通過一些繁瑣的步驟對(duì)示波器的波形進(jìn)行各種調(diào)整。在需要同時(shí)顯示多個(gè)波形的時(shí)候，需要連接多個(gè)示波器。這樣系統(tǒng)架構(gòu)不僅復(fù)雜，而且空間占用率也比較高。在企業(yè)中，這大大提高了企業(yè)的運(yùn)營(yíng)成本，在開發(fā)項(xiàng)目的過程中也會(huì)出現(xiàn)各種意想不到的麻煩。其次，現(xiàn)有的虛擬儀器技術(shù)也是僅僅停留在數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)分析的兩個(gè)單獨(dú)步驟上，沒有將兩者很好的結(jié)合在一起。在系統(tǒng)運(yùn)行的過程中，由于兩者是獨(dú)立分開工作的，增加了數(shù)據(jù)分析結(jié)果的時(shí)間，對(duì)應(yīng)的工作效率也有所降低。

本設(shè)計(jì)采用了北京中泰研創(chuàng)科技有限公司的以太網(wǎng)總線采集卡EM9636BD進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，運(yùn)用相關(guān)的虛擬技術(shù)知識(shí)將數(shù)據(jù)采集到電腦中，再用正版Labview軟件設(shè)計(jì)的信號(hào)采集系統(tǒng)對(duì)采集卡所傳來的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)、調(diào)整、顯示波形、數(shù)據(jù)分析等一系列工作。同時(shí)在Labview軟件的顯示界面上對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整的信號(hào)通過采集卡反饋到變頻器，再通過調(diào)整變頻器電壓值，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的調(diào)速，以此形成了一個(gè)完整的伺服系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)是虛擬儀器在測(cè)控領(lǐng)域的一次成功嘗試。該系統(tǒng)將電機(jī)轉(zhuǎn)速控制、數(shù)據(jù)采集、采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、在線分析、存儲(chǔ)及離線分析等功能進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合在一起，形成了一個(gè)整體。本設(shè)計(jì)大大簡(jiǎn)化了振動(dòng)信號(hào)采集的過程，將多個(gè)工作同時(shí)進(jìn)行，縮短了分析的時(shí)間，波形顯示也對(duì)應(yīng)變得明朗清晰。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器；數(shù)據(jù)采集；采集卡；LabVIEW。

第一章序論

1.1引言

LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)作為一個(gè)虛擬儀器軟件開發(fā)平臺(tái)是目前測(cè)控行業(yè)的熱門技術(shù)。測(cè)量與控制在眾多領(lǐng)域，如工業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防現(xiàn)代化和國(guó)防科技得到了廣泛的應(yīng)用，它已被認(rèn)為是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的一個(gè)重要組成部分。Labview圖形化的編程語言使得虛擬儀器的開發(fā)效率的得到了很明顯的提高。在20世紀(jì)70年代以來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)的快速發(fā)展，測(cè)控技術(shù)也在不斷的提升。測(cè)量和控制儀表的技術(shù)進(jìn)步，不斷提供了智能儀器、PC儀器、VXI儀器、虛擬儀器及互換性虛擬儀器等微機(jī)化儀器和自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)等多樣化的工具，將計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化儀器設(shè)備間緊密的聯(lián)系在一起，測(cè)控領(lǐng)域和范圍也不斷的拓寬。 LabVIEW是一種由美國(guó)國(guó)家儀器（NI）公司研制開發(fā)的程序開發(fā)環(huán)境，具備類似于C語言和BASIC語言的功能，可是LabVIEW與其他計(jì)算機(jī)語言的特別的不同之處在于：其余的計(jì)算機(jī)語言都是利用基于文字語言來寫出代碼，而LabVIEW是依靠圖形化編寫語言G編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。 NI設(shè)計(jì)平臺(tái)是以LabVIEW軟件為中心，也是開發(fā)測(cè)控系統(tǒng)最好的軟件。 LabVIEW開發(fā)環(huán)境聚集了工程師和科學(xué)家迅速構(gòu)建很多種運(yùn)用所需的全部工具，旨在幫助工程師和科學(xué)家解決問題、不斷創(chuàng)新。

1.2 本設(shè)計(jì)所做的工作

1.2.1電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制

本設(shè)計(jì)通過正版LabVIEW編寫程序，由EM9636BD數(shù)據(jù)采集卡輸出電壓控制信號(hào)控制變頻器，變頻器再控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

