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虛擬儀器是現代實驗室的基礎。它由計算機、軟件和模塊式采集設備組成，這些軟硬件組合并配置后模擬了傳統的硬件儀器的功能。虛擬儀器也稱為LABVIEW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、強大而又經濟。

如今的虛擬儀器技術還存在許多的弱點。首先，部分檢測系統仍處于相對比較落后的狀態，只是將各種示波器連接至計算機，通過一些繁瑣的步驟對示波器的波形進行各種調整。在需要同時顯示多個波形的時候，需要連接多個示波器。這樣系統架構不僅復雜，而且空間占用率也比較高。在企業中，這大大提高了企業的運營成本，在開發項目的過程中也會出現各種意想不到的麻煩。其次，現有的虛擬儀器技術也是僅僅停留在數據采集與數據分析的兩個單獨步驟上，沒有將兩者很好的結合在一起。在系統運行的過程中，由于兩者是獨立分開工作的，增加了數據分析結果的時間，對應的工作效率也有所降低。

本設計采用了北京中泰研創科技有限公司的以太網總線采集卡EM9636BD進行數據采集，運用相關的虛擬技術知識將數據采集到電腦中，再用正版Labview軟件設計的信號采集系統對采集卡所傳來的數據信號進行存儲、調整、顯示波形、數據分析等一系列工作。同時在Labview軟件的顯示界面上對電機轉速進行調整，調整的信號通過采集卡反饋到變頻器，再通過調整變頻器電壓值，實現對電機的調速，以此形成了一個完整的伺服系統。本設計是虛擬儀器在測控領域的一次成功嘗試。該系統將電機轉速控制、數據采集、采集數據實時顯示、在線分析、存儲及離線分析等功能進行有機的結合在一起，形成了一個整體。本設計大大簡化了振動信號采集的過程，將多個工作同時進行，縮短了分析的時間，波形顯示也對應變得明朗清晰。

關鍵詞：虛擬儀器；數據采集；采集卡；LabVIEW。

第一章序論

1.1引言

LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)作為一個虛擬儀器軟件開發平臺是目前測控行業的熱門技術。測量與控制在眾多領域，如工業生產、國防現代化和國防科技得到了廣泛的應用，它已被認為是現代科學技術的一個重要組成部分。Labview圖形化的編程語言使得虛擬儀器的開發效率的得到了很明顯的提高。在20世紀70年代以來，隨著計算機技術、微電子技術的快速發展，測控技術也在不斷的提升。測量和控制儀表的技術進步，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化儀器和自動測控系統等多樣化的工具，將計算機與現代化儀器設備間緊密的聯系在一起，測控領域和范圍也不斷的拓寬。 LabVIEW是一種由美國國家儀器（NI）公司研制開發的程序開發環境，具備類似于C語言和BASIC語言的功能，可是LabVIEW與其他計算機語言的特別的不同之處在于：其余的計算機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，產生的程序是框圖的形式。 NI設計平臺是以LabVIEW軟件為中心，也是開發測控系統最好的軟件。 LabVIEW開發環境聚集了工程師和科學家迅速構建很多種運用所需的全部工具，旨在幫助工程師和科學家解決問題、不斷創新。

1.2 本設計所做的工作

1.2.1電機轉速的控制

本設計通過正版LabVIEW編寫程序，由EM9636BD數據采集卡輸出電壓控制信號控制變頻器，變頻器再控制電機的轉速。

1.2.2硬件系統的設計

模擬輸入信號由傳感器輸出，經過信號調理輸入到北京中泰研創科技有限公司的 EM9636BD數據采集卡，并通過以太網總線傳輸給上位機軟件進行數據處理，可以實現波形實時顯示與分析等功能。硬件系統先通過一個變頻器來控制電機的轉速，再通過振動傳感器來將電機的振動信號轉變成電信號。采集卡采集傳感器輸出的電信號，并將數據輸送到電腦里面。計算機對信號進行處理，同時可以改變計算機的對應虛擬按鈕來對變頻器進行控制。

