隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高和生產(chǎn)技術(shù)的高速發(fā)展，機(jī)械工程振動測試技術(shù)也隨之進(jìn)入了一個(gè)嶄新的階段[1]。信號的實(shí)時(shí)采集和處理在科學(xué)研究、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[2]。隨著被測系統(tǒng)越來越復(fù)雜，對測試儀器的速度、精度及數(shù)據(jù)處理能力的要求也越來越高。這就對設(shè)計(jì)提出了2個(gè)方面的要求：一方面，要求接口簡單靈活且有較高的數(shù)據(jù)傳輸率；另一方面，由于數(shù)據(jù)量通常都較大，要求主機(jī)能夠?qū)��?shí)時(shí)數(shù)據(jù)做出快速響應(yīng)，并及時(shí)進(jìn)行分析和處理[3]。因此，對實(shí)時(shí)的、高精度的振動信號測試分析系統(tǒng)的研究有著現(xiàn)實(shí)的意義。

　　摘要：針對工程測試對數(shù)據(jù)采集的實(shí)際需要，基于虛擬儀器的設(shè)計(jì)思想，采用USB接口進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，設(shè)計(jì)完成了一套振動信號測試與分析系統(tǒng)。以USB2088數(shù)據(jù)采集卡為基礎(chǔ)，依托VS2008開發(fā)平臺，編寫了系統(tǒng)的采集和分析程序，實(shí)現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的保存、波形顯示和頻譜分析的同步進(jìn)行。最后進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試，驗(yàn)證了系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤，滿足功能要求，性能穩(wěn)定，便于廣泛應(yīng)用。

　　關(guān)鍵詞：USB,測試分析,振動信號,數(shù)據(jù)采集

　　0引言

　　目前振動信號常用的數(shù)據(jù)采集方式是通過數(shù)據(jù)采集板卡，如ISA總線，PCI總線，RS422，RS485等接口形式的A/D采集卡[4]。這種板卡不僅安裝麻煩，而且易受計(jì)算機(jī)插槽數(shù)量和地址、中斷資源的限制，不可能掛接很多設(shè)備。而通用串行總線（UniversalSerialBus，USB）正是順應(yīng)這一要求提出的，它集PCI和RS232C的優(yōu)點(diǎn)于一身，具有較高的傳輸速度，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的“即插即用”（Plug&Play），同時(shí)一個(gè)USB主設(shè)備上最多可以連接127個(gè)外設(shè)[5]。

　　因此，本文將USB技術(shù)應(yīng)用于數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集。設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了一種基于USB的振動信號測試分析系統(tǒng)。在硬件上采用USB接口，軟件上采用VC++進(jìn)行開發(fā)，采用多線程編程，使系統(tǒng)的效率從這兩方面都得到提升。

　　1系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

　　從軟件上看，該系統(tǒng)包括固件程序，驅(qū)動程序及應(yīng)用軟件。其中固件程序是采集卡商家以寫好燒進(jìn)采集卡硬件的程序，負(fù)責(zé)采集卡的采集工作。驅(qū)動程序和應(yīng)用軟件則裝在計(jì)算機(jī)中，驅(qū)動程序是遵循USB協(xié)議編寫的負(fù)責(zé)應(yīng)用軟件與采集卡正常通信的程序。而應(yīng)用軟件是人機(jī)交互接口，是實(shí)現(xiàn)信號分析處理各項(xiàng)功能的關(guān)鍵部分[6]。

　　系統(tǒng)預(yù)期將要實(shí)現(xiàn)的主要功能為：

　�。�1）0～400kHz的可調(diào)采樣頻率，0～20V的可調(diào)電壓范圍；

　�。�2）可實(shí)現(xiàn)對單個(gè)和多個(gè)信號的實(shí)時(shí)同步采集與監(jiān)視功能；

　　（3）能夠?qū)π盘栠M(jìn)行分析處理：通過從數(shù)據(jù)采集模塊或存儲模塊的獲得數(shù)據(jù)，結(jié)合分析參數(shù)的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)信號實(shí)時(shí)波形顯示、頻譜分析、相關(guān)分析、統(tǒng)計(jì)特征分析、包絡(luò)解調(diào)分析等；

　�。�4）能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分段存儲和波形的回放查看。

　　2系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是數(shù)據(jù)采集卡選型。在測試系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集器是必不可少的組成部分，它是外部測控對象的信息與計(jì)算機(jī)交互轉(zhuǎn)換的通道。目前現(xiàn)在的實(shí)時(shí)信號分析系統(tǒng)都是臺式的，體積較大，現(xiàn)場使用和攜帶不是很方便[7]。

　　USB的出現(xiàn)很好地解決了以上問題。USB不僅具有快速的傳輸性能，而且USB協(xié)議本身具有很強(qiáng)的糾錯能力，另外它的即插即用模式和易擴(kuò)展性能都具有很強(qiáng)的發(fā)展前途和應(yīng)用價(jià)值，很容易就能實(shí)現(xiàn)低成本，滿足實(shí)時(shí)信號分析系統(tǒng)的要求。因此，本文采用基于USB2.0接口的數(shù)據(jù)采集卡。

　　3系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

　　軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)是整個(gè)分析系統(tǒng)開發(fā)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。采用VC++為開發(fā)平臺，進(jìn)行系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括：軟件系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)、信號分析與處理模塊設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)存儲模塊設(shè)計(jì)等。

　　3.1系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)