1.2.2硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

模擬輸入信號(hào)由傳感器輸出，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理輸入到北京中泰研創(chuàng)科技有限公司的 EM9636BD數(shù)據(jù)采集卡，并通過以太網(wǎng)總線傳輸給上位機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可以實(shí)現(xiàn)波形實(shí)時(shí)顯示與分析等功能。硬件系統(tǒng)先通過一個(gè)變頻器來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，再通過振動(dòng)傳感器來將電機(jī)的振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)。采集卡采集傳感器輸出的電信號(hào)，并將數(shù)據(jù)輸送到電腦里面。計(jì)算機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，同時(shí)可以改變計(jì)算機(jī)的對(duì)應(yīng)虛擬按鈕來對(duì)變頻器進(jìn)行控制。

系統(tǒng)的總體流程如圖1.1所示：

圖1.1 系統(tǒng)流程

變頻器：通過改變電腦界面上變頻器的限定電壓的最大值和最小值來限定電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速。

電機(jī)：改變振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)的界面上電機(jī)轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)按鈕，電腦發(fā)送信號(hào)回饋到采集卡，再由采集卡發(fā)送信號(hào)到變頻器來改變實(shí)際電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

傳感器：由傳感器將振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)采集卡：通過采集卡采集到傳感器里傳出來的電信號(hào)，再放入內(nèi)部的緩存器，傳入電腦。

PC機(jī)：通過采集卡采集振動(dòng)信號(hào)，再使用采集卡控制變頻器輸出改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，最后對(duì)采集卡傳來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，顯示波形。

1.2.3 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

利用LabVIEW軟件制作一個(gè)(振動(dòng))信號(hào)采集系統(tǒng)。系統(tǒng)中包含(振動(dòng))信號(hào)時(shí)域波形圖、功率圖、自功率圖、海寧窗圖。同過這些圖來對(duì)振動(dòng)信號(hào)的分析。具體軟件的內(nèi)容在下面會(huì)有對(duì)應(yīng)的介紹。

第二章虛擬儀器

2.1 虛擬儀器技術(shù)的概述

2.1.1虛擬儀器的概念

美國(guó)國(guó)家儀器公司（National Instruments）在很早的時(shí)候就提出的虛擬儀器的概念。虛擬儀器實(shí)際上就是在計(jì)算機(jī)的軟硬件測(cè)試平臺(tái)基礎(chǔ)上的，它可以替代傳統(tǒng)的測(cè)量?jī)x器，如示波器、邏輯分析儀、信號(hào)發(fā)生器、頻譜分析儀等；可將優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在自動(dòng)控制、工業(yè)控制系統(tǒng)之中。

2.1.2虛擬儀器的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)

虛擬儀器是電子測(cè)試儀器功能的硬件模塊和軟件基礎(chǔ)上的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，和軟件就是儀器，如圖2.1所示的虛擬儀器流程。

圖2.1 虛擬儀器開發(fā)框圖

軟件的關(guān)鍵部分是設(shè)備的驅(qū)動(dòng)軟件程序，儀器驅(qū)動(dòng)軟件在這些準(zhǔn)則的品定下使得系統(tǒng)的開發(fā)與儀器的硬件變化沒有關(guān)聯(lián)。這是一個(gè)虛擬儀器的最大的優(yōu)勢(shì)，在這一點(diǎn)上，儀器的發(fā)展和更新的時(shí)間將大大減少。在虛擬儀器中可以選擇的硬件系統(tǒng)有（如GPIB，VXI，RS-232，DAQ板）和庫(kù)函數(shù)等軟件融合在一起配合使用，達(dá)到了儀器模塊間的通訊、定時(shí)與觸發(fā)的效果。源代碼庫(kù)函數(shù)在用戶想要建 立自己的數(shù)據(jù)模擬模塊時(shí)提供了對(duì)應(yīng)的模塊組成工具。