系統的總體流程如圖1.1所示：

圖1.1 系統流程

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的最大轉速和最低轉速。

電機：改變振動信號采集系統的界面上電機轉速旋轉按鈕，電腦發送信號回饋到采集卡，再由采集卡發送信號到變頻器來改變實際電機的轉速。

傳感器：由傳感器將振動信號轉化成電信號采集卡：通過采集卡采集到傳感器里傳出來的電信號，再放入內部的緩存器，傳入電腦。

PC機：通過采集卡采集振動信號，再使用采集卡控制變頻器輸出改變電機轉速，最后對采集卡傳來的數據進行處理，顯示波形。

1.2.3 軟件系統的設計

利用LabVIEW軟件制作一個(振動)信號采集系統。系統中包含(振動)信號時域波形圖、功率圖、自功率圖、海寧窗圖。同過這些圖來對振動信號的分析。具體軟件的內容在下面會有對應的介紹。

第二章虛擬儀器

2.1 虛擬儀器技術的概述

2.1.1虛擬儀器的概念

美國國家儀器公司（National Instruments）在很早的時候就提出的虛擬儀器的概念。虛擬儀器實際上就是在計算機的軟硬件測試平臺基礎上的，它可以替代傳統的測量儀器，如示波器、邏輯分析儀、信號發生器、頻譜分析儀等；可將優勢體現在自動控制、工業控制系統之中。

2.1.2虛擬儀器的特點和優勢

虛擬儀器是電子測試儀器功能的硬件模塊和軟件基礎上的計算機結構，和軟件就是儀器，如圖2.1所示的虛擬儀器流程。

圖2.1 虛擬儀器開發框圖

軟件的關鍵部分是設備的驅動軟件程序，儀器驅動軟件在這些準則的品定下使得系統的開發與儀器的硬件變化沒有關聯。這是一個虛擬儀器的最大的優勢，在這一點上，儀器的發展和更新的時間將大大減少。在虛擬儀器中可以選擇的硬件系統有（如GPIB，VXI，RS-232，DAQ板）和庫函數等軟件融合在一起配合使用，達到了儀器模塊間的通訊、定時與觸發的效果。源代碼庫函數在用戶想要建 立自己的數據模擬模塊時提供了對應的模塊組成工具。

2.1.3虛擬儀器測試系統的組成

虛擬儀器是在計算機儀器的基礎上的。計算機和儀器緊緊聯合在一起是現在儀器發展的一個重要標志。有兩種基本的方式存在于這種聯系之中，一種是把計算機放入儀器，智能化的儀器就是它的一種在實際中的應用。伴隨著計算機功能漸漸變強以及它的體積漸漸變小，這類儀器功能也愈來愈強，現在已經出現含嵌入式系統的儀器。另一種方式是將儀器裝入計算機。依靠常用的計算機硬件及操作系統，完成各種儀器功能，這種形式就是虛擬儀器。虛擬儀器的構成跟隨了傳統儀器的結構形式，主要由數據采集與控制、數據分析和處理、成果展示三部分組成。虛擬儀器的內在組成的分解如圖2.2所示。

圖2.2 虛擬儀器的內在組成的分解如框圖

傳統儀器，這三部分都是由硬件完成；對于虛擬儀器，硬件組成了前一部分，軟件組成了后兩部分。虛擬儀器比傳統儀器更加具有優勢，它的設計漸漸的趨向于模塊化、標準化，需要人工設計的量很大程度上都減少了。

傳感器部分，信號處理和信號采集組件（如外部或內部的數據卡，圖像采集卡和相機，用于輔助測量的常規儀表和計算機通信等），一般的電腦、打印機也是虛擬儀器測試系統硬件的重要組成部分。