　　基于硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，將系統(tǒng)軟件分為3個(gè)模塊：數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)分析與處理模塊和數(shù)據(jù)存儲模塊。三個(gè)模塊之間，相互聯(lián)系，其功能分別如下：

　　（1）數(shù)據(jù)采集模塊：采集卡參數(shù)設(shè)置、采集設(shè)備的啟�？刂坪蛷�(fù)位，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能（連續(xù)采集或單次采集）。

　�。�2）數(shù)據(jù)分析和處理模塊：通過從數(shù)據(jù)采集模塊或存儲模塊的獲得數(shù)據(jù)，結(jié)合分析參數(shù)的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)信號實(shí)時(shí)波形顯示、頻譜分析、相關(guān)分析、統(tǒng)計(jì)特征分析等。

　�。�3）數(shù)據(jù)存儲模塊：實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和讀取，并回放顯示、分析處理的功能。

　　程序設(shè)計(jì)中，選用了單文檔結(jié)構(gòu)來編制應(yīng)用程序[8?9]。首先將客戶區(qū)分割為1行2列兩個(gè)部分：左側(cè)為電壓值數(shù)字顯示窗口，關(guān)聯(lián)的類為CA/DDigitView（派生自CScrollView）；右側(cè)為圖形顯示窗口，關(guān)聯(lián)的類為CA/DWaveView（派生自CScrollView）。

　　參數(shù)設(shè)置及分析控制采用2個(gè)對話欄，派生自CDialogBar，用戶可以通過其進(jìn)行采集卡參數(shù)設(shè)置和信號采集、分析控制。由于程序功能較為簡單，故在界面上幾乎就可以進(jìn)行全部的操作，使用上極其方便。

　　3.2數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

　　該模塊用以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集卡參數(shù)設(shè)置、采集設(shè)備的啟�？刂坪蛷�(fù)位，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能（連續(xù)采集或單次采集），為后2個(gè)模塊提供與設(shè)備相連接的紐帶。主要包括：

　�。�2）數(shù)據(jù)采集接口函數(shù)開發(fā)。A/D采集主要函數(shù)：創(chuàng)建設(shè)備對象函數(shù)、釋放設(shè)備對象所占的系統(tǒng)資源及設(shè)備對象、復(fù)位整個(gè)USB設(shè)備、初始化設(shè)備對象、釋放設(shè)備對象中的A/D部件、批量讀取USB設(shè)備上的A/D數(shù)據(jù)、創(chuàng)建內(nèi)核系統(tǒng)事件。

　�。�2）A/D采集的A/DBuffer緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)排放規(guī)則制定。如果進(jìn)行連續(xù)不間斷循環(huán)采集，即只進(jìn)行一次初始化設(shè)備操作，然后不停的從設(shè)備上讀取A/D數(shù)據(jù)，那么需要特別注意的是應(yīng)處理好各通道數(shù)據(jù)排列和對齊問題，尤其任意通道數(shù)采集時(shí)否則，用戶無法將規(guī)則排放在緩沖區(qū)中的各通道數(shù)據(jù)正確分離出來。3.3信號分析與處理模塊設(shè)計(jì)

　�。�1）信號波形顯示。通過“波形”來描述信號。通過編制算法，實(shí)現(xiàn)信號的實(shí)時(shí)采集，并進(jìn)行波形顯示。

　　（2）頻譜分析。實(shí)現(xiàn)信號的頻譜分析，能夠正確識別各頻率分量的位置，通過頻譜幅值計(jì)算，可以得到原始信號的幅值大小。

　　（3）相關(guān)分析。在信號分析中，相關(guān)性是一個(gè)非常重要的概念，它表達(dá)了兩個(gè)信號（或一個(gè)信號）不同時(shí)刻之間的線性相關(guān)程度，揭示信號的結(jié)構(gòu)特性，因此相關(guān)分析成為了對兩組信號的相關(guān)特性進(jìn)行定量分析的一種技術(shù)，可以在噪聲背景下提取信號中的有用信息[10]。相關(guān)分析主要實(shí)現(xiàn)：自相關(guān)分析和互相關(guān)分析。

　�。�4）統(tǒng)計(jì)特征分析。常用的幅值域參數(shù)有以下幾個(gè)：均值、均方值（均方根值）、方差，最大值、最小值；常用有量綱幅值域診斷函數(shù)：方根幅值、絕對平均幅值、歪度、峭度等；常用無量綱幅值域診斷函數(shù)：波形指標(biāo)、峰值指標(biāo)、脈沖指標(biāo)、裕度指標(biāo)、峭度指標(biāo)等。

　　此外，還有概率密度函數(shù)和概率分布函數(shù)。

　　3.4數(shù)據(jù)存儲模塊設(shè)計(jì)

　　5結(jié)語

　　由于USB總線具有傳輸速度塊、連接靈活、即插即用、攜帶方便等優(yōu)點(diǎn)，非常適合于現(xiàn)場測試，基于USB的采集系統(tǒng)必將在將來的測試領(lǐng)域中占據(jù)重要地位。因此，基于USB接口的USB2088數(shù)據(jù)采集卡，依托VS2008開發(fā)平臺，開發(fā)設(shè)計(jì)了一套振動信號測試分析系統(tǒng)。

　　通過實(shí)驗(yàn)測試，驗(yàn)證了本系統(tǒng)所編制的數(shù)據(jù)采集分析程序功能穩(wěn)定，可以滿足測試中的各種分析要求。同時(shí)，該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)對振動信號進(jìn)行采集和處理，為以后機(jī)械振動方面的測試工作提供了一個(gè)有效的工具。

　　參考文獻(xiàn)

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