2.1.3虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)的組成

虛擬儀器是在計(jì)算機(jī)儀器的基礎(chǔ)上的。計(jì)算機(jī)和儀器緊緊聯(lián)合在一起是現(xiàn)在儀器發(fā)展的一個(gè)重要標(biāo)志。有兩種基本的方式存在于這種聯(lián)系之中，一種是把計(jì)算機(jī)放入儀器，智能化的儀器就是它的一種在實(shí)際中的應(yīng)用。伴隨著計(jì)算機(jī)功能漸漸變強(qiáng)以及它的體積漸漸變小，這類儀器功能也愈來愈強(qiáng)，現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)含嵌入式系統(tǒng)的儀器。另一種方式是將儀器裝入計(jì)算機(jī)。依靠常用的計(jì)算機(jī)硬件及操作系統(tǒng)，完成各種儀器功能，這種形式就是虛擬儀器。虛擬儀器的構(gòu)成跟隨了傳統(tǒng)儀器的結(jié)構(gòu)形式，主要由數(shù)據(jù)采集與控制、數(shù)據(jù)分析和處理、成果展示三部分組成。虛擬儀器的內(nèi)在組成的分解如圖2.2所示。

圖2.2 虛擬儀器的內(nèi)在組成的分解如框圖

傳統(tǒng)儀器，這三部分都是由硬件完成；對(duì)于虛擬儀器，硬件組成了前一部分，軟件組成了后兩部分。虛擬儀器比傳統(tǒng)儀器更加具有優(yōu)勢(shì)，它的設(shè)計(jì)漸漸的趨向于模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化，需要人工設(shè)計(jì)的量很大程度上都減少了。

傳感器部分，信號(hào)處理和信號(hào)采集組件（如外部或內(nèi)部的數(shù)據(jù)卡，圖像采集卡和相機(jī)，用于輔助測(cè)量的常規(guī)儀表和計(jì)算機(jī)通信等），一般的電腦、打印機(jī)也是虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)硬件的重要組成部分。

2.1.4虛擬儀器的軟件結(jié)構(gòu)

虛擬儀器技術(shù)最主要的是軟件，它的結(jié)構(gòu)在軟件上的體現(xiàn)如圖2.3所示。用戶可以使用各種編程軟件開發(fā)自己的應(yīng)用軟件。現(xiàn)在美國(guó)NI公司的軟件產(chǎn)品LabVIEW和LabWindows/CVI是最流行的虛擬平臺(tái)開發(fā)軟件。這些NI開發(fā)平臺(tái)提供了很多的前面板使用工具和各種數(shù)據(jù)分析工具，另外虛擬儀器硬件廠商生產(chǎn)的各種硬件的驅(qū)動(dòng)程序模塊，使虛擬儀器的設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單很多。隨著軟件技術(shù)的迅速成熟，模塊化，可重用的軟件，模塊化，標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)的檢測(cè)儀的軟、硬件，更快速的虛擬儀器軟件開發(fā)。

圖2.3 虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu)圖

2.2 虛擬儀器的開發(fā)軟件

2.2.1虛擬儀器的開發(fā)平臺(tái)——LabVIEW

LabVIEW是以程序框圖為基本單元并進(jìn)行繪制的軟件，通過前面板來顯示想要實(shí)現(xiàn)的功能。通過調(diào)用不同控件，并將其端點(diǎn)相互連接來實(shí)現(xiàn)不同的功能。所以，想用LabVIEW實(shí)現(xiàn)不同功能，只需調(diào)用對(duì)應(yīng)的函數(shù)方塊并將它們通過規(guī)定的連接方式連接，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的功能，不必要局限于語法細(xì)節(jié)的編寫。前面板、程序框圖、圖標(biāo)/接線端口三個(gè)部分構(gòu)成了一個(gè)LabVIEW。前面板是用來模擬真實(shí)儀器控制面板；程序框圖是圖形語言到前面板控件的使用（分為對(duì)照組和表示兩個(gè)量）控制；圖標(biāo)/接線端口用于把LabVIEW程序定義成一個(gè)子程序，從而實(shí)現(xiàn)模塊化編程。具體界面如圖2.4所示。

圖2.4 LabVIEW啟動(dòng)界面

目前，在試驗(yàn)室和工業(yè)控制方面的軟件，LabVIEW的市場(chǎng)占有率僅次于C++/C語言。LabVIEW具備一系列無可比擬的長(zhǎng)處：LabVIEW作為圖形化語言編程，利用流程圖的方式來編程，使用的工具圖形與科學(xué)家、工程師們熟悉的大部分圖標(biāo)基本相同，這使得編程程序和使用者思維極為類似；同時(shí)，LabVIEW提供虛擬控件和儀表板圖形素材庫(kù)豐富，庫(kù)內(nèi)的近600種設(shè)備（擴(kuò)大）如GPIB VXI總線設(shè)備的控制，串口控制，和數(shù)據(jù)分析算法，顯示和存儲(chǔ)。因此，越來越多的工程師和科學(xué)家對(duì)LabVIEW有了不少的依賴。