2.1.4虛擬儀器的軟件結構

虛擬儀器技術最主要的是軟件，它的結構在軟件上的體現如圖2.3所示。用戶可以使用各種編程軟件開發自己的應用軟件。現在美國NI公司的軟件產品LabVIEW和LabWindows/CVI是最流行的虛擬平臺開發軟件。這些NI開發平臺提供了很多的前面板使用工具和各種數據分析工具，另外虛擬儀器硬件廠商生產的各種硬件的驅動程序模塊，使虛擬儀器的設計變得簡單很多。隨著軟件技術的迅速成熟，模塊化，可重用的軟件，模塊化，標準驅動的檢測儀的軟、硬件，更快速的虛擬儀器軟件開發。

圖2.3 虛擬儀器軟件結構圖

2.2 虛擬儀器的開發軟件

2.2.1虛擬儀器的開發平臺——LabVIEW

LabVIEW是以程序框圖為基本單元并進行繪制的軟件，通過前面板來顯示想要實現的功能。通過調用不同控件，并將其端點相互連接來實現不同的功能。所以，想用LabVIEW實現不同功能，只需調用對應的函數方塊并將它們通過規定的連接方式連接，就可以實現對應的功能，不必要局限于語法細節的編寫。前面板、程序框圖、圖標/接線端口三個部分構成了一個LabVIEW。前面板是用來模擬真實儀器控制面板；程序框圖是圖形語言到前面板控件的使用（分為對照組和表示兩個量）控制；圖標/接線端口用于把LabVIEW程序定義成一個子程序，從而實現模塊化編程。具體界面如圖2.4所示。

圖2.4 LabVIEW啟動界面

目前，在試驗室和工業控制方面的軟件，LabVIEW的市場占有率僅次于C++/C語言。LabVIEW具備一系列無可比擬的長處：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家、工程師們熟悉的大部分圖標基本相同，這使得編程程序和使用者思維極為類似；同時，LabVIEW提供虛擬控件和儀表板圖形素材庫豐富，庫內的近600種設備（擴大）如GPIB VXI總線設備的控制，串口控制，和數據分析算法，顯示和存儲。因此，越來越多的工程師和科學家對LabVIEW有了不少的依賴。

2.2.2 Labview軟件應用介紹

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

 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象，具體表現有開關、旋鈕、圖形以及其他控制和顯示對象。但并非畫出兩個控件后程序就可以運行，在前面板后還有一個與之對應的流程圖。

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、結構和連線等。

3.圖標/連接設計：這部分的設計突出體現了虛擬儀器模塊化程序設計的思想。在大型全自動檢測系統的一步完成一個復雜的系統的設計是非常困難的設計。而在LabVIEW中提供的圖標/連接工具正是為實現模塊化設計而準備的。設計者可把一個復雜自動檢測系統分為多個子系統，每一個都可完成一定的功能。

第三章信號采集系統硬件介紹及應用原理

3.1 系統硬件選擇

3.1.1 PC機參數

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

內存：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。

某些具有壓電效應的晶體，如石英、人工陶瓷等，在承受一定壓力而變形時內部會產生激化現象，在其表面產生電荷。這種將機械能轉化為電能的現象稱為壓電效應。

3.1.3 EM9636BD數據采集卡

EM9636BD是北京中泰研創科技有限公司的以太網系列多功能數據采集卡，依靠的是一個A/D轉換器，多路采集。該板卡的主要性能如下：

★ EM9636嵌入式數據采集模塊具有多種接口供您選擇，以太網接口、USB接口、無線Wi-Fi接口、 RS485接口、RS232接口。（支持標準的Modbus協議，無需編程就可與各種上位機組態軟件相連接）

★ EM9636嵌入式數據采集模塊，CPU中央處理器采用ARM9核心板，內部植入了嵌入式實時操作系統linux。強大的功效，可滿足不同客戶的多種需求。

★ EM9636嵌入式數據采集模塊可實現離線數據采集、存貯功能，可以脫機獨立使用，將采集的數據實時存儲在本地存貯器上（U 盤或SD卡上）。可脫離開計算機獨立工作，增加了系統的可靠性，降低了設備成本。

