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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(chēng)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(guò)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(kāi)發(fā)項(xiàng)目的過(guò)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(méi)有將兩者很好的結(jié)合在一起。在系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程中，由于兩者是獨(dú)立分開(kāi)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(lái)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(guò)采集卡反饋到變頻器，再通過(guò)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(guò)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(kāi)發(fā)平臺(tái)是目前測(cè)控行業(yè)的熱門(mén)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(yǔ)言使得虛擬儀器的開(kāi)發(fā)效率的得到了很明顯的提高。在20世紀(jì)70年代以來(lái)，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(kāi)發(fā)的程序開(kāi)發(fā)環(huán)境，具備類(lèi)似于C語(yǔ)言和BASIC語(yǔ)言的功能，可是LabVIEW與其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的特別的不同之處在于：其余的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言都是利用基于文字語(yǔ)言來(lái)寫(xiě)出代碼，而LabVIEW是依靠圖形化編寫(xiě)語(yǔ)言G編寫(xiě)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(kāi)發(fā)測(cè)控系統(tǒng)最好的軟件。 LabVIEW開(kāi)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(wèn)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(guò)正版LabVIEW編寫(xiě)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(guò)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(guò)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(guò)一個(gè)變頻器來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，再通過(guò)振動(dòng)傳感器來(lái)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(lái)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(guò)改變電腦界面上變頻器的限定電壓的最大值和最小值來(lái)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(lái)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(guò)采集卡采集到傳感器里傳出來(lái)的電信號(hào)，再放入內(nèi)部的緩存器，傳入電腦。

PC機(jī)：通過(guò)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(lái)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(guò)這些圖來(lái)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(kāi)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(kāi)發(fā)與儀器的硬件變化沒(méi)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(lèi)儀器功能也愈來(lái)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(kāi)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(kāi)發(fā)軟件。這些NI開(kāi)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(kāi)發(fā)。

圖2.3 虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu)圖

2.2 虛擬儀器的開(kāi)發(fā)軟件

2.2.1虛擬儀器的開(kāi)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(guò)前面板來(lái)顯示想要實(shí)現(xiàn)的功能。通過(guò)調(diào)用不同控件，并將其端點(diǎn)相互連接來(lái)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(guò)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(yǔ)法細(xì)節(jié)的編寫(xiě)。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(lái)模擬真實(shí)儀器控制面板；程序框圖是圖形語(yǔ)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(yǔ)言。LabVIEW具備一系列無(wú)可比擬的長(zhǎng)處：LabVIEW作為圖形化語(yǔ)言編程，利用流程圖的方式來(lái)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(lèi)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(lái)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(lèi)對(duì)象，具體表現(xiàn)有開(kāi)關(guān)、旋鈕、圖形以及其他控制和顯示對(duì)象。但并非畫(huà)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(guò)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(méi)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(pán)：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(lèi)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(chēng)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(wú)線Wi-Fi接口、 RS485接口、RS232接口。（支持標(biāo)準(zhǔn)的Modbus協(xié)議，無(wú)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(pán)或SD卡上）。可脫離開(kāi)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(lèi)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(lái)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(lái)解決一些實(shí)際中遇到的問(wèn)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(chēng)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(chēng)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(lái)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(lái)。只是用下標(biāo)變量在圖中顯示，而沒(méi)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(shuō)，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(méi)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(lái)的結(jié)果，一種是合適的采樣率和另一種是過(guò)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(guò)低采樣波形圖

采樣率太低使信號(hào)頻率的看起來(lái)低于原始信號(hào)頻率。該信號(hào)稱(chēng)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(lái)的數(shù)據(jù)保存到DAT文件里，可以通過(guò)LabVIEW編寫(xiě)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(kāi)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(yè)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(wèn)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(wèn)工具包。LABSQL利用Microsoft ADO對(duì)象和SQL語(yǔ)言來(lái)完成數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)，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(kāi)始，說(shuō)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(lái)測(cè)控應(yīng)用中將會(huì)越來(lái)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(lái)測(cè)量和控制儀表行業(yè)的巨大變革。