2.2.2 Labview軟件應(yīng)用介紹

所有的LabVIEW應(yīng)用程序，即虛擬儀器(VI),它包括前面板（面板），流程圖（框圖）和圖標(biāo)/連接器（圖標(biāo)/連接器）三個(gè)部分。

 1.前面板：前面板是圖形用戶界面，也就是VI的虛擬儀器面板，這一界面上有用戶輸入和顯示輸出兩類對(duì)象，具體表現(xiàn)有開關(guān)、旋鈕、圖形以及其他控制和顯示對(duì)象。但并非畫出兩個(gè)控件后程序就可以運(yùn)行，在前面板后還有一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的流程圖。

2.流程圖：流程圖提供VI的圖形化源程序。在流程圖中對(duì)VI編程，通過控制并且定義操縱在前面板上的輸入和輸出的功能。流程圖中包括前面板上的控件連線端子，還有一些前面板上沒有，但編程必須有的東西，例如函數(shù)、結(jié)構(gòu)和連線等。

3.圖標(biāo)/連接設(shè)計(jì)：這部分的設(shè)計(jì)突出體現(xiàn)了虛擬儀器模塊化程序設(shè)計(jì)的思想。在大型全自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的一步完成一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是非常困難的設(shè)計(jì)。而在LabVIEW中提供的圖標(biāo)/連接工具正是為實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)而準(zhǔn)備的。設(shè)計(jì)者可把一個(gè)復(fù)雜自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)分為多個(gè)子系統(tǒng)，每一個(gè)都可完成一定的功能。

第三章信號(hào)采集系統(tǒng)硬件介紹及應(yīng)用原理

3.1 系統(tǒng)硬件選擇

3.1.1 PC機(jī)參數(shù)

處理器：Intel(R)Core(TM)i5-4200U CPU @ 1.60GHz2.30GHz

內(nèi)存：4GB

硬盤：500GB

顯卡：2GB

3.1.2 傳感器

加速度傳感器輸出的電量與振動(dòng)加速度成正比。這種類型的傳感器是接觸式的，分為壓電式和應(yīng)變式，其中最常用的是壓電式加速度與傳感器。

某些具有壓電效應(yīng)的晶體，如石英、人工陶瓷等，在承受一定壓力而變形時(shí)內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生激化現(xiàn)象，在其表面產(chǎn)生電荷。這種將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。

3.1.3 EM9636BD數(shù)據(jù)采集卡

EM9636BD是北京中泰研創(chuàng)科技有限公司的以太網(wǎng)系列多功能數(shù)據(jù)采集卡，依靠的是一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器，多路采集。該板卡的主要性能如下：

★ EM9636嵌入式數(shù)據(jù)采集模塊具有多種接口供您選擇，以太網(wǎng)接口、USB接口、無線Wi-Fi接口、 RS485接口、RS232接口。（支持標(biāo)準(zhǔn)的Modbus協(xié)議，無需編程就可與各種上位機(jī)組態(tài)軟件相連接）

★ EM9636嵌入式數(shù)據(jù)采集模塊，CPU中央處理器采用ARM9核心板，內(nèi)部植入了嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)linux。強(qiáng)大的功效，可滿足不同客戶的多種需求。

★ EM9636嵌入式數(shù)據(jù)采集模塊可實(shí)現(xiàn)離線數(shù)據(jù)采集、存貯功能，可以脫機(jī)獨(dú)立使用，將采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)在本地存貯器上（U 盤或SD卡上）。可脫離開計(jì)算機(jī)獨(dú)立工作，增加了系統(tǒng)的可靠性，降低了設(shè)備成本。

★ EM9636嵌入式多功能數(shù)據(jù)采集模塊，AD：16位、最大采樣率250KHz、32路; D/A：12位，4路;可編程DIO：16CH;光隔離DO：8路;光隔離DI：8路;計(jì)數(shù)/測(cè)頻：6路;編碼器：2路;PWM輸出：3路。