★ EM9636嵌入式多功能數據采集模塊，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;計數/測頻：6路;編碼器：2路;PWM輸出：3路。

3.2 采集系統的應用原理

3.2.1數據采集概論

現在計算機普遍運用，數據采集的重要性是相當明顯的。它是計算機與外部物理世界連接的橋梁。各種類型信號采集的難易程度差別很大。實際采集時，噪聲也可能帶來一些麻煩。數據采集時，要注意一些計算的準則，來解決一些實際中遇到的問題。

如果此刻對一個模擬信號x(t)每隔△t間隔采樣一次。時間間隔△t被叫做采樣間隔或者采樣周期。它的倒數l/△t被稱為采樣頻率，單位是采樣數/每秒。 t＝0，△t，2△t，3△t...等等，x(t)的數值就被稱為采樣值。所有的x（0），X（△T），X（2 T）的采樣值。所以數據信息所表示的離散的點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)，„}單個模擬信號和它采樣后的采樣值如圖3.2所示。采樣間隔是△t，注意，采樣所得到的點在時域圖上表示的是離散的。

圖3.2模擬信號采樣圖

假如對數據信息x(t)采集N個點，那么x(t)就可以用下面這個數列表示：X={x[0]，x[l]，x[2]，x[3]，„，x[N－l]}

 信號x(t)的數字化或者采樣顯示在此顯現出來。只是用下標變量在圖中顯示，而沒有表示任何關于時間間隔的信息。以此假如只了解該數據信息的采樣值，并不能了解它的采樣率，缺少了（△t），也不能夠了解數據信息x(t)的頻率。根據采樣定理，最小采樣頻率必須兩倍的信號頻率。換句話說，假如設定了采樣的頻率，那么能夠表現的最為準確沒有發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。假如數據信息中有頻率比奈奎斯特頻率高的成分，數據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表示了一個數據信息用兩種方式顯示出來的結果，一種是合適的采樣率和另一種是過低的采樣率進行采樣。

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

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

3.2.2數據采集卡的性能指標

1）采樣頻率

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

2）采樣方法

采集卡通常都有多個數據通道，如果所有的數據通道都輪流使用同一個放大器和A/D轉換器，要比每個通道單獨使用各自的經濟的多，但這僅適用于對時間不是很重要的場合。如果采樣系統對時間要求嚴格，則必須同時采集，這就需要每個通道都有自己的放大和A/D轉換器。但在成本的考慮，現在流行的是每個數據信道公共設置放大器和A / D轉換器。

3）分辨率

ADC的位數越多，分辨率就越高，可在較小的電壓的區別。例如，三位的A/D轉換把模擬電壓范圍分成23=8段，每段用二進制代碼在000到111之間表示。因此，數字信號不能反映原始信號，因為某些信息丟失。如果增加到十二位，代碼數從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數字化表示。

4）電壓測量范圍

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行測量，這樣利用了最大的分辨率范圍。

第四章 信號采集系統軟件設計及應用

4.1系統設計的軟件模塊劃分

4.1.1程序模塊化設計概述

系統程序的主要功能為模塊劃分的標準，包括電機轉速控制、數據采集、在線分析、數據保存、數據回放及離線分析等功能，其中數據采集及分析功能模塊如圖4.1所示。

圖4.1數據采集及分析功能模塊

4.2 信號采集系統的軟件實現

4.2.1數據信號采集及保存程序

這一部分是EM9636BD數據采集卡的應用，在這一部分中，最重要的是采集參數，其中包括物理信道的選擇，采樣方式，采樣率，采樣通道數，分辨率，時鐘源等設置。數據保存是把采集來的數據保存到DAT文件里，可以通過LabVIEW編寫的程序回放，數據采集程序如圖4.2所示、數據回放界面如圖4.3所示。