3.2 采集系統(tǒng)的應(yīng)用原理

3.2.1數(shù)據(jù)采集概論

現(xiàn)在計(jì)算機(jī)普遍運(yùn)用，數(shù)據(jù)采集的重要性是相當(dāng)明顯的。它是計(jì)算機(jī)與外部物理世界連接的橋梁。各種類型信號(hào)采集的難易程度差別很大。實(shí)際采集時(shí)，噪聲也可能帶來一些麻煩。數(shù)據(jù)采集時(shí)，要注意一些計(jì)算的準(zhǔn)則，來解決一些實(shí)際中遇到的問題。

如果此刻對(duì)一個(gè)模擬信號(hào)x(t)每隔△t間隔采樣一次。時(shí)間間隔△t被叫做采樣間隔或者采樣周期。它的倒數(shù)l/△t被稱為采樣頻率，單位是采樣數(shù)/每秒。 t＝0，△t，2△t，3△t...等等，x(t)的數(shù)值就被稱為采樣值。所有的x（0），X（△T），X（2 T）的采樣值。所以數(shù)據(jù)信息所表示的離散的點(diǎn)可以用一組分散的采樣值來表示：{x(0)，x(△t)，x(2△t)，x(3△t)，...x(k△t)，„}單個(gè)模擬信號(hào)和它采樣后的采樣值如圖3.2所示。采樣間隔是△t，注意，采樣所得到的點(diǎn)在時(shí)域圖上表示的是離散的。

圖3.2模擬信號(hào)采樣圖

假如對(duì)數(shù)據(jù)信息x(t)采集N個(gè)點(diǎn)，那么x(t)就可以用下面這個(gè)數(shù)列表示：X={x[0]，x[l]，x[2]，x[3]，„，x[N－l]}

 信號(hào)x(t)的數(shù)字化或者采樣顯示在此顯現(xiàn)出來。只是用下標(biāo)變量在圖中顯示，而沒有表示任何關(guān)于時(shí)間間隔的信息。以此假如只了解該數(shù)據(jù)信息的采樣值，并不能了解它的采樣率，缺少了（△t），也不能夠了解數(shù)據(jù)信息x(t)的頻率。根據(jù)采樣定理，最小采樣頻率必須兩倍的信號(hào)頻率。換句話說，假如設(shè)定了采樣的頻率，那么能夠表現(xiàn)的最為準(zhǔn)確沒有發(fā)生任何改變的最大頻率叫做奈奎斯特頻率，它是采樣的頻率的一半。假如數(shù)據(jù)信息中有頻率比奈奎斯特頻率高的成分，數(shù)據(jù)信息將在直流和奈奎斯特頻率之間相互交替。圖3.3和圖3.4表示了一個(gè)數(shù)據(jù)信息用兩種方式顯示出來的結(jié)果，一種是合適的采樣率和另一種是過低的采樣率進(jìn)行采樣。

圖3.3 合適采樣率采樣波形圖

圖3.4 采樣率過低采樣波形圖

采樣率太低使信號(hào)頻率的看起來低于原始信號(hào)頻率。該信號(hào)稱為混疊失真。為了防止這種情況的出現(xiàn)，一般會(huì)在數(shù)據(jù)信息被采集(A/D)之前，利用一個(gè)低通濾波器，將信號(hào)中高于奈奎斯特頻率的數(shù)據(jù)信息成份刪去。

3.2.2數(shù)據(jù)采集卡的性能指標(biāo)

1）采樣頻率

采樣頻率的高低，決定了在一定時(shí)間內(nèi)獲取原始信號(hào)信息的多少，為了能夠較好的再現(xiàn)原始信號(hào)，不產(chǎn)生波形失真，采樣率必須要足夠高才行。根據(jù)奈奎斯特理論采樣頻率至少是原信號(hào)的兩倍，但實(shí)際中，一般都需要5～10倍。

2）采樣方法

采集卡通常都有多個(gè)數(shù)據(jù)通道，如果所有的數(shù)據(jù)通道都輪流使用同一個(gè)放大器和A/D轉(zhuǎn)換器，要比每個(gè)通道單獨(dú)使用各自的經(jīng)濟(jì)的多，但這僅適用于對(duì)時(shí)間不是很重要的場(chǎng)合。如果采樣系統(tǒng)對(duì)時(shí)間要求嚴(yán)格，則必須同時(shí)采集，這就需要每個(gè)通道都有自己的放大和A/D轉(zhuǎn)換器。但在成本的考慮，現(xiàn)在流行的是每個(gè)數(shù)據(jù)信道公共設(shè)置放大器和A / D轉(zhuǎn)換器。

3）分辨率

ADC的位數(shù)越多，分辨率就越高，可在較小的電壓的區(qū)別。例如，三位的A/D轉(zhuǎn)換把模擬電壓范圍分成23=8段，每段用二進(jìn)制代碼在000到111之間表示。因此，數(shù)字信號(hào)不能反映原始信號(hào)，因?yàn)槟承┬畔G失。如果增加到十二位，代碼數(shù)從8增加到2的12次方=4096，這樣就可以獲得就能獲得十分精確的模擬信號(hào)數(shù)字化表示。

4）電壓測(cè)量范圍

電壓范圍指的是最大和最小ADC掃描電壓。一般最好用滿量程的電壓范圍進(jìn)行測(cè)量，這樣利用了最大的分辨率范圍。

第四章 信號(hào)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及應(yīng)用

4.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)的軟件模塊劃分

4.1.1程序模塊化設(shè)計(jì)概述

系統(tǒng)程序的主要功能為模塊劃分的標(biāo)準(zhǔn)，包括電機(jī)轉(zhuǎn)速控制、數(shù)據(jù)采集、在線分析、數(shù)據(jù)保存、數(shù)據(jù)回放及離線分析等功能，其中數(shù)據(jù)采集及分析功能模塊如圖4.1所示。

圖4.1數(shù)據(jù)采集及分析功能模塊

4.2 信號(hào)采集系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)

4.2.1數(shù)據(jù)信號(hào)采集及保存程序

這一部分是EM9636BD數(shù)據(jù)采集卡的應(yīng)用，在這一部分中，最重要的是采集參數(shù)，其中包括物理信道的選擇，采樣方式，采樣率，采樣通道數(shù)，分辨率，時(shí)鐘源等設(shè)置。數(shù)據(jù)保存是把采集來的數(shù)據(jù)保存到DAT文件里，可以通過LabVIEW編寫的程序回放，數(shù)據(jù)采集程序如圖4.2所示、數(shù)據(jù)回放界面如圖4.3所示。

圖4.2 數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)流程序框圖

圖4.3 數(shù)據(jù)回放波形顯示

4.2.2電機(jī)轉(zhuǎn)速控制子VI

步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。控制電機(jī)方向、調(diào)速控制程序如圖4.4所示。

圖4.4電機(jī)轉(zhuǎn)速控制程序圖

4.3 軟件具體實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)的前面板由登錄界面、電機(jī)轉(zhuǎn)速控制、數(shù)據(jù)采集及在線分析、回放及離線分析幾個(gè)頁面組成，完美展現(xiàn)了一個(gè)數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的功能和實(shí)際應(yīng)用。下面分別介紹各個(gè)部分。

4.3.1登陸界面前面板

登陸界面主要提供了用戶的登錄、密碼修改以及必備按鈕，其中涉及了數(shù)據(jù)庫(kù)(Database)技術(shù)、ADO與數(shù)據(jù)庫(kù)的交互技術(shù)以及ACCESS數(shù)據(jù)庫(kù)（小型關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)），具體前面板如圖4.5所示。

圖4.5 前面板登陸/用戶管理界面

利用LABSQL訪問數(shù)據(jù)庫(kù)，它是一個(gè)免費(fèi)的、跨平臺(tái)的labview數(shù)據(jù)庫(kù)訪問工具包。LABSQL利用Microsoft ADO對(duì)象和SQL語言來完成數(shù)據(jù)庫(kù)訪問，將復(fù)雜的底層ADO及SQL操作封裝成一系列的LABSQL Vis，簡(jiǎn)單易用。

4.3.2數(shù)據(jù)采集前面板

該面板包含了采集的啟動(dòng)以及停止按鈕、采集通道（即傳感器輸出信號(hào)的本系統(tǒng)設(shè)置了2個(gè)通道）、采樣率輸入、每通道采樣數(shù)的設(shè)置、每通道緩沖區(qū)的設(shè)置以及實(shí)時(shí)波形顯示，具體前面板如圖4.6所示。