圖4.2 數據采集數據流程序框圖

圖4.3 數據回放波形顯示

4.2.2電機轉速控制子VI

步進電機是將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環控制元件?？刂齐姍C方向、調速控制程序如圖4.4所示。

圖4.4電機轉速控制程序圖

4.3 軟件具體實現

本設計的前面板由登錄界面、電機轉速控制、數據采集及在線分析、回放及離線分析幾個頁面組成，完美展現了一個數據采集與處理系統的功能和實際應用。下面分別介紹各個部分。

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，其中涉及了數據庫(Database)技術、ADO與數據庫的交互技術以及ACCESS數據庫（小型關系型數據庫管理系統），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訪問數據庫，它是一個免費的、跨平臺的labview數據庫訪問工具包。LABSQL利用Microsoft ADO對象和SQL語言來完成數據庫訪問，將復雜的底層ADO及SQL操作封裝成一系列的LABSQL Vis，簡單易用。

4.3.2數據采集前面板

該面板包含了采集的啟動以及停止按鈕、采集通道（即傳感器輸出信號的本系統設置了2個通道）、采樣率輸入、每通道采樣數的設置、每通道緩沖區的設置以及實時波形顯示，具體前面板如圖4.6所示。

圖4.6數據采集保存前面板圖

4.3.3模擬信號的分析實圖

在線分析用做數據的頻譜分析，在線分析是依據此次的振動信號分析設計 的單通道數據分析，具體前面板如圖4.7所示。

圖4.7信號功率譜（線性）

第五章 振動信號的頻譜分析

5.1 FFT的理論知識

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，它是根據離散傅氏變換的奇、偶、虛、實等特性，對離散傅立葉變換的算法進行改進獲得的。

FFT算法可分為按時間抽取算法和按頻率抽取算法，先簡要介紹FFT的基本原理。從DFT運算開始，說明FFT的基本原理。

DFT的運算為：

5.2振動信號的頻譜分析結論

通過對頻譜分析的理論知識以及LabVIEW中頻譜分析模塊的認真學習，通過編程進行了幾種譜分析，并得出結論。

1.當給定轉速理論值為480rpm時，功率譜分析如圖5.1所示

圖5.1功率譜波形圖（轉速480rpm）

2.當給定轉速理論值為960rpm時，功率譜分析如圖5.2所示

圖5.2功率譜波形圖（轉速960rpm）

3．當給定轉速理論值為1440rpm時，功率譜分析如圖5.3所示

圖5.3功率譜波形圖（轉速1440rpm）

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

綜上所述，轉速及振動的頻率與產生的能量大小成正比關系。因此，如果需要減小振動影響，就必須研究產生振動的頻率，通過實時的振動頻率檢測，再使用合適的減振設備，最終達到減振的效果。

第六章 總 結

本設計是基于虛擬儀器技術的研究。結合數據庫技術和軟件技術的發展，虛擬儀器技術實現多路數據采集，通過DAT文件保存，進一步分析振動信號，最終實現了一個多通道數據采集及分析系統。

本設計在數據庫的基礎上構建了多通道數據采集系統，其中包括用戶登錄，采集的數據保存，歷史數據的回放以及分析。整個系統從硬件到軟件的充分結合，完美的表達了一個數據采集系統的功能和實際應用。

在設計過程中，使用模塊化的編程方法，所以程序調試階段非常順利。網絡技術的飛速發展，使驅動虛擬儀器向著網絡化的方向發展。以PC機或工作站為平臺，采用虛擬儀器技術的測量與控制系統將成為一個重要的發展方向，未來測控應用中將會越來越多的使用虛擬儀器技術。

這樣的設計，體現了虛擬儀器技術的精髓。虛擬儀器所展現的新的模式和強大的功能必將贏得人們的青睞。隨著計算機和信息技術的發展，虛擬儀器將擴展到各個領域，這將帶來測量和控制儀表行業的巨大變革。