圖4.6數(shù)據(jù)采集保存前面板圖

4.3.3模擬信號(hào)的分析實(shí)圖

在線分析用做數(shù)據(jù)的頻譜分析，在線分析是依據(jù)此次的振動(dòng)信號(hào)分析設(shè)計(jì) 的單通道數(shù)據(jù)分析，具體前面板如圖4.7所示。

圖4.7信號(hào)功率譜（線性）

第五章 振動(dòng)信號(hào)的頻譜分析

5.1 FFT的理論知識(shí)

FFT（Fast Fourier Transformation），即為快速傅氏變換，是離散傅氏變換（DFT）的快速算法，它是根據(jù)離散傅氏變換的奇、偶、虛、實(shí)等特性，對(duì)離散傅立葉變換的算法進(jìn)行改進(jìn)獲得的。

FFT算法可分為按時(shí)間抽取算法和按頻率抽取算法，先簡(jiǎn)要介紹FFT的基本原理。從DFT運(yùn)算開始，說明FFT的基本原理。

DFT的運(yùn)算為：

5.2振動(dòng)信號(hào)的頻譜分析結(jié)論

通過對(duì)頻譜分析的理論知識(shí)以及LabVIEW中頻譜分析模塊的認(rèn)真學(xué)習(xí)，通過編程進(jìn)行了幾種譜分析，并得出結(jié)論。

1.當(dāng)給定轉(zhuǎn)速理論值為480rpm時(shí)，功率譜分析如圖5.1所示

圖5.1功率譜波形圖（轉(zhuǎn)速480rpm）

2.當(dāng)給定轉(zhuǎn)速理論值為960rpm時(shí)，功率譜分析如圖5.2所示

圖5.2功率譜波形圖（轉(zhuǎn)速960rpm）

3．當(dāng)給定轉(zhuǎn)速理論值為1440rpm時(shí)，功率譜分析如圖5.3所示

圖5.3功率譜波形圖（轉(zhuǎn)速1440rpm）

從圖5.1中可以看出當(dāng)理論轉(zhuǎn)速為480rpm時(shí)，頻率在8Hz左右的能量最大；圖5.2中可以看當(dāng)理論轉(zhuǎn)速為960rpm時(shí)，頻率在16Hz左右的能量最大；從圖5.3中可以看當(dāng)理論轉(zhuǎn)速為1440rpm時(shí)，頻率在20Hz左右的能量最大。

綜上所述，轉(zhuǎn)速及振動(dòng)的頻率與產(chǎn)生的能量大小成正比關(guān)系。因此，如果需要減小振動(dòng)影響，就必須研究產(chǎn)生振動(dòng)的頻率，通過實(shí)時(shí)的振動(dòng)頻率檢測(cè)，再使用合適的減振設(shè)備，最終達(dá)到減振的效果。

第六章 總 結(jié)

本設(shè)計(jì)是基于虛擬儀器技術(shù)的研究。結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)和軟件技術(shù)的發(fā)展，虛擬儀器技術(shù)實(shí)現(xiàn)多路數(shù)據(jù)采集，通過DAT文件保存，進(jìn)一步分析振動(dòng)信號(hào)，最終實(shí)現(xiàn)了一個(gè)多通道數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng)。

本設(shè)計(jì)在數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上構(gòu)建了多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其中包括用戶登錄，采集的數(shù)據(jù)保存，歷史數(shù)據(jù)的回放以及分析。整個(gè)系統(tǒng)從硬件到軟件的充分結(jié)合，完美的表達(dá)了一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能和實(shí)際應(yīng)用。

在設(shè)計(jì)過程中，使用模塊化的編程方法，所以程序調(diào)試階段非常順利。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，使驅(qū)動(dòng)虛擬儀器向著網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。以PC機(jī)或工作站為平臺(tái)，采用虛擬儀器技術(shù)的測(cè)量與控制系統(tǒng)將成為一個(gè)重要的發(fā)展方向，未來測(cè)控應(yīng)用中將會(huì)越來越多的使用虛擬儀器技術(shù)。

這樣的設(shè)計(jì)，體現(xiàn)了虛擬儀器技術(shù)的精髓。虛擬儀器所展現(xiàn)的新的模式和強(qiáng)大的功能必將贏得人們的青睞。隨著計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的發(fā)展，虛擬儀器將擴(kuò)展到各個(gè)領(lǐng)域，這將帶來測(cè)量和控制儀表行業(yè)的巨大